非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片

摘要

非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，包括基片、微光电极、双极电极、盖片；由基片和盖片形成微流通道，微光电极、双极电极沉积于基片表面，微光电极有两个，分别位于双极电极的两侧；盖片上设置有两个微孔，光线从微孔穿过照射到两个微光电极上；微光电极作为微流通道中电渗流和双极电极电化学的光生伏特驱动单元，双极电极作为微流通道的电泳分离/浓集单元。实现了以光作为驱动动力的BPE-微流控芯片；这种光驱动的BPE-微流控芯片是采用非接触式光控分离、浓集和多维分离复杂样品的基础。

权利要求

1.非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：包括基片、盖片、微光电极(2)、双极电极(3)；基片和盖片形成微流直通道，微光电极(2)、双极电极(3)沉积于基片表面，介于基片和盖片之间；微光电极(2)有两个，分别位于双极电极(3)的两侧；盖片上设置有两个微孔，光线从中穿过照射到两个微光电极(2)；微光电极(2)作为微流通道中电渗流和双极电极电化学的光生伏特驱动单元，双极电极(3)作为微流通道的电泳分离/浓集单元；所述微光电极（2）为楔形，其倾角为30-45°。

2.如权利要求1所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：双极电极(3)为薄片型，置于通道中原位检测的位置，其长和宽均小于通道宽度。

3.如权利要求1所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：所述的微光电极（2）为半导体氧化物/金属光电极。

4.如权利要求1所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：所述的微光电极（2）为TiO2/Au或TiO2/Pt光电极。

5.如权利要求3所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：所述的薄片双极电极（3）材料为金（Au）或银（Ag）。

6.如权利要求1所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：所述基片和盖片材料均为PDMS。

7.如权利要求1所述的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，其特征在于：所述的微光电极(2)由为真空镀金膜和TiO2膜层叠构成楔形结构。

8.根据权利要求1-7中任一项的微流控芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基片的制作

采用光刻掩膜方法，先设计微流通道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上涂一层SU-8负光刻胶，硅片以及表面上的SU-8负光刻胶凸起用作制作基片的阳模，阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理；在模具上倾倒已经脱气的基片材料，把一个表面平整的载玻片放在倒有基片材料的模具上，均匀施加压力，挤出多余的基片材料；烘干固化，然后将固化的基片材料从阳模剥离，得到具有特定微流通道的基片；

2)微光电极的制作

以铜箔为掩膜，掩盖具有微流通道的基片，在微通道铜箔掩膜的中间相应位置，采用激光开方形小孔，真空镀金作为双极电极金膜；再以铜箔掩盖基片，在相应的掩膜两侧开缝，真空镀金得到对称的两个楔形金膜；在楔形金膜上的铜箔掩膜激光开孔，真空镀金属氧化物薄膜，即得微光电极；

3)双极电极沉积于基片表面，置于两个微光电极中间；

4)盖片的制作

将基片材料与引发剂以10:1质量比混合，脱气后，置于载玻片上，保温反应；聚合反应完毕后，冷至室温，剥离，即得盖片；

5)开孔

将盖片与基片精确对齐，在盖片的相应位置用紫外激光开孔，通过调整激光强度与脉冲时间控制开孔深度；

6)芯片封合

以无水乙醇清洗基片与盖片，吹干，在低压汞灯下照射放置，即得PDMS微流控芯片。

说明书

非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片的微结构及其工作原理，属于微流控全分析技术领域。背景技术：

[0002] 微流控是指在数十到数百微米的微通道内操控流体的相关技术和科学。微全分析系统（Micro TotalAnalysis System,μ-TAS）是通过对多种全分析系统的小型化，将多个分析步骤（进样、反应、分离和检测）集成在单一的微流控芯片上，具有分析时间短、样品试剂消耗小、现场操作和高稳定性等特点，越来越多地应用在（细胞）生物学、食品、药学及化学合成、空间生命科学仪器等领域。μ-TAS装置以平板玻璃或聚合物为基质，用盖板封闭微通道网络，以微加工技术可将分离通道方便地集成为多个功能单元。μ-TAS可以使体积大、结构复杂、大功耗的实验室分析仪器缩微成为功能强大的、重量小、低功耗的便携式分析仪器。

[0003] 用于微流控分析系统中的双极电极（Bipolar electrode,BPE），是指一个放置在微流通道中的导体，当足够高的电场施加在微流通道中的离子缓冲液时，这个导体一端发生氧化反应，一端发生还原反应，这个导体就称为BPE。即使没有把BPE与外电源直接用导线相连，法拉第反应也能在BPE末端发生，其两端上的氧化-还原反应同时进行以维持整个电极的电中性。微通道中的BPE是一个与离子液相接触的微小电导体，用来保证高阻抗以减小电流通过。漂浮在溶液中BPE电势决定于溶液的组成，而电极和溶液间的界面电势促使发生电化学反应的电子转移。在整个分析系统无外加电能供给时，采用压力流（如通过手动注射器产生压力流）驱动带电荷的微通道内壁的液流，产生伏特级的流动势能（~8伏），该流动势能使BPE末端发生法拉第电化学反应。用一种时间稳态（几百秒）的电场梯度的动态测定方法，发现在微通道中BPE周围非均匀电场梯度对应着富集痕量组分的区域，且该梯度可以通过压力驱动的液流来调节。通过观察BPE阳极Ag溶解，说明BPE上的电化学反应可以在缺乏外加电动力的情况下进行，故BPE这类电化学传感器可以是自供电的，这就为在不需要外加电源条件下、特别是便携或在户外或无电地区开展电化学分析工作创造了条件，使BPE成为微流控芯片上集成电化学系统的新手段。总之，BPE具有如下特点：1).在无需直接外接电源的、漂浮在微流通道里BPE的末端可发生法拉第电化学反应；2).BPE周围产生的非均匀电场梯度，能有效地使带电分子区带实现分离和浓集；3).BPE易于集成在微流控芯片上，特别适合形成复杂的微阵列结构，并可方便地实现电化学或光学检测。

[0004] 对微流通道中的BPE而言，尽管它能通过在无需直接外接电源的（非直接的）BPE两端发生法拉第电化学反应和分子区带浓集，但对微流通道-BPE中的不同分析物区带间的电泳分离装置而言，还需要直接接触式连接外加电源或直接接触式连接的压力流驱动装置。微流控芯片的驱动动力传统上是应用外加电场和压力驱动做为驱动动力。而本发明的目的，是将光束照射到指定光电极上，并在微通道中的BPE两端电解质缓冲液中产生驱动电势，实现一种非接触式光驱动微流通道BPE分离、浓集，并可以方便地实现连续阵列的微全分析基本结构。这种完全非接触式的光驱动的微流通道-BPE装置，还未见国际国内发明公布和文献报道。

[0005] 本发明的目的是公布一种对微流通道-BPE装置而言，一种完全非接触式或非连接的光驱动的微流通道-BPE型原理的装置。该装置由产生可控的光束单元、微光电极单元和微流通道-BPE单元组成。该发明的意义在于，实现一种非接触式的光驱动-微流通道-BPE型原理，为通过复杂的光开关控制光束来操控分子区带的多维分离提供一种新方法，为进一步实现光开关调制下的、时-空可变的非均匀电场和pH梯度下的多种不同分析物微区带的同时浓集、分离、捕获和超微检测，奠定基本的原理和方法学基础。该发明能够有效地利用微流控通道中的微光电极单元所形成的光生电场，驱动分子区带的差速迁移（分离）和浓集，并可以进行BPE上的法拉第反应。这种微分离浓集结构单元还可以进一步串联或形成网络结构，为实现对复杂样品在微流控芯片上的多维分离和无标记的原位检测奠定基础。发明内容：

[0006] 本发明的目的是提供一种非接触光驱动微流通道-双极电极的微结构，亦即一种无线非接触光驱动微流通道-双极电极的微结构芯片。

[0007] 具体如下：

[0008] 非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片，包括基片、盖片、微光电极、双极电极；基片和盖片形成微流直通道，微光电极、双极电极沉积于基片表面，介于基片和盖片之间；
微光电极有两个，分别位于双极电极的两侧；盖片上设置有两个微孔，光线从微孔中穿过照射到两个微光电极；微光电极作为微流直通道中电渗流和双极电极电化学的光生伏特驱动单元，双极电极作为微流通道的电泳分离/浓集单元。

[0009] 进一步，所述微光电极为楔形，其倾角为30-45°。

[0010] 进一步，双极电极为薄片型，置于通道中原位检测的位置，其长和宽均小于通道宽度。

[0011] 进一步，所述的微光电极为半导体氧化物/金属光电极。

[0012] 进一步，所述的微光电极为TiO2/Au或TiO2/Pt光电极。

[0013] 进一步，所述的薄片双极电极材料为金（Au）或银（Ag）。

[0014] 进一步，所述基片和盖片材料均为PDMS。

[0015] 进一步，所述的微光电极由为真空镀金膜和TiO2膜层叠构成楔形结构。

[0016] 所述微流控芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0017] 1)基片的制作

[0018] 采用光刻掩膜方法，先设计微流通道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上涂一层SU-8负光刻胶，硅片以及表面上的SU-8负光刻胶凸起用作制作基片的阳模，阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理；在模具上倾倒已经脱气的基片材料，把一个表面平整的载玻片放在倒有基片材料的模具上，均匀施加压力，挤出多余的基片材料；烘干固化，然后将固化的基片材料从阳模剥离，得到具有特定微流通道的基片；

[0019] 2)微光电极的制作

[0020] 以铜箔为掩膜，掩盖具有微流通道的基片，在微通道铜箔掩膜的中间相应位置，采用激光开方形小孔，真空镀金作为BPE金膜；再以铜箔掩盖基片，在相应的掩膜两侧开缝，真空镀金得到对称的两个楔形金膜；在楔形金膜上的铜箔掩膜激光开孔，真空镀金属氧化物薄膜，即得微光电极；

[0021] 3)双极电极沉积于基片表面，置于两个微光电极中间；

[0022] 4)盖片的制作

[0023] 将基片材料与引发剂以10:1质量比混合，脱气后，置于载玻片上，保温反应；聚合反应完毕后，冷至室温，剥离，即得盖片；

[0024] 5)开孔

[0025] 将盖片与基片精确对齐，在盖片的相应位置用紫外激光开孔，通过调整激光强度与脉冲时间控制开孔深度；

[0026] 6)芯片封合

[0027] 以无水乙醇清洗基片与盖片，吹干，在低压汞灯下照射放置，即得本发明PDMS微流控芯片。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] 1）实现了以光作为驱动动力的BPE-微流控芯片；

[0030] 2）这种光驱动的BPE-微流控芯片是采用非接触式光控分离、浓集和多维分离复杂样品的基础。附图说明：

[0031] 图1为一种非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片的结构和电场分布示意图。

[0032] 图2为微光电极结构示意图。

[0033] 图3为非接触光驱动微流通道双极电极芯片加工示意图。

[0034] 其中：1.PDMS；2.微光电极；3.双极电极（BPE）；4.光生电场方向；a．硅片上甩胶SU-8；b.光刻显影；c.浇注PDMS；d.脱模得PDMS基片；e.掩铜膜真空镀金形成BPE及楔形金膜，它们是在图3d微通道的放大剖面图内显示的；f.真空镀TiO2膜形成TiO2/Au光电极；g.封合芯片。具体实施方式：

[0035] 下面结合附图对本发明做详细描述。

[0036] 如图1所示，（A）光驱动-双极电极芯片；（B）光驱动-双极电极沿微通道轴向的电场空间分布示意图。

[0037] 本发明的芯片结构为：包括基片、盖片、微光电极(2)、双极电极(3)；基片和盖片形成微流通道，微光电极(2)、双极电极(3)安装于基片表面，介于两个基片中间；微光电极(2)有两个，分别位于双极电极(3)的两侧；盖片上设置有两个微孔，光线从中穿过照射到两个微光电极(2)；微光电极(2)作为微流通道中电渗流和双极电极电化学的光生伏特驱动单元，双极电极(3)作为微流通道的电泳分离/浓集单元。

[0038] 微光电极(2)结构如图2所示，其中：底层为真空镀金膜（楔形）；上层为TiO2膜。

[0039] 微通道中BPE金膜的两端有倾角为30-45°TiO2/Au光电极或TiO2/Pt光电极（2），或其它半导体氧化物/金属光电极，微流通道内充满电解质缓冲液和待分离的分子带。用控制的光束照射半导体氧化物/金属光电极，由于半导体的光生伏特效应而产生电势，电解质缓冲液和待分离的分子带在这种光生伏特产生电场作用下产生电渗流和电泳。在矩形BPE金膜的准等势体的两端与沿微流通道轴向形成电势降，形成BPE两端的氧化还原电势，发生氧化还原反应。在分离通道中的BPE金膜周围形成非均匀电场，对分子带起高效的浓集作用。从而在微流直通道中，实现非接触式光驱动双极电极分离、浓集。

[0040] 实施例1：

[0041] A.基片的制作

[0042] 采用制作光掩膜的方法，通过CAD设计微流通道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片（50×50×2mm）上涂一层SU-8负光刻胶，通过紫外光曝光，未曝光部分用显影液溶解，硅片以及表面上的SU-8负光刻胶凸起用作制作PDMS基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理。在模具上轻轻倾倒已经脱气的PDMS预聚物，把一个表面平整的载玻片放在倾倒有PDMS预聚物的模具上，均匀施加压力，挤出多余的PDMS，再把它们转移到80℃的烘箱中热处理1h固化，然后将固化的PDMS从阳模剥离，得到具有特定微流通道（长4cm，宽60μm，深25μm）的PDMS基片。以铜箔为掩膜，掩盖PDMS基片，在微通道铜箔掩膜的中间相应位置激光开边长为50μm方形小孔，真空镀金50nm厚，即得金双极电极；再以铜箔掩盖PDMS基片，在相应的掩膜两侧开宽度为55μm缝，先得到对称的两个楔形金膜，其沿微通道的楔形金膜厚度为100nm。用激光开孔（长100μm宽55μm）的铜箔做为掩膜，在楔形金膜上进一步真空镀TiO2薄膜30nm厚，即得TiO2/Au微光电极。

[0043] B．盖片的制作

[0044] 将PDMS与引发剂以10:1质量比混合，脱气后，置于载玻片上，65℃下保温90min。聚合反应完毕后，冷至室温，剥离，得无色透明PDMS盖片。

[0045] C.开孔

[0046] 将盖片与基片精确对齐，在盖片的相应位置用紫外激光开孔（样品池、废液池、两侧TiO2/Au光电极），通过调整激光强度与脉冲时间控制开孔深度。

[0047] D.芯片封合

[0048] 以无水乙醇清洗PDMS基片与PDMS盖片，吹干，在低压汞灯（6W）下照射3小时，放置两天，即得本发明的PDMS微流控芯片。

[0049] 最后，形成以TiO2/Au为微光电极、金为BPE的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片。

[0050] 实施例2：

[0051] 实施例2与实施例1操作步骤完全相同；其主要不同之处在于：实施例2的楔形微光电极真空镀的靶材为铂（Pt），形成的微光电极为TiO2/Pt。最后，形成以TiO2/Pt为微光电极、金为BPE的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片。

[0052] 实施例3：

[0053] 实施例3与实施例1和2的操作步骤完全相同；其主要不同之处在于：实施例3的楔形微光电极真空镀的靶材为金，形成的微光电极为TiO2/Au，但BPE真空镀的靶材为银（Ag），形成的是银BPE。最后，形成以TiO2/Au为微光电极、银为BPE的非接触式光驱动-双极电极的微流控芯片。