一种芯片质子泵及其制造和使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种芯片质子泵及其制造和使用方法，该芯片质子泵，包括微通道，其还包括至少一储液池、所述的储液池和微通道之间设有连接通道，该连接通道上设有将储液池和微通道隔开的质子膜，且该质子膜在通电时能驱动质子进入或泵出微通道；以及一微电极，微电极的一极设于储液池，另一极设于微通道上。本发明的质子泵，可以用于改变流经微通道的溶液pH值或形成pH梯度，便于进一步的反应或分离。可应用于微流控芯片通道中溶液的pH控制、改变以及pH梯度建立，并进行分离或分析等。
【专利说明】一种芯片质子泵及其制造和使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可用于改变微流控芯片通道中溶液pH值的芯片质子泵。
【背景技术】
[0002]微流控芯片是一种微通道网络，广泛应用于化学生物的分析、药物合成与筛选、细胞的培养与分析等领域。微流控芯片的主要特征之一在于将多个反应或分离的单元操作集成在一个基片上，完成一特定功能，如临床生化指标分析等。而这些反应或分离的单元操作(如电泳，色谱等)往往需要在特定的pH环境下进行，因而在集成不同最佳pH的操作单元时，需要在两单元操作之间施以溶液pH值的调节。
[0003]传统的芯片内pH调控方法包括以下几种:
[0004]1.缓冲溶液法:整个体系处于缓冲溶液中，使得外界对pH的干扰被缓冲溶液抵消掉。这种方法的缺点是只能做到稳定pH，而不能调节pH，同时弱酸根离子会对体系有一定的限制[I]。
[0005]2.外加酸碱法/滴定法:对体系注入外来的酸碱溶液，使得体系达到所需的酸碱度。这种方法的缺点是当外加的酸碱量较大时，对体系各组分的浓度影响很大，改变了体系原有的状态，同时引入了外来的物质，可能造成污染[2]。
[0006]3.电解法:利用电解水得到对应的氢离子或者氢氧根离子来减少或者增加pH。这种方法的缺点是电极处会产生对应的气体，造成电流或者电压不稳定，调控能力欠佳[3]。
[0007]4.生物质子泵法:如菌视紫红质类生物质子泵蛋白可在光的作用下将氢离子泵到细胞膜外，从而达到调节细胞膜内PH值的目的。使用生物质子泵蛋白可以改变微通道中溶液的PH值，且不引入气泡和杂质。但是这种方法缺点是蛋白质通道寿命较短，调节范围有限，只能单向调节[4]。
[0008]1.Continuous on-line concentration based on dynamic pH junction fortrimethoprim and sulfamethoxazole by microfluidic capillary electrophoresiscombined with flow injection analysis system, Liuyin Fan, Lihong LiujZhideHuj Journal of Chromatography A，2005，1062，133-137.[0009]2.Microbioreator Arrays with Integrated Mixers and Fluid Injectorsfor Highthroughput Experiments with pH and Dissolved Oxygen Control, HarryL T.Lee，Anthony J.Sinskeyj Lab on a Chip.2006，6，1229-1235
[0010]3.Automatic Electrochemical Micro-pH-Stat for Biomicrosystems, KatsuyaMorimotojHiroaki Suzuk1.Anal.Chem.，2008，80，905-914
[0011]4.Fabrication of an Optically Driven pH Gradient Generator Basedon Self-assembled Proton Pumps, Khaled M.Al-Aribej Amarjeet S.Bassi etal.，Microfluid Nanofluid, 2012，12，325-335.[0012]5.Electrochemically-Driven Large Amplitude pH Cycling for Acid-BaseDriven DNA Denaturation and Renaturationj Yongchun Wang, Bingwei Mao et al., Anal.Chem, 2011, 83，4930 - 4935
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于克服【背景技术】的不足，提供一种方便调节pH的芯片质子泵。
[0014]本发明的技术方案如下:
[0015]一种芯片质子泵，包括微通道，其还包括
[0016]至少一储液池、所述的储液池和微通道之间设有连接通道，该连接通道上设有将储液池和微通道隔开的质子膜，且该质子膜在通电时能驱动质子进入或泵出微通道；
[0017]以及一微电极，微电极的一极设于储液池，另一极设于微通道上。
[0018]在本发明的较佳实施例中，所述的质子膜包括钯膜、阳离子交换膜中的至少一种。阳离子交换膜是一大类物质，本发明可优选采用杜邦公司生产的含氟阳离子交换膜(Nafion膜)，聚丙烯基磺酸型离子交换膜，或聚苯乙烯磺酸型离子交换膜中的一种。质子膜的厚度根据需要，可以为100纳米-100微米之间调整。
[0019]在本发明的较佳实施例中，所述的质子膜为钯膜，钯膜将储液池和微通道完全隔开，钯膜的厚度可以为100纳米至100微米。
[0020]在本发明的较佳实施例中，芯片材料包括玻璃、硅片和聚二甲基硅氧烷等中的至少一种。
[0021]在本发明的较佳实施例中，芯片的微通道截面可以为任一边长小于500微米的矩形或直径小于500微米的毛细管。
[0022]前述的芯片质子泵的制备方法，包括如下步骤:
[0023](I)、在第一基底上形成用于微通道的凹槽；
[0024](2)、在第二基底上得到质子膜阵列；
[0025](3)、将带有凹槽的第一基底和带有质子膜阵列的第二基底进行对准阳极键合，使得质子膜悬于凹槽上方；
[0026](4)对第二基底未键合的一面进行背面套刻，然后刻蚀得到悬空的质子膜。
[0027]前述的芯片质子泵的制备方法，还包括步骤(5):将刻蚀后的第二基底与打好孔的PDMS键合得到具有芯片质子泵的微流控芯片。
[0028]其中，步骤(I)可以在基底上蒸镀铬金，然后光刻显影腐蚀得到玻璃上的沟道，并除去铬金；蒸镀铬金可以为在洗净的基底上连续蒸镀20纳米铬和200纳米金。
[0029]步骤(2)可以用光刻显影得到图案，蒸镀200纳米钯膜然后进行剥离得到钯膜阵列；
[0030]步骤(3)可以将带有沟道的玻璃与硅片有钯膜的一面阳极键合，然后在硅片未键合一面钯膜阵列对应的位置光刻刻蚀，得到悬空的钯膜。所述阳极键合可以采用如下条件，KT4Pa真空度下加热至380°C，压力300kPa，电压1000V条件下键合30分钟
[0031]步骤4.)刻蚀方法可以采用如下条件，10_4Pa真空度下，SF6流量为20sCCm，功率为180W，对硅进行刻蚀。
[0032]前述的芯片质子泵的使用方法，在微通道和储液池中分别充入电解质溶液，然后在两个电极中施加电场，驱使质子跨越质子膜，进入或离开微通道，进而改变微通道中溶液的pH值。[0033]在本发明的较佳实施例中，施加的电场电压为0-50伏，电流为0-1安培。
[0034]在本发明的较佳实施例中，通过改变施加的电场的方向，调控质子的泵入或泵出方向。
[0035]本发明质子泵由储液池，质子膜和微通道、及储液池中的电极和微通道中的电极组成，质子膜将储液池和微通道隔开，储液池和微通道中充满电解质溶液。通过电极在储液池和微通道之间施加不同方向直流电场，即可驱动质子通过质子膜进入或泵出微通道，进而改变微通道中溶液的pH值。可以用于改变流经微通道的溶液pH值或形成pH梯度，便于进一步的反应或分离。此芯片质子泵可应用于微流控芯片通道中溶液的PH控制、改变以及PH梯度建立，并进行分离或分析等。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明实施例1芯片质子泵的结构示意图；
[0037]图中:1-基板2-微通道3-储液池壁4-钯膜5-储液池6_钼电极7_银/氯化银电极
[0038]图2为芯片质子泵制备过程示意图。
[0039]图3芯片质子泵结构及工作示意图。
[0040]图4为芯片质子泵使用实施例，在两电极之间施加正向电场，芯片微通道中通入5 (6)-羧基荧光素溶液(上图)和罗丹明B (下图)的荧光强度变化过程照片，5 (6)-羧基荧光素溶液荧光强度随PH值增加而增加，罗丹明B则随pH值增加而降低。
[0041]图5芯片质子泵施加不同强度电流，微通道中(左)5(6)-羧基荧光素溶液随时间荧光强度增大，(右)罗丹明B溶液随时间荧光强度减弱。
[0042]图6芯片质子泵施加方波交变直流电场后(下)微通道中5 (6)-羧基荧光素荧光强度随时间变化曲线。
[0043]图7为芯片质子泵施加直流电场后，微通道中5 (6)-羧基荧光素溶液荧光强度随(左)溶液流速(右)电流强度变化曲线。
【具体实施方式】
[0044]实施例1
[0045]参见图1，为本发明芯片质子泵的结构示意图。其包括微通道以及储液池，储液池底部和微通道之间设有连接通道，该连接通道上设有钯膜，该钯膜厚度为200nm，在储液池上设有钼电极，而在微通道上设有银/氯化银电极。
[0046]实施例2芯片质子泵的加工制备
[0047]参见图2和图3，芯片质子泵的加工制备如下:
[0048]1.在四寸圆形高硼硅玻璃上连续蒸镀20纳米铬和200纳米金，然后光刻显影腐蚀，然后去掉铬金得到带有凹槽的玻璃，沟道宽150微米，深30微米，长I厘米，沟道两边有注液用凹槽。
[0049]2.在双面抛光的硅片上光刻显影得到图案，然后蒸镀200纳米钯，剥离后得到钯膜阵列，单个钯膜大小为120微米*120微米。
[0050]3.将带有凹槽的玻璃和带有钯膜阵列的硅片进行对准阳极键合，使得钯膜悬于沟道上方，键合条件KT4Pa真空度下加热至380°C，压力300kPa，电压1000V下键合30分钟，然后腐蚀抛光未键合的硅片面，使得硅片减薄到30微米。
[0051]4.对减薄的芯片硅片未键合的一面进行背面套刻，然后刻蚀得到悬空的钯膜，刻蚀条件为10_4Pa真空度下，SF6流量为20SCCm，功率为180W，接着对硅进行刻蚀，刻蚀深度为30微米。
[0052]5.将刻蚀后的芯片与打好孔的PDMS (聚二甲基硅氧烷)键合得到具有芯片质子泵的微流控芯片。
[0053]实施例3.芯片质子泵的使用
[0054]1.在微通道中通入pH值为2.77的5 (6)-羧基荧光素溶液，在两电极间施加正向电场(钼电极为正电极)，恒定电流4微安，微通道的荧光强度在7.29秒时显著增强，说明微通道中溶液的PH值增加到6以上。此外，在微通道中通入pH值为11.9的罗丹明B溶液，在两电极间施加反向电场(钼电极为负电极)，恒定电流8微安，微通道的荧光强度在9.88秒后显著降低，说明微通道中溶液的PH值降低到3以下。(图4)
[0055]2.在微通道中通入pH值为2.77的5 (6)-羧基荧光素溶液，在两电极间施加正向电场(钼电极为正电极)，恒定电流分别为1，2，4微安，考察微通道的荧光强度变化，结果表明，电流越强，荧光增加的速度越快。同样地，在微通道中通入PH值为11.9的罗丹明B溶液，在两电极间施加反向电场(钼电极为负电极)，恒定电流4,8, 20微安,微通道的突光强度变化速度也随着电流的增大而加快。(图5)
[0056]3.在微通道中通入pH值为5.5的5(6)-羧基荧光素溶液(50 μ g/ml)，在两电极间施加方波交变电场(电流从3微安变化到-3微安)，发现微通道的荧光强度随着交变电场的周期变化，表明微通道中的PH值可以正逆两个方向调节，并且可多次循环。(图6)
[0057]4.在微通道中通入pH值为5.5的5(6)-羧基荧光素溶液，在两电极间施加正向电场(钼电极为正电极)，恒定电流分别为10微安，考察微通道的荧光强度随溶液的流动速度变化，结果表明，当流速小于<9μ L/min时，流经质子泵的溶液荧光强度显著增加，表明流经的溶液PH值增加到6以上。类似地，在流速为3 μ L/min时，考察不同电流强度的影响，发现，只有当电流强度高于I微安是，微通道中溶液流经质子泵时，才发生彻底的荧光强度增强。这个实验证明芯片质子泵可应用于流动溶液的PH值改变(图7)。
[0058]实施例4
[0059]本实施例的基本结构和实施例1相同，所不同的是，钯膜被50微米厚的Nafion膜(杜邦公司产品，含氟的阳离子交换膜)取代。
[0060]参见图1，为本发明芯片质子泵的结构示意图。其包括微通道以及储液池，储液池底部设有连接通道，该连接通道上设有Nafion膜，该膜厚度为50微米，在储液池上设有钼电极，而在微通道上设有银/氯化银电极。
[0061]实施例5
[0062]本实施例的基本结构和实施例1相同，所不同的是，钯膜被100微米厚的聚丙烯基磺酸型阳离子交换膜取代。
[0063]参见图1，为本发明芯片质子泵的结构示意图。其包括微通道以及储液池，储液池底部设有连接通道，该连接通道上设有聚丙烯基磺酸型阳离子交换膜，该膜厚度为100微米，在储液池上设有钼电极，而在微通道上设有银/氯化银电极。
【权利要求】
1.一种芯片质子泵，包括微通道，其特征在于，还包括 至少一储液池、所述的储液池和微通道之间设有连接通道，该连接通道上设有将储液池和微通道隔开的质子膜，且该质子膜在通电时能驱动质子进入或泵出微通道； 以及一微电极，微电极的一极设于储液池，另一极设于微通道上。
2.如权利要求1所述的一种芯片质子泵，其特征在于:所述的质子膜包括钯膜、阳离子交换膜中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种芯片质子泵，其特征在于:所述的质子膜为钯膜，钯膜的厚度为100纳米至100微米。
4.如权利要求1所述的一种芯片质子泵，其特征在于:芯片材料包括玻璃、硅片和聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
5.如权利要求1所述的一种芯片质子泵，其特征在于:芯片的微通道截面为任一边长小于500微米的矩形或直径小于500微米的毛细管。
6.如权利要求1所述的芯片质子泵的制备方法，包括如下步骤: (1)、在第一基底上形成用于微通道的凹槽； (2)、在第二基底上得到质子膜阵列； (3)、将带有凹槽的第一基底和带有质子膜阵列的第二基底进行对准阳极键合，使得质子膜悬于凹槽上方； (4)对第二基底未键合的一面进行背面套刻，然后刻蚀得到悬空的质子膜。
7.如权利要求6所述的芯片质子泵的制备方法，其特征在于，还包括步骤 (5)将刻蚀后的第二基底与打好孔的聚二甲基硅氧烷键合得到具有芯片质子泵的微流控芯片。
8.如权利要求1所述的芯片质子泵的使用方法，在微通道和储液池中分别充入电解质溶液，然后在两个电极中施加电场，驱使质子跨越质子膜，进入或离开微通道，进而改变微通道中溶液的pH值。
9.如权利要求8所述的芯片质子泵使用方法，其特征在于，施加的电场电压为0-50伏，电流为0-1安培。
10.如权利要求8所述的芯片质子泵使用方法，其特征在于，通过改变施加的电场的方向，调控质子的泵入或泵出方向。
【文档编号】B01L3/00GK103537330SQ201310503969
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】周勇亮, 张大霄, 胡冬洁, 罗仲梓, 毛秉伟 申请人:厦门大学