专利名称：一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于微流控检测芯片的制作领域，特别涉及一种三电极体系光电化学微流 控检测芯片的制作方法。
背景技术：
微流控芯片分析测试系统是20世纪90年代出现的微全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems, μ TAS)的发展前沿，其发展方向是更加微型化、自动化、快速化 与便携化。微流控芯片的基本特征是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规 模集成。这样的好处是样品处理时间大幅缩短，检测分辨率/灵敏度显著提高以及消耗和 成本大幅降低。更为深远的意义则在于，它极有可能使微流控芯片的整体设备小型化、家庭 化，从根本上改变人类的生存质量。微流控芯片中流体的运动有其不同于一股宏观尺度的 流体运动的个性，如微流体的面体比增加，包括表面张力、黏性力、换热等在内的表面作用 增强，惯性力影响减弱，雷诺系数变小，边缘效应增大，三维效应变得不可忽略；此外，由于 线性尺寸减小，物理量梯度提高，传热传质的推动力增加。这些使得微流控芯片测试性能显 著超过宏观条件下的测试体系。微流控芯片最初的应用领域是分析化学，被作为一种分析化学的平台，其优势包 括耗样量低、分析速度快、具有高灵敏度和高分辨率、还可以把样品处理、分离、反应等与分 析相关的过程集成在一起，大大提高分析的效率。但目前微流控芯片的制作存在的主要缺 点有(1)成本高昂。由于通常要用到微电子工业中所用到的光刻技术，使得制作一只微流 控芯片需要许多特殊的设备和耗费大量的时间，制作过程非常复杂。(2)微流控芯片的封 接困难。在光刻或者微加工过程中，构成微反应器的基片表面通常会遭到破坏，造成凹凸不 平，用夹具或者黏结剂封接效果不好，容易发生渗漏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的 制作方法，该微流控芯片的制作过程简单，能够制作出流路复杂的微流控芯片，微通道的尺 寸可精确控制，且微反应器的封接不需要额外的黏结剂；所用材料PDMS透明、无毒、易于加 工，且能够透过波长大于230nm的光，能很好地应用于生物医学，方便某些须引入紫外光的 光电催化反应条件的实现；将微流控芯片应用于光电化学检测，试剂用量少，检测速度快， 灵敏度高。本发明的一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，包括(1)将液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)与配套的固化剂以10 1的质量比混合均勻， 然后采用旋转涂覆的方法将PDMS均勻地涂覆于玻璃片上，使其固化形成基片；(2)使用激光雕刻法，将预先通过软件(CorelDRAW 12)设计的图案，在PDMS上形 成微通道及相应的工作电极池、参比电极池、对电极池和进出口池；(3)在上述PDMS基片的工作电极池中安放工作电极，并用导线连接；
(4)把上述PDMS基片和另一片没有刻蚀的PDMS (作为盖片)用氧等离子体处理， 然后将两片PDMS的处理面黏贴在一起，并于80 150°C保温1 3小时，形成永久封接；(5)冷却后用打孔器在盖片的相应位置打孔，安放参比电极和对电极，用微管分别 连接进口池和出口池，用透明环氧树脂胶封装，完成微流控检测芯片的制作。步骤(1)中所述的PDMS (含配套固化剂)型号为Sylgard 184 (道康宁公司，包括 液态主剂和固化剂)；步骤(1)中所述的玻璃片厚度为1 3mm。步骤(1)中所述的旋转涂覆的转速为500 1000转/分钟；旋转时间为30 60秒。步骤(1)中所述的固化，其条件为固化温度100 150°C ；固化时间3 10分钟。步骤(2)中所述的激光雕刻法采用的是二氧化碳激光器，所用激光功率为12 20W，雕刻速度为40 70cm/s。步骤⑵中所述的微通道和池的深度为0. 2 0. 5mm,宽度为0. 2 5mm。步骤(3)中所述的工作电极为覆有纳米二氧化钛活性层的电极。步骤(4)中所述的氧等离子体处理条件氧气压强40 60Pa，照射功率100 200W，处理时间1 3分钟。步骤(5)中所述的参比电极为Ag/AgCl参比电极，对电极为钼丝；微管所用材料为 聚四氟乙烯。本发明首次采用激光雕刻法制作了集成三电极体系可用于光电化学检测用的微 流控检测芯片，并在此过程中选择合适的方式而无需黏结剂便可获得良好的接封而无渗漏。本发明通过绘图软件设计可以控制微通道的宽度；通过控制激光功率和雕刻速度 可以选择性地控制某一部分微通道的深度。选择不同的工艺条件，可以得到具有不同深度、 不同宽度微通道的微流控芯片。在该微流控芯片中，流体的厚度只有几百微米，在这种条件 下进行光电催化反应，光线可以很容易地穿透液层到达催化剂，能够充分地利用光能，提高 催化效率。有益效果(1)可以通过软件设计以及调节所用激光功率和雕刻速度，进而控制微通道的尺 度；(2)微流控芯片的接封不需要额外的粘结剂，并且封接后黏结牢固，不会发生渗 漏；(3)微流控芯片全透明，能够方便地观察内部情况并进行相关的光学检测，尤其能 透过波长大于230nm的光，可以方便地进行须紫外光激发的光催化反应；(4)微流控芯片的制作成本低，耗费时间少。
图1微流控检测芯片装置示意图；图2绘图软件设计的微流控芯片雕刻图案；图3第一步雕刻的微流控芯片微通道的形状；
图4实施例1在PDMS上刻出的如图2所示的图案(a)和最终完成的微流控检测 芯片(b)；图5在实施例1中得到的紫外光及其强度对光电流的影响图；图6实施例1中得到的在工作电极施加的偏压对光电流的影响图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。实施例1将液态的PDMS基体与固化剂以质量比10 1的比例混合均勻。将尺寸为 25mmX 75mm，厚度为Imm的玻璃片吸附在勻胶机转盘上，把PDMS倾倒在玻璃片上，以1000 转/分钟的转速旋转30秒。然后，把载有PDMS的玻璃片置于120°C的环境中保温6分钟 使PDMS固化。按照绘图设计的图形如图2所示，用CO2激光在PDMS上刻出通道。首先雕刻 如图3所示的部分，所使用的激光功率为12W，雕刻速度为50cm/s，所得通道深度为0. 2mm, 宽度为0. 2mm。然后雕刻剩余部分，所使用的激光功率为15W，雕刻速度为50cm/s，所得图 形深度为0.3mm，尺寸如图2所示。雕刻完成后，得到如图4a所示的基片。将覆有纳米二 氧化钛活性层的电极作为工作电极安放在工作电极池中，并用导线连接，然后连同另外一 片没有刻蚀的PDMS (作为盖片)放入氧等离子中进行处理，处理条件氧气压强50Pa，照射 功率150W，处理时间2分钟。取出后立即将两个处理面黏贴在一起，并置于120°C的温度下 保温2小时，便可获得完全封闭的通道。用打孔器在盖片的相应位置打孔，安放参比电极和 对电极，把聚四氟乙烯的微管分别连接到进出口池，使用透明环氧树脂胶封装，获得如图4b 所示的可用于光电化学检测的微流控芯片。以含有一定浓度有机物(如葡萄糖)的lmol/L的NaH2PO4水溶液来检验工作电极 上的活性物质(二氧化钛)对有机物的光电催化性能。将三电极与电化学工作站连接，用 微注射泵把溶液注入进微流控芯片中，注射流速为30 μ L/min，在工作电极施加一定强度的 紫外光(λ = 365nm)，并施加一个偏压(0. 1 0. 6V)，可检测到二氧化钛对有机物的光催 化降解反应对紫外光的响应情况。如图5所示，在有紫外光照射的情况下，三电极体系检测 到得光电流比没有紫外光照射的情况下要大得多(图5a)，并会随着光照强度的增加而增 大(图5b)。图6为使用微流控检测芯片对工作电极测得的线性伏安扫描，显示饱和电流会 随着紫外光强的增加而增大。实施例2将液态的PDMS基体与固化剂以质量比10 1的比例混合均勻。将尺寸为 25mmX75mm,厚度为2mm的玻璃片吸附在勻胶机转盘上，把PDMS倾倒在玻璃片上，以800转 /分钟的转速旋转45秒。然后，把载有PDMS的玻璃片置于100°C的环境中保温10分钟使 PDMS固化。按照绘图设计的图形如图2所示，用CO2激光在PDMS上刻出通道。首先雕刻如 图3所示的部分，所使用的激光功率为15W，雕刻速度为50cm/s，所得通道深度为0. 3mm,宽 度为0. 5mm。然后雕刻剩余部分，所使用的激光功率为15W，雕刻速度为40cm/s，所得图形深
5度为0. 35mm，尺寸如图2所示。雕刻完成后，将覆有纳米二氧化钛活性层的电极作为工作电 极安放在工作电极池中，并用导线连接，然后连同另外一片没有刻蚀的PDMS (作为盖片)放 入氧等离子中进行处理，处理条件氧气压强40Pa，照射功率100W，处理时间3分钟，取出后 立即将两个处理面黏贴在一起，并置于80°C的温度下保温3小时，便可获得完全封闭的通 道。用打孔器在盖片的相应位置打孔，安放参比电极和对电极，把聚四氟乙烯的微管分别连 接到进出口池，使用透明环氧树脂胶封装，获得可用于光电化学检测的微流控芯片。实施例3将液态的PDMS基体与固化剂以质量比10 1的比例混合均勻。将尺寸为 25mmX75mm,厚度为3mm的玻璃片吸附在勻胶机转盘上，把PDMS倾倒在玻璃片上，以500转 /分钟的转速旋转60秒。然后，把载有PDMS的玻璃片置于150°C的环境中保温3分钟使 PDMS固化。按照绘图设计的图形如图2所示，用CO2激光在PDMS上刻出通道。首先雕刻如 图3所示的部分，所使用的激光功率为20W，雕刻速度为70cm/s，所得通道深度为0. 4mm,宽 度为1mm。然后雕刻剩余部分，所使用的激光功率为20W，雕刻速度为50cm/s，所得图形深 度为0. 5mm，尺寸如图2所示。雕刻完成后，将覆有纳米二氧化钛活性层的电极作为工作电 极安放在工作电极池中，并用导线连接，然后连同另外一片没有刻蚀的PDMS (作为盖片)放 入氧等离子中进行处理，处理条件氧气压强60Pa，照射功率200W，处理时间1分钟，取出后 立即将两个处理面黏贴在一起，并置于120°C的温度下保温2小时，便可获得完全封闭的通 道。用打孔器在盖片的相应位置打孔，安放参比电极和对电极，把聚四氟乙烯的微管分别连 接到进出口池，使用透明环氧树脂胶封装，获得可用于光电化学检测的微流控芯片。
权利要求
一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，包括(1)将液态聚二甲基硅氧烷PDMS与配套的固化剂以10∶1的质量比混合均匀，然后采用旋转涂覆的方法将PDMS均匀地涂覆于玻璃片上，使其固化形成基片；(2)使用激光雕刻法，将预先通过软件设计的图案，在PDMS上形成微通道及相应的工作电极池、参比电极池、对电极池和进出口池；(3)在上述PDMS基片的工作电极池中安放工作电极，并用导线连接；(4)把上述PDMS基片和另一片没有刻蚀的PDMS作为盖片，用氧等离子体处理，然后将两片PDMS的处理面黏贴在一起，并于80～150℃保温1～3小时，形成永久封接；(5)冷却后用打孔器在盖片的相应位置打孔，安放参比电极和对电极，用微管分别连接进口池和出口池，用透明环氧树脂胶封装，完成微流控检测芯片的制作。
2.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(1)中所述的玻璃片厚度为1 3mm。
3.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(1)中所述的旋转涂覆的转速为500 1000转/分钟；旋转时间为30 60秒。
4.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(1)中所述的固化，其条件为固化温度100 150°C;固化时间3 10分钟。
5.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(2)中所述的激光雕刻法采用的是二氧化碳激光器，所用激光功率为12 20W，雕刻速度为40 70cm/s。
6.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(2)中所述的微通道和池的深度为0. 2 0. 5mm,宽度为0. 2 5mm。
7.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(3)中所述的工作电极为覆有纳米二氧化钛活性层的电极。
8.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤⑷中所述的氧等离子体处理条件氧气压强40 60Pa，照射功率100 200W，处理时间1 3分钟。
9.根据权利要求1所述的.一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，其 特征在于步骤(5)中所述的参比电极为Ag/AgCl参比电极，对电极为钼丝；微管所用材料 为聚四氟乙烯。
全文摘要
本发明涉及一种三电极体系光电化学微流控检测芯片的制作方法，包括将液态聚二甲基硅氧烷PDMS涂覆于玻璃片上，使其固化形成基片；使用激光雕刻法将预先设计的图案在PDMS上形成微通道及相应的工作电极池、参比电极池、对电极池和进出口池；然后安放工作电极，并用导线连接；将另一片没有刻蚀的PDMS作为盖片采用氧等离子体处理进行封接，最后集成参比电极和对电极，制作成三电极体系光电化学微流控检测芯片。本发明提供的制作方法操作简单，微通道尺寸可控，微流控芯片的接封不需要额外的粘结剂，并且封接后黏结牢固，不会发生渗漏，可用于光电化学检测，耗样量少，检测速度快，灵敏度高。
文档编号G01N27/30GK101949946SQ201010271740
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者张青红, 李耀刚, 王宏志, 穆庆辉 申请人:东华大学