专利名称：一种玻璃芯片流动微电解池及其制备方法
技术领域：
本发明属于微机电系统(MEMS)、电化学、分析检测及化学合成等交叉领域，涉及流动微电解池芯片及其制备方法。
背景技术：
微流控(Microfluidics)芯片技术是在微机电系统(MEMS)和微电子加工基础上发展起来的，旨在将分析系统集成以形成微全分析系统(Micro-TAS)，从而达到系统微型化，提高系统的效能和节省试剂等目的。电化学检测方法由于简单，灵敏，容易集成，因此最具形成微型全分析系统的潜力，作为芯片电泳的电化学检测器已经得到了广泛的研究和应用。电化学发光方法因其灵敏度高而备受关注，特别是在生化分析检测及环境分析等方面应用前景广泛。在芯片上进行微合成反应也是微流控芯片技术应用的热点之一，其中电化学合成是一个具有重要科学和实际应用前景的方向。
通常的电化学系统在较大的容器中进行，容积通常在毫升级以上。为了改善传质经常需要增加搅拌条件。为了防止工作电极和对极电化学产物互相混合和干扰，其间通常需要专门的膜材料进行隔离，同时又要保证电流的通畅。为了使工作电极的电位得到有效的控制，同时减小电压降，要求引入参比电极并尽可能接近工作电极。
微流控芯片电解池尺度与普通电解池容积相比很小，通常在纳升级。溶液在流动过程中可使横向传质得到改善。同时由于微通道中工作流体工作状态多处在层流，纵向传质受到很大限制，因此可以实现电极间无膜隔离。因此将电解池芯片化和流动化是一个重要技术改进。
如何在芯片微通道中引入微电极并进行精确定位一直是限制该技术发展的重要技术难题。采用微区活化或将电极材料沉积到基材表面，再采用光刻进行定位是经常采用的一种方法。目前存在的具有电极的芯片多为复合芯片，例如聚合物与无机材料复合制备的芯片。采用聚合物等基材加工相对容易，但是强度欠佳，而且表面性质一般疏水，且不稳定，容易吸附有机分子(Anal Chem，2005，77，1414)。玻璃是一种受欢迎的基材，因为其刻蚀工艺较简单，机械强度高，透明，电绝缘及导热性能好。现有的在玻璃表面加工微电极的方法主要基于表面沉积导电材料，例如溅设或蒸镀各种金属或导电氧化物(例如ITO)，再通过光刻等方法成型。该法有较高的精度，但是方法复杂繁琐，而且特别依赖专门设备。而且表面有电极结构的玻璃基材难以封装形成既有微通道又有微电极的芯片，虽然在高于玻璃熔点的温度条件下可实现封合(Anal.Chem.2001，73，3282-3288)，但容易造成微通道系统的畸变。也有通过芯片侧面通道引入电极的方法，但只能将电极引入，不能保证在微通道内的准确定位(LabChip，2005，5，711)。利用微通道的方法在有机玻璃芯片上引入丝状金属电极可实现芯片电导检测(Electrophoresis 2002，23，3760)，但是方法涉及高深宽比加工技术和复杂昂贵的专门设备。由于电化学本身的特点，在电解和检测过程中电极表面容易发生变化，电极处理和更新也是一个经常的操作。膜电极不可能进行更换处理，因此相关的芯片通常只能一次性使用。能够方便更换并定位微电极的的微电解芯片无论对于研究和使用均具有很大的实用意义。
发明内容
针对目前存在的在芯片微通道中引入微电极并进行精确定位方法存在的不足之处，本发明提供一种玻璃芯片流动微电解池及其制备方法。
本发明以玻璃为基材，用通用的湿法光刻和热封合方法在玻璃基材上形成微通道结构，微电极可以在芯片封合后通过电极通道装入微电解池通道，无需专门定位装置，微电极可以进行更换，实现了电解池的芯片化，流动化，改善传质的同时解决了电极产物之间的干扰问题。基于该方法还可以根据需要制作用于不同目的的芯片电化学检测池。
首先介绍芯片的结构，如图1所示。芯片包括电极1，微电解池通道2，电极通道3，密封胶4，电极定位脊5，溶液通道6，溶液进出口7，盖片8，基片9，电极进出口10。在基片8上或基片8和盖片9上同时刻有微电解池通道2和电极通道3，微电解池通道2和电极通道3连接处构成电极定位脊5，在微电解池通道2的两端有溶液通道6，芯片表面或芯片侧面开孔形成与溶液通道连接的溶液进出口7，电极通道3的端口为电极进出口10，电极进出口10处用密封胶4密封。
丝状电极(金属或碳纤维电极)经电极通道从芯片侧面引入并定位在电极通道中；刻蚀形成的脊状结构使电极定位的同时保持电极与电解池通道中的溶液连通；电解质溶液进出口通过芯片法线方向的孔，或通过芯片侧面与外部连通；电解质溶液的进口或出口有一个或一个以上；电解质溶液通过微电解池通道或电极通道进出微电解池。
芯片的制作方法采用通常的玻璃光刻和热封合的方法进行。首先利用图形生成软件设计掩模图形，如图2(a)所示。掩模图形利用激光照排机打印到聚酯胶片上(低精度掩模)形成由透光和不透光部分组成的掩模，如图2(b)所示。对于高精度微结构用图形发生器形成掩模。对于40微米以上的微结构，用分辨率3500dpi以上的激光照排机打印黑白胶片掩模。将掩模图形通过曝光机转移到涂有光胶的铬版玻璃基片上。光胶经显影和坚膜处理后，去掉暴露的牺牲层，在玻璃刻蚀液中进行刻蚀形成需要的微通道结构。刻蚀完成后去掉其余光胶及牺牲层，在溶液进出口处用金刚砂或超声波等方法打孔。对待封合的玻璃表面进行活化处理，去离子水流中贴合，热风吹干后在马福炉中加热封合。图2(c)显示了用图2(b)形掩模对玻璃进行湿法刻蚀得到的两个电极定位脊结构，可将通过电极通道引入得两个丝状电极定位在微电解池的两侧。定位脊是一个与微电解池通道和电极通道平行的突起结构，其高度小于微电解池通道和电极通道的深度以保持电极通道和微电解池通道的连通；微电解池通道的深度与定位脊高的差小于丝状电极的直径，从而将电极限制在给定的位置，如图1(b)所示。微电解池通道和电极通道的深度及脊高度通过掩模尺寸设计和刻蚀程度进行控制。
电极的引入有两种方法。一种是将对齐封合后的电极通道出口用常用的玻璃刻蚀液进行刻蚀扩孔，使出口成喇叭口状，电极通过该口引入电极通道，如图3所示。另一种方法是，封合时将上下两片交错，使电极通道出口暴露，电极沿暴露的通道插入电极通道，如图4所示。电极定位后在出口处用密封胶(常用的有机胶或蜡)封合。拆换电极时，加热去除封口蜡；或在马福炉中450摄氏度以下加热分解有机胶；或在酒精灯火焰下加热烧去密封胶后将芯片浸泡于浓硫酸洗液中浸泡1～24小时，后用水清洗，然后用前面介绍的方法重新安装或者更换电极。
该流动芯片电解池具有如下特点1.流动本身具有改善电极切线方向传质的作用；2.微型流动池体积仅为纳升级，试剂消耗少；3.对极和工作电极距离接近，电压降小；4.用参比和对极合一的方法可组成二电极系统；5.电极之间由于通道的层流作可用实现无膜隔离；6.玻璃芯片电解池透明性好，为光电化学研究创造了条件；7.电极拆装和更换方便，芯片可重复使用；8.电极配置灵活方便。
图1微电解芯片结构示意图。(a)微电解芯片俯视示意图；(b)微电解池截面示意图。
图2微电解芯片掩模图形。(a)掩模图形布局图；(b)电解池通道部分掩模放大CCD图(10倍显微物镜)，通道中的两条线用于在刻蚀中于微电解池通道中形成两个电极定位脊；(c)图(b)所示掩模刻蚀形成的两个电极定位脊。
图3芯片侧面腐蚀扩孔法电极安装示意图。
图4上下基片交错法电极安装示意图。(a)电极通道测面图；(b)电极通道俯视图。
图5微电解池芯片照片。(a)微电解池芯片照片，侧面扩孔法安装电极，环氧胶密封电极出口，芯片具有两个进口和两个出口；(b)微电解池芯片照片，封合时将上下两片交错，使电极通道出口暴露，电极沿暴露的通道出口插入微电解池通道，用蜡封合电极通道出口，该芯片具有一个进口和一个出口；(c)内装有两个平行微电极的电解池通道局部CCD图(10倍显微物镜)。微电解池通道宽度530微米，两个电极定位脊间距离190微米，通道深度90微米，定位脊高12微米，电极直径80微米。
图6平行双电极芯片作为电导检测池对KCl的电导检测响应曲线。
图7微电解池芯片循环伏安图，其中(a)三电极系统，微电解池通道中的两个铂丝电极分别作为工作电极和对极，Ag/AgCl参比电极置于出口池中，10mM K3Fe(CN)6水溶液的循环伏安图(CHI 760电化学工作站测定)；(b)二电极系统10mM K3Fe(CN)6水溶液的循环伏安图，通道中的一个铂丝电极同时为对极和参比电极，另一个铂丝电极作为工作电极。
图8微电解池电化学和电化学发光检测。其中(a)0，16，32，64，125 uM鲁米诺溶液的电化学发光随时间变化图的叠加；(b)0，16，32，64，125 uM鲁米诺溶液的循环伏安图的叠加。将芯片置于暗盒中，注射泵驱动溶液以3ul/min的流量通过微电解池通道。数据用微流控芯片发光检测系统(西安瑞麦分析仪器公司)和电化学工作站(CHI 760)测定。
图9流动电解池中pH梯度的荧光显微CCD照片(10倍显微物镜，荧光素为荧光指示剂)，其中(a)两个电极之间无电场；(b)电场方向从上到下；(c)电场方向从下到上。
图中1电极，2微电解池通道，3电极通道，4密封胶，5电极定位脊，6电解质溶液通道，7溶液进出口，8盖片，9基片，10电极进出口。
具体实施例方式
下面以基于激光照排机打印掩模的光刻和湿法刻蚀玻璃基材制备微电解池芯片的具体制作步骤详细介绍如下。
1.用CoreDraw或类似软件设计生成微通道及电极通道的掩模图形文件；2.利用激光照排机将图形文件打印到聚酯膜上，形成黑白掩模；3.利用紫外曝光机将掩模图形转移到铬版玻璃(长沙韶光，SG2506型)上面的正光胶(AZ4650)面4.曝光后的玻璃基片浸于0.5％NaOH溶液中显影40～60秒，将图形结构暴露；5.将芯片转移到烘箱中110℃后烘时间约15分钟，使光胶膜坚固；6.在去铬液中轻轻摇动下浸泡约2分钟，将暴露的铬层去掉，暴露出待刻蚀的玻璃面；7.35℃下用HF-HNO3-H2O(体积比1∶2∶7)溶液中静态刻蚀1-160分钟，刻蚀时间根据需要的通道深度确定；8.用2％NaOH浸泡3分钟去掉所有余的光胶；9.用去铬液将玻璃上的铬层全部去掉；10.在通道端点处用金刚砂钻头打孔；11.超声波在水中清洗打孔后的玻璃芯片，去除可能存在的玻璃碎屑；12.将芯片清洗烘干后用异丙醇浸洗表面有机物，后于100℃ H2SO4-H2O2(7∶3)溶液中处理15分钟到2小时；13.在流动去离子水中将封接面贴合后，用热风吹干多余水分；14.如上贴合的玻璃芯片置于马福炉中，从室温缓慢升温到420～450℃，保持3小时后自然冷却到室温；15.引入电极，将对齐封合后的电极通道出口用玻璃刻蚀液进行刻蚀扩孔，使出口成喇叭口状，电极通过该口引入微电解池通道，沿电极通道进入微电解池通道适当位置；16.用胶封合电极通道出口。
所制备的芯片包括电极1、微电解池通道2、溶液通道6、溶液进出口7、盖片8和基片9，其特征在于还包括电极通道3、电极定位脊5、电极进出口10，在基片9上或基片9和盖片8上同时刻有微电解池通道2和电极通道3，微电解池通道2和电极通道3连接处构成电极定位脊5，电极1定位在电极通道3中；在微电解池通道2的两端有溶液通道6，芯片表面或芯片侧面开孔形成与溶液通道6连接的溶液进出口7，电极通道3的端口为电极进出口10，电极进出口10处用密封胶4密封。电极定位脊5是一个与微电解池通道2和电极通道3平行的突起结构，其高度小于微电解池通道2和电极通道3深度，而微电解池通道2和电极通道3的深度与脊高的差小于丝状电极1的直径。
图5展示了具有两个平行电极的玻璃微电解芯片的制作结果，其中(a)用腐蚀扩孔法安装电极，(b)用交错封合法安装电极。两个80微米的Pt丝电极被准确的定位在深度90微米的电解池通道的两侧，如图(c)所示。
图6展示了利用图5所示微电解池作为电导检测池对KCl溶液的检测结果，试液以3uL/min流量通过。表明该微型检测池可以用作微型电导检测池。
图7为用图5所示微电解池作为电化学检测池对K3Fe(CN)6溶液进行循环伏安扫描的结果。其中左侧为三电极测定的结果，右图为用双电极测定的结果。
图8展示了双电极体系下进行的鲁米诺溶液的电化学和电化学发光检测结果。利用该芯片电解池透明的特点，可以在进行电化学检测的同时收集发光信号。
图9为用于显示流动电解池中pH梯度形成的荧光显微CCD照片(10倍显微物镜，荧光素为荧光指示剂)。展示了该芯片流动电解池用于在电解通道中动态产生pH梯度的应用。电极之间施加电压1.8V，由恒电位仪产生。1mM荧光素的100mM pH9.2碳酸钠溶液，流量3.0ul/min，高压汞灯光源，蓝色滤光片组。荧光素于碱性介质中在蓝光激发下发出绿色荧光。由于正极上的电解反应导致电极附近pH降低，并在层流流场的作用下在电场方向产生pH梯度，因此在电场方向荧光强度增加。该变化通过荧光素荧光强度的变化显示。该试验同时表明流动芯片电解池中电极产物之间由于层流作用可实现无膜隔离。该特性可用于芯片自由流电泳，芯片电合成，芯片电渗析等。
权利要求
1.一种玻璃芯片流动微电解池，芯片包括电极(1)、微电解池通道(2)、溶液通道(6)、溶液进出口(7)、盖片(8)和基片(9)，其特征在于还包括电极通道(3)、电极定位脊(5)、电极进出口(10)，在基片(9)上或基片(9)和盖片(8)上同时刻有微电解池通道(2)和电极通道(3)，微电解池通道(2)和电极通道(3)连接处构成电极定位脊(5)，电极(1)定位在电极通道(3)中；在微电解池通道(2)的两端有溶液通道(6)，芯片表面或芯片侧面开孔形成与溶液通道(6)连接的溶液进出口(7)，电极通道(3)的端口为电极进出口(10)，电极进出口(10)处用密封胶(4)密封。
2.按照权利要求1所述的玻璃芯片流动微电解池，其特征在于电极定位脊(5)是一个与微电解池通道(2)和电极通道(3)平行的突起结构，其高度小于微电解池通道(2)和电极通道(3)深度，而微电解池通道(2)和电极通道(3)的深度与脊高的差小于丝状电极(1)的直径。
3.权利要求1所述的玻璃芯片流动微电解池的制备方法，其特征在于步骤为采用通常的玻璃光刻和热封合的方法制作芯片，通过掩模尺寸设计和刻蚀程度控制通道的深度及脊高度，使得电极定位脊(5)与微电解池通道(2)和电极通道(3)平行，其高度小于微电解池通道(2)和电极通道(3)深度，而微电解池通道(2)和电极通道(3)的深度与脊高的差小于丝状电极(1)的直径；采用以下两种方法之一引入电极一种是将对齐封合后的电极通道出口用含有HF的玻璃刻蚀液进行刻蚀扩孔，使出口成喇叭口状，电极通过该口引入电极通道；另一种方法是，封合时将上下两片交错，使电极通道出口暴露，电极沿暴露的通道插入电极通道。
全文摘要
一种玻璃芯片流动微电解池，包括电极、微电解池通道、溶液通道、溶液进出口、盖片和基片、电极通道、电极定位脊、电极进出口，在基片上或基片和盖片上同时刻有微电解池通道和电极通道，微电解池通道和电极通道连接处构成电极定位脊。采用通常的玻璃光刻和热封合的方法制作芯片，电极经电极通道从芯片侧面引入并定位在电极通道中；芯片结构使得流动本身具有改善电极切线方向传质的作用；微型流动池体积仅为纳升级，试剂消耗少。电极之间由于通道的层流作可用实现无膜隔离；电极拆装和更换方便，芯片可重复使用；电极配置灵活方便。
文档编号B81B7/02GK1936561SQ20061004773
公开日2007年3月28日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者方芳, 吴志勇 申请人:东北大学