一种基于LAPS的液滴微流控系统

本发明属于生物传感器技术领域，更具体的说是涉及一种基于laps的液滴微流控系统。

背景技术：

光寻址电位传感器(light-addressablepotentiometricsensor,laps)，它是一种新型的半导体化学/生物传感器，具有典型的电解液-绝缘体-半导体结构，laps独特的光寻址特性可以在一块传感器上实现多个点的测量；此外，laps表面是平坦统一的，非常易于在其表面构建任意形状的微流路。因此，laps非常适合作为微流路分析系统中的传感器。近年来，laps在微流控领域进行了大量的研究工作，同时，laps微流控系统也可用来分析微流路内的层流现象。然而，连续流laps微型化学分析系统存在大量死体积，样品消耗量大，尤其不适宜微量生物样品检测。

因此，如何提供一种基于laps的液滴微流控系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于laps的液滴微流控系统，解决了传统的连续流laps微型化学分析系统存在样品溶液消耗量大的问题，能够将测量所需的测试溶液的消耗量大大减少。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于laps的液滴微流控系统，包括：流体检测单元和流体驱动单元，流体检测单元包括laps传感器、红外led光源和数据采集卡；所述流体驱动单元驱动laps传感器表面的pdms微流路内的液体形成缓冲液微滴；pdms微流路末端嵌入有参比电极，缓冲液微滴移动到待检测点时，参比电极与微滴接触，形成通电回路；在参比电极和laps传感器通过数据采集卡施加直流偏置电压，laps传感器内产生一层耗尽层，采用红外led光源产生的调制光照射待检测区域时，耗尽层的宽度发生变化，同时在通电回路中产生交变的光电流，通过数据采集卡施加扫描偏置电压得到laps光电流特性曲线。

优选的，流体驱动单元采用电渗微泵，缓冲液微滴形成的方法为：在pdms微流路内部嵌入一个电渗微泵，以去离子水作为电渗微泵的工作流体，用微量进样器在pdms微流路出口处注射一定量的缓冲液分析样；启动电渗微泵，当工作流体移动时，会带到流路出口处的分析液向同一方向移动，形成一个缓冲液微滴。

优选的，所述laps传感器结构从上至下依次为敏感层si3n4、绝缘层sio2、硅衬底n-si、欧姆接触黄金薄膜。

优选的，耗尽层在绝缘层sio2与硅衬底n-si界面附近产生。

优选的，laps传感器的制备工艺为：首先，采用热生长的方法在n型硅衬底表面生长一层厚度为60nm的sio2绝缘层；然后采用化学气相沉积的方法在sio2表面生长一层厚度为50nm的si3n4敏感薄膜；接着在背面溅射、刻蚀一层厚度为300nm的金膜作为欧姆接触电极端子；最后切割成边长为1.5×1.5cm²的芯片。

优选的，pdms微流路制备工艺为：首先，在玻璃片上用su-8光刻胶制作出微流路图案，微流路宽度分别为300μm和80μm，厚度为100nm；然后，将pdms溶液的浇筑在微流路图案上加热固化；最后，揭下微流路，将laps传感器和微流路放进等离子键合机中键合、绑定，形成pdms微流路。

优选的，当laps传感器检测结束时，切换电渗驱动电压方向，启动电渗微泵，将分析样驱动至pdms微流路出口，完成一次laps检测。

优选的，红外led光源用直径为500μm的光纤将调制光引导到待检测点，其中调制光频率为1.7khz。

优选的，直流偏置电压由数据采集卡输出，范围为-1.5v到0v。

优选的，数据采集卡的采样率及采样时间分别为100khz和20s。

本发明的有益效果在于：

本发明采用电渗微泵驱动工作流体，采用吸入法将缓冲液分析样引流至pdms微流路内，形成了单个缓冲液微滴，采用红外led光源产生的调制光照射待检测区域时，耗尽层的宽度发生变化，同时在通电回路中产生交变的光电流，通过数据采集卡施加扫描偏置电压得到laps光电流特性曲线，能够将测量所需的测试溶液的消耗量大大减少，解决了传统的连续流laps微型化学分析系统存在样品溶液消耗量大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图。

图2附图为本发明缓冲液微滴经过laps检测点时的输出光电流变化图。

图3附图为本发明不同ph值样品液滴的i/v特性曲线图。

图4附图为本发明ph值与拐点电位关系图。

图5附图为本发明不同ph值样品液滴的i/v特性曲线图。

图6附图为本发明ph值与拐点电位关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，本发明提供了一种基于laps的液滴微流控系统，包括：流体检测单元和流体驱动单元，流体检测单元包括laps传感器、红外led光源和数据采集卡；所述流体驱动单元驱动laps传感器表面的pdms微流路内的液体形成缓冲液微滴；pdms微流路末端嵌入有参比电极，参比电极由铂丝充当，缓冲液微滴移动到待检测点时，参比电极与微滴接触，形成通电回路；在参比电极和laps传感器通过数据采集卡施加直流偏置电压，laps传感器内产生一层耗尽层，采用红外led光源产生的调制光照射待检测区域时，耗尽层的宽度发生变化，同时在通电回路中产生交变的光电流，通过数据采集卡施加扫描偏置电压得到laps光电流特性曲线。当laps传感器检测结束时，切换电渗驱动电压方向，启动电渗微泵，将分析样驱动至pdms微流路出口，完成一次laps检测。更换不同的缓冲液分析样，如此重复以上过程，完成对不同缓冲液分析样的分析检测。laps光电流特性曲线的偏移量与ph缓冲液的浓度成线性关系，进而可推算出laps的灵敏度。

nernst方程从电化学的角度分析了固-液界面双电层的电荷、电势分布，以h+离子为例，简化后的方程为：

式中：r为气体常数；f为法拉第常数；t为热力学绝对温度，常温下，灵敏度约为59mv/ph，即不同的离子浓度对应不同的输出电位，这就是检测离子浓度的原理。

本实施例中，流体驱动单元采用电渗微泵，缓冲液微滴形成的方法为：在pdms微流路内部嵌入一个电渗微泵，以去离子水作为电渗微泵的工作流体，用微量进样器在pdms微流路出口处注射一定量的缓冲液分析样；启动电渗微泵，当工作流体移动时，会带到流路出口处的分析液向同一方向移动，形成一个缓冲液微滴。

电渗微泵连接有驱动电极，驱动电极制备工艺：将电极模具贴在laps传感器表面，采用气相沉积的方法在si3n4薄膜表面沉积一层钛膜，然后再沉积一层金膜，总厚度约为300nm。

本实施例中，所述laps传感器结构从上至下依次为敏感层si3n4、绝缘层sio2、硅衬底n-si、欧姆接触黄金薄膜。其中敏感层si3n4对氢离子敏感，可以用来检测溶液的ph值。耗尽层在绝缘层sio2与硅衬底n-si界面附近产生。

本实施例中，laps传感器的制备工艺为：首先，采用热生长的方法在n型硅衬底表面生长一层厚度为60nm的sio2绝缘层；然后采用化学气相沉积的方法在sio2表面生长一层厚度为50nm的si3n4敏感薄膜；接着在背面溅射、刻蚀一层厚度为300nm的金膜作为欧姆接触电极端子；最后切割成边长为1.5×1.5cm²的芯片。

流体检测单元还包括函数发生器、前置放大器、labview上位机程序以及计算机，函数发生器驱动红外led，产生调制光，用调制光照射laps基底，将产生的laps光电流信号经前置放大器后，送给数据采集卡，经labview上位机程序以及计算机处理后，得到信噪比更高的laps信号。

本实施例中，pdms微流路制备工艺为：首先，在玻璃片上用su-8光刻胶制作出微流路图案，微流路宽度分别为300μm和80μm，厚度为100nm；然后，将pdms溶液的浇筑在微流路图案上加热(1h，85℃)固化；最后，揭下微流路，将laps传感器和微流路放进等离子键合机中键合、绑定，形成pdms微流路。

本实施例中，红外led光源用直径为500μm的光纤将调制光引导到待检测点，其中调制光频率为1.7khz。

本实施例中，直流偏置电压由数据采集卡输出，范围为-1.5v到0v。

本实施例中，数据采集卡的采样率及采样时间分别为100khz和20s。

本实施例中，为避免室外光影响，laps的液滴微流控系统放入屏蔽箱中，所有实验过程均在常温下进行。

本发明采用电渗微泵驱动工作流体，采用吸入法将缓冲液分析样引流至pdms微流路内，形成了单个缓冲液微滴，采用红外led光源产生的调制光照射待检测区域时，耗尽层的宽度发生变化，同时在通电回路中产生交变的光电流，通过数据采集卡施加扫描偏置电压得到laps光电流特性曲线，能够将测量所需的测试溶液的消耗量大大减少，解决了传统的连续流laps微型化学分析系统存在样品溶液消耗量大的问题。

参阅附图2，图2表示当样品液滴经过laps传感器光照检测点时光电流的变化情况。首先，用微量进样器在pdms微流路出口处滴加1μl的ph＝7的缓冲液；然后，启动电渗微泵，电渗流向左移动，此时，待测液滴将会随着电渗流一起向左移动(待测微滴和电渗工作流体之间有空气间隔形成电气隔离)，当待测微滴流经检测点时，光电流突然升高至0.1μa左右，当微滴流出检测位置时，光电流迅速下降到初始值。切换电渗驱动电压方向，待测液滴将会随着电渗流一起向右移动至微流路出口，完成一次样品液滴的检测。

在分析缓冲液液滴时，将直流偏置电压固定在-0.5v，并且在测量过程中，以10mv的增量将直流偏置电压从-1v扫描到0v的同时测量光电流值的大小。红外led光源调制频率为1.7khz，数据采集卡采样频率为100khz，样本数量为10000，电渗微泵的抽吸速度为1.4ml/h，测量结果如图3所示。由图3可知，可以获得不同ph值液滴的i-v特性曲线。还可以看出，随着分析样ph值的增加，获得laps的i-v特性曲线在偏压轴方向上向右移动。图4显示了从该i-v特性获得的每种ph标准溶液的拐点电压，从结果可以看出，拐点电压相对于ph线性变化。通过拟合直线的斜率，可以确定laps的ph灵敏度为45.9mv/ph。根据这些结果，可以通过液滴微流控系统进行ph测量，而连续流laps微型化学分析系统通常消耗样品溶液在数毫升级别，但是液滴微流控系统的测试溶液消耗量非常少，仅为1μl。

在上述实验过程中可以得出：使用1μl的缓冲液即可进行ph测量。因此，为了进一步减少分析样品的消耗量，可以通过减小流路的尺寸，如下述实验所示：

分别对宽度为1mm深度为200μm以及宽度为1mm深度为200μm的pdms微流路进行测试。由于0.5mm宽的微流路比较狭窄，难以将氯化银油墨用于参比电极，因此不能用来制作流体检测单元。然而1mm宽的微流路，可以在任一高度上制造体检测单元，并且可以通过电渗微泵驱动液滴的运动。因此，选择了可以产生更少液滴的1mm的微流路通道尺寸和200μm的高度。当在该微流路中滴入200nl分析样品时，在微流路中会形成长度为1mm的液滴。

使用制备的测量芯片，在200nl的测试溶液体积下测量ph标准溶液(ph4至10)的i-v特性。将nacl添加到ph标准溶液中，以使氯离子浓度为0.05m，并使用微量稀释器滴加。在监视测试溶液期间，将直流偏置电压固定为-0.5v，并且在测量期间，以10mv的增量将直流偏置电压从-1v扫描到0v的同时，测量光电流值的大小。红外led光源调制频率为1.7khz，数据采集卡采样频率为100khz，采样点数为10000，电渗微泵的抽吸速度为1.4ml/h，测量结果如图5所示。可以看出，随着溶液的ph值增加，获得的i-v特性在偏压轴方向右移动。图6显示了从该i-v特性获得的每种ph标准溶液的拐点电压。从该结果可知，ph与拐点电压之间呈线性关系，从近似直线的斜率可知laps传感器的ph灵敏度为47.5mv/ph。与上述实验的1μl测试溶液的测量结果相比，所获得的光电流值没有显着差异，并且ph敏感性大致相同。这是因为每次测定中使用的流体检测单元的微流路宽度相同，并且即使测试溶液的量减少也不会改变光照射面积。根据这些结果，可以通过减小微流路尺寸而将测量所需的测试溶液的量减少至200nl。

针对传统的连续流laps分析系统存在样品溶液消耗量大的问题，本发明提出了一种基于laps的液滴微流控系统。液滴微流控系统采用电渗微泵驱动微流体，采用吸入法将样品溶液引流至流路内，形成了单个样品液滴。研究了样品液滴i/t特性曲线，当样品液滴流经检测点时，光电流突然升高至0.1μa左右，当样品液滴流出检测点时候，光电流将至最小。之后研究了1μl样品微滴，并测量了ph4至10的缓冲液微滴的i/v特性曲线，得出laps传感器的灵敏度为45.9mv/ph，改变微流路深度，获得200nl的样品液滴，并测量了ph4至10的缓冲液液滴的i/v特性曲线，得出laps传感器的灵敏度为47.5mv/ph。深度不同但宽度相同的微流路，由于光照面积一致，光电流大小无明显变化。与1μl测试溶液的测量结果相比，所获得的光电流值没有显着差异，并且ph敏感性大致相同。认为这是因为每次测定中使用的流体检测单元的流路宽度相同，并且即使测试溶液的量减少也不会改变光照射面积。根据这些结果，可以通过减小流路尺寸而将测量所需的测试溶液的消耗量减少至200nl。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。