具有集成的电化学传感器的数字微流体设备的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月21日提交的并题为“digitalmicrofluidicdeviceswithintegratedelectrochemicalsensors”的美国临时申请号为62/066,818的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

背景

本公开涉及数字微流体设备，并且涉及通过数字微流体设备的电化学检测。

数字微流体学是一种新兴技术，其中离散的液滴在电极阵列的表面上被操纵。数字微流体学相对于常规的基于封闭式微通道的流体学具有许多互补的差异，包括可重构性(通用设备格式可用于任何应用)和对所有试剂的控制。数字微流体学通常以“两板”格式实现，其中微滴被夹在底板(承载涂覆有绝缘体的电极阵列)和顶板(承载未涂覆有绝缘体的接地电极)之间。

概述

提供了一种设备和系统，其中一个或多个电化学传感器被集成在数字微流体设备内。根据一个示例实施例，两电极电化学传感器被集成到数字微流体设备的顶板或底板中，其中对电极被设置在限定的空间区域内，并且其中工作电极被形成使得其在空间上分布在与对电极相关联的空间区域内。工作电极可以作为空间上分布在对电极内和/或围绕对电极的周边的一个或多个细长段设置。工作电极的面积可被选择为小于对电极的面积，以便提高电化学传感器的性能。

因此，在第一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在第一绝缘衬底上；

第一介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列上；以及

第一疏水层，其设置在所述第一介电层上，所述第一疏水层提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二绝缘衬底，其具有在其上设置的至少第二疏水层，所述第二疏水层提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其间限定间隙的间隔开的关系设置，以在所述致动电极的致动下允许微滴运动；

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个具有设置在其上的一个或多个数字微流体次级电极，并且其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴是可运输的；以及

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极暴露于所述第一板和所述第二板之间的间隙，使得在所述第一板和所述第二板之间定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通；以及

其中，所述电化学对/伪参比电极的面积超过所述电化学工作电极的面积至少为5倍。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在所述绝缘衬底上；

一个或多个数字微流体次级电极，其设置在所述绝缘衬底上；

介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极上；以及

疏水层，其设置在所述介电层上，所述疏水层提供疏水工作表面，其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴可在所述疏水层上运输；

其中，所述绝缘衬底还包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通；以及

其中，所述电化学对/伪参比电极的面积超过所述电化学工作电极的面积至少为5倍。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在第一绝缘衬底上；

第一介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列上；以及

第一疏水层，其设置在所述第一介电层上，所述第一疏水层提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二绝缘衬底，其具有在其上设置的至少第二疏水层，所述第二疏水层提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其间限定间隙的间隔开的关系设置，以在所述致动电极的致动下允许微滴运动；

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个具有设置在其上的一个或多个数字微流体次级电极，并且其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴是可运输的；以及

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极，所述电化学工作电极包括多个细长段；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极暴露于所述第一板和所述第二板之间的间隙，使得在所述第一板和所述第二板之间定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在所述绝缘衬底上；

一个或多个数字微流体次级电极，其设置在所述绝缘衬底上；

介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极上；以及

疏水层，其设置在所述介电层上，所述疏水层提供疏水工作表面，其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴可在所述疏水层上运输；

其中，所述绝缘衬底还包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极，所述电化学工作电极包括多个细长段；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在第一绝缘衬底上；

第一介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列上；以及

第一疏水层，其设置在所述第一介电层上，所述第一疏水层提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二绝缘衬底，其具有在其上设置的至少第二疏水层，所述第二疏水层提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其间限定间隙的间隔开的关系设置，以在所述致动电极的致动下允许微滴运动；

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个具有设置在其上的一个或多个数字微流体次级电极，并且其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴是可运输的；以及

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极，所述电化学工作电极由一个或多个细长段组成；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极暴露于所述第一板和所述第二板之间的间隙，使得在所述第一板和所述第二板之间定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在所述绝缘衬底上；

一个或多个数字微流体次级电极，其设置在所述绝缘衬底上；

介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极上；以及

疏水层，其设置在所述介电层上，所述疏水层提供疏水工作表面，其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴可在所述疏水层上运输；

其中，所述绝缘衬底还包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极，所述电化学工作电极由一个或多个细长段组成；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在第一绝缘衬底上；

第一介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列上；以及

第一疏水层，其设置在所述第一介电层上，所述第一疏水层提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二绝缘衬底，其具有在其上设置的至少第二疏水层，所述第二疏水层提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其间限定间隙的间隔开的关系设置，以在所述致动电极的致动下允许微滴运动；

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个具有设置在其上的一个或多个数字微流体次级电极，并且其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴是可运输的；以及

其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底中的一个包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极暴露于所述第一板和所述第二板之间的间隙，使得在所述第一板和所述第二板之间定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通；以及

其中，所述电化学工作电极的至少一部分形成围绕所述电化学对/伪参比电极的周边的至少一部分的细长段。

在另一方面中，提供了数字微流体设备，包括：

绝缘衬底；

数字微流体致动电极的阵列，其设置在所述绝缘衬底上；

一个或多个数字微流体次级电极，其设置在所述绝缘衬底上；

介电层，其形成在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极上；以及

疏水层，其设置在所述介电层上，所述疏水层提供疏水工作表面，其中所述一个或多个数字微流体次级电极被设置成使得在所述数字微流体致动电极的阵列和所述一个或多个数字微流体次级电极之间施加电压时，液滴可在所述疏水层上运输；

其中，所述绝缘衬底还包括用于形成电化学电池的电化学工作电极和电化学对/伪参比电极；

其中，所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的处在与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极对应的位置处的微滴与所述电化学工作电极和所述电化学对/伪参比电极电连通，

其中，所述电化学工作电极的至少一部分形成围绕所述电化学对/伪参比电极的周边的至少一部分的细长段。

可以通过参考以下详细描述和附图来实现对本公开的功能和有利方面的进一步理解。

附图简述

现在将参考附图仅通过示例的方式来描述实施例，在附图中：

图1a示出了两板式数字微流体设备的横截面视图。

图1b示出了一板式数字微流体设备的横截面视图。

图2a示出了包括两电极电化学传感器的数字微流体设备的顶板的下侧视图。

图2b是两板式数字微流体设备的横截面，其在该设备的顶板内包括两电极电化学传感器，其中该截面沿图2a中的线a-a截取。

图3a和图3b示出了常规的两电极电化学传感器的示例。

图4a-4c示出了各种示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极作为空间上分布在与对电极相关联的空间区域内的单个细长段设置。

图5a-5e示出了各种示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以第一细长电极段的形式设置，该第一细长电极段分支成空间上分布在与对电极相关联的空间区域内的两个或更多个附加的细长电极段。

图6a-6d示出了各种示例两电极电化学传感器结构，其中细长的工作电极段与相邻的细长对电极段叉指交错。

图7a和图7b示出了示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以围绕所述电化学对电极的周边的至少一部分并且还在与对电极相关联的空间区域内延伸的细长段的形式设置。

图8示出了示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以围绕所述电化学对电极的周边的至少一部分的细长段的形式设置。

图9a-9c示出了通过蚀刻去除ito层的选定区域而在数字微流体设备的顶板中形成的三个不同的两电极电化学传感器的图像。

图10示出了用于利用数字微流体设备来执行电化学传感的示例系统。

图11a-c示出了包含用于形成电化学电池的电极的数字微流体设备的各种替代示例实施例，包括(a)单板式示例实施例，(b)两板式示例实施例，其中电化学电池电极形成在底板中，以及(c)两板式示例实施例，其中电化学电池电极形成在顶板中，并且其中一个或多个次级数字微流体电极被设置在底板中。

图12a绘制了峰值电流强度与工作电极的总表面积相比的比较。注意到，峰值信号电流随电极表面积而近似地线性增加。

图12b示出了具有线形、十字形和星形的工作电极的传感器的pbs缓冲液中的2mm铁-亚铁氰化物的代表性循环伏安图(cv)。

图13a-c示出了使用两电极电化学电池的对多巴胺的片上分析的结果。图12a示出了在10μm下多巴胺(da)的背景扣除的循环伏安图。黑色箭头表示用于比较峰电位而选择的电位(0.788v)。插图示出原始信号和背景。图12b示出了0μmda、0.5μmda、1μmda、5μmda和10μmda的一系列非背景扣除的循环伏安图。图12c示出了0nm至10μm的多巴胺的校准曲线(黑色)。误差条表示±1个标准偏差并小于标记。检测限为40nm，其被定义为与空白测量的标准偏差的三倍对应的浓度。

详细描述

将参照下面讨论的细节来描述本公开的各种实施例和方面。下面的描述和附图是对本公开的说明，而不应被解释为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，没有描述公知的或常规的细节，以便提供对本公开的实施例的简要讨论。

如本文中所使用的，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为包含性和开放式，而不是排他性的。具体地，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”及其变型意味着包含指定的特征、步骤或部件。这些术语不被解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。

如本文中所使用的，术语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”，并且不应被解释为比本文公开的其它配置优选或有利。

如本文中所使用的，术语“约”和“近似”意在覆盖可能存在于值范围的上限和下限中的变化，例如性质、参数和尺寸的变化。除非另有说明，术语“约”和“近似”意味着加或减25％或更少。

应当理解，除非另有说明，否则任何指定的范围或组作为单独地引用范围或组中的每个成员以及其中涵盖的每个可能的子范围或子组的速记方式，并且相对于其中的任何子范围或子组类似。除非另有说明，本公开涉及并明确地包含每个特定成员以及子范围或子组的组合。

如本文中所使用的，当结合数量或参数使用时，术语“大约”指的是跨越所述数量或参数的大约十分之一到十倍的范围。

除非另有定义，本文中所使用的所有技术和科学术语都旨在具有与本领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。

如本文中所使用的，术语“两电极电化学传感器”是指包括工作电极和第二电极的电化学传感器，其中第二电极在本文中被称为“对电极”或“伪参比”电极。

数字微流体学(dmf)是一种新兴技术，其中离散的液滴在电极阵列的表面上被操纵。该技术相对于常规的基于封闭式微通道的流体学具有许多互补优点，包括可重构性(通用设备格式可用于任何应用)以及集成各种样本处理操作的能力。数字微流体学通常以“两板”格式实现，其中微滴被夹在底板(承载涂覆有绝缘体的电极阵列)和顶板(承载未涂覆有绝缘体的对电极)之间。通过在底板和顶板电极之间施加电位来使微滴移动。顶板电极通常由透明氧化铟锡(ito)形成，以使微滴运动可视化。在图1a和图1b中图示了常规的两板式数字微流体设备。

图1a是常规的数字微流体设备的一部分的横截面视图，示出了两板格式。该设备包括由间隙30分隔开的第一板15和第二板25。第一板25由电绝缘衬底12形成，在其上设置数字微流体致动电极的阵列14(例如10nmcr+、100nmau)。介电层16形成在致动电极14上(例如，2μmparylene-ctm)。第一板16可以具有不止一个介电层。介电层16涂覆有疏水层18(例如，teflonaftm，50nm)，以便在致动电极14的电致动下允许微滴运动。疏水表面通常被称为工作表面。

间隔在致动电极14和介电层16之上的在间隙30的另一侧上的是第二板，其中间隔可以使用间隔物(未示出)来实现。连续的次级电极22(或多个次级电极)被设置在绝缘衬底24上(次级电极22在数字微流体文献中通常被称为参比电极，但是在本文中使用术语“次级”以避免与电化学传感器的参比电极混淆)，并且疏水层20(例如，teflonaftm，50nm)被涂覆在次级电极22上。可替代地，另一介电层可沉积在层20、22之间。

液滴42被设置在两个疏水层18和20之间的间隙30内。电极14、电压源26和连续的次级电极22一起形成由控制器28数字地操纵的电场。对于微滴操控，次级电极22被偏压到与致动电位不同的电位。次级电极22的常用参考电位是接地。上疏水层20、次级电极22和衬底层24可以是基本上透明的以允许光学检测，例如对数字微流体测定的光学成像或光学分析。

虽然本公开的一些方面涉及图1a的两板式设计的修改，但也设想了一板式设计修改。在图1b中示出了一板式设计，其中去除了层20、22和24。不是具有专用的次级电极层22，而是次级电极与电极14相邻地被图案化，形成由介电材料16而与电极14分开的连续格栅52。连续格栅52在限定致动电极14所在的平面的两个方向上延伸。次级电极52的设计不限于格栅，例如，它们可以是类似于电极14的导线或阵列的形式。

现在参考图2a和图2b，提供了对数字微流体设备的示例实施例的图示，该数字微流体设备在数字微流体设备的顶板中包含两个两电极电化学传感器，示出了位于最左边的传感器下方的微滴130。注意，术语“顶部”、“底部”、“上”和“下”用于启发性目的，并且可以互换(即，本文所描述的设备可以在不损害其操作的情况下被反转)。如图所示，每个传感器包括用于形成两电极电化学电池的工作电极110和对/伪参比电极120。对电极120被设置在限定的空间区域内，并且工作电极110空间上分布在该空间区域内。每个电化学电极具有从其延伸的电路径，其将电极连接到外部可寻址的接触焊盘、电极或电连接器。电化学电极可被定位(例如空间上对准)，使得当组装两板式设备时，电化学电极被定位在一个或多个致动电极上方(即，与一个或多个致动电极相对)。

在图2a和图2b所示的示例实施例中，如图2a和2b所示，两电极电化学电池由按比例较大的对/伪参比电极围绕的薄的工作电极形成。两电极电池(相对于更常规的三电极电池)更容易制造和操作，但它们可能遭受信号不稳定性。为了克服这个缺点，对/伪参比电极的面积可被设计成大于工作电极，如下面详细描述的。根据几个示例实施例，工作电极被配置为空间上分布的电极，其在空间上延伸到原本由对/伪参比电极占据的空间区域中。例如，在本示例实施例中，工作电极110由多个细长段形成，该细长段以径向结构从对电极的中心附近的位置辐射。这样的实施例增加了工作电极和工作溶液之间的接触面积，使其适用于痕量分析物的敏感分析。

如下所述，传感器电极可以由限定数字微流体设备的次级电极的相同的平面电极材料形成。例如，传感器电极可以(使用光刻和湿法蚀刻)被蚀刻在由ito的连续板制成的顶板上，并与用于实现dmf微滴操控的大得多的次级电极分隔开。在这样的实施例中，整个顶板可被涂覆有teflon-af，除了例如通过剥离工艺暴露的传感器电极之外。

本文提供的各种示例实施例克服了与数字微流体设备中的电化学传感器的已知实现相关联的缺点。先前的实施方式通常(a)需要复杂的多步骤制造过程，因此可能制造成本昂贵，或(b)简单地使用外部电极而没有集成，且因此不适于批量生产。此外，如下面的示例所展示的，根据本文所公开的各种实施例的电极面积的比允许低检测限，其可能是除了依赖于脆性纳米结构金属电极的方法之外的任何先前报道的方法无法比拟的。

示例电极结构

参考图3a和图3b，示出了常规的两电极电化学传感器的示例，其中工作电极没有空间上分布在与对电极相关联的空间区域内并且不由细长段形成。这样的电极结构导致上述性能限制。

相比之下，本公开的各种示例实施例提供电极结构，其中工作电极空间上分布在与对电极相关联的空间区域内。例如，图4a-4c示出了各种示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极作为空间上分布在与对电极相关联的空间区域内的单个细长段设置。

另一组示例电极结构在图5a-5e中示出，图5a-5e图示了示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以第一细长电极段的形式设置，该第一细长电极段分支成空间上分布在与对电极相关联的空间区域内的两个或更多个附加的细长电极段。

图6a-6d示出了各种示例两电极电化学传感器结构，其中细长的工作电极段与相邻的细长的对电极段叉指交错。在一些实施例中，如图6b所示，工作电极可被设置为向内指向的螺旋。工作电极的另一示例几何结构是蛇形结构。

现在参考图7a和图7b，示出了示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以围绕所述电化学对电极的周边的至少一部分并且还在与对电极相关联的空间区域内延伸的细长段的形式设置。

图8示出了示例两电极电化学传感器结构，其中工作电极以围绕所述电化学对电极的周边的至少一部分的细长段的形式设置。

已经制造且实验测试的电极结构的示例在图9a-9c中示出。图像示出了以线、十字和星形式的三种不同的两电极电化学传感器，其通过蚀刻去除ito层的选定区域而在数字微流体设备的顶板中形成。

虽然前述示例示出了具有圆形轮廓的对电极，但将理解的是，对电极可以具有各种各样的其它形状，诸如正方形、椭圆形、多边形等。

还注意到，虽然本文提供的示例涉及基于两电极结构的电化学传感器，但是本文提供的实施例可以适于或被修改为包括一个或多个附加电极，例如电化学参比电极。

工作电极和对电极的相对面积

在两电极电化学电池中，对电极也用作参比电极，简化了制造和安装过程。然而，缺少第三参比电极消除了其保持对电极和工作电极之间的精确电位差的能力。因此，在对电极和参比电极之间具有常规面积比(即ace/awe<2)(例如，如图3a和图3b所示)的两电极电池将会产生显著的噪声，因为通过系统的电流将覆盖对电极的大部分表面，给电极充电并改变对电极和工作电极之间的电位，并且创建具有不稳定基线的系统。该偏压的对电极是造成通常在常规两电极电化学电池中所见的较低信噪比的噪声源。

然而，通过增加ace/awe，根据本公开的各种实施例，可以获得可吸收更大量的电流的更大表面积。在一些实施例中，对电极和参比电极的面积的面积比被设置成使得5<ace/awe<15。在该比值范围内，存在足够的对电极的表面积，使得由电化学电池生成的正常电流足够小，以致它们不会给电极充电到足以使记录信号偏置的程度。

注意，超出该范围的面积比可能导致性能退化，原因如下：(i)在较大的ace/awe比，太多的微滴不暴露于工作电极，降低了电化学电池的效率；以及(ii)较大的ace/awe比必然需要系统上的更多空间，从而降低了形成多路复用的电极阵列的能力并降低吞吐量。尽管存在这些潜在问题，但是可以实现其中面积比超过15例如超过20、50或100的面积比的实施例。

工作电极的细长段的粗度

在一些实施例中，如上所述，工作电极被设置为一个或多个细长段。细长段的宽度可基于感兴趣的分析物和期望的浓度范围来选择和/或优化。在一些示例实施方式中，工作电极的一个或多个段的至少一部分的宽度可以在约1微米和10微米之间、约10微米和100微米之间或约100微米和500微米之间。50-200微米范围内的宽度可适用于各种分析物。

注意到，在约1微米的宽度时，工作电极是最敏感的，因为正常的线性扩散被径向扩散代替，使得电极在较低浓度下与较高量的分析物接触。另一方面，在500微米，电极最适合于具有低扩散率或大尺寸的分析物，这些分析物需要更多的时间和空间来扩散到电极上。

不同类型的电化学电极材料

虽然本文提供的许多示例利用ito来形成电化学电极，但将理解的是，ito仅仅是用于形成电化学电极中的一个或两个的合适导电材料的一个示例。可用于形成电化学电极的一个或两个的其它导电材料的示例包括但不限于金、银、碳和铂。例如，电化学电极可被形成为金与金、银与银、碳与碳、铂与铂以及其中的组合，诸如金与银、金与铂、金与碳等，如对于电化学检测领域的技术人员将明显的。

在一个示例实施方式中，这样的电极可以形成在下面的ito层上。在2014年的芯片实验室14,547-554的shamsi,m.h.；choi,k.；ng,a.h.c.；wheeler,a.r.的“adigitalmicrofluidicelectrochemicalimmunoassay”中提供了在ito上制造这样的电极(除碳以外)的示例方法。

用于利用数字微流体设备来执行电化学测量的示例系统

现在参考图10，提供了用于控制数字微流体微滴致动并执行电化学测量的示例系统200的图示。如图10所示，数字微流体致动电极和次级电极连接到或可连接到由控制和处理单元225控制的高电压电源。电化学传感系统由恒电位器220控制，该恒电位器220由控制和处理单元225控制和/或询问。虽然高电压电源210和恒电位器220被示为单独的系统部件，但将理解的是，两个或更多个系统部件可被集成到单个组件中。

图10提供了控制和处理单元225的示例实施方式，其包括一个或多个处理器230(例如，cpu/微处理器)、总线232、可包括随机存取存储器(ram)和/或只读存储器(rom)的存储器235、一个或多个内部储存设备240(例如，硬盘驱动器、光盘驱动器或内部闪存)、电源245、一个或多个通信接口250、外部储存器255、显示器260和各种输入/输出设备和/或接口265(例如，用户输入设备，诸如键盘、小键盘、鼠标、位置跟踪的触笔、位置跟踪的探针、脚踏开关和/或用于捕获语音命令的麦克风)。

虽然每个部件中只有一个在图10中示出，但任意数量的每个部件可被包括在控制和处理单元225中。例如，计算机通常包含许多不同的数据储存介质。此外，虽然总线232被描绘为所有部件之间的单个连接，但将认识到，总线232可以表示链接两个或更多个部件的一个或多个电路、设备或通信通道。例如，在个人计算机中，总线232通常包括母板或者是母板。

在一个实施例中，控制和处理单元225可以是或包括通用计算机或任何其它硬件等同物。控制和处理单元225还可被实现为通过更多通信通道或接口中的一个耦合到处理器230的一个或多个物理设备。例如，控制和处理单元225可以使用专用集成电路(asic)来实现。可替代地，控制和处理单元225可被实现为硬件和软件的组合，其中软件从存储器或通过网络连接被加载到处理器中。

控制和处理单元225可以用一组指令进行编程，当指令在处理器中执行时，促使系统执行本公开中描述的一种或多种方法。控制和处理单元225可包括许多比所示的那些部件更多或更少的部件。

虽然已经在完全功能化的计算机和计算机系统的背景下描述了一些实施例，但本领域中的技术人员将认识到各种实施例能够以各种形式作为程序产品分发，并且能够被应用而不管用于实际影响分发的特定类型的机器或计算机可读介质。

计算机可读介质可用于存储软件和数据，当由数据处理系统执行时，软件和数据促使系统执行各种方法。可执行软件和数据可存储在包括例如rom、易失性ram、非易失性存储器和/或高速缓存的各种位置中。该软件和/或数据的部分可存储在这些储存设备中的任何一个中。通常，机器可读介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等)可访问的形式提供(即，存储和/或传输)信息的任何机构。

计算机可读介质的示例包括但不限于可记录和不可记录类型的介质，例如易失性和非易失性存储器设备、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存设备、软盘和其他可移动磁盘、磁盘存储介质、光学存储介质(例如，光盘(cd)、数字多功能盘(dvd))等)等。指令可被包括在用于电、光、声或其它形式的传播信号(诸如载波、红外信号、数字信号等)的数字和模拟通信链路中。

本公开的一些方面可以至少部分地在软件中实施。也就是说，该技术可以在计算机系统或其他数据处理系统中实施，响应于计算机系统或其他数据处理系统的处理器(诸如微处理器)，执行包含在诸如rom、易失性ram、非易失性存储器、高速缓存、磁盘和光盘或远程储存设备的存储器中的指令序列。此外，指令可以通过数据网络以编译和链接版本的形式下载到计算设备中。可替代地，执行如以上所讨论的过程的逻辑可以在附加的计算机和/或机器可读介质中实现，例如作为大规模集成电路(lsi)、专用集成电路(asic)的分立硬件部件或固件例如电可擦除可编程只读存储器(eeprom)和现场可编程门阵列(fpga)。

本公开的实施例可用于采用电化学检测的各种测定(特别是需要对痕量分析物的敏感分析的那些测定)。在下面提供的示例中说明的一个示例应用涉及使用根据本文所公开的示例实施例配置的两电极电化学传感器来对多巴胺浓度的敏感测量。将理解的是，涉及多巴胺测量的示例应用仅作为说明性示例应用提供，并且许多其它应用可通过选择不同的分析物(且可选地选择不同的电极组合物)来实现。

替代的单板设计和两板设计

虽然前述示例实施例和下文提供的示例涉及具有集成在两板式设备的顶板中的一个或多个电化学传感器的两板设计，但将理解的是，各种其他替代实施例可通过另外或可替代地将一个或多个电化学传感器并入到两板式设备的底板中或并入到单板式设备中来实现。例如，两板式设备的底板或开放式数字微流体设备的单板可基于本文所述的实施例适于包括含有工作电极和对电极的一个或多个电化学传感器。

在单板式设备中，除了致动电极和次级数字微流体电极之外，电化学电极可被形成在底板上。例如，电化学电极可被设置在单板的将原本被致动电极的一部分占据的区域内。图11a示出了示例单板实施例的横截面视图，其中单个板包括绝缘衬底12、数字微流体致动电极14、一个或多个次级数字微流体电极(未示出)、介电层16和疏水层18。电化学工作电极110和对/伪参比电极120(在本示例实施例中被示出为围绕工作电极110)被示出为驻留在绝缘衬底12上。

在另一示例实施方案中，在两板式设备中，电化学电极可被形成在底板上、与致动电极共面或在底板上的不同平面中，只要电化学电极与在设备的工作表面(例如，暴露的电极)上平移的微滴电连通。例如，图11b图示了示例两板实施例，其中两板式设备的底板15包括电化学电极，并且其中顶板25包括顶部绝缘衬底24、一个或多个次级数字微流体电极22(所示的示例实施例包括单个次级电极)和疏水层20。

图11c图示了另一替代的示例两板实施例，其中电化学电极110和120被设置在顶板25中，并且其中一个或多个次级数字微流体电极(未示出)被设置在底板15中。

下面的示例被提供以使本领域中的技术人员能够理解和实践本公开的实施例。它们不应当被视为对本公开的范围的限制，而仅作为本发明的说明和代表。

示例

示例1：多巴胺浓度的电化学测量

如下所述，具有集成的电化学传感器的数字微流体设备被形成。电极通过2mm铁/亚铁氰化物的循环伏安法进行表征。图12a绘制了峰值电流强度与工作电极的总表面积相比的比较。注意，峰值信号电流随电极表面积～线性增加。在图12b中示出了具有线形、十字形和星形的工作电极的传感器的pbs缓冲器中的2mm铁-亚铁氰化物的代表性循环伏安图(cv)。

然后进行片上连续稀释以确定系统对多巴胺的敏感性，其中检测限为20.3nm，远低于生理多巴胺尖峰期望的水平。使用如下所述形成的两电极电化学电池的对多巴胺的片上分析的结果在图13a-13c中示出。图13a示出了在10μm下多巴胺(da)的背景扣除的循环伏安图。黑色箭头表示用于比较峰电位而选择的电位(0.788v)。插图示出原始信号和背景。图13b示出了0μmda、0.5μmda、1μmda、5μmda和10μmda的一系列非背景扣除的循环伏安图。图13c示出了0nm至10μm的多巴胺的校准曲线(黑色)。误差条表示±1个标准偏差并小于标记。检测限为40nm，其被定义为与空白测量的标准偏差的三倍对应的浓度。使用定位在顶板上的全ito电分析电池使得与dmf和显微镜的集成特别简单。

示例2：数字微流体设备的底板的制作

图案通过使用以20000dpi印刷的透明光掩膜来生成。dmf设备的承载电极阵列的底板通过标准光刻和湿法蚀刻来形成。简单地说，铬(200nm厚)和光致抗蚀剂涂覆的玻璃衬底(2”×3”×1.1mm)通过使用sussmicrotec的光刻机的光掩膜来被暴露于uv光(29.8mw/cm^-2，10秒)。暴露的衬底在mf-321中显影(3分钟)，并在热板上进行后烘烤(125℃，1分钟)。显影的衬底在cr-4中蚀刻(3分钟)，并且剩余的光致抗蚀剂在az300t中剥离(5分钟)。

在形成电极后，衬底通过浸没在硅烷溶液中(2-丙醇、di水、a-174和乙酸50:50:1:2v/v/v/v，10分钟)并且固化在热板上(80℃，10分钟)来涂上parylene涂层底漆。在冲洗和干燥后，设备被涂覆有～7μm的parylenec(气相沉积)和～200nm的teflon-af(旋涂，fluorinertfc-40中的1％w/w，2000rpm，60s)，并且在热板上进行后烘烤(165℃，10分钟)。聚合物涂层通过用小刀轻轻刮擦来从接触焊盘去除。

示例3：数字微流体设备的顶板的制造

dmf设备的顶板由氧化铟锡(ito)涂覆的玻璃衬底在三个阶段中形成。

在第一阶段中，衬底在丙酮中进行超声处理5分钟并且在2-丙醇中冲洗1分钟。在干燥和脱水后，衬底用(马萨诸塞州的马尔伯勒)shipleys1811光致抗蚀剂旋涂(3000rpm，45s)，并且然后在热板上进行后烘烤(95℃，2分钟)。随后，衬底通过掩膜曝光(29.8mwcm^-2，10s)。衬底通过浸没在(马萨诸塞州的牛顿市的microchem的)mf-321中来显影3分钟，在热板上进行后烘烤(125℃，1分钟)，然后通过浸没在包括4:2:1(v/v/v)的盐酸、去离子(di)水和硝酸的ito蚀刻剂中进行蚀刻10分钟。在冲洗后，剩余的光致抗蚀剂通过浸没在(德克萨斯州的capitolscientific公司的)az300t中剥离5分钟。当完成时，设备上的ito被分离成七个隔离区域，包括六个电分析电极(四个1.6mm直径的圆和两个1.2×1.2mm的正方形)和一个大的不规则形状的dmf驱动电极。每个电分析电极连接到衬底边缘上的接触焊盘。

在第二阶段中，执行旋涂/剥离过程，如这里详细描述的。ito载玻片在80℃下被浸没在rca溶液(6:1:1的di水：28％氢氧化铵水溶液：30％过氧化氢)15分钟。在冲洗、干燥和脱水后，衬底用shipleys1811光致抗蚀剂旋涂(3000rpm，60s)，然后在热板上进行后烘烤(2分钟，95℃)。衬底通过承载两个电化学电极的特征的掩膜曝光(10s，29.8mwcm^-2)，然后在mf-321中显影。

在冲洗和干燥后，衬底被整片曝光(10s，29.8mwcm^-2)，然后用teflon-af旋涂，并且使用与底板衬底相同的参数(如上)进行后烘烤。然后，衬底通过轻微的搅拌浸没在丙酮中，直到图案化位点上的teflon-af被剥离(5-10s)。在冲洗和干燥后，teflon-af通过在165℃和230℃下的热板上在每个温度下烘烤5分钟来回流。

已经通过示例的方式示出了以上描述的特定实施例，并且应理解的是，这些实施例可能容易受到各种修改和替代形式。应当进一步理解的是，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。