CN103008038B - 双极电极-纸基微流控的芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极电极-纸基微流控的芯片及其制备方法，所述芯片包括纸质基片、纸质盖片、纳米电极、双极电极；纳米电极、双极电极沉积于纸质基片表面；纳米电极作为微流通道中电渗流和双极电极电化学的驱动单元，双极电极作为在微流通道中形成使组份高倍浓集的非均匀电场，同时使被检测组份发生在双极电极两端的氧化还原反应。公开了三种不同的光刻胶与稀释剂制作上述芯片的方法。本发明纸基微流控-双极电极芯片具有重量轻、携带方便、成本低廉、可一次性使用、所需样品的体积小、分析速度快，适用于地基或空间搭载生命科学仪器的复杂样品的检测等。
Description
技术领域：
本发明涉及一种双极电极-纸基微流控的芯片及其制备方法，属于微流控分析技术领域。
背景技术：
自从20世纪九十年代提出微全分析系统的概念以来，微流控芯片作为其中的核心技术己经成为国际发展最迅速的领域之一。纸基微流控是近几年来微流控芯片研究的一个新方向。它以滤纸作为芯片材料，使用光刻技术、绘图仪技术、喷墨印刷技术、蜡印刷技术、剪纸、丝网印刷、柔版印刷、打印PDMS和等离子体氧化、激光处理、折纸术等都可以单独用来制作纸基微流控芯片，它们被己经成功的用于比色分析、电化学分析、生物样品分析等领域。由于它具有重量轻、携带方便、可一次性使用、成本低廉、所需样品的体积小、分析速度快、可以进行多种物质同时检测等优点，己经被越来越多地应用于化学、生物、医学等领域。
许多化学分析和化学反应都以纸作为载体，滤纸在点滴试验、pH试纸和纸色谱等有广泛应用。纸基微流控是由Martinez等人[Martinez et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,1318-1320]于2007年首次提出。普通滤纸由纤维素组成，呈亲水性，其纤维层的毛细作用可使水溶液自动渗透，为用纸质微流控芯片制作和应用创造了良好条件。与硅片、玻璃、PDMS等微流控芯片基材相比，纸质微流控芯片具有成本低、制备简单、无需复杂外围设备等特点，非常适用于在资源匮乏或空间搭载等极端条件下，进一步发展一系列生化检测新方法。
用于微流控分析系统中的双极电极（Bipolar electrode,BPE），是指一个放置在微流通道中的导体，当足够高的电场施加在微流通道中的离子缓冲液时，这个导体一端发生氧化反应，一端发生还原反应，这个导体就称为BPE。国际上所报道的双极电极芯片装置主要以玻璃和PDMS为主，而本专利公布的纸基微流控-双极电极电泳分离芯片及其制备方法还没见报道。
发明内容：
本发明的目的是提供一种双极电极-纸基微流控的芯片及其制备方法，双极电极-纸基微流控芯片具有重量轻、携带方便、成本低廉、可一次性使用、所需样品的体积小、分析速度快的特点，适用于地基或空间搭载生命科学仪器的复杂样品的检测等。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
双极电极-纸基微流控的芯片，包括纸质基片、纸质盖片、纳米电极、双极电极；纸质盖片通过光刻法有疏水障碍形成微流体通道，纳米电极和双极电极(7)积于纸质基片表面，介于纸质基片和纸质盖片之间；纳米电极有两个，分别位于双极电极的两侧；纸质盖片上设置有进样入口区和出口区，预分离浓缩区为微通道前半部分，微通道形成纸电泳-纸色谱，所述纳米电极作为微流通道中电渗流和双极电极电化学的驱动单元，双极电极作为微流通道的形成非均匀电场使组份高倍浓集，并使被检测组份发生在双极电极两端发生氧化还原反应，对复杂样品中低丰度物质进行聚焦浓缩和检测分析。
所述纳米电极厚度为100nm；
所述双极电极厚度为100nm，与盖片的微通道垂直；
所述的纳米电极为半导体氧化物电极或者金属电极；
所述的双极电极材料为金或铂或者氧化锡铟；
所述纸质基片和纸质盖片材料均为纸；
所述的纳米电极和双极电极为磁控溅射形成的纳米薄膜结构；
一种制备双极电极-纸基微流控芯片的方法，包括如下步骤：
1）纸质盖片的制作
将光刻胶和稀释剂按照体积比1:（4～8）进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，室温干燥后，直接在光刻机上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
2）纸质基片的制作
以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，并按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射氧化锡铟薄膜或者金属薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
3）纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层基片精确对齐黏牢，再把纸质盖片与双面胶对齐，再另外用一层透明胶带薄膜覆盖在纸质盖片的上表面，即得本发明的纸基微流控-双极电极芯片。
与现有技术相比，本发明纸基微流控双极电极芯片及其制备方法至少具有以下优点：简化了传统的纸基芯片光刻技术中的匀胶、前烘、后烘过程，在本发明纸基微流控-双极电极芯片中，微通道前面部分将会对复杂样品进行预分离和预浓缩，在纳米电极上加上一定电压后，微通道中的BPE两端产生驱动电势，实现微流通道双极电极高倍浓集和检测。本发明纸基微流控-双极电极芯片重量轻、携带方便、可一次性使用、成本低廉、所需样品的体积小、分析速度快，适用于地基或空间搭载生命科学仪器的复杂样品的检测等。
附图说明：
图1为本发明双极电极-纸基微流控芯片加工示意图，其中：图1（a）整个双极电极-纸基微流控芯片结构图；图1（b）微通道的加工流程图；图1（c）纳米电极和双极电极加工结构图；图1（d）纸基微通道和纸基纳米电极与双极电极组装侧视图。
图2为本发明一种双极电极-纸基微流控芯片的结构图。
图3为本发明一种双极电极-纸基微流控芯片的电场分布示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做详细描述。
本发明的芯片结构为：如图1（a）所示，包括纸质基片1、纸质盖片5、第一和第二纳米电极6、8、双极电极7；纸质盖片5通过光刻法有疏水障碍2形成微流体通道3，第一、第二纳米电极6、8和双极电极7沉积于纸质基片5表面，介于纸质基片和纸质盖片之间；第一和第二纳米电极6、8分别位于双极电极7的两侧；纸质盖片上设置有进样入口区10和出口区11，预分离浓缩区4为微通道3前半部分，微通道3形成纸电泳-纸色谱，所述纳米电极6、8作为微流通道中电渗流和双极电极7电化学的驱动单元，双极电极7作为微流通道的形成非均匀电场使组份高倍浓集，使被检测组份发生在双极电极两端发生氧化还原反应，对复杂样品中低丰度物质进行聚焦浓缩和检测分析。
如图1（b）和图1（c）所示，对本发明芯片的制备方法如下：
1）盖片的制作
用CorelDraw或者其他绘图软件设计微通道网络，以2400dpi以上分辨率，激光照排机输出在透明胶片上用作光掩膜（一般广告公司均可提供此项服务），在暗室（或者经减暗的一般实验室）中将光掩模覆盖在滤纸上，置于光刻机上曝光30s（需根据光强进行调整）；若采用5080dpi的激光照排机输出可获得25μm的横向分辨率，若采用20000dpi的照相绘图仪输出横向分辨率为8μm，（若采用铬板掩膜，分辨率可低于8μm，但掩膜制作时间长，费用高）。因此，胶片作为在紫外曝光制作微通道线宽要求不太高的光掩模。按照图1（b），将光刻胶SU-8100和环戊酮按照体积比一定进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，2min室温干燥后，直接在光刻机(OL-2MaskAligner,AB-M,Inc)上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
2）纸质基片的制作
按图1（c）所示，以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，并按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射氧化锡铟薄膜或者金属薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
3）纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层基片精确对齐黏牢，再把纸质盖片与双面胶对齐，再另外用一层透明胶带薄膜覆盖在纸质盖片的上表面，即得本发明的纸基微流控-双极电极芯片。
下面，请继续参阅图2和图3所示，对纸基微流控-双极电极沿微通道轴向的电场空间分布示意图做详细阐述。
双极电极为薄片型，与上层盖片5中微通道垂直，其宽度大于整个微流体通道宽度；所述的纳米电极为半导体氧化物/金属电极；所述的纳米电极为氧化锡铟或者Pt电极或者金；所述的薄片双极电极材料为金（Au）或铂（Pt）或者氧化锡铟；所述基片1和盖片5材料均为纸；所述的纳米电极和双极电极均由磁控溅射在纸基基片1上沉积形成；所述的纳米电极和双极电极厚度均为100nm左右。
在纳米电极6、8上施加一定的电场，BPE金膜的双极电极（7）的两端产生电势降，阳离子向阴极移动；阴离子向阳极移动，在矩形BPE金膜的准等势体的两端与沿微流通道轴向形成电势降形成BPE两端的氧化还原电势，发生氧化还原反应，同时在分离通道中的BPE金膜7周围形成非均匀电场，对分子带起高效的浓集作用，而纸质微流通道本身也有一定的预分离浓缩作用，将两者结合，将十分有利于复杂样品和低丰度物质的分析。
实施例1：
A．纸基盖片的制作
按照图1（b），将光刻胶SU-82025和SU-82000稀释剂按照体积比1:6进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，2min室温干燥后，直接在光刻机(OL-2Mask Aligner,AB-M,Inc)上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
B.纸基基片的制作
按图1（c）所示，以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，并按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射氧化锡铟薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
C.纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层基片精确对齐黏牢，再把纸质盖片与双面胶对齐，再另外用一层透明胶带薄膜覆盖在纸质盖片的上表面，即得本发明的纸基微流控-双极电极芯片。
实施例2：
A．纸基盖片的制作
按照图1（b），将光刻胶SU-82150和氯仿按照体积比1:4进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，2min室温干燥后，直接在光刻机(OL-2MaskAligner,AB-M,Inc)上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
B.纸基基片的制作
按图1（c）所示，以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，并按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射Au薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
C.纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层纸芯片（基片）精确对齐，黏上即可，在把盖片与双面胶对其后黏上，最后将透明胶覆盖盖片的上表面，即得本发明纸基微流控-双极电极芯片。
实施例2与实施例1主要不同之处在于：不同型号的光刻胶和稀释剂以及稀释比例不同，纳米电极和双极电极材料为Au。
实施例3：
A．纸基盖片的制作
按照图1（b），将光刻胶SU-8100和环戊酮按照体积比1:8进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，2min室温干燥后，直接在光刻机(OL-2Mask Aligner,AB-M,Inc)上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
B.纸基基片的制作
按图1（c）所示，以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，并按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射铂薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
C.纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层基片精确对齐黏牢，再把纸质盖片与双面胶对齐，再另外用一层透明胶带薄膜覆盖在纸质盖片的上表面，即得本发明的纸基微流控-双极电极芯片。
实施例3与实施例1、2主要不同之处在于：不同型号的光刻胶和稀释剂以及稀释比例不同；纳米电极和双极电极均为铂。
本发明的有益效果是：
1）实现了以纸基微流控-双极电极芯片；
2）本发明纸基微流控-双极电极芯片具有重量轻、携带方便、可一次性使用、成本低廉、所需样品的体积小、分析速度快的特点，适用于地基或空间搭载生命科学仪器的复杂样品的检测等。
Claims (5)
1.双极电极-纸基微流控的芯片，其特征在于：包括纸质基片(1)、纸质盖片(5)、纳米电极(6、8)、双极电极(7)；纸质盖片通过光刻法有疏水障碍(2)形成微流体通道(3)，纳米电极(6、8)和双极电极(7)沉积于纸质基片(1)表面，介于纸质基片和纸质盖片之间；纳米电极(6、8)有两个，分别位于双极电极(7)的两侧；纸质盖片上设置有进样入口区(10)和出口区(11)，预分离浓缩区(4)为微流体通道(3)前半部分，微流体通道(3)形成纸电泳-纸色谱，所述纳米电极(6、8)作为微流体通道中电渗流和双极电极(7)电化学的驱动单元，双极电极(7)作为微流体通道的形成非均匀电场使组份高倍浓集，并使被检测组份发生在双极电极两端发生氧化还原反应，对复杂样品中低丰度物质进行聚焦浓缩和检测分析；双极电极为薄片型，与上层盖片中微流体通道垂直，其宽度大于整个微流体通道宽度；所述的纳米电极为半导体氧化物/金属电极；所述的双极电极材料为金或铂或者氧化锡铟；所述基片和盖片材料均为纸；所述的纳米电极和双极电极均由磁控溅射在纸基基片上沉积形成；所述的纳米电极和双极电极厚度均为100nm。
2.根据权利要求1所述的双极电极-纸基微流控的芯片，其特征在于：所述的纳米电极为氧化锡铟或者Pt电极或者金。
3.一种制备微流控芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)纸质盖片的制作
将光刻胶和稀释剂按照体积比1:(4～8)进行稀释，将0.5ml的稀释后的光刻胶均匀涂在直径为5cm的色谱纸上，室温干燥后，直接在光刻机上将掩膜菲林片与色谱纸对齐曝光30s，丙酮显影5min，得到具有微通道的纸质盖片；
2)纸质基片的制作
以普通A4纸裁成一定大小的纸片当掩膜，按照色谱纸设计的电极的大小和形状把纸片电极区剪掉，把做好的纸掩膜放在色谱纸上面，采用磁控溅射氧化锡铟薄膜或者金属薄膜，获得100nm厚纳米电极和双极电极；双极电极置于两个纳米电极中间，即得纸质基片；
3)纸质芯片封合
预先在双面胶上裁剪出合适的图形，剪掉的部分与电极的形状一致，将双面胶与下层基片精确对齐黏牢，再把纸质盖片与双面胶对齐，用一层透明胶带薄膜覆盖在纸质盖片的上表面，即得双极电极-纸基微流控的芯片。
4.如权利要求3所述的一种制备微流控芯片的方法，其特征在于：所述光刻胶选自光刻胶SU-8 100或光刻胶SU-8 2025或光刻胶SU-8 2150。
5.如权利要求3所述的一种制备微流控芯片的方法，其特征在于：所述稀释剂选择环戊酮或氯仿。
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Also Published As
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|---|---|
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