微流控芯片的制備及其對(duì)糖類物質(zhì)的檢測(cè)

皮曉強(qiáng)，王升高*，劉星星，張　維，陳　睿，崔麗佳

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北武漢430074

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微流控芯片的制備及其對(duì)糖類物質(zhì)的檢測(cè)

皮曉強(qiáng)1，2，王升高1，2*，劉星星1，2，張維1，2，陳睿1，2，崔麗佳1，2

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；
2.湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北武漢430074

摘要：利用軟光刻技術(shù)，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制備了微流通道，通過光刻-濕法刻蝕和磁控濺射鍍膜技術(shù)制備出了集成有金屬膜電極的玻璃基片，將二者經(jīng)過等離子體處理，進(jìn)行鍵合后獲得了集成有電化學(xué)檢測(cè)器的PDMS-玻璃微流控芯片.以市售蜂蜜為待測(cè)物質(zhì)，研究了該芯片對(duì)蜂蜜中糖類物質(zhì)的分離檢測(cè)性能.結(jié)果表明：在分離電壓為850 V，電解液為50 mmol/L氫氧化鈉條件下，使用該P(yáng)DMS玻璃微流控芯片成功地在3 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖、蔗糖和果糖的有效分離和檢測(cè).

關(guān)鍵詞：微流控芯片；磁控濺射；電泳分離；電化學(xué)檢測(cè)；糖

1　引　言

微流控芯片通常被稱為微型全分析系統(tǒng)或芯片實(shí)驗(yàn)室.它是一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，旨在通過分析化學(xué)、微機(jī)電加工、材料科學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)的交叉來實(shí)現(xiàn)分析從試樣處理到檢測(cè)的整體微型化、自動(dòng)化、集成化和便攜化.其優(yōu)點(diǎn)在于通過芯片溝道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化微流控操作，這不僅降低了珍貴的生物試劑的使用，而且使分析效率得到了提高［1-4］.

微流控芯片（microfluidic chip）技術(shù)首次由Manz等［5］于1900年提出，其后短短十幾年內(nèi)得到了快速發(fā)展.目前微流控芯片的加工過程主要包括圖形設(shè)計(jì)、掩膜、光刻、刻蝕和鍵合等步驟.近年來報(bào)道了使用商品化SODA-LIME玻璃和硅基模具制作微流控芯片的方法，其降低了微流控芯片的成本和對(duì)設(shè)備的要求［6-7］.陳強(qiáng)研究組［8］通過使用紫外光學(xué)膠鍵合的方法來實(shí)現(xiàn)了微流空芯片的快速鍵合，降低了鍵合工藝對(duì)基質(zhì)表面平整度的要求.

本文通過光刻-濕法刻蝕和磁控濺射鍍膜技術(shù)制備出了集成有金屬電極的載玻片，通過軟光刻技術(shù)制備出了具有溝道的PDMS蓋片，將兩者用氧等離子體處理后鍵合，獲得了集成有電化學(xué)檢測(cè)器的PDMS-玻璃微流控芯片，并利用其對(duì)蜂蜜中的糖類物質(zhì)進(jìn)行了分離檢測(cè).

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)試劑與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)試劑主要包括：氫氧化鈉（分析純，天津市化學(xué)試劑三廠），蜂蜜，溶液配制成0.1 mol/L儲(chǔ)備液，使用時(shí)再稀釋至所需濃度，所有溶液以3次蒸餾水配制，使用前利用0.22 μm的醋酸纖維素酯微孔濾膜過濾.其中NaOH溶液要每2 h更換一次.正性光刻膠（RZJ-304，蘇州瑞紅），負(fù)性光刻膠（RFJ-220，蘇州瑞紅），硝酸銀（分析純，中國(guó)人民解放軍第九五零九工廠），三氯化鐵（分析純，天津市化學(xué)試劑三廠）等.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：電化學(xué)工作站為CHI660B（上海辰華），高壓電源（天津恒博），微博等離子體化學(xué)氣相沉積裝置（實(shí)驗(yàn)自制），磁控濺射鍍膜機(jī)（JCP-200，北京中科科儀有限公司），紫外光刻機(jī)（URE-2000/17，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所），真空干燥箱（DZF-6020，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司），超聲波清洗機(jī)（AS3120，AUTOSCI?ENCE），自制屏蔽箱等.

2.2微流控芯片的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用的集成電化學(xué)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)如圖1所示. a為分離高壓負(fù)極引線即分離高壓的接地端，兩引線接地端，兩引線間距180 μm，高壓負(fù)極寬150 μm. b為工作電極，寬為30 μm. c為輔助電極. d為參比電極，與工作電極距離為20 μm. b、c 和d共同構(gòu)成了微流控芯片集成電化學(xué)檢測(cè)器.

圖1　三電極系統(tǒng)及高壓負(fù)極布置示意圖（a）高壓負(fù)極（b）工作電極（c）輔助電極（d）參比電極Fig. 1 Sketch map of three electrodes system and high voltage cathode（a）High voltage cathode；（b）Work electrode；（c）Counter electrode；（d）Reference electrode

該電化學(xué)檢測(cè)器的分離高壓負(fù)極布置于工作電極之前，通過兩個(gè)電極引線從溝道兩側(cè)同時(shí)引出，兩電極引線之間的距離為180 μm，使得分離高壓負(fù)極還未到達(dá)檢測(cè)電極即最大限度地從地線分離流走，隔離效果優(yōu)于單根引線，有效地減少了分離高壓對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾.同時(shí)，三電極系統(tǒng)布置于溝道內(nèi)，工作電極與分離高壓負(fù)極之間的距離為30 μm，與布置于液池內(nèi)相比，可減小樣品擴(kuò)散，防止區(qū)帶展寬.工作電極設(shè)計(jì)尺寸為20 μm，電極尺寸的減少，可提高傳質(zhì)速度和分辨率，降低響應(yīng)時(shí)間，提高電極的靈敏度.工作電極與參比電極之間的距離為20 μm，小于溝道的寬度25 μm，有效地降低了背底噪音.

實(shí)驗(yàn)中十字溝道的設(shè)計(jì)如圖2所示.其中C為樣品池，B為樣品廢液池，D為緩沖液廢液池. BC段為進(jìn)樣溝道，AD段為分離溝道，其中ED段為有效分離長(zhǎng)度.實(shí)驗(yàn)中考慮到最大程度地減少分離高壓對(duì)電極檢測(cè)信號(hào)的影響，通過降低溝道寬度和增加溝道的有效分離長(zhǎng)度的方法進(jìn)一步達(dá)到去耦的目的.因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效分離長(zhǎng)度為65 mm，溝道寬度為25 μm.同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的進(jìn)樣溝道寬度為50 μm，與雙T型溝道相比，可以減少進(jìn)樣時(shí)間，但達(dá)到相同的進(jìn)樣效果.

圖2　十字溝道示意圖B為樣品廢液池；C為樣品池；D為緩沖液池；AD為分離溝道；BC為進(jìn)樣溝道；ED為有效分離長(zhǎng)度Fig. 2　Sketch map of the cross channel B Sample waste pool；C Sample pool；D Buffer solution pool；AD Separated channel；BC Sample injection channel；ED The length of effective separation

2.3微流控芯片的制備

利用磁控濺射鍍膜機(jī)在清洗后的玻璃基片表面鍍上鈦膜，再鍍金膜（鈦膜180 nm，金膜25 nm），然后在其表面勻上RZJ-304正性光刻膠.以具有所需圖形的鉻版玻璃作為掩膜版，通過顯影、濕法刻蝕及除膠后即制備出分離高壓負(fù)極和三電極系統(tǒng).圖3即為集成電化學(xué)檢測(cè)器的制備工藝流程.將參比電極在0.01 mol/L AgNO3溶液中進(jìn)行電鍍，然后在0.1 mol/L的FeCl3溶液中浸泡2 min后制得Ag/AgCl類參比電極.

圖3　電極的加工制作工藝流程（a）鍍鈦膜和金膜；（b）涂光刻膠；（c）光照；（d）顯影；（e）濕法刻蝕除金膜和鈦膜；（f）除光刻膠Fig. 3 Electrode processing and production（a）Titanium and gold film plating；（b）Resist coating；（c）Illumination；（d）Image develop；（e）Wet etching for removing titanium and gold film and；（f）Remove photoresist

PDMS溝道的制備采用了軟光刻技術(shù).通過預(yù)聚體Sylgard184及固化劑按質(zhì)量比10∶1均勻混合并去除氣泡后，于75℃固化2 h后澆注于負(fù)膠制作的陽模上，過程如圖4所示，固化即可得到如圖4所示的溝道的PDMS蓋片.采用氧等離子體對(duì)PDMS蓋片和玻璃基片正反兩面進(jìn)行改性處理后，在顯微鏡下進(jìn)行PDMS蓋片和玻璃基片的對(duì)準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)PDMS和玻璃的鍵合，即得到了集成有電化學(xué)檢測(cè)器的PDMS-玻璃微流控芯片，照片如圖5所示.

圖4　PDMS溝道制作工藝流程（a）涂光刻膠；（b）光照；（c）顯影；（d）澆注PDMS單體；（e）制得具有溝道的PDMS蓋片F(xiàn)ig. 4　Fabrication of PDMS channel （a）Resist coating；（b）Illumination；（c）Image develop；（d）Pouting PDMS monomer and（e）PDMS cover plate with channel

圖5　集成有電化學(xué)檢測(cè)器的PDMS微流控芯片實(shí)物照片（a）玻璃基片；（b）加工有十字溝道的PDMS蓋片；（c）、（d）分離高壓負(fù)極電極引線；（e）工作電極引線；（f）對(duì)電極引線；（g）參比電極引線；（h）電極的局部放大CCD照片；（i）PDMS蓋片的局部放大照片；（j）PDMS溝道的剖面圖Fig. 5 PDMS microfluidic chip integrated with electrochemical detector（a）Glass substrate；（b）PDMS cover plate with cross channel；（c）and（d）Negative leading wire for separating high voltage；（e）Leading wire of the work electrode；（f）Leading wire of counter electrode；（g）Leading wire of reference electrode；（h）CCD partial enlargement photo of electrode；（i）Partial enlargement photo of PDMS cover plate and（j）Cross?section drawn of PDMS channel

2.4糖類物質(zhì)的檢測(cè)

圖6為金電極作為工作電極的電泳分離圖.實(shí)驗(yàn)條件均以850 V作為分離高壓，進(jìn)樣時(shí)間5 s，以50 mmol/L NaOH作為緩沖溶液，以0.01 g蜂蜜稀釋200倍后的溶液作為檢測(cè)物.從圖中可以看出PDMS-玻璃微流控芯片能夠在3 min內(nèi)成功地從蜂蜜中分離檢測(cè)出葡萄糖、蔗糖和果糖.

圖6　金電極作為工作電極的電泳分離圖（a）進(jìn)樣階段；（b）分離階段Fig. 6　Electrophoretic separation diagram of gold electrode as work electrode （a）Stage of sample injection；（b）Stage of sample separation

3　結(jié)　語

本實(shí)驗(yàn)采用了軟光刻技術(shù)，在PDMS上制備了微流通道，通過光刻-濕法刻蝕和磁控濺射鍍膜技術(shù)制備出了集成有金屬膜電極的玻璃基片，將二者經(jīng)過等離子體處理后，進(jìn)行鍵合獲得了集成有電化學(xué)檢測(cè)器的PDMS-玻璃微流控芯片.該芯片制作簡(jiǎn)單，成本低，能夠有效的應(yīng)用于糖類物質(zhì)的分析和檢測(cè).

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本文編輯：龔曉寧

Preparation of Microfludic Chip for Sugar Detection

PI Xiaoqiang1，2，WANG Shenggao1，2，LIU Xingxing1，2，ZHANG Wei1，2，CHEN Rui1，2，CUI Lijia1，2

1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Hubei Key Laboratory of Plasma Chemistry＆Advanced Materials（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430074，China

Abstract：The micro channels on the surface of Polydimethylsiloxane（PDMS）were prepared by soft lithogra?phy technology，and the glass substrate integrated with metal membrane electrode was prepared by lithography?wet etching and magnetron sputtering coating technology. After the surface oxygen plasma treatment of PDMS and glass substrate，the PDMS?glass microfluidic chip was prepared through reversible bonding. Finally，the sugar detection performance of the microfluidic chip was analyzed using the honey from a market as a testing material. The result shows that the glucose，sucrose and fructose in honey can be successfully separated and detected in 3 min at the running voltage of 850 V and 50 mmol/L sodium hydroxide solution

Keywords：microfluidic chip；magnetron sputtering；electrophoretic separation；electrochemical detection；suger

*通訊作者：王升高，博士，教授. E-mail：wyysg@163.com

作者簡(jiǎn)介：皮曉強(qiáng)，碩士研究生. E-mail：1198475188@qq.com

基金項(xiàng)目：湖北省科技支撐計(jì)劃（2015BAA093）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51272187）；湖北省自然科學(xué)基金（2013CFA012）

收稿日期：2016-01-04

文章編號(hào)：1674 - 2869（2016）01 - 0052 - 04

中圖分類號(hào)：R284.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 009