[发明专利]基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片

说明书

技术领域

本发明属于微分析芯片技术领域，具体涉及基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片。

背景技术

芯片实验室（LOC）又称微全分析系统（Miniaturized Total Analysis System, μ-TAS）其简单定义是指能够完成生物化学处理各个过程，将能自动完成传统实验室任务的复杂功能微小化、集成化的MEMS系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，能够完成样品提取、 样品预处理、分解分离、生物化学反应、分析检测、数据处理等操做。芯片实验室作为一项新兴的技术，自提出以来就有较多的关注，具有高集成性、高精度、低耗性、高通量、智能化等许多优点，在未来生物、医药、化学等许多领域具有非常好的发展前景。

作为芯片实验室的动力部分，微流控技术起着至关重要的作用。而基于介质上电润湿的数字微流技术是指通过在介质结构上施加电压改变液滴在介质表面的润湿性能从而改变液滴与界面接触角以进一步对离散液滴进行操控的微流技术，它具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，是数字微流领域的主流技术，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

作为一种有效的微检测方法，电化学传感是基于三电极工作系统：工作电极、对电极、参比电极，是利用电学信号测量完成溶液中的物质检测，因此无论从检测对象、检测方法、检测系统上看，电化学传感都可以方便地集成到数字微流芯片中。而且电化学传感还具有集成度高、检测范围广、灵敏度高、低功耗、低成本等许多优点，是芯片实验室中较有潜力的检测方法。

因此，将电化学传感集成到数字微流控芯片中以实现芯片实验室具有重大意义。目前，基于这一部分的研究很少，虽然我们研究小组已经进行了相关探索，并提出了一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片（申请号：201010553307.6）和一种数字微流控技术的电化学传感器芯片（申请号：201110001653.8）。这两种芯片虽然实现了微流控芯片上电化学检测的集成，但仍有芯片结构相对复杂、制作不够简便的缺点，更为重要的是，由于受到数字微流控芯片驱动电极的尺寸限制，集成电化学电极尺寸通常较小，这样降低了电化学检测方法的灵敏度，从而削弱了电化学集成的优点。因此，实现数字微流控芯片上电化学传感的简便集成并增加电化学检测的灵敏度和稳定性等性能对于芯片实验室的发展具有重大意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够增加电化学检测的灵敏度和稳定性的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片。

本发明提供的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，为介质上电润湿驱动芯片，通过合理的结构将电化学检测单元集成于数字微流控芯片中，并通过数字微流控芯片自动化操控实现电化学电极自动化纳米材料修饰，增强其电化学检测能力以解决电化学集成的瓶颈。

本发明的电化学集成数字微流控芯片，为上极板、下极板中间夹着驱动液滴的三明治结构；下极板从下到上依次为绝缘衬底、集成电极层、绝缘介质层、疏水层；上极板从下到上依次为疏水层、平面电极层、绝缘衬底；其中，上极板平面电极层仅作为数字微流芯片驱动的接地电极，下极板中的集成电极层包含数字微流控芯片的驱动电极和电化学检测的三电极系统；电化学的三电极系统，即对电极（或称辅助电极）、工作电极、参比电极均为平面电极，按照电化学检测的要求排布组成一个整体，嵌入在数字微流控芯片的某个驱动电极当中，但电气不相连；所有三个电极均处于芯片的同一个平面上；

在下极板电化学电极上形成“凹坑”，使该部分电化学电极“裸露”；

在所述电化学电极的工作电极上修饰有纳米材料。

为了实现介质上电润湿驱动，数字微流控芯片的驱动电极上覆盖了绝缘介质层和疏水层；而为了实现溶液接触传感，电化学电极上的介质层和疏水层需要去掉。因此，在芯片制作时需要通过一定工艺在下极板电化学电极上形成“凹坑”，以实现该部分电化学电极的“裸露”；通过这样的结构设计，液滴可以通过介质上电润湿驱动运输到集成驱动电极上，接触到“裸露”的电化学电极进行电化学检测，其后又被运输离开检测电极，从而实现自动化操控。