集成電化學(xué)檢測(cè)三電極體系微流控芯片的研制

徐莘博 孫元 薛茜

摘 要：本文介紹了一種在單個(gè)PMMA襯底上集成Ag-Pt-Pt兩種材料微電極的方法。PMMA是一種聚合物材料，而在聚合物材料上集成兩種材料電極的微流控芯片制作，需集成不同材料的電極。電化學(xué)檢測(cè)常采用三電極體系，且這三個(gè)電極往往是由不同材料組成的。工作電極和對(duì)電極一般采用貴金屬材料。本文研究了一種在PMMA襯底上集成Pt-Pt-Ag三電極體系的微流控芯片方法。利用可逆鍵合法，將集成Pt-Pt-Ag三電極體系的PMMA襯底與一片帶有檢測(cè)池的PDMS蓋片鍵合到一起，研制出了一種電化學(xué)檢測(cè)微流控芯片。

關(guān)鍵詞：三電極體系；微流控芯片；制作方法

中圖分類號(hào)：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 工作電極和對(duì)電極的制作方法研究

工作電極和對(duì)電極一般采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的貴金屬。本文的工作電極與對(duì)電極均采用Pt電極，基于光刻工藝方法來(lái)制作工作電極和對(duì)電極可以選擇剝離和腐蝕的工藝，腐蝕工藝過(guò)程中會(huì)遇到腐蝕液與基底材料不兼容的問(wèn)題，如對(duì)于Pt的腐蝕，我們選擇用剝離的工藝來(lái)制作。使用剝離工藝需要克服有機(jī)溶劑與聚合物材料不兼容性的問(wèn)題。下面以在聚合物材料PMMA上制作Pt電極來(lái)介紹。

首先用CO2切割機(jī)切割3075mm的PMMA片將切割好的PMMA片進(jìn)行紫外光改性預(yù)處理將清洗好的PMMA表面甩上一層光刻膠，在55℃前烘45分鐘后進(jìn)行紫外曝光。使用0.5%的NaOH顯影液對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影，時(shí)間為30s，使得光刻膠圖形化。對(duì)PMMA片整體進(jìn)行二次曝光。將曝光后的PMMA放入磁控濺射臺(tái)中，濺射一層Ti20nm和Pt100nm（Ti為粘附層）。將曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中進(jìn)行剝離，完成Pt電極的制作。

2 參比電極的制作方法研究

微芯片上的參比電極一般選用Ag參比電極或者Ag/AgCl，而Ag/AgCl又可以通過(guò)化學(xué)處理將Ag電極變成Ag/AgCl參比電極。所以直接研究如何在PMMA上集成Ag電極。用光刻工藝來(lái)制作參比電極可選擇剝離和腐蝕的工藝。腐蝕工藝制作微電極的速度相對(duì)要快，腐蝕工藝的時(shí)間約2s～5s，而剝離工藝需要1h～10h不等，所以采用腐蝕的方法來(lái)制作參比電極，腐蝕液選用H2O2：NH4OH=2∶5的混合溶液，H2O2具有強(qiáng)氧化性，而氨水（NH4OH）中有氨根離子與陰離子形成配合物，加速Ag在腐蝕液中的溶解速度。

首先在清洗好的PMMA基片上濺射一層金屬Ti和Ag；接著在濺射好的PMMA片上旋涂一層光刻膠。將芯片放在熱板上進(jìn)行前烘45min，然后曝光；將曝光好的PMMA片子放到稀堿溶液中顯影；將芯片放在熱板上進(jìn)行后烘，放入NH4OH和H2O2的混合溶液中腐蝕掉銀；將芯片放入HF的混合溶液中，腐蝕掉Ti；對(duì)芯片整體進(jìn)行二次曝光；放入稀堿溶液中除去銀電極上的膠，完成銀電極的制作。

3 集成Pt-Pt-Ag三電極體系的電化學(xué)檢測(cè)微芯片的制作與測(cè)試

3.1 芯片設(shè)計(jì)

基片PMMA尺寸為30mm×75mm，蓋片PDMS的尺寸為25mm×75mm。芯片共十個(gè)檢測(cè)單元，每一個(gè)檢測(cè)單元包括一個(gè)三電極體系：一個(gè)直徑為2mm金工作電極、尺寸都為1.5×1mm鉑對(duì)電極和銀參比電極。

3.2 PMMA板的切割和清洗

將3mm的PMMA板材放入激光雕刻機(jī)中，將CAD圖導(dǎo)入，控制激光雕刻機(jī)切割PMMA片，切成30mm×75mm的PMMA片。

用半導(dǎo)體清洗劑和去離子水混合溶液進(jìn)行超聲清洗：將PMMA片放入配有2000mL的去離子水和100mL半導(dǎo)體清洗劑混合溶液的盒子中，將盒子放到超聲清洗機(jī)中超聲15min；倒掉清洗劑混合溶液，換成2000ml的去離子水，超聲15min；換上新的去離子水2000mL，超聲15min；清洗完成后，用N2吹干PMMA表面。

3.3 電極制作工藝過(guò)程

Ag-Pt電極的制作：

首先將清洗好的PMMA片放到磁控濺射臺(tái)中，在片上濺射一層Ti和Ag，Ti厚度為20nm，Ag厚度為200nm。接著將濺射好的片子放到甩膠機(jī)上，以低速100r/min 10s，高速2600r/min 30s，旋涂一層BP212光刻膠；將PMMA片放在55℃的熱板上，前烘45min。在光刻機(jī)下曝光。將曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中顯影30s；將PMMA片放在55℃的熱板上，后烘50min；將PMMA片放入NH4OH和H2O2的混合溶液中，腐蝕掉銀，取出放到去離子水中沖洗，然后吹干；將芯片放入HF和H2O的混合溶液中，腐蝕掉Ti；對(duì)芯片整體進(jìn)行二次曝光，然后放入0.5%的NaOH溶液中去除銀電極上的膠，完成銀電極的制作。

鉑電極采用剝離工藝來(lái)制作，制作步驟為：將清洗好的PMMA放到臺(tái)式甩膠機(jī)，以2600r/min的轉(zhuǎn)速、30s的時(shí)間旋涂一層BP212正型光刻膠。然后將芯片放在55℃的熱板上，前烘5min。接著在光刻機(jī)下曝光。將曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中顯影30s。片子放到曝光機(jī)下，進(jìn)行二次曝光，接著將帶有圖形化的光刻膠的PMMA片放到磁控濺射臺(tái)中，在片上濺射一層Ti和Pt，Ti為20nm，Pt為100nm，將曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中進(jìn)行剝離，完成制作。通過(guò)以上步驟，在PMMA上集成了Pt-Pt-Ag三電極體系。

3.4 PDMS蓋片制作和芯片的鍵合

激光切割50mm×100mm的PMMA片，進(jìn)行超聲清洗。在PMMA上澆注PDMS首先將PDMS預(yù)聚物與PDMS固化劑以10∶1的體積比混合，充分?jǐn)嚢?0min，使其混合均勻；將攪拌后的PDMS倒入PMMA片上；將PMMA片放入真空烘箱中，將PDMS中的氣泡抽出，防止固化后在PDMS內(nèi)部留下氣泡；抽完氣泡，將真空烘箱的溫度升到80℃，烘一個(gè)小時(shí)，使得PDMS固化；PDMS固化后，撕開(kāi)錫箔紙，從邊緣輕輕地揭開(kāi)PDMS，從四周向中間輕輕地揭，最后將整個(gè)PDMS從PMMA片上揭下來(lái)。在PDMS對(duì)應(yīng)位置打出10個(gè)8mm的孔。

利用可逆鍵合法，將帶有Pt-Pt-Ag三電極體系的PMMA基片，與打有10個(gè)孔的PDMS蓋片鍵合到一起，形成范德華力，制作出了一種電化學(xué)檢測(cè)微流控芯片。

參考文獻(xiàn)

[1]張玉梅.微流控芯片葡萄糖電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)集成方法研究[D].東北大學(xué)，2009.