基于光尋址電位傳感器的液滴芯片研究

李學(xué)亮，劉詩斌

(1.周口師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南周口 466001；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710072)

0 引言

光尋址電位傳感器[1](light-addressable potentiometric sensor，LAPS)是由 D. G. Hafeman 等人在1988年提出的，本質(zhì)上是一種離子敏場效應(yīng)管，具有典型的電解液-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過尋址實(shí)現(xiàn)對傳感器表面不同位置自定義監(jiān)測。LAPS表面平坦統(tǒng)一，可以和PDMS等聚合物鍵合集成，形成任意形狀的微流路[2-3]。L. J. Bouss[4]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對細(xì)胞的生理代謝進(jìn)行了研究。N. Hu[5]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對細(xì)胞生理代謝以及快速藥物篩選進(jìn)行了研究。T. Liang[6]等以LAPS為傳感基底構(gòu)建了微流控系統(tǒng)，用來實(shí)時檢測細(xì)胞膜電位。K.Miyamoto[7]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對生物酶活性進(jìn)行了化學(xué)成像研究。同時，LAPS微流控系統(tǒng)也可用來分析微流路內(nèi)的層流現(xiàn)象[8-9]。這些以LAPS為傳感器構(gòu)建的微流控系統(tǒng)的不足之處在于樣品消耗量大，大約在mL級，微流路存在大量體積的不可利用溶液[10]。然而，芯片液滴技術(shù)可以在微流路中連續(xù)產(chǎn)生微小液滴，具有反應(yīng)通量高，反應(yīng)速度快，分析效率低，無交叉污染等優(yōu)點(diǎn)[11-15]?；诖?，本文采用2個注射微泵在T型微流路內(nèi)生成了樣品液滴，通過LAPS實(shí)現(xiàn)了對液滴的分析檢測，有效降低了分析樣品的消耗量，為液滴型LAPS在生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 LAPS原理

LAPS原理(如圖1(a)所示)是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，以N型硅為例，當(dāng)在傳感器的上下兩端施加負(fù)偏壓時，在硅襯底靠近絕緣層的一側(cè)會形成耗盡層。當(dāng)用調(diào)制光照射硅襯底時，電子吸收光子能量后會產(chǎn)生躍遷，部分會擴(kuò)散到耗盡層，電子空穴對在耗盡層的作用下產(chǎn)生光電流[11-12]，可以通過外部回路檢測到交變光電流。圖1(b)表示LAPS特性曲線，當(dāng)LAPS表面與溶液接觸時，會產(chǎn)生膜電位，改變?nèi)芤簆H值，會引起膜電位的變化，進(jìn)而I/V特性曲線會發(fā)生偏移，偏移量與待測離子濃度成線性關(guān)系[13-14]。

圖1 LAPS原理示意圖

LAPS器件結(jié)構(gòu)包括Au/N-Si/SiO2/Si3N4。LAPS器件制備過程如下：首先，在厚度為100 μm的N型硅襯底表面氧化產(chǎn)生50 nm的SiO2，然后在SiO2絕緣層上化學(xué)氣相沉積一層Si3N4敏感膜，接著在硅片背面熱蒸鍍一層厚度為300 nm的金膜形成歐姆接觸工作電極。

1.2 微流路制作

微流路制作過程如下：首先，在玻璃片上用SU-8光刻膠制作出微流路陽模圖案，微流路寬度和厚度分別為300 μm和10 μm。然后，將PDMS溶液澆鑄在微流路圖案上加熱(1 h，85 ℃)固化，然后揭下PDMS流路。最后，將LAPS和PDMS流路放進(jìn)等離子鍵合機(jī)鍵合后綁定，形成液滴微流路芯片。

1.3 檢測系統(tǒng)

液滴LAPS檢測系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)整體包括液滴生成部分和液滴檢測部分。其中液滴生成部分描述如下，在LAPS表面構(gòu)筑一個T型PDMS微流路，每一條微流路與一個注射微泵相連，其中主流路連接注射微泵產(chǎn)生空氣柱，用來切割產(chǎn)生液滴；支流路連接注射微泵用來注射待測樣品(如pH緩沖溶液)。在主流路末端嵌入Ag/AgCl油墨充當(dāng)參比電極，當(dāng)緩沖液液滴移動到待檢測點(diǎn)時，液滴與參比電極將接觸，形成通電回路。當(dāng)在參比電極和LAPS之間施加直流偏置電壓時，在絕緣層(SiO2)與半導(dǎo)體層(Si)將會產(chǎn)生一層耗盡層。當(dāng)用調(diào)制光照射被檢測區(qū)域時，耗盡層的寬度會發(fā)生變化，同時在回路中會產(chǎn)生交變的光電流。不同的偏置電壓下會產(chǎn)生不同的光電流，LAPS特性曲線的偏移量與pH緩沖液的濃度成線性關(guān)系。之后用LAPS檢測系統(tǒng)采集液滴光電流信號，信號采集系統(tǒng)由紅外LED光源，前置放大電路，數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ，LabVIEW上位機(jī)程序以及計(jì)算機(jī)組成。其中用直徑為500 μm的光纖將紅外調(diào)制光引導(dǎo)至檢測點(diǎn)；調(diào)制頻率設(shè)為 1.7 kHz；偏置電壓由數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ輸出，范圍為-1.5～0 V；數(shù)據(jù)采集卡的采樣率及采樣時間分別為100 kHz和20 s；前置放大器及LabVIEW上位機(jī)程序由實(shí)驗(yàn)室制作；為避免室外光影響，芯片放入屏蔽箱中；所有實(shí)驗(yàn)過程均在常溫下進(jìn)行。

圖2 液滴LAPS檢測系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 液滴產(chǎn)生

液滴產(chǎn)生過程描述如下：在支流路中注入樣品溶液，啟動注射泵，當(dāng)樣品溶液充滿瓶頸區(qū)域時，關(guān)閉注射泵；此時，啟動主流路連接的注射泵，由于空氣柱的推動作用，瓶頸區(qū)域內(nèi)的樣品溶液移動到主流路下游，形成樣品液滴，如圖3所示。

圖3 液滴產(chǎn)生

2.2 液滴I/t特性研究

圖4表示當(dāng)pH緩沖液樣品液滴經(jīng)過LAPS芯片光照檢測點(diǎn)時光電流的變化情況。在支流路中注入樣品溶液，啟動注射泵，當(dāng)樣品溶液充滿瓶頸區(qū)域時，關(guān)閉支流路注射泵；此時，啟動主流路連接的注射泵，由于空氣柱的推動作用，瓶頸區(qū)域內(nèi)的樣品溶液移動到主流路下游，形成樣品液滴，當(dāng)樣品液滴流經(jīng)檢測點(diǎn)時，光電流突然升高至0.1 μA左右，當(dāng)液滴流出檢測位置時，光電流迅速下降至初始值。

圖4 當(dāng)液滴經(jīng)過檢測點(diǎn)時的光電流變化

2.3 液滴I/V特性研究

圖5表示pH=5,7,9的緩沖液液滴的I/V特性曲線，生成的樣品液滴體積為1 μL。將波長為543.5 nm的紅外光LED照射LAPS檢測位點(diǎn)，光源調(diào)制頻率為1.7 kHz，采樣率為100 kHz，采樣時間為20 s，掃描偏置電壓從-1.5V到0 V，緩沖液選擇pH=5,7,9，所有實(shí)驗(yàn)過程均在常溫以及遮光屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，獲得不同pH值樣品液滴的I/V特性曲線，如圖5所示，當(dāng)樣品液滴從酸性，中性變?yōu)閴A性時，其I/V特性曲線從左至右依次偏移，偏移量與pH值成線性關(guān)系。即拐點(diǎn)偏壓值與pH值成線性相關(guān)，通過計(jì)算，傳感器的靈敏度為55 mV/pH，與Nernst理論值基本一致。

圖5 不同pH緩沖液滴的I/V特性曲線

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的連續(xù)流LAPS樣品消耗量大，本文提出了一種新的液滴LAPS芯片結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了如下研究。首先，通過2個注射微泵在T型微流路中形成了樣品液滴。其次，對樣品液滴的I/t特性進(jìn)行了研究，當(dāng)樣品液滴經(jīng)過LAPS檢測位點(diǎn)時，光電流突然增加至0.1 μA左右；最后，測量了pH=5,7,9的緩沖液液滴的I/V特性曲線，得出芯片的靈敏度為55 mV/pH，與Nernst理論值基本一致。