集成電化學(xué)檢測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)檢測常采用三電極體系，且這三個電極往往是由不同材料組成的。工作電極和對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池的PDMS蓋片鍵合到一起，研制出了一種電化學(xué)檢測微流控芯片。

關(guān)鍵詞：三電極體系；微流控芯片；制作方法

中圖分類號：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 工作電極和對電極的制作方法研究

工作電極和對電極一般采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的貴金屬。本文的工作電極與對電極均采用Pt電極，基于光刻工藝方法來制作工作電極和對電極可以選擇剝離和腐蝕的工藝，腐蝕工藝過程中會遇到腐蝕液與基底材料不兼容的問題，如對于Pt的腐蝕，我們選擇用剝離的工藝來制作。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題。下面以在聚合物材料PMMA上制作Pt電極來介紹。

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顯影液對光刻膠進(jìn)行顯影，時間為30s，使得光刻膠圖形化。對PMMA片整體進(jìn)行二次曝光。將曝光后的PMMA放入磁控濺射臺中，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要快，腐蝕工藝的時間約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)檢測微芯片的制作與測試

3.1 芯片設(shè)計

基片PMMA尺寸為30mm×75mm，蓋片PDMS的尺寸為25mm×75mm。芯片共十個檢測單元，每一個檢測單元包括一個三電極體系：一個直徑為2mm金工作電極、尺寸都為1.5×1mm鉑對電極和銀參比電極。

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 電極制作工藝過程

Ag-Pt電極的制作：

首先將清洗好的PMMA片放到磁控濺射臺中，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制作，制作步驟為：將清洗好的PMMA放到臺式甩膠機(jī)，以2600r/min的轉(zhuǎn)速、30s的時間旋涂一層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℃，烘一個小時，使得PDMS固化；PDMS固化后，撕開錫箔紙，從邊緣輕輕地揭開PDMS，從四周向中間輕輕地揭，最后將整個PDMS從PMMA片上揭下來。在PDMS對應(yīng)位置打出10個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)檢測系統(tǒng)集成方法研究[D].東北大學(xué)，2009.