[发明专利]一种集成电化学传感芯片

说明书

技术领域

本发明属于自动化微分析芯片技术领域，具体涉及一种集成电化学传感芯片。

背景技术

自动化微分析领域不同于传统的实验室检测，它是指将传统实验室的大容量样品提取、样品预处理、分解分离、生物化学反应、分析检测、数据处理等操做集成在一个系统或芯片中，以微量样品为对象进行自动化操控和检测，具有高集成、高精度、高通量、高效率、低消耗、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。

作为微分析芯片的载体，数字微流控技术是指以单个液滴为操控对象的技术，是芯片实现微量和自动化的关键。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，由于它芯片制作简单，以电学信号进行操控，具有非常高的集成性和自动化操作能力，是目前数字微流领域的主流技术，也是未来芯片实验室应用的重要技术。

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。但传统的电化学检测都是基于大尺度的电化学电极，如一般是将毫米尺度的电极线手动插进溶液中进行检测，这样既不能实现自动化也不能实现微量检测。虽然也有文献报道过在连续数字微流控芯片上制作微细电极的小型电化学传感器，但是往往是制作非常麻烦，自动化程度不高，而且受限于连续微流技术的集成性，只能局限于一般的实验室应用。

因此，结合数字微流控技术的优点，可以将微型电化学传感集成在微小芯片上，不仅芯片制作简单，而且整个控制检测系统都可以集成，做成便携设备，具有非常大的商业应用前景。目前，基于数字微流控技术的电化学集成研究还很少，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，但仍具有一定局限性。因此，本发明提供一种更为优化的新式集成电化学传感芯片。

发明内容

本发明目的在于提供一种既可以实现自动、快速微量操控，又可以实现实时、高效、精确检测的集成电化学传感芯片。

本发明提供的集成电化学传感芯片，包括上极板和下极板，下极板中集成有数字微流控驱动模块，用于微尺度液滴的产生、输运、混合、分裂等操作，以实现液体样本的自动化操控；上极板中集成有电化学传感模块，用于实时、微量、快速的电化学检测。与以往集成芯片不同的是，基于介质上电润湿的数字微流控模块完全集成在下极板中，更具体的，是把传统介质电润湿数字微流芯片的上极板接地电极集成在下极板上，而且接地电极与驱动电极位于同一平面，可同时加工制作；而上极板可以完全用来集成电化学传感模块，这样做的好处是可以明显简化芯片制作工艺，而且微流控和电化学两个模块分别制作，各施其职，可以减少功能结构功能重叠所造成的问题。

具体来说，本发明提供的集成电化学传感芯片，由集成有数字微流控模块的下极板和集成有电化学传感模块的上极板以及夹在上极板、下极板之间的液滴组成；其中，下极板结构从下到上依次为：第一绝缘衬底，第一电极层，介质层，第一疏水层；上极板结构从上到下依次为：第二绝缘衬底，第二电极层，第二疏水层；数字微流控模块包括数字微流驱动电极和接地电极，集成在下极板的第一电极层中，电化学传感模块为电化学三电极体系，集成在上极板的第二电极层中；液滴在第二疏水层与第一疏水层之间。

本发明中，第一电极层为介质电润湿数字微流控芯片所需的电极，其中的驱动电极和接地电极位于同一平面上，但其形式和规格并不限定，具体满足能实现介质电润湿液滴驱动即可；

本发明中，第二电极层仅用于制作集成微型电化学芯片的三电极体系，包括工作电极、对电极和参比电极，其形式和具体规格并不限定，但要满足一个三电极体系所占面积要小于下极板对应数字微流驱动电极的面积以使液滴能够顺利驱动。第二疏水层与第一疏水层一起给液滴提供一个疏水环境以顺利驱动，第二疏水层应当包围但并不覆盖集成电化学三电极体系，以便让电化学电极能够直接接触到液滴进行检测。

本发明集成传感芯片的制作步骤如下：

制作下极板，在第一绝缘衬底上淀积制备第一电极层，并图形化形成数字微流的驱动电极和接地电极，然后制备第一介质层，再制备第一疏水层。