集成电化学检测三电极体系微流控芯片的研制

徐莘博 孙 元 薛 茜

（大连理工大学，辽宁 大连 116024）

集成电化学检测三电极体系微流控芯片的研制

徐莘博 孙 元 薛 茜

（大连理工大学，辽宁 大连 116024）

本文介绍了一种在单个PMMA衬底上集成Ag-Pt-Pt两种材料微电极的方法。PMMA是一种聚合物材料，而在聚合物材料上集成两种材料电极的微流控芯片制作，需集成不同材料的电极。电化学检测常采用三电极体系，且这三个电极往往是由不同材料组成的。工作电极和对电极一般采用贵金属材料。本文研究了一种在PMMA衬底上集成Pt-Pt-Ag三电极体系的微流控芯片方法。利用可逆键合法，将集成Pt-Pt-Ag三电极体系的PMMA衬底与一片带有检测池的PDMS盖片键合到一起，研制出了一种电化学检测微流控芯片。

三电极体系；微流控芯片；制作方法

1　工作电极和对电极的制作方法研究

工作电极和对电极一般采用化学性质稳定的贵金属。本文的工作电极与对电极均采用Pt电极，基于光刻工艺方法来制作工作电极和对电极可以选择剥离和腐蚀的工艺，腐蚀工艺过程中会遇到腐蚀液与基底材料不兼容的问题，如对于Pt的腐蚀，我们选择用剥离的工艺来制作。使用剥离工艺需要克服有机溶剂与聚合物材料不兼容性的问题。下面以在聚合物材料PMMA上制作Pt电极来介绍。

首先用CO2切割机切割3075mm的PMMA片将切割好的PMMA片进行紫外光改性预处理将清洗好的PMMA表面甩上一层光刻胶，在55℃前烘45分钟后进行紫外曝光。使用0.5%的NaOH显影液对光刻胶进行显影，时间为30s，使得光刻胶图形化。对PMMA片整体进行二次曝光。将曝光后的PMMA放入磁控溅射台中，溅射一层Ti20nm和Pt100nm（Ti为粘附层）。将曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中进行剥离，完成Pt电极的制作。

2　参比电极的制作方法研究

微芯片上的参比电极一般选用Ag参比电极或者Ag/AgCl，而Ag/AgCl又可以通过化学处理将Ag电极变成Ag/AgCl参比电极。所以直接研究如何在PMMA上集成Ag电极。用光刻工艺来制作参比电极可选择剥离和腐蚀的工艺。腐蚀工艺制作微电极的速度相对要快，腐蚀工艺的时间约2s～5s，而剥离工艺需要1h～10h不等，所以采用腐蚀的方法来制作参比电极，腐蚀液选用H2O2：NH4OH=2∶5的混合溶液，H2O2具有强氧化性，而氨水（NH4OH）中有氨根离子与阴离子形成配合物，加速Ag在腐蚀液中的溶解速度。

首先在清洗好的PMMA基片上溅射一层金属Ti和Ag；接着在溅射好的PMMA片上旋涂一层光刻胶。将芯片放在热板上进行前烘45min，然后曝光；将曝光好的PMMA片子放到稀碱溶液中显影；将芯片放在热板上进行后烘，放入NH4OH和H2O2的混合溶液中腐蚀掉银；将芯片放入HF的混合溶液中，腐蚀掉Ti；对芯片整体进行二次曝光；放入稀碱溶液中除去银电极上的胶，完成银电极的制作。

3　集成Pt-Pt-Ag三电极体系的电化学检测微芯片的制作与测试

3.1芯片设计

基片PMMA尺寸为30mm×75mm，盖片PDMS的尺寸为25mm×75mm。芯片共十个检测单元，每一个检测单元包括一个三电极体系：一个直径为2mm金工作电极、尺寸都为1.5×1mm铂对电极和银参比电极。

3.2PMMA板的切割和清洗

将3mm的PMMA板材放入激光雕刻机中，将CAD图导入，控制激光雕刻机切割PMMA片，切成30mm×75mm的PMMA片。

用半导体清洗剂和去离子水混合溶液进行超声清洗：将PMMA片放入配有2000mL的去离子水和100mL半导体清洗剂混合溶液的盒子中，将盒子放到超声清洗机中超声15min；倒掉清洗剂混合溶液，换成2000ml的去离子水，超声15min；换上新的去离子水2000mL，超声15min；清洗完成后，用N2吹干PMMA表面。

3.3电极制作工艺过程

Ag-Pt电极的制作：

首先将清洗好的PMMA片放到磁控溅射台中，在片上溅射一层Ti和Ag，Ti厚度为20nm，Ag厚度为200nm。接着将溅射好的片子放到甩胶机上，以低速100r/ min 10s，高速2600r/min 30s，旋涂一层BP212光刻胶；将PMMA片放在55℃的热板上，前烘45min。在光刻机下曝光。将曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中显影30s；将PMMA片放在55℃的热板上，后烘50min；将PMMA片放入NH4OH和H2O2的混合溶液中，腐蚀掉银，取出放到去离子水中冲洗，然后吹干；将芯片放入HF和H2O的混合溶液中，腐蚀掉Ti；对芯片整体进行二次曝光，然后放入0.5%的NaOH溶液中去除银电极上的胶，完成银电极的制作。

铂电极采用剥离工艺来制作，制作步骤为：将清洗好的PMMA放到台式甩胶机，以2600r/min的转速、30s的时间旋涂一层BP212正型光刻胶。然后将芯片放在55℃的热板上，前烘5min。接着在光刻机下曝光。将曝光好的片子放到0.5% 的NaOH溶液中显影30s。片子放到曝光机下，进行二次曝光，接着将带有图形化的光刻胶的PMMA片放到磁控溅射台中，在片上溅射一层Ti和Pt，Ti为20nm，Pt为100nm，将曝光好的片子放到0.5%的NaOH溶液中进行剥离，完成制作。通过以上步骤，在PMMA上集成了Pt-Pt-Ag三电极体系。

3.4PDMS盖片制作和芯片的键合

激光切割50mm×100mm的PMMA片，进行超声清洗。在PMMA上浇注PDMS首先将PDMS预聚物与PDMS固化剂以10∶1的体积比混合，充分搅拌30min，使其混合均匀；将搅拌后的PDMS倒入PMMA片上；将PMMA片放入真空烘箱中，将PDMS中的气泡抽出，防止固化后在PDMS内部留下气泡；抽完气泡，将真空烘箱的温度升到80℃，烘一个小时，使得PDMS固化；PDMS固化后，撕开锡箔纸，从边缘轻轻地揭开PDMS，从四周向中间轻轻地揭，最后将整个PDMS从PMMA片上揭下来。在PDMS对应位置打出10个8mm的孔。

利用可逆键合法，将带有Pt-Pt-Ag三电极体系的PMMA基片，与打有10个孔的PDMS盖片键合到一起，形成范德华力，制作出了一种电化学检测微流控芯片。

［1］张玉梅.微流控芯片葡萄糖电化学检测系统集成方法研究［D］.东北大学，2009.

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