CN103822961B - 电化学微流芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学微流芯片，包括设置在基底上的金属Cr层，所述金属Cr层上设置有金属Au层，所述金属Au层上设置有作为工作电极的金属Bi层和作为辅助电极的电极Ag或AgCl层，所述基底上设置有上盖，上盖与基底之间的空隙为微流道。本发明以MEMS微细加工技术制备基于电化学溶出法的便携式水体离子在线检测仪芯片，而只需使用普通紫外光源，借助光刻胶优异的高精度结构成型能力，使用普通的掩模版，就可完成电化学微流芯片单元的制备。本发明工艺简单、成本低，而且易于批量化生产。

Description

电化学微流芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种对水中重金属离子、阴离子、农药、杀虫剂、药品、化妆品和洗涤用品等残留的电化学微流芯片及其制备方法，具体而言，涉及一种基于微纳加工技术制备的电化学微流控检测芯片及其制造方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，水体包括江、河、湖、海和地下水中离子,包括重金属阳离子和阴离子浓度也不断升高。由于发展方式粗放，污染长期累积，一些流域区域重金属等相关毒害物质污染十分突出，特别是汞、铬、镉、铅、砷类重金属污染凸显。重金属等毒害物质污染而导致饮用水污染事故的频发，要求我们必须加大对重金属等毒害物质污染的治理与监控力度，建立全面的监控预警体系，以消除对生态环境安全与饮用水安全的危害。

目前，对这些离子的检测还停留在现场采样，送到实验室进行检测的常规程序。这不仅不能及时掌握目标离子浓度变化和分布的信息，搞清其在环境中的迁移变化规律，对制定相应的消除污染的政策提供准确的依据。而且在样品采集、存储、运输过程中各种因素的影响往往会改变样品组分的形态与浓度。

目前对重金属离子的检测方法有原子吸收光谱法(AAS)，原子荧光光度法(AFS)，电感耦合发射光谱法(ICP-AES)，电感耦合质谱法(ICP-MS)和离子色谱法等。在这些方法中，AAS和AFS都需要将溶液中的重金属离子气化成气体原子形态(温度约1,000K-1,500K)，再通过测量其对共振吸收光的吸收度(AAS)或者受激发后辐射出的荧光波长，和强度(AFS)来进行定性和定量计算。ICP法更要将重金属离子加热成为等离子体(温度达到10,000K)，再记录原子发射光谱(AES)或进行质谱测量进行定性定量分析。AAS、AFS和ICP法，检测限在10-7-10-10mol/L， 线性范围宽(3-5个数量级)，精密度高，除了AAS都可进行多元素与价态分析。 但这些方法的仪器运行维护成本高，分析时间长，不能进行现场快速检测。离子色谱法，是利用不同的离子对离子交换树脂不同的交换能力来分离不同的离子，在用电导或紫外－可见分光光度计进行检测，可同时分离检测多种离子。样品需要预处理(过滤,萃取,盐析等)，分离柱的制造要求比较高。

电化学溶出伏安法一直被认为是检测水体中离子，尤其是重金属离子的最为有效的方法。基于电化学溶出法的便携式水体离子在线检测仪，可以实现对上述水体中重金属离子和一些阴离子的现场、在线、快速检测。

电化学溶出分析法是根据不同带电离子在溶液中的具有不同的电化学性质，通过测量氧化/还原过程中的电势和所产生的电流，来进行定性，定量的方法。是目前公认的一种快速，准确，灵敏的分析方法。由于所用仪器设备简单,操作方便易于小型化。而电化学检测单元也是检测芯片，是电化学溶出分析法的核心，它将对离子的富集、电解溶出和电位、电流的测量一并完成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种电化学微流芯片及其制备方法，克服现有重金属离子的检测仪器的不足，基于电化学溶出法的便携式水体离子在线检测仪工作原理，利用MEMS加工（光刻、溅射、电镀）技术，在聚合物COC衬底上制备一种基于电化学溶出法的便携式水体离子在线检测仪芯片，经过精确标定，使其满足重金属、阴离子、农药、杀虫剂、药品、化妆品、和洗涤用品等残留等在线测试要求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电化学微流芯片，包括设置在基底上的金属Cr层，所述金属Cr层上设置有金属Au层，所述金属Au层上设置有作为工作电极的金属Bi层和作为辅助电极的电极Ag或AgCl层，所述基底上设置有上盖，上盖与基底之间的空隙为微流道。

优选的，所述基底为环烯共聚物材质。

优选的，所述微流道为环烯共聚物材质。

优选的，所述上盖为长条形，中部宽于两端，两端为圆角，上盖中心为容纳所述电化学微流芯片的凹槽。

一种电化学微流芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）COC基底上，溅射金属Cr层、金属Au层和金属Bi层，依次进行甩胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的电化学芯片结构，实现其光刻胶结构的图形化；

步骤2）以溶液刻蚀的方法，刻蚀出金属电极Au和工作电极金属Bi层；

步骤3）以电镀方法电镀出电极Ag或AgCl层；

步骤4）以注塑成型方法，制造出环烯共聚物材质的微流道；

步骤5）然后以紫外固化胶粘接的方式，对电极基片和微流道进行封装。

本发明的有益效果是:

本发明以MEMS微细加工技术制备基于电化学溶出法的便携式水体离子在线检测仪芯片，而只需使用普通紫外光源，借助光刻胶优异的高精度结构成型能力，使用普通的掩模版，就可完成电化学微流芯片单元的制备。本发明工艺简单、成本低，而且易于批量化生产。

本发明不仅能用于水中重金属检测，也能用于阴离子、农药、杀虫剂、药品、化妆品、洗涤用品残留等的测量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的电化学微流芯片示意图；

图2a为溅射金属层Cr层、Au层和Bi层；

图2b为刻蚀金属Bi层；

图2c为刻蚀金属Au层；

图2d为电镀电极Ag或AgCl层；

图2e为去除多余的金属Cr层；

图2f为封装微流体沟道和电极基底；

图3为上盖结构示意图。

其中：1、金属Cr层，2、金属Au层，3、金属Bi层，4、电极Ag或AgCl层，5、基底，6、微流道，7、上盖。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种电化学微流芯片，包括设置在基底5上的金属Cr层1，所述金属Cr层1上设置有金属Au层2，所述金属Au层2上设置有作为工作电极的金属Bi层3和作为辅助电极的电极Ag或AgCl层4，所述基底5上设置有上盖7，上盖7与基底5之间的空隙为微流道6。所述基底5和微流道6为环烯共聚物材质。参照图3所示，所述上盖7为长条形，中部宽于两端，两端为圆角，上盖7中心为容纳所述电化学微流芯片的凹槽。

参照图2a至图2f所示，本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

（1）清洗。三英寸环烯共聚物（COC）为基底5，丙酮、乙醇、去离子水各清洗5分钟，后用氮气吹干，置放于超净环境。

（2）在3英寸的COC基底5上，在清洗干净后的COC基底5上先溅射一层厚度为20-50nm的金属Cr层1作为连接层。

（3）金属Au层2溅射。在溅射的金属Cr层1上，溅射一层厚度为100-200nm的金膜。

（4）金属Bi层3溅射。在溅射的金属Au层2上，再溅射一层厚度为100-150nm的铋膜。

（5）图形化Bi电极。在溅射的金属Bi层3上，利用MEMS工艺中的涂胶、曝光和显影等步骤，图形化出金属Bi电极图案。

（6）金属Bi层3刻蚀。利用金属Bi刻蚀溶液，去除多余的金属Bi，然后去除多余的光刻胶。

（7）图形化Au电极。在刻蚀后的金属Bi层3上，利用MEMS工艺中的涂胶、曝光和显影等步骤，图形化出金属Au电极图案。

（8）金属Au层2刻蚀。利用金属Au刻蚀溶液，去除多余的金属Au，然后去除多余的光刻胶。

（9）图形化电极Ag或AgCl层4。在刻蚀后的金属Au层2上，利用MEMS工艺中的涂胶、曝光和显影等步骤，图形化出金属Ag或AgCl电极图案。

（10）电极Ag或AgCl层4电镀。在配置好的银电镀溶液中，进行Ag或AgCl电极的电镀。

（11）微流道6制备。利用注塑成型技术，制备出以COC微基材的微流体沟道。

（12）封装。利用紫外固化胶，将制备好的电话学测试电极基底与微流道6进行封装，形成电化学测试芯片。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电化学微流芯片，其特征在于：包括设置在基底(5)上的金属Cr层(1)，所述金属Cr层(1)上设置有金属Au层(2)，所述金属Au层(2)上设置有作为工作电极的金属Bi层(3)和作为辅助电极的电极Ag或AgCl层(4)，所述基底(5)上设置有上盖(7)，上盖(7)与基底(5)之间的空隙为微流道(6)；

其中，所述基底(5)为环烯共聚物材质，所述微流道(6)为环烯共聚物材质，所述上盖(7)环烯共聚物材质；

其中，所述上盖(7)为长条形，中部宽于两端，两端为圆角，上盖(7)中心为容纳所述电化学微流芯片的凹槽。

2.一种电化学微流芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)环烯共聚物基底上，溅射金属Cr层、金属Au层和金属Bi层，依次进行甩胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的电化学芯片结构，实现其光刻胶结构的图形化；

步骤2)以溶液刻蚀的方法，刻蚀出金属电极Au和工作电极金属Bi层；

步骤3)以电镀方法电镀出电极Ag或AgCl层；

步骤4)以注塑成型方法，制造出环烯共聚物材质的微流道；

步骤5)然后以紫外固化胶粘接的方式，对电极基片和微流道进行封装。