基于光寻址电位传感器的液滴芯片研究

李学亮，刘诗斌

(1.周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口 466001；2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安 710072)

0 引言

光寻址电位传感器[1](light-addressable potentiometric sensor，LAPS)是由 D. G. Hafeman 等人在1988年提出的，本质上是一种离子敏场效应管，具有典型的电解液-绝缘体-半导体结构，通过寻址实现对传感器表面不同位置自定义监测。LAPS表面平坦统一，可以和PDMS等聚合物键合集成，形成任意形状的微流路[2-3]。L. J. Bouss[4]等在LAPS芯片微流路内对细胞的生理代谢进行了研究。N. Hu[5]等在LAPS芯片微流路内对细胞生理代谢以及快速药物筛选进行了研究。T. Liang[6]等以LAPS为传感基底构建了微流控系统，用来实时检测细胞膜电位。K.Miyamoto[7]等在LAPS芯片微流路内对生物酶活性进行了化学成像研究。同时，LAPS微流控系统也可用来分析微流路内的层流现象[8-9]。这些以LAPS为传感器构建的微流控系统的不足之处在于样品消耗量大，大约在mL级，微流路存在大量体积的不可利用溶液[10]。然而，芯片液滴技术可以在微流路中连续产生微小液滴，具有反应通量高，反应速度快，分析效率低，无交叉污染等优点[11-15]。基于此，本文采用2个注射微泵在T型微流路内生成了样品液滴，通过LAPS实现了对液滴的分析检测，有效降低了分析样品的消耗量，为液滴型LAPS在生物医学分析领域的应用奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 LAPS原理

LAPS原理(如图1(a)所示)是半导体的内光电效应，以N型硅为例，当在传感器的上下两端施加负偏压时，在硅衬底靠近绝缘层的一侧会形成耗尽层。当用调制光照射硅衬底时，电子吸收光子能量后会产生跃迁，部分会扩散到耗尽层，电子空穴对在耗尽层的作用下产生光电流[11-12]，可以通过外部回路检测到交变光电流。图1(b)表示LAPS特性曲线，当LAPS表面与溶液接触时，会产生膜电位，改变溶液pH值，会引起膜电位的变化，进而I/V特性曲线会发生偏移，偏移量与待测离子浓度成线性关系[13-14]。

图1 LAPS原理示意图

LAPS器件结构包括Au/N-Si/SiO2/Si3N4。LAPS器件制备过程如下：首先，在厚度为100 μm的N型硅衬底表面氧化产生50 nm的SiO2，然后在SiO2绝缘层上化学气相沉积一层Si3N4敏感膜，接着在硅片背面热蒸镀一层厚度为300 nm的金膜形成欧姆接触工作电极。

1.2 微流路制作

微流路制作过程如下：首先，在玻璃片上用SU-8光刻胶制作出微流路阳模图案，微流路宽度和厚度分别为300 μm和10 μm。然后，将PDMS溶液浇铸在微流路图案上加热(1 h，85 ℃)固化，然后揭下PDMS流路。最后，将LAPS和PDMS流路放进等离子键合机键合后绑定，形成液滴微流路芯片。

1.3 检测系统

液滴LAPS检测系统如图2所示,系统整体包括液滴生成部分和液滴检测部分。其中液滴生成部分描述如下，在LAPS表面构筑一个T型PDMS微流路，每一条微流路与一个注射微泵相连，其中主流路连接注射微泵产生空气柱，用来切割产生液滴；支流路连接注射微泵用来注射待测样品(如pH缓冲溶液)。在主流路末端嵌入Ag/AgCl油墨充当参比电极，当缓冲液液滴移动到待检测点时，液滴与参比电极将接触，形成通电回路。当在参比电极和LAPS之间施加直流偏置电压时，在绝缘层(SiO2)与半导体层(Si)将会产生一层耗尽层。当用调制光照射被检测区域时，耗尽层的宽度会发生变化，同时在回路中会产生交变的光电流。不同的偏置电压下会产生不同的光电流，LAPS特性曲线的偏移量与pH缓冲液的浓度成线性关系。之后用LAPS检测系统采集液滴光电流信号，信号采集系统由红外LED光源，前置放大电路，数据采集卡NI myDAQ，LabVIEW上位机程序以及计算机组成。其中用直径为500 μm的光纤将红外调制光引导至检测点；调制频率设为 1.7 kHz；偏置电压由数据采集卡NI myDAQ输出，范围为-1.5～0 V；数据采集卡的采样率及采样时间分别为100 kHz和20 s；前置放大器及LabVIEW上位机程序由实验室制作；为避免室外光影响，芯片放入屏蔽箱中；所有实验过程均在常温下进行。

图2 液滴LAPS检测系统示意图

2 结果与讨论

2.1 液滴产生

液滴产生过程描述如下：在支流路中注入样品溶液，启动注射泵，当样品溶液充满瓶颈区域时，关闭注射泵；此时，启动主流路连接的注射泵，由于空气柱的推动作用，瓶颈区域内的样品溶液移动到主流路下游，形成样品液滴，如图3所示。

图3 液滴产生

2.2 液滴I/t特性研究

图4表示当pH缓冲液样品液滴经过LAPS芯片光照检测点时光电流的变化情况。在支流路中注入样品溶液，启动注射泵，当样品溶液充满瓶颈区域时，关闭支流路注射泵；此时，启动主流路连接的注射泵，由于空气柱的推动作用，瓶颈区域内的样品溶液移动到主流路下游，形成样品液滴，当样品液滴流经检测点时，光电流突然升高至0.1 μA左右，当液滴流出检测位置时，光电流迅速下降至初始值。

图4 当液滴经过检测点时的光电流变化

2.3 液滴I/V特性研究

图5表示pH=5,7,9的缓冲液液滴的I/V特性曲线，生成的样品液滴体积为1 μL。将波长为543.5 nm的红外光LED照射LAPS检测位点，光源调制频率为1.7 kHz，采样率为100 kHz，采样时间为20 s，扫描偏置电压从-1.5V到0 V，缓冲液选择pH=5,7,9，所有实验过程均在常温以及遮光屏蔽箱内进行。在上述实验条件下，获得不同pH值样品液滴的I/V特性曲线，如图5所示，当样品液滴从酸性，中性变为碱性时，其I/V特性曲线从左至右依次偏移，偏移量与pH值成线性关系。即拐点偏压值与pH值成线性相关，通过计算，传感器的灵敏度为55 mV/pH，与Nernst理论值基本一致。

图5 不同pH缓冲液滴的I/V特性曲线

3 结束语

传统的连续流LAPS样品消耗量大，本文提出了一种新的液滴LAPS芯片结构，并对其进行了如下研究。首先，通过2个注射微泵在T型微流路中形成了样品液滴。其次，对样品液滴的I/t特性进行了研究，当样品液滴经过LAPS检测位点时，光电流突然增加至0.1 μA左右；最后，测量了pH=5,7,9的缓冲液液滴的I/V特性曲线，得出芯片的灵敏度为55 mV/pH，与Nernst理论值基本一致。