基于LAPS 的液滴微流控系统研究*

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)

1988 年，美国加州分子器件公司Dean G. Hafeman等人[1]提出了光寻址电位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensor，LAPS)。 LAPS 是一种新型的半导体化学/生物传感器，具有典型的电解液-绝缘体-半导体结构，其独特的光寻址特性可以在一块传感器上实现多个点的测量。 此外，由于LAPS 表面平坦，非常易于在其表面构建不同结构的微流路[2-3]，因此，LAPS 非常适合作为微流路分析系统中的传感器。近年来，很多学者对LAPS 在微流控领域的应用进行了大量的研究工作，Bousse 等人[4]在LAPS 芯片微流路内对细胞的生理代谢进行了研究。 Hu 等人[5]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。 Liang 等人[6]以LAPS 为传感基底构建了微流控系统，用来实时监测细胞膜电位。 Du 等人[7]以LAPS 为基底构建了微流控系统，对味觉细胞生理活动进行了实时监测。 Miyamoto 等人[8]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 微流控系统也可被用来分析微流路内的层流现象[9-10]。 然而，连续流LAPS 微型化学分析系统存在大量死体积，样品消耗量大，尤其不适宜微量生物样品检测。 Miyamoto等人[11]采用蠕动泵驱动微流体，构建了一种液滴型LAPS 分析系统，该系统能够检测的最小分析样品体积为400 nL。 前期，作者对降低电渗微泵的驱动电压进行了深入的研究[12-15]，为进一步实现液滴型LAPS 分析系统的集成化，本文通过采用在微流路内嵌入电渗微泵，并联合微量进样器以产生微液滴的方法，构建了一种液滴型LAPS 分析系统。 该微分析系统采用电渗驱动的方法产生了样品液滴，并对不同体积的样品液滴的I/t 特性以及I/V 特性进行了研究。

1 实验

1.1 LAPS 芯片制备

LAPS 芯片采用标准的MEMS 工艺制备[14-15]，其总厚度约为200 μm。 首先，采用热生长的方法在N 型硅衬底表面生长一层厚度为60 nm 的SiO2绝缘层；然后采用化学气相沉积的方法在SiO2表面生长一层厚度为50 nm 的Si3N4敏感薄膜；接着在背面溅射、刻蚀一层厚度为300 nm 的金膜作为欧姆接触电极端子；最后切割成1.5 cm×1.5 cm 的芯片。

1.2 微流路及驱动电极制备

微流路制作工艺:首先，在玻璃片上用SU-8 光刻胶(MicroChem Corp.)制作出微流路图案，微流路长度宽度分别为300 μm 和80 μm，厚度在微米级；然后，将PDMS(Polydimethylsiloxane，Silpot184，Dow Corning Corp.)溶液浇筑在微流路图案上加热(1 h，85 ℃)固化；最后，揭下PDMS 微流路，将LAPS 芯片和微流路放进等离子键合机(E102，Hitachi，Ltd.)中键合、绑定，形成液滴芯片。

如图2 所示，驱动电极制备工艺描述如下:首先将驱动电极掩模版覆盖在ITO 导电玻璃表面，然后将含有锌粉的甘油溶液均匀涂抹在导电玻璃表面，晾干后将其置入稀盐酸溶液中刻蚀掉未遮蔽部分，形成驱动电极。

图1 PDMS 微流路制备工艺

图2 驱动电极制备工艺

1.3 LAPS 的灵敏度

Nernst 方程[2]从电化学的角度描述了固-液界面双电层的电荷、电势分布，以H+离子为例，简化后的方程为:

式中:ES为Nernst 电压，R为气体常数；F为法拉第常数；T为热力学绝对温度。 常温下，LAPS 的灵敏度约为59 mV/pH，即不同的离子浓度对应不同的输出电位，离子浓度发生变化时，与之对应的I-V特性曲线会发生偏移，偏移量与离子浓度变化量呈线性关系，这就是检测离子浓度的原理。

1.4 检测系统

液滴型LAPS 检测系统如图3 所示，该测量系统主要包括流体检测单元和流体驱动单元两个部分。 流体检测部分采用LAPS 传感器。 LAPS 传感器结构从上至下依次是敏感层Si3N4、绝缘层SiO2、硅衬底n-Si、欧姆接触黄金薄膜。 其中LAPS 表面的Si3N4薄膜对氢离子敏感，因此可以用来检测溶液的pH 值。 LAPS 信号检测系统包括红外LED 光源，函数发生器，前置放大器，NI myDAQ 数据采集卡，LabVIEW 上位机程序以及计算机组成。 其中以红外LED 作为光源，用直径为500 μm 的光纤将调制光引导到待检测点；调制光频率为1.7 kHz；偏置电压由数据采集卡输出，范围为-1.5 V～0 V；数据采集卡的采样率为100 kHz； 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。 流体驱动单元主要采用电渗微泵驱动微流体，具体驱动过程描述如下:采用软光刻技术在LAPS 表面构筑一个一字型PDMS 微流路，并在微流路内部嵌入一个电渗微泵。 以去离子水作为电渗微泵的工作流体，用微量进样器在微流路出口处注射一定量的分析液。 启动电渗微泵，当工作流体向左移动时，会带动流路出口处的分析液一起向左移动，形成一个微小液滴。 在微流路末端嵌入一根铂丝充当参比电极，当缓冲液微滴移动到待检测点时，参比电极将与微滴接触，形成通电回路。 当在参比电极和LAPS 传感器之间施加直流偏置电压时，在SiO2/Si 界面附近会产生一层耗尽层，耗尽层的宽度可通过偏置电压调控。 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。 施加扫描偏置电压可得到LAPS 光电流特性曲线。 当LAPS 检测结束时，切换电渗驱动电压方向，启动电渗微泵，将分析样驱动至流路出口，完成一次LAPS 检测。 更换不同的缓冲液分析样，如此重复以上过程，完成对不同缓冲液分析样的分析检测。 LAPS 光电流特性曲线的偏移量与pH 缓冲液的浓度成线性关系，进而可推算出LAPS 的灵敏度。

图3 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:用微量进样器在微流路出口处滴加一定量的样品溶液，启动电渗微泵，样品溶液将会随着电渗流一起向微流路进口方向移动，此时样品溶液在微流路内形成一定长度的液体注，即样品液滴，如图4 所示。

图4 液滴产生

2.2 1 μL 微滴I/t 特性研究

图5 表示当样品液滴经过LAPS 芯片光照检测点时光电流的变化情况。 首先，用微量进样器在微流路出口处滴加1 μL 的pH ＝7 的缓冲液；然后，启动电渗微泵，电渗流向左移动，此时，待测液滴将会随着电渗流一起向左移动(待测微滴和电渗工作流体之间有空气间隔形成电气隔离)，当待测微滴流经检测点时，光电流突然升高至0.1 μA 左右，当微滴流出检测位置时，光电流迅速下降到初始值。 切换电渗驱动电压方向，待测液滴将会随着电渗流一起向右移动至微流路出口，完成一次样品液滴的检测。

图5 当微液滴经过LAPS 检测点时的输出光电流变化

2.3 不同体积不同pH 值的样品微滴I/V 特性研究

在分析缓冲液液滴时，将偏置电压固定在-0.5 V，并且在测量过程中，以10 mV 的增量将偏置电压从-1 V 增加到1 V 的同时测量光电流值的大小。 光源调制频率为1.7 kHz，采样频率为100 kHz，样本数量为10 000，电渗微泵的抽吸速度为1.4 mL/h，测量结果如图6(a)所示。 由图可知，可以获得不同pH 值液滴的I-V 特性曲线。 还可以看出，随着分析样pH 值的增加，获得LAPS 的I-V特性曲线在偏压轴方向上向右移动。 图6(b)显示了从该I-V 特性获得的每种pH 标准溶液的拐点电压(拐点电压为I-V 特性曲线斜率最大值处的电压，确定拐点电压的方法通常采用求导法)，从结果可以看出，拐点电压相对于pH 线性变化。 通过拟合直线的斜率，可以确定LAPS 的pH 灵敏度为47.7 mV/pH。 根据这些结果，可以通过液滴型LAPS 分析系统进行pH 测量，而传统的LAPS 的检测系统通常消耗样品溶液在数毫升级别，但是液滴型LAPS 的测试溶液消耗量非常少，仅为1 μL。

图6 1 μL 时不同pH 值的样品液滴I/V 特性

在上一节中，使用1 μL 的缓冲液进行pH 测量。 可以通过减小流路的尺寸，进一步减少分析样品的消耗量。 分别对宽度为1 mm 深度为1 000 μm以及宽度为1 mm 深度为200 μm 的微流路进行了芯片制作测试。 由于0.5 mm 宽的流路比较狭窄，难以将氯化银油墨用于参比电极，因此不能用来制作检测芯片。 然而1 mm 宽的流路，可以在任一高度上制造测量芯片，并且可以通过电渗微泵驱动液滴的运动，因此，选择了可以产生体积更小液滴、宽度为1 mm、深度为200 μm 的微流路。 当在该流路中滴入200 nL 分析样品时，在流路中会形成长度为1 mm 的液滴。

使用制备的测量芯片，在200 nL 的测试溶液体积下测量pH 标准溶液(pH 5、pH 7、pH 9)的I-V 特性。 将NaCl 添加到pH 标准溶液中，以使氯离子浓度为0.05 mol/L，并使用微量稀释器滴加。 在监视测试溶液期间，将偏置电压固定为-0.5 V，并且在测量期间，以10 mV 的增量将偏置电压从-1 V 增加到0.5 V的同时，测量光电流值的大小。 LED 调制频率为1.7 kHz，采样频率为100 kHz，采样点数为10 000，电渗微泵的抽吸速度为1.4 mL/h，测量结果如图7(a)所示。 可以看出，随着溶液的pH 值增加，获得的I-V 特性在偏压轴方向右移动。 图7(b)显示了从该I-V 特性获得的每种pH 标准溶液的拐点电压。 从该结果可知，pH 与拐点电压之间呈线性关系，从近似直线的斜率可知传感器的pH 灵敏度为45.8 mV/pH。 与上一节中显示的1 μL 测试溶液的测量结果相比，所获得的光电流值没有显着差异，并且pH 敏感性大致相同。 这是因为每次测定中使用的测定芯片的流路宽度相同，并且即使测试溶液的量减少也不会改变光照射面积。 根据这些结果，可以通过减小流路尺寸而将测量所需的测试溶液的量减少至200 nL。

图7 200 nL 时不同pH 值的样品液滴I/V 特性

3 结论

传统的连续流LAPS 分析系统存在样品溶液消耗量大的问题，本文提出了一种液滴型LAPS 微流控芯片结构，并对该芯片进行了研究。 系统采用电渗微泵驱动微流体，采用吸入法将样品溶液引流至流路内，形成了单个样品液滴。 研究了样品液滴I/t特性曲线，当样品液滴流经检测点时，光电流突然升高至0.1 μA 左右，当样品液滴流出检测点时候，光电流降至最小。 之后研究了1 μL 样品微滴，并测量了pH 5、pH 7、pH 9 的缓冲液微滴的I/V 特性曲线，得出传感器的灵敏度为47.7 mV/pH，改变微流路深度，获得200 nL 的样品液滴，并测量了pH 5、pH 7、pH 9 的缓冲液液滴的I/V 特性曲线，得出传感器的灵敏度为45.8 mV/pH。 深度不同但宽度相同的微流路，由于光照面积一致，光电流大小无明显变化。与1 μL 测试溶液的测量结果相比，所获得的光电流值没有显著差异，并且pH 敏感性大致相同。 这是因为每次测定中使用的测定芯片的流路宽度相同，因此即使测试溶液的量减少也不会改变光照射面积。 本文的研究成果有望在生物/化学微量样品分析领域得到进一步应用。