面向物聯網監測節點的集成式微流控傳感芯片?

張孟倫張 希牛鵬飛

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072)

重金屬是指會對生物體造成不利影響的一類金屬與金屬化合物[1]，如鉻(Cr)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As)等。 重金屬污染不僅降低了大氣、水體和農作物的質量，還會隨著食物鏈富集，嚴重威脅到人類的健康和福祉[2-4]。 例如過量的鉛離子進入人體，會損害人的神經系統[5]。 長期接觸鎘增加了患肺癌、肺腺癌以及前列腺增生性病變的幾率。 砷會導致皮膚病變，周圍神經病變，皮膚癌和血管疾病等[6]。 我國廣泛流域內都存在不同程度的重金屬污染現象，研究人員們也頻繁地在不同環境中檢測到重金屬的存在[7-9]，這對社會發展和國民健康都構成了很大的威脅，如何應對水環境中重金屬的污染成為了當務之急。 除了優化工業結構減少污染物的排放、積極開發污染治理技術之外，發展重金屬離子的檢測技術也尤為重要[10]，為重金屬污染的治理提供數據支持以及實時預警。

目前水質重金屬的檢測主要有實驗室檢測和現場檢測兩種手段。 實驗室檢測是通過人工采樣將水質樣品帶到實驗室進行檢測，常用的檢測技術有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體-質譜法、原子熒光光譜法等[11]。 這種實驗室檢測手段的優勢是檢測極限低，干擾較少，也能夠檢測多種離子；但需要人工采樣，為了防止樣品污染運輸時還需要特定的環境保存，并且實驗室的檢測儀器體積大價格昂貴，需要專業的人員操作，使得單次樣品檢測的成本很高。 為了降低檢測的成本，很多科研人員對現場檢測的手段進行了深入研究。 一方面開發新的檢測技術，縮小檢測儀器的體積，方便檢測人員攜帶儀器到現場檢測，降低運輸成本；另一方面開發在線監測的系統，通過對固定監測點的水質進行定時采樣并利用檢測節點完成檢測，再通過數據傳輸設備將檢測的結果發送到終端[12]。 應用于水質在線監測系統中的檢測技術主要有比色法、X 射線熒光光譜法、電化學分析法等[13-15]。 由于電化學傳感器具有體積小、成本低、檢測限低等優勢，被廣泛應用于重金屬檢測。 隨著物聯網概念的提出，定點監測系統也將向著分布式遠程監測的方向發展。 這對監測節點提出了更高的要求，不僅需要傳感器更加便攜，對于傳感器所匹配的樣品處理系統，也要求具有更小的體積，更低的成本和更高的處理效率，以實現整個監測節點的小型化和集成化。 在對樣品的處理技術中，由于微流控具有體積小、樣品消耗少、成本低等特點，越來越受人們的青睞。

數字微流控是微流控技術的一種，用于處理納升至微升的離散液滴。 通過電潤濕效應，可以實現液滴在圖案化的陣列電極之間移動、合并、分離的操作[16]，該技術已廣泛應用于需要定量混合的樣品預處理中，如生物化學分析、樣品制備等[17-19]。 數字微流控通過編程控制液滴的運動路徑，可以根據測試要求靈活設計樣品的輸運路徑，實現電極的重復使用。 與傳統的連續微流控相比，數字微流控不需要微閥、微泵等元件，結構更加簡單，因此數字微流控適用于分布式監測節點的樣品預處理。

基于此，本文提出了微流控技術和電化學檢測技術的單片集成方案，用于檢測水質中的重金屬離子濃度。 設計并制造了基于數字微流控的三電極電化學檢測平臺，其中，微流控用于液滴的操控包括樣品輸運和預處理操作。 我們利用循環伏安法(Cyclic Voltammetry)驗證了該單片集成平臺的可用性，并對水環境中的鉛離子做了初步檢測。 該平臺不需要人工處理樣品，具有自動化、小體積的優勢，展現了其在分布式水質重金屬檢測應用中的潛力。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗系統和裝置

實驗系統如圖1 所示，其中交流信號發生器和信號放大器用來提供驅動液滴移動的電壓。 通過電腦設置液滴移動的工作路徑，然后從串口下載到控制電路中的STM32 單片機中，由單片機進行引腳輸出電平的控制，最終控制待測液滴移動。 當待測液滴輸運到集成芯片的傳感區域時，利用電化學工作站實現對樣品中重金屬離子的測量，并把數據發送到電腦中。

圖1 實驗系統示意圖

集成芯片的結構示意圖如圖2 所示，考慮到電化學傳感器和數字微流控電極的使用壽命不同，將電化學傳感器集成到數字微流控的上極板即ITO 玻璃上。 這樣當傳感器失效后，只需更換上極板即可。芯片的下級板是通過光刻工藝制成的，整體尺寸為3.5 cm×2.4 cm。 芯片的上極板為嵌入了電化學三電極傳感器的ITO 玻璃。 上下極板通過雙面膠組裝在一起，間隙為480 μm。

圖2 集成芯片示意圖

1.2 集成電化學電極的設計和制備

在ITO 玻璃片上用lift-off 的方法制備電化學三電極，工藝流程如圖3 所示。 考慮到電化學傳感器的三電極之間不能導電，而該三電極體系又需集成到導電的ITO 玻璃基底上，故利用CAD 軟件設計ITO 玻璃表面上刻蝕部分的圖案，并用激光刻蝕的方法完成表面刻蝕。 然后利用標準光刻流程完成電極的制備，具體工藝如下:

圖3 集成電化學電極工藝流程圖

①涂膠:將刻蝕后的ITO 玻璃圓片依次在異丙醇、乙醇、超純水中超聲清洗5 min，并用氮氣吹干。然后在ITO 玻璃表面通過勻膠機旋涂(參數設定為:30 s，400 r；80 s，1 200 r)光刻膠EPG516。 再在105 ℃熱板上烘烤110 s，初步固化光刻膠。

②曝光:將烘烤過的玻璃圓片靜置5 min，待恢復常溫后置于曝光機下進行曝光。 曝光時間設置為36 s，功率為10 mW/cm2，曝光完成后取出玻璃圓片，放在熱板加熱(95 ℃，40 s；115 ℃，45 s)，進一步固化光刻膠。

③顯影:加熱后，靜置5 min 待玻璃圓片恢復常溫，然后把片子放入顯影液中浸泡120 s 并緩慢搖晃容器，顯影結束后立即放入清水中清洗并吹干。

④沉積金電極:將顯影后的ITO 玻璃放入真空腔中，利用電子束蒸鍍的方法生長0.03 μm 的Ti 作為種子層，再生長0.17 μm 的Au 層作為電化學電極。

⑤Lift-off:沉積完畢后取出，然后將片子浸泡在丙酮溶液中(5 s～10 s)，直到光刻膠被剝離下，經過上述工藝，最終在玻璃圓片上沉積了電化學金電極，如圖3(c)所示。

⑥二次lift-off:為了保證液滴輸運不受影響，需要在片子的表面旋涂Teflon 薄膜。 另一方面，電化學金電極的表面作為檢測重金屬離子的功能表面，不能被疏水層覆蓋。 重復上述涂膠、曝光、顯影的光刻操作，在金電極的功能表面上覆蓋上光刻膠，如圖3(d)所示。 將顯影后的片子靜置后旋涂一層Teflon 疏水層(勻膠機參數為:30 s，600 r；60 s，1 200 r)，完成后放在加熱板上加熱(65 ℃，1 min)，初步固化疏水層。加熱完畢靜置1 min，然后將片子浸泡在丙酮溶液中(5 s～10 s)，直到金電極表面上覆蓋的光刻膠和Teflon 被剝離下。 干燥后放到加熱板上加熱(165 ℃，10 min～15 min)，使Teflon 薄膜固定到ITO 玻璃上。

經過上述工藝，最終在一片圓玻璃片上生長了5 個電化學電極，如圖4 所示。

圖4 玻璃圓片上的電極分布圖

為了驗證不同電極表面的性能，我們制作了兩種不同的表面結構，普通三電極結構如圖5(a)所示。 陣列三電極結構如圖5(b)所示，工作電極陣列了多個小型圓電極，電極之間以ITO 連通。

圖5 三電極結構實物圖

1.3 下極板的制備

下極板的基底為4 英寸的單拋低阻的裸硅片，制備工藝過程如下:

①底電極層:通過磁控濺射的方式在硅基底上生長0.17 μm 的Mo 作為底電極，再通過標準光刻工藝刻蝕出電極圖樣，形成尺寸為2 mm×2 mm，間距為40 μm 的電極陣列。

②介質層:利用反應濺射的方法沉積1.1 μm 的AlN 作為介質層。 介質層的作用是防止高電壓加載下液滴被擊穿。 電壓信號是通過金針壓在底電極上加載的，所以需要刻蝕掉部分介質層，露出底電極的pad。

③疏水層:用勻膠機將2%的Teflon 溶液旋涂到下極板上，靜置5 min 后在165 ℃的加熱板上烘烤15 min，接著在330 ℃的加熱板上烘烤15 min。 最終形成200 nm～300 nm 厚的疏水薄膜。

利用雙面膠將制備好的上下極板組裝在一起，其結構模型如圖6 所示。

圖6 集成芯片結構模型

2 實驗結果與討論

2.1 集成芯片的輸運性能表征

考慮到在ITO 玻璃的上極板上集成了額外的電極導致ITO 玻璃的表面不平滑，可能影響液滴輸運的流暢性，先用1 mol/L 的醋酸鈉緩沖液測試集成芯片的輸運性能。 首先將組裝完成的集成芯片固定至外圍控制系統下，之后用移液槍將6 μL 的醋酸鈉溶液加載到片子上，設置驅動電壓為75 V，通過PC端的人機交互界面驅動液滴移動。 如圖7 所示，經過4 步輸運，液滴從傳感區域的最右端輸運至最左端。 并且來回輸運多次后，未出現卡頓現象。 說明在ITO 玻璃上生長電化學電極對數字微流控平臺的輸運功能沒有影響。

圖7 液滴輸運過程的截圖

2.2 電極特性表征

利用循環伏安法來表征集成電極的表面特性。將6 μL 的液滴(1 mmol/L 二茂鐵甲醇＋1 mol/L KCL 溶液)加載到集成芯片上并通過數字微流控輸運至電化學三電極傳感器表面。 實驗參數設置如下:掃描電位范圍為-0.3 V～0.3 V，掃描速度為0.5 V/s，采樣間隔為0.01 V，靜置時間為1 s。 圖8 展示了兩種不同的三電極的循環伏安曲線。 圖8(a)為普通三電極的循環伏安曲線，顯示為雙曲線，峰值電流為5.6 μA。 圖8(b)為陣列電極的循環伏安曲線，為“S”形曲線。 陣列電極的峰值電流為0.29 mA，約為普通電極的50 倍，這表明在同樣的工藝條件下，陣列電極擁有更好的電極表面特性，能夠測到更大的電流。

圖8 集成電極的循環伏安特性曲線

2.3 鉛離子的測定

由于陣列電極的性能更好，我們采用陣列電極來測量重金屬離子的濃度。 以0.1 mol/L 醋酸鈉溶液作為支持電解質，利用方波脈沖陽極溶出伏安法測量了濃度為50 ppb 的鉛離子的電流-電位曲線，如圖9 所示。 沉積電壓為-1.0 V，沉積時間為120 s。 由圖中可以看出，鉛的溶出伏安峰位于-0.4 V附近，濃度為50 ppb 的鉛的電流響應峰值約為0.15 μA。 初步驗證了該集成芯片在測量重金屬離子應用上的可用性。

圖9 鉛離子溶液的方波陽極溶出伏安圖

之后，我們在180 s 的沉積時間(其他測試條件一樣)下對更高濃度的鉛離子溶液進行了測試。 圖10 展示了不同濃度下的電流響應，隨著鉛離子濃度的增加，電流響應峰值也隨之增加。 上述結果進一步驗證了該傳感芯片在重金屬分析中的可用性與實用性。

圖10 不同濃度鉛離子溶液的溶出曲線圖

3 結論

本文為水環境中的重金屬檢測應用開發了一種自動化、小尺寸的微流控集成芯片。 利用光刻工藝將三電極電化學傳感器和數字微流控平臺集成在單芯片上，顯示了較高的集成度。 通過循環伏安法驗證了兩種不同結構的傳感電極的可用性。 通過陽極溶出伏安法測量了該平臺對鉛離子的檢測性能。 展示了其作為小型傳感器節點在水質中重金屬檢測的潛力。