仪器装置与实验技术

    电泳芯片的制作及其进样与分离

    汤扬华3 1

    叶雄英1

    周兆英1

    金 亚2

    冯焱颍1

    (清华大学精密仪器系1

    ,化学系2

    ,北京 100084)

    摘 要 利用微细加工技术研究在玻璃上制作电泳芯片的方法 ,测试了微管道的伏安特性曲线。在该

    电泳芯片上进行了注样和分离实验 ,采用激光诱导荧光法进行检测 ,利用 CCD拍摄了进样和分离的全

    过程。分析了在电泳芯片上施加不同的电压对样品注样的影响 ,给出了 FITC 2OH和 FITC 2Arg分离谱图。

    关键词 湿法刻蚀 ,键合 ,电泳芯片 ,激光诱导荧光

    2000206205收稿;2000212225接受

    本文系国家自然科学基金(No. 29833070)和国家重点基础研究发展规划资助项目(No. G1999033106)

    1 引 言

    随着微细加工技术的发展,90年代初期 ,Harrison等利用以湿法刻蚀为主的加工技术在玻璃基片上

    制作微管道 ,将传统毛细管电泳技术移植到玻璃基片上〔 1〕。其结构一般由两层玻璃组成 ,上层玻璃打孔

    后与有微管道网络的下层玻璃键合 ,微管道通过上层玻璃的小孔与外界相连。与传统毛细管电泳技术

    相比 ,玻璃基片上的电泳具有散热能力好、分析速度快、重复性好、样品消耗量少等优点。在一个玻璃基

    片上可制作复杂的微管道网络 ,形成多个注样区域 ,分离区域和反应区域 ,在同一个玻璃基片上同时实

    现多个样品的预处理、注样、反应等过程 ,将许多不连续的分析过程连续化 ,这是传统毛细管电泳技术无

    法实现的〔 2～4〕。并且硅、高分子材料也成为制作电泳芯片的材料〔 5〕。利用微细加工技术 ,还可将微电极

    集成在电泳芯片中〔 6〕,实现高灵敏度的电化学检测 ,使检测器微型化成为可能。

    本研究中采用了简单的十字型微管道网络 ,注样区域在十字交叉处。采用电动进样方式 ,通过在电

    泳芯片各储液孔中施加不同的电压 ,可以改变进样量的大小 ,相当于在十字交叉处构成了一个微泵。和

    传统毛细管电泳一样 ,电泳芯片中这种进样方式也存在进样歧视。但如果进样的时间足够长 ,可以减小

    进样歧视〔 7〕。在玻璃基片上设计了弯曲的微管道以增加分离管道的长度 ,管道的弯曲对样品区带形状

    造成的不利影响利用偶数个对称的管道弯曲加以消除。本实验中采用检测限为 4 ×10 - 4

    勒克司的

    CCD ,成功地拍摄了注样和分离的动态图像。

    2 电泳芯片的制造

    实验材料:美国 Swift 公司的 Pyrex玻璃 ,尺寸为50mm× 50mm× 3. 7mm ,玻璃均经过双面抛光。玻璃

    腐蚀液配方为 HF∶ HNO3∶ H2O(20∶ 40∶ 40) 。Cr膜腐蚀液配方为硝酸铈铵∶高氯酸∶水(50g∶ 12mL∶ 300mL) 。

    刻蚀均在常温下进行。

    电泳芯片的微管道结构如图1所示 ,孔1为缓冲液池 ,孔2样品池 ,孔3为样品废液池 ,孔 4 为废液

    池。连接孔1和孔4的分离管道长 86 mm ,连接孔 2 和孔 3 的注样管道长为 20 mm。微管道上宽 84. 9

    μm ,下宽35. 8μm ,深为12. 6μm。由微管道的截面积和微管道长度可计算出注样管道的体积为 15. 2

    nL ,分离管道的体积为65. 4 nL。采用超声波方法在上层玻璃打孔 ,直径为1 mm。将上层玻璃上的孔对

    准下层玻璃上的微管道后 ,放在马福炉中热键合。

    图2显示了玻璃的刻蚀工艺过程。抛光处理后的玻璃经过仔细的清洗 ,首先在煮沸的 H2SO4∶ H2O2

    第29卷

    2001年5月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 仪器装置与实验技术

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第5期

    606～610(4∶ 1)中清洗 ,再依次用丙酮 ,酒精 ,二次去离子水进行超声清洗。之后 ,镀上厚度为 145 nm的 Cr 膜 ,再

    图1 微管道结构图

    Fig. 1 The layout of the channels

    甩胶OCG825 ,厚度为1. 2μm(图2a) 。在110 ℃下预烘 10 min ,经曝光显影后 ,再在温度为 150 ℃的条件下后烘 30 min (图

    2b) 。用 Cr腐蚀液刻蚀 Cr 膜(图 2c) ,再用玻璃腐蚀液刻蚀玻

    璃(图2d) ,速度为0. 9μm min。以 Cr 825胶作为玻璃腐蚀时

    的掩膜层 ,可以在1h 内不被 HF腐蚀液刻蚀。和用 Au Cr (或

    Cr Au Cr)作为抗腐蚀的掩膜层相比 ,Cr 825 胶掩膜层降低了

    工艺成本。在玻璃上镀 Cr 膜时 ,由于各种原因 ,经常会在 Cr

    膜上出现“针孔” ,以 825 胶作为第一层掩膜具有一个优点:它

    可以遮盖 Cr膜上的“针孔”,从而避免玻璃腐蚀液通过“针孔”

    腐蚀玻璃 ,在玻璃上留下凹坑。玻璃刻蚀工艺结束后 ,将玻璃

    放在煮沸的 H2SO4∶ H2O2 (4∶ 1)中20 min ,去除 Cr 825 胶掩膜层

    图2 玻璃刻蚀工艺过程

    Fig. 2 Sequence of photolithogra 2

    phic fabrication

    (图2e) 。

    刻蚀后的玻璃和已打孔的玻璃依次在丙酮、酒精、去离子水

    中用超声波清洗。然后将上片玻璃的孔和下片玻璃的微管道对

    准 ,再放在马福炉中热键合。马福炉的温控程序如下:以 10 ℃

    min 从室温升到 510 ℃,在 510 ℃维持 1h 后 ,以 5 ℃ min 升到

    550 ℃,在550 ℃维持1h ,以1 ℃ min升到 620 ℃,在 620 ℃维持 4h ,以1 ℃ min降到 520 ℃,在 520 ℃维持 1h ,以 3 ℃ min 降到 400 ℃,关掉炉子 ,自然冷却到室温。这里选择 Pyrex玻璃热键合温度为:

    620 ℃,高于 Pyrex玻璃退火温度的上限:565 ℃(此时玻璃粘度是

    1013. 4

    泊) ,因此在热键合过程中 ,玻璃的内应力已完全消除。但远

    低于它的软化点温度:820 ℃(此时玻璃粘度为 107. 6

    泊)

    〔 3〕。热键

    合的实验表明 ,在这样的温度及时间条件下 ,被密封在 Pyrex玻璃

    中的微管道不会变形。通过如图 3 的实验测得玻璃键合面的剪

    切强度大约为 Pyrex玻璃剪切强度的0. 44倍 ......