李學(xué)亮,劉詩(shī)斌
(1.周口師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,河南周口 466001;2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,陜西西安 710072)
光尋址電位傳感器[1](light-addressable potentiometric sensor,LAPS)是由 D. G. Hafeman 等人在1988年提出的,本質(zhì)上是一種離子敏場(chǎng)效應(yīng)管,具有典型的電解液-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),通過(guò)尋址實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器表面不同位置自定義監(jiān)測(cè)。LAPS表面平坦統(tǒng)一,可以和PDMS等聚合物鍵合集成,形成任意形狀的微流路[2-3]。L. J. Bouss[4]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對(duì)細(xì)胞的生理代謝進(jìn)行了研究。N. Hu[5]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對(duì)細(xì)胞生理代謝以及快速藥物篩選進(jìn)行了研究。T. Liang[6]等以LAPS為傳感基底構(gòu)建了微流控系統(tǒng),用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)細(xì)胞膜電位。K.Miyamoto[7]等在LAPS芯片微流路內(nèi)對(duì)生物酶活性進(jìn)行了化學(xué)成像研究。同時(shí),LAPS微流控系統(tǒng)也可用來(lái)分析微流路內(nèi)的層流現(xiàn)象[8-9]。這些以LAPS為傳感器構(gòu)建的微流控系統(tǒng)的不足之處在于樣品消耗量大,大約在mL級(jí),微流路存在大量體積的不可利用溶液[10]。然而,芯片液滴技術(shù)可以在微流路中連續(xù)產(chǎn)生微小液滴,具有反應(yīng)通量高,反應(yīng)速度快,分析效率低,無(wú)交叉污染等優(yōu)點(diǎn)[11-15]?;诖?,本文采用2個(gè)注射微泵在T型微流路內(nèi)生成了樣品液滴,通過(guò)LAPS實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴的分析檢測(cè),有效降低了分析樣品的消耗量,為液滴型LAPS在生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
LAPS原理(如圖1(a)所示)是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng),以N型硅為例,當(dāng)在傳感器的上下兩端施加負(fù)偏壓時(shí),在硅襯底靠近絕緣層的一側(cè)會(huì)形成耗盡層。當(dāng)用調(diào)制光照射硅襯底時(shí),電子吸收光子能量后會(huì)產(chǎn)生躍遷,部分會(huì)擴(kuò)散到耗盡層,電子空穴對(duì)在耗盡層的作用下產(chǎn)生光電流[11-12],可以通過(guò)外部回路檢測(cè)到交變光電流。圖1(b)表示LAPS特性曲線,當(dāng)LAPS表面與溶液接觸時(shí),會(huì)產(chǎn)生膜電位,改變?nèi)芤簆H值,會(huì)引起膜電位的變化,進(jìn)而I/V特性曲線會(huì)發(fā)生偏移,偏移量與待測(cè)離子濃度成線性關(guān)系[13-14]。
圖1 LAPS原理示意圖
LAPS器件結(jié)構(gòu)包括Au/N-Si/SiO2/Si3N4。LAPS器件制備過(guò)程如下:首先,在厚度為100 μm的N型硅襯底表面氧化產(chǎn)生50 nm的SiO2,然后在SiO2絕緣層上化學(xué)氣相沉積一層Si3N4敏感膜,接著在硅片背面熱蒸鍍一層厚度為300 nm的金膜形成歐姆接觸工作電極。
微流路制作過(guò)程如下:首先,在玻璃片上用SU-8光刻膠制作出微流路陽(yáng)模圖案,微流路寬度和厚度分別為300 μm和10 μm。然后,將PDMS溶液澆鑄在微流路圖案上加熱(1 h,85 ℃)固化,然后揭下PDMS流路。最后,將LAPS和PDMS流路放進(jìn)等離子鍵合機(jī)鍵合后綁定,形成液滴微流路芯片。
液滴LAPS檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)整體包括液滴生成部分和液滴檢測(cè)部分。其中液滴生成部分描述如下,在LAPS表面構(gòu)筑一個(gè)T型PDMS微流路,每一條微流路與一個(gè)注射微泵相連,其中主流路連接注射微泵產(chǎn)生空氣柱,用來(lái)切割產(chǎn)生液滴;支流路連接注射微泵用來(lái)注射待測(cè)樣品(如pH緩沖溶液)。在主流路末端嵌入Ag/AgCl油墨充當(dāng)參比電極,當(dāng)緩沖液液滴移動(dòng)到待檢測(cè)點(diǎn)時(shí),液滴與參比電極將接觸,形成通電回路。當(dāng)在參比電極和LAPS之間施加直流偏置電壓時(shí),在絕緣層(SiO2)與半導(dǎo)體層(Si)將會(huì)產(chǎn)生一層耗盡層。當(dāng)用調(diào)制光照射被檢測(cè)區(qū)域時(shí),耗盡層的寬度會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)在回路中會(huì)產(chǎn)生交變的光電流。不同的偏置電壓下會(huì)產(chǎn)生不同的光電流,LAPS特性曲線的偏移量與pH緩沖液的濃度成線性關(guān)系。之后用LAPS檢測(cè)系統(tǒng)采集液滴光電流信號(hào),信號(hào)采集系統(tǒng)由紅外LED光源,前置放大電路,數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ,LabVIEW上位機(jī)程序以及計(jì)算機(jī)組成。其中用直徑為500 μm的光纖將紅外調(diào)制光引導(dǎo)至檢測(cè)點(diǎn);調(diào)制頻率設(shè)為 1.7 kHz;偏置電壓由數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ輸出,范圍為-1.5~0 V;數(shù)據(jù)采集卡的采樣率及采樣時(shí)間分別為100 kHz和20 s;前置放大器及LabVIEW上位機(jī)程序由實(shí)驗(yàn)室制作;為避免室外光影響,芯片放入屏蔽箱中;所有實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在常溫下進(jìn)行。
圖2 液滴LAPS檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
液滴產(chǎn)生過(guò)程描述如下:在支流路中注入樣品溶液,啟動(dòng)注射泵,當(dāng)樣品溶液充滿(mǎn)瓶頸區(qū)域時(shí),關(guān)閉注射泵;此時(shí),啟動(dòng)主流路連接的注射泵,由于空氣柱的推動(dòng)作用,瓶頸區(qū)域內(nèi)的樣品溶液移動(dòng)到主流路下游,形成樣品液滴,如圖3所示。
圖3 液滴產(chǎn)生
圖4表示當(dāng)pH緩沖液樣品液滴經(jīng)過(guò)LAPS芯片光照檢測(cè)點(diǎn)時(shí)光電流的變化情況。在支流路中注入樣品溶液,啟動(dòng)注射泵,當(dāng)樣品溶液充滿(mǎn)瓶頸區(qū)域時(shí),關(guān)閉支流路注射泵;此時(shí),啟動(dòng)主流路連接的注射泵,由于空氣柱的推動(dòng)作用,瓶頸區(qū)域內(nèi)的樣品溶液移動(dòng)到主流路下游,形成樣品液滴,當(dāng)樣品液滴流經(jīng)檢測(cè)點(diǎn)時(shí),光電流突然升高至0.1 μA左右,當(dāng)液滴流出檢測(cè)位置時(shí),光電流迅速下降至初始值。
圖4 當(dāng)液滴經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)的光電流變化
圖5表示pH=5,7,9的緩沖液液滴的I/V特性曲線,生成的樣品液滴體積為1 μL。將波長(zhǎng)為543.5 nm的紅外光LED照射LAPS檢測(cè)位點(diǎn),光源調(diào)制頻率為1.7 kHz,采樣率為100 kHz,采樣時(shí)間為20 s,掃描偏置電壓從-1.5V到0 V,緩沖液選擇pH=5,7,9,所有實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在常溫以及遮光屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行。在上述實(shí)驗(yàn)條件下,獲得不同pH值樣品液滴的I/V特性曲線,如圖5所示,當(dāng)樣品液滴從酸性,中性變?yōu)閴A性時(shí),其I/V特性曲線從左至右依次偏移,偏移量與pH值成線性關(guān)系。即拐點(diǎn)偏壓值與pH值成線性相關(guān),通過(guò)計(jì)算,傳感器的靈敏度為55 mV/pH,與Nernst理論值基本一致。
圖5 不同pH緩沖液滴的I/V特性曲線
傳統(tǒng)的連續(xù)流LAPS樣品消耗量大,本文提出了一種新的液滴LAPS芯片結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了如下研究。首先,通過(guò)2個(gè)注射微泵在T型微流路中形成了樣品液滴。其次,對(duì)樣品液滴的I/t特性進(jìn)行了研究,當(dāng)樣品液滴經(jīng)過(guò)LAPS檢測(cè)位點(diǎn)時(shí),光電流突然增加至0.1 μA左右;最后,測(cè)量了pH=5,7,9的緩沖液液滴的I/V特性曲線,得出芯片的靈敏度為55 mV/pH,與Nernst理論值基本一致。