張孟倫張 希牛鵬飛

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)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(nóng)作物的質(zhì)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(jīng)系統(tǒng)[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(dǎo)致皮膚病變，周圍神經(jīng)病變，皮膚癌和血管疾病等[6]。 我國廣泛流域內(nèi)都存在不同程度的重金屬污染現(xiàn)象，研究人員們也頻繁地在不同環(huán)境中檢測到重金屬的存在[7-9]，這對社會發(fā)展和國民健康都構(gòu)成了很大的威脅，如何應(yīng)對水環(huán)境中重金屬的污染成為了當務(wù)之急。 除了優(yōu)化工業(yè)結(jié)構(gòu)減少污染物的排放、積極開發(fā)污染治理技術(shù)之外，發(fā)展重金屬離子的檢測技術(shù)也尤為重要[10]，為重金屬污染的治理提供數(shù)據(jù)支持以及實時預(yù)警。

目前水質(zhì)重金屬的檢測主要有實驗室檢測和現(xiàn)場檢測兩種手段。 實驗室檢測是通過人工采樣將水質(zhì)樣品帶到實驗室進行檢測，常用的檢測技術(shù)有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法、原子熒光光譜法等[11]。 這種實驗室檢測手段的優(yōu)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(huán)境保存，并且實驗室的檢測儀器體積大價格昂貴，需要專業(yè)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(xiàn)場檢測的手段進行了深入研究。 一方面開發(fā)新的檢測技術(shù)，縮小檢測儀器的體積，方便檢測人員攜帶儀器到現(xiàn)場檢測，降低運輸成本；另一方面開發(fā)在線監(jiān)測的系統(tǒng)，通過對固定監(jiān)測點的水質(zhì)進行定時采樣并利用檢測節(jié)點完成檢測，再通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將檢測的結(jié)果發(fā)送到終端[12]。 應(yīng)用于水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)中的檢測技術(shù)主要有比色法、X 射線熒光光譜法、電化學(xué)分析法等[13-15]。 由于電化學(xué)傳感器具有體積小、成本低、檢測限低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于重金屬檢測。 隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，定點監(jiān)測系統(tǒng)也將向著分布式遠程監(jiān)測的方向發(fā)展。 這對監(jiān)測節(jié)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(tǒng)，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(xiàn)整個監(jiān)測節(jié)點的小型化和集成化。 在對樣品的處理技術(shù)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(shù)字微流控是微流控技術(shù)的一種，用于處理納升至微升的離散液滴。 通過電潤濕效應(yīng)，可以實現(xiàn)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(shù)已廣泛應(yīng)用于需要定量混合的樣品預(yù)處理中，如生物化學(xué)分析、樣品制備等[17-19]。 數(shù)字微流控通過編程控制液滴的運動路徑，可以根據(jù)測試要求靈活設(shè)計樣品的輸運路徑，實現(xiàn)電極的重復(fù)使用。 與傳統(tǒng)的連續(xù)微流控相比，數(shù)字微流控不需要微閥、微泵等元件，結(jié)構(gòu)更加簡單，因此數(shù)字微流控適用于分布式監(jiān)測節(jié)點的樣品預(yù)處理。

基于此，本文提出了微流控技術(shù)和電化學(xué)檢測技術(shù)的單片集成方案，用于檢測水質(zhì)中的重金屬離子濃度。 設(shè)計并制造了基于數(shù)字微流控的三電極電化學(xué)檢測平臺，其中，微流控用于液滴的操控包括樣品輸運和預(yù)處理操作。 我們利用循環(huán)伏安法(Cyclic Voltammetry)驗證了該單片集成平臺的可用性，并對水環(huán)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(yōu)勢，展現(xiàn)了其在分布式水質(zhì)重金屬檢測應(yīng)用中的潛力。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗系統(tǒng)和裝置

實驗系統(tǒng)如圖1 所示，其中交流信號發(fā)生器和信號放大器用來提供驅(qū)動液滴移動的電壓。 通過電腦設(shè)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(qū)域時，利用電化學(xué)工作站實現(xiàn)對樣品中重金屬離子的測量，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦中。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

集成芯片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，考慮到電化學(xué)傳感器和數(shù)字微流控電極的使用壽命不同，將電化學(xué)傳感器集成到數(shù)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(xué)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(xué)電極的設(shè)計和制備

在ITO 玻璃片上用lift-off 的方法制備電化學(xué)三電極，工藝流程如圖3 所示。 考慮到電化學(xué)傳感器的三電極之間不能導(dǎo)電，而該三電極體系又需集成到導(dǎo)電的ITO 玻璃基底上，故利用CAD 軟件設(shè)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(xué)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(shù)設(shè)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(fù)常溫后置于曝光機下進行曝光。 曝光時間設(shè)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(fù)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(jié)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(xué)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(jīng)過上述工藝，最終在玻璃圓片上沉積了電化學(xué)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(xué)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(fù)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(shù)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(jīng)過上述工藝，最終在一片圓玻璃片上生長了5 個電化學(xué)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(jié)構(gòu)，普通三電極結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。 陣列三電極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)層:利用反應(yīng)濺射的方法沉積1.1 μm 的AlN 作為介質(zhì)層。 介質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)模型如圖6 所示。

圖6 集成芯片結(jié)構(gòu)模型

2 實驗結(jié)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(dǎo)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(tǒng)下，之后用移液槍將6 μL 的醋酸鈉溶液加載到片子上，設(shè)置驅(qū)動電壓為75 V，通過PC端的人機交互界面驅(qū)動液滴移動。 如圖7 所示，經(jīng)過4 步輸運，液滴從傳感區(qū)域的最右端輸運至最左端。 并且來回輸運多次后，未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。 說明在ITO 玻璃上生長電化學(xué)電極對數(shù)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(huán)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(shù)字微流控輸運至電化學(xué)三電極傳感器表面。 實驗參數(shù)設(shè)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(huán)伏安曲線。 圖8(a)為普通三電極的循環(huán)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(huán)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(huán)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(zhì)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)，隨著鉛離子濃度的增加，電流響應(yīng)峰值也隨之增加。 上述結(jié)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(jié)論

本文為水環(huán)境中的重金屬檢測應(yīng)用開發(fā)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(xué)傳感器和數(shù)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(huán)伏安法驗證了兩種不同結(jié)構(gòu)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(jié)點在水質(zhì)中重金屬檢測的潛力。