相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年10月21日提交的并題為“digitalmicrofluidicdeviceswithintegratedelectrochemicalsensors”的美國臨時申請?zhí)枮?2/066,818的優(yōu)先權(quán)，該臨時申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。

背景

本公開涉及數(shù)字微流體設(shè)備，并且涉及通過數(shù)字微流體設(shè)備的電化學檢測。

數(shù)字微流體學是一種新興技術(shù)，其中離散的液滴在電極陣列的表面上被操縱。數(shù)字微流體學相對于常規(guī)的基于封閉式微通道的流體學具有許多互補的差異，包括可重構(gòu)性(通用設(shè)備格式可用于任何應(yīng)用)和對所有試劑的控制。數(shù)字微流體學通常以“兩板”格式實現(xiàn)，其中微滴被夾在底板(承載涂覆有絕緣體的電極陣列)和頂板(承載未涂覆有絕緣體的接地電極)之間。

概述

提供了一種設(shè)備和系統(tǒng)，其中一個或多個電化學傳感器被集成在數(shù)字微流體設(shè)備內(nèi)。根據(jù)一個示例實施例，兩電極電化學傳感器被集成到數(shù)字微流體設(shè)備的頂板或底板中，其中對電極被設(shè)置在限定的空間區(qū)域內(nèi)，并且其中工作電極被形成使得其在空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)。工作電極可以作為空間上分布在對電極內(nèi)和/或圍繞對電極的周邊的一個或多個細長段設(shè)置。工作電極的面積可被選擇為小于對電極的面積，以便提高電化學傳感器的性能。

因此，在第一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在第一絕緣襯底上；

第一介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列上；以及

第一疏水層，其設(shè)置在所述第一介電層上，所述第一疏水層提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二絕緣襯底，其具有在其上設(shè)置的至少第二疏水層，所述第二疏水層提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其間限定間隙的間隔開的關(guān)系設(shè)置，以在所述致動電極的致動下允許微滴運動；

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個具有設(shè)置在其上的一個或多個數(shù)字微流體次級電極，并且其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴是可運輸?shù)模灰约?/p>

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極暴露于所述第一板和所述第二板之間的間隙，使得在所述第一板和所述第二板之間定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通；以及

其中，所述電化學對/偽參比電極的面積超過所述電化學工作電極的面積至少為5倍。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

一個或多個數(shù)字微流體次級電極，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極上；以及

疏水層，其設(shè)置在所述介電層上，所述疏水層提供疏水工作表面，其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴可在所述疏水層上運輸；

其中，所述絕緣襯底還包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通；以及

其中，所述電化學對/偽參比電極的面積超過所述電化學工作電極的面積至少為5倍。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在第一絕緣襯底上；

第一介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列上；以及

第一疏水層，其設(shè)置在所述第一介電層上，所述第一疏水層提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二絕緣襯底，其具有在其上設(shè)置的至少第二疏水層，所述第二疏水層提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其間限定間隙的間隔開的關(guān)系設(shè)置，以在所述致動電極的致動下允許微滴運動；

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個具有設(shè)置在其上的一個或多個數(shù)字微流體次級電極，并且其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴是可運輸?shù)模灰约?/p>

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極，所述電化學工作電極包括多個細長段；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極暴露于所述第一板和所述第二板之間的間隙，使得在所述第一板和所述第二板之間定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

一個或多個數(shù)字微流體次級電極，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極上；以及

疏水層，其設(shè)置在所述介電層上，所述疏水層提供疏水工作表面，其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴可在所述疏水層上運輸；

其中，所述絕緣襯底還包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極，所述電化學工作電極包括多個細長段；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在第一絕緣襯底上；

第一介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列上；以及

第一疏水層，其設(shè)置在所述第一介電層上，所述第一疏水層提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二絕緣襯底，其具有在其上設(shè)置的至少第二疏水層，所述第二疏水層提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其間限定間隙的間隔開的關(guān)系設(shè)置，以在所述致動電極的致動下允許微滴運動；

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個具有設(shè)置在其上的一個或多個數(shù)字微流體次級電極，并且其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴是可運輸?shù)?；以?/p>

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極，所述電化學工作電極由一個或多個細長段組成；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極暴露于所述第一板和所述第二板之間的間隙，使得在所述第一板和所述第二板之間定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

一個或多個數(shù)字微流體次級電極，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極上；以及

疏水層，其設(shè)置在所述介電層上，所述疏水層提供疏水工作表面，其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴可在所述疏水層上運輸；

其中，所述絕緣襯底還包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極，所述電化學工作電極由一個或多個細長段組成；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

第一板，所述第一板包括：

第一絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在第一絕緣襯底上；

第一介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列上；以及

第一疏水層，其設(shè)置在所述第一介電層上，所述第一疏水層提供第一疏水工作表面；

第二板，所述第二板包括：

第二絕緣襯底，其具有在其上設(shè)置的至少第二疏水層，所述第二疏水層提供第二疏水工作表面；

其中，所述第一板和所述第二板以在其間限定間隙的間隔開的關(guān)系設(shè)置，以在所述致動電極的致動下允許微滴運動；

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個具有設(shè)置在其上的一個或多個數(shù)字微流體次級電極，并且其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴是可運輸?shù)?；以?/p>

其中，所述第一絕緣襯底和所述第二絕緣襯底中的一個包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極暴露于所述第一板和所述第二板之間的間隙，使得在所述第一板和所述第二板之間定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通；以及

其中，所述電化學工作電極的至少一部分形成圍繞所述電化學對/偽參比電極的周邊的至少一部分的細長段。

在另一方面中，提供了數(shù)字微流體設(shè)備，包括：

絕緣襯底；

數(shù)字微流體致動電極的陣列，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

一個或多個數(shù)字微流體次級電極，其設(shè)置在所述絕緣襯底上；

介電層，其形成在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極上；以及

疏水層，其設(shè)置在所述介電層上，所述疏水層提供疏水工作表面，其中所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極被設(shè)置成使得在所述數(shù)字微流體致動電極的陣列和所述一個或多個數(shù)字微流體次級電極之間施加電壓時，液滴可在所述疏水層上運輸；

其中，所述絕緣襯底還包括用于形成電化學電池的電化學工作電極和電化學對/偽參比電極；

其中，所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極被暴露，使得在所述疏水工作表面上定位的處在與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極對應(yīng)的位置處的微滴與所述電化學工作電極和所述電化學對/偽參比電極電連通，

其中，所述電化學工作電極的至少一部分形成圍繞所述電化學對/偽參比電極的周邊的至少一部分的細長段。

可以通過參考以下詳細描述和附圖來實現(xiàn)對本公開的功能和有利方面的進一步理解。

附圖簡述

現(xiàn)在將參考附圖僅通過示例的方式來描述實施例，在附圖中：

圖1a示出了兩板式數(shù)字微流體設(shè)備的橫截面視圖。

圖1b示出了一板式數(shù)字微流體設(shè)備的橫截面視圖。

圖2a示出了包括兩電極電化學傳感器的數(shù)字微流體設(shè)備的頂板的下側(cè)視圖。

圖2b是兩板式數(shù)字微流體設(shè)備的橫截面，其在該設(shè)備的頂板內(nèi)包括兩電極電化學傳感器，其中該截面沿圖2a中的線a-a截取。

圖3a和圖3b示出了常規(guī)的兩電極電化學傳感器的示例。

圖4a-4c示出了各種示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極作為空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)的單個細長段設(shè)置。

圖5a-5e示出了各種示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以第一細長電極段的形式設(shè)置，該第一細長電極段分支成空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)的兩個或更多個附加的細長電極段。

圖6a-6d示出了各種示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中細長的工作電極段與相鄰的細長對電極段叉指交錯。

圖7a和圖7b示出了示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以圍繞所述電化學對電極的周邊的至少一部分并且還在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)延伸的細長段的形式設(shè)置。

圖8示出了示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以圍繞所述電化學對電極的周邊的至少一部分的細長段的形式設(shè)置。

圖9a-9c示出了通過蝕刻去除ito層的選定區(qū)域而在數(shù)字微流體設(shè)備的頂板中形成的三個不同的兩電極電化學傳感器的圖像。

圖10示出了用于利用數(shù)字微流體設(shè)備來執(zhí)行電化學傳感的示例系統(tǒng)。

圖11a-c示出了包含用于形成電化學電池的電極的數(shù)字微流體設(shè)備的各種替代示例實施例，包括(a)單板式示例實施例，(b)兩板式示例實施例，其中電化學電池電極形成在底板中，以及(c)兩板式示例實施例，其中電化學電池電極形成在頂板中，并且其中一個或多個次級數(shù)字微流體電極被設(shè)置在底板中。

圖12a繪制了峰值電流強度與工作電極的總表面積相比的比較。注意到，峰值信號電流隨電極表面積而近似地線性增加。

圖12b示出了具有線形、十字形和星形的工作電極的傳感器的pbs緩沖液中的2mm鐵-亞鐵氰化物的代表性循環(huán)伏安圖(cv)。

圖13a-c示出了使用兩電極電化學電池的對多巴胺的片上分析的結(jié)果。圖12a示出了在10μm下多巴胺(da)的背景扣除的循環(huán)伏安圖。黑色箭頭表示用于比較峰電位而選擇的電位(0.788v)。插圖示出原始信號和背景。圖12b示出了0μmda、0.5μmda、1μmda、5μmda和10μmda的一系列非背景扣除的循環(huán)伏安圖。圖12c示出了0nm至10μm的多巴胺的校準曲線(黑色)。誤差條表示±1個標準偏差并小于標記。檢測限為40nm，其被定義為與空白測量的標準偏差的三倍對應(yīng)的濃度。

詳細描述

將參照下面討論的細節(jié)來描述本公開的各種實施例和方面。下面的描述和附圖是對本公開的說明，而不應(yīng)被解釋為限制本公開。描述了許多具體細節(jié)以提供對本公開的各種實施例的透徹理解。然而，在某些情況下，沒有描述公知的或常規(guī)的細節(jié)，以便提供對本公開的實施例的簡要討論。

如本文中所使用的，術(shù)語“包括(comprises)”和“包括(comprising)”應(yīng)被解釋為包含性和開放式，而不是排他性的。具體地，當在說明書和權(quán)利要求書中使用時，術(shù)語“包括(comprises)”和“包括(comprising)”及其變型意味著包含指定的特征、步驟或部件。這些術(shù)語不被解釋為排除其他特征、步驟或部件的存在。

如本文中所使用的，術(shù)語“示例性”意指“用作示例、實例或說明”，并且不應(yīng)被解釋為比本文公開的其它配置優(yōu)選或有利。

如本文中所使用的，術(shù)語“約”和“近似”意在覆蓋可能存在于值范圍的上限和下限中的變化，例如性質(zhì)、參數(shù)和尺寸的變化。除非另有說明，術(shù)語“約”和“近似”意味著加或減25％或更少。

應(yīng)當理解，除非另有說明，否則任何指定的范圍或組作為單獨地引用范圍或組中的每個成員以及其中涵蓋的每個可能的子范圍或子組的速記方式，并且相對于其中的任何子范圍或子組類似。除非另有說明，本公開涉及并明確地包含每個特定成員以及子范圍或子組的組合。

如本文中所使用的，當結(jié)合數(shù)量或參數(shù)使用時，術(shù)語“大約”指的是跨越所述數(shù)量或參數(shù)的大約十分之一到十倍的范圍。

除非另有定義，本文中所使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語都旨在具有與本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

如本文中所使用的，術(shù)語“兩電極電化學傳感器”是指包括工作電極和第二電極的電化學傳感器，其中第二電極在本文中被稱為“對電極”或“偽參比”電極。

數(shù)字微流體學(dmf)是一種新興技術(shù)，其中離散的液滴在電極陣列的表面上被操縱。該技術(shù)相對于常規(guī)的基于封閉式微通道的流體學具有許多互補優(yōu)點，包括可重構(gòu)性(通用設(shè)備格式可用于任何應(yīng)用)以及集成各種樣本處理操作的能力。數(shù)字微流體學通常以“兩板”格式實現(xiàn)，其中微滴被夾在底板(承載涂覆有絕緣體的電極陣列)和頂板(承載未涂覆有絕緣體的對電極)之間。通過在底板和頂板電極之間施加電位來使微滴移動。頂板電極通常由透明氧化銦錫(ito)形成，以使微滴運動可視化。在圖1a和圖1b中圖示了常規(guī)的兩板式數(shù)字微流體設(shè)備。

圖1a是常規(guī)的數(shù)字微流體設(shè)備的一部分的橫截面視圖，示出了兩板格式。該設(shè)備包括由間隙30分隔開的第一板15和第二板25。第一板25由電絕緣襯底12形成，在其上設(shè)置數(shù)字微流體致動電極的陣列14(例如10nmcr+、100nmau)。介電層16形成在致動電極14上(例如，2μmparylene-ctm)。第一板16可以具有不止一個介電層。介電層16涂覆有疏水層18(例如，teflonaftm，50nm)，以便在致動電極14的電致動下允許微滴運動。疏水表面通常被稱為工作表面。

間隔在致動電極14和介電層16之上的在間隙30的另一側(cè)上的是第二板，其中間隔可以使用間隔物(未示出)來實現(xiàn)。連續(xù)的次級電極22(或多個次級電極)被設(shè)置在絕緣襯底24上(次級電極22在數(shù)字微流體文獻中通常被稱為參比電極，但是在本文中使用術(shù)語“次級”以避免與電化學傳感器的參比電極混淆)，并且疏水層20(例如，teflonaftm，50nm)被涂覆在次級電極22上?？商娲?，另一介電層可沉積在層20、22之間。

液滴42被設(shè)置在兩個疏水層18和20之間的間隙30內(nèi)。電極14、電壓源26和連續(xù)的次級電極22一起形成由控制器28數(shù)字地操縱的電場。對于微滴操控，次級電極22被偏壓到與致動電位不同的電位。次級電極22的常用參考電位是接地。上疏水層20、次級電極22和襯底層24可以是基本上透明的以允許光學檢測，例如對數(shù)字微流體測定的光學成像或光學分析。

雖然本公開的一些方面涉及圖1a的兩板式設(shè)計的修改，但也設(shè)想了一板式設(shè)計修改。在圖1b中示出了一板式設(shè)計，其中去除了層20、22和24。不是具有專用的次級電極層22，而是次級電極與電極14相鄰地被圖案化，形成由介電材料16而與電極14分開的連續(xù)格柵52。連續(xù)格柵52在限定致動電極14所在的平面的兩個方向上延伸。次級電極52的設(shè)計不限于格柵，例如，它們可以是類似于電極14的導線或陣列的形式。

現(xiàn)在參考圖2a和圖2b，提供了對數(shù)字微流體設(shè)備的示例實施例的圖示，該數(shù)字微流體設(shè)備在數(shù)字微流體設(shè)備的頂板中包含兩個兩電極電化學傳感器，示出了位于最左邊的傳感器下方的微滴130。注意，術(shù)語“頂部”、“底部”、“上”和“下”用于啟發(fā)性目的，并且可以互換(即，本文所描述的設(shè)備可以在不損害其操作的情況下被反轉(zhuǎn))。如圖所示，每個傳感器包括用于形成兩電極電化學電池的工作電極110和對/偽參比電極120。對電極120被設(shè)置在限定的空間區(qū)域內(nèi)，并且工作電極110空間上分布在該空間區(qū)域內(nèi)。每個電化學電極具有從其延伸的電路徑，其將電極連接到外部可尋址的接觸焊盤、電極或電連接器。電化學電極可被定位(例如空間上對準)，使得當組裝兩板式設(shè)備時，電化學電極被定位在一個或多個致動電極上方(即，與一個或多個致動電極相對)。

在圖2a和圖2b所示的示例實施例中，如圖2a和2b所示，兩電極電化學電池由按比例較大的對/偽參比電極圍繞的薄的工作電極形成。兩電極電池(相對于更常規(guī)的三電極電池)更容易制造和操作，但它們可能遭受信號不穩(wěn)定性。為了克服這個缺點，對/偽參比電極的面積可被設(shè)計成大于工作電極，如下面詳細描述的。根據(jù)幾個示例實施例，工作電極被配置為空間上分布的電極，其在空間上延伸到原本由對/偽參比電極占據(jù)的空間區(qū)域中。例如，在本示例實施例中，工作電極110由多個細長段形成，該細長段以徑向結(jié)構(gòu)從對電極的中心附近的位置輻射。這樣的實施例增加了工作電極和工作溶液之間的接觸面積，使其適用于痕量分析物的敏感分析。

如下所述，傳感器電極可以由限定數(shù)字微流體設(shè)備的次級電極的相同的平面電極材料形成。例如，傳感器電極可以(使用光刻和濕法蝕刻)被蝕刻在由ito的連續(xù)板制成的頂板上，并與用于實現(xiàn)dmf微滴操控的大得多的次級電極分隔開。在這樣的實施例中，整個頂板可被涂覆有teflon-af，除了例如通過剝離工藝暴露的傳感器電極之外。

本文提供的各種示例實施例克服了與數(shù)字微流體設(shè)備中的電化學傳感器的已知實現(xiàn)相關(guān)聯(lián)的缺點。先前的實施方式通常(a)需要復雜的多步驟制造過程，因此可能制造成本昂貴，或(b)簡單地使用外部電極而沒有集成，且因此不適于批量生產(chǎn)。此外，如下面的示例所展示的，根據(jù)本文所公開的各種實施例的電極面積的比允許低檢測限，其可能是除了依賴于脆性納米結(jié)構(gòu)金屬電極的方法之外的任何先前報道的方法無法比擬的。

示例電極結(jié)構(gòu)

參考圖3a和圖3b，示出了常規(guī)的兩電極電化學傳感器的示例，其中工作電極沒有空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)并且不由細長段形成。這樣的電極結(jié)構(gòu)導致上述性能限制。

相比之下，本公開的各種示例實施例提供電極結(jié)構(gòu)，其中工作電極空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)。例如，圖4a-4c示出了各種示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極作為空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)的單個細長段設(shè)置。

另一組示例電極結(jié)構(gòu)在圖5a-5e中示出，圖5a-5e圖示了示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以第一細長電極段的形式設(shè)置，該第一細長電極段分支成空間上分布在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)的兩個或更多個附加的細長電極段。

圖6a-6d示出了各種示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中細長的工作電極段與相鄰的細長的對電極段叉指交錯。在一些實施例中，如圖6b所示，工作電極可被設(shè)置為向內(nèi)指向的螺旋。工作電極的另一示例幾何結(jié)構(gòu)是蛇形結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在參考圖7a和圖7b，示出了示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以圍繞所述電化學對電極的周邊的至少一部分并且還在與對電極相關(guān)聯(lián)的空間區(qū)域內(nèi)延伸的細長段的形式設(shè)置。

圖8示出了示例兩電極電化學傳感器結(jié)構(gòu)，其中工作電極以圍繞所述電化學對電極的周邊的至少一部分的細長段的形式設(shè)置。

已經(jīng)制造且實驗測試的電極結(jié)構(gòu)的示例在圖9a-9c中示出。圖像示出了以線、十字和星形式的三種不同的兩電極電化學傳感器，其通過蝕刻去除ito層的選定區(qū)域而在數(shù)字微流體設(shè)備的頂板中形成。

雖然前述示例示出了具有圓形輪廓的對電極，但將理解的是，對電極可以具有各種各樣的其它形狀，諸如正方形、橢圓形、多邊形等。

還注意到，雖然本文提供的示例涉及基于兩電極結(jié)構(gòu)的電化學傳感器，但是本文提供的實施例可以適于或被修改為包括一個或多個附加電極，例如電化學參比電極。

工作電極和對電極的相對面積

在兩電極電化學電池中，對電極也用作參比電極，簡化了制造和安裝過程。然而，缺少第三參比電極消除了其保持對電極和工作電極之間的精確電位差的能力。因此，在對電極和參比電極之間具有常規(guī)面積比(即ace/awe<2)(例如，如圖3a和圖3b所示)的兩電極電池將會產(chǎn)生顯著的噪聲，因為通過系統(tǒng)的電流將覆蓋對電極的大部分表面，給電極充電并改變對電極和工作電極之間的電位，并且創(chuàng)建具有不穩(wěn)定基線的系統(tǒng)。該偏壓的對電極是造成通常在常規(guī)兩電極電化學電池中所見的較低信噪比的噪聲源。

然而，通過增加ace/awe，根據(jù)本公開的各種實施例，可以獲得可吸收更大量的電流的更大表面積。在一些實施例中，對電極和參比電極的面積的面積比被設(shè)置成使得5<ace/awe<15。在該比值范圍內(nèi)，存在足夠的對電極的表面積，使得由電化學電池生成的正常電流足夠小，以致它們不會給電極充電到足以使記錄信號偏置的程度。

注意，超出該范圍的面積比可能導致性能退化，原因如下：(i)在較大的ace/awe比，太多的微滴不暴露于工作電極，降低了電化學電池的效率；以及(ii)較大的ace/awe比必然需要系統(tǒng)上的更多空間，從而降低了形成多路復用的電極陣列的能力并降低吞吐量。盡管存在這些潛在問題，但是可以實現(xiàn)其中面積比超過15例如超過20、50或100的面積比的實施例。

工作電極的細長段的粗度

在一些實施例中，如上所述，工作電極被設(shè)置為一個或多個細長段。細長段的寬度可基于感興趣的分析物和期望的濃度范圍來選擇和/或優(yōu)化。在一些示例實施方式中，工作電極的一個或多個段的至少一部分的寬度可以在約1微米和10微米之間、約10微米和100微米之間或約100微米和500微米之間。50-200微米范圍內(nèi)的寬度可適用于各種分析物。

注意到，在約1微米的寬度時，工作電極是最敏感的，因為正常的線性擴散被徑向擴散代替，使得電極在較低濃度下與較高量的分析物接觸。另一方面，在500微米，電極最適合于具有低擴散率或大尺寸的分析物，這些分析物需要更多的時間和空間來擴散到電極上。

不同類型的電化學電極材料

雖然本文提供的許多示例利用ito來形成電化學電極，但將理解的是，ito僅僅是用于形成電化學電極中的一個或兩個的合適導電材料的一個示例?？捎糜谛纬呻娀瘜W電極的一個或兩個的其它導電材料的示例包括但不限于金、銀、碳和鉑。例如，電化學電極可被形成為金與金、銀與銀、碳與碳、鉑與鉑以及其中的組合，諸如金與銀、金與鉑、金與碳等，如對于電化學檢測領(lǐng)域的技術(shù)人員將明顯的。

在一個示例實施方式中，這樣的電極可以形成在下面的ito層上。在2014年的芯片實驗室14,547-554的shamsi,m.h.；choi,k.；ng,a.h.c.；wheeler,a.r.的“adigitalmicrofluidicelectrochemicalimmunoassay”中提供了在ito上制造這樣的電極(除碳以外)的示例方法。

用于利用數(shù)字微流體設(shè)備來執(zhí)行電化學測量的示例系統(tǒng)

現(xiàn)在參考圖10，提供了用于控制數(shù)字微流體微滴致動并執(zhí)行電化學測量的示例系統(tǒng)200的圖示。如圖10所示，數(shù)字微流體致動電極和次級電極連接到或可連接到由控制和處理單元225控制的高電壓電源。電化學傳感系統(tǒng)由恒電位器220控制，該恒電位器220由控制和處理單元225控制和/或詢問。雖然高電壓電源210和恒電位器220被示為單獨的系統(tǒng)部件，但將理解的是，兩個或更多個系統(tǒng)部件可被集成到單個組件中。

圖10提供了控制和處理單元225的示例實施方式，其包括一個或多個處理器230(例如，cpu/微處理器)、總線232、可包括隨機存取存儲器(ram)和/或只讀存儲器(rom)的存儲器235、一個或多個內(nèi)部儲存設(shè)備240(例如，硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器或內(nèi)部閃存)、電源245、一個或多個通信接口250、外部儲存器255、顯示器260和各種輸入/輸出設(shè)備和/或接口265(例如，用戶輸入設(shè)備，諸如鍵盤、小鍵盤、鼠標、位置跟蹤的觸筆、位置跟蹤的探針、腳踏開關(guān)和/或用于捕獲語音命令的麥克風)。

雖然每個部件中只有一個在圖10中示出，但任意數(shù)量的每個部件可被包括在控制和處理單元225中。例如，計算機通常包含許多不同的數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)。此外，雖然總線232被描繪為所有部件之間的單個連接，但將認識到，總線232可以表示鏈接兩個或更多個部件的一個或多個電路、設(shè)備或通信通道。例如，在個人計算機中，總線232通常包括母板或者是母板。

在一個實施例中，控制和處理單元225可以是或包括通用計算機或任何其它硬件等同物?？刂坪吞幚韱卧?25還可被實現(xiàn)為通過更多通信通道或接口中的一個耦合到處理器230的一個或多個物理設(shè)備。例如，控制和處理單元225可以使用專用集成電路(asic)來實現(xiàn)?？商娲兀刂坪吞幚韱卧?25可被實現(xiàn)為硬件和軟件的組合，其中軟件從存儲器或通過網(wǎng)絡(luò)連接被加載到處理器中。

控制和處理單元225可以用一組指令進行編程，當指令在處理器中執(zhí)行時，促使系統(tǒng)執(zhí)行本公開中描述的一種或多種方法?？刂坪吞幚韱卧?25可包括許多比所示的那些部件更多或更少的部件。

雖然已經(jīng)在完全功能化的計算機和計算機系統(tǒng)的背景下描述了一些實施例，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認識到各種實施例能夠以各種形式作為程序產(chǎn)品分發(fā)，并且能夠被應(yīng)用而不管用于實際影響分發(fā)的特定類型的機器或計算機可讀介質(zhì)。

計算機可讀介質(zhì)可用于存儲軟件和數(shù)據(jù)，當由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行時，軟件和數(shù)據(jù)促使系統(tǒng)執(zhí)行各種方法?？蓤?zhí)行軟件和數(shù)據(jù)可存儲在包括例如rom、易失性ram、非易失性存儲器和/或高速緩存的各種位置中。該軟件和/或數(shù)據(jù)的部分可存儲在這些儲存設(shè)備中的任何一個中。通常，機器可讀介質(zhì)包括以機器(例如，計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個或多個處理器的任何設(shè)備等)可訪問的形式提供(即，存儲和/或傳輸)信息的任何機構(gòu)。

計算機可讀介質(zhì)的示例包括但不限于可記錄和不可記錄類型的介質(zhì)，例如易失性和非易失性存儲器設(shè)備、只讀存儲器(rom)、隨機存取存儲器(ram)、閃存設(shè)備、軟盤和其他可移動磁盤、磁盤存儲介質(zhì)、光學存儲介質(zhì)(例如，光盤(cd)、數(shù)字多功能盤(dvd))等)等。指令可被包括在用于電、光、聲或其它形式的傳播信號(諸如載波、紅外信號、數(shù)字信號等)的數(shù)字和模擬通信鏈路中。

本公開的一些方面可以至少部分地在軟件中實施。也就是說，該技術(shù)可以在計算機系統(tǒng)或其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中實施，響應(yīng)于計算機系統(tǒng)或其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理器(諸如微處理器)，執(zhí)行包含在諸如rom、易失性ram、非易失性存儲器、高速緩存、磁盤和光盤或遠程儲存設(shè)備的存儲器中的指令序列。此外，指令可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以編譯和鏈接版本的形式下載到計算設(shè)備中?？商娲?，執(zhí)行如以上所討論的過程的邏輯可以在附加的計算機和/或機器可讀介質(zhì)中實現(xiàn)，例如作為大規(guī)模集成電路(lsi)、專用集成電路(asic)的分立硬件部件或固件例如電可擦除可編程只讀存儲器(eeprom)和現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)。

本公開的實施例可用于采用電化學檢測的各種測定(特別是需要對痕量分析物的敏感分析的那些測定)。在下面提供的示例中說明的一個示例應(yīng)用涉及使用根據(jù)本文所公開的示例實施例配置的兩電極電化學傳感器來對多巴胺濃度的敏感測量。將理解的是，涉及多巴胺測量的示例應(yīng)用僅作為說明性示例應(yīng)用提供，并且許多其它應(yīng)用可通過選擇不同的分析物(且可選地選擇不同的電極組合物)來實現(xiàn)。

替代的單板設(shè)計和兩板設(shè)計

雖然前述示例實施例和下文提供的示例涉及具有集成在兩板式設(shè)備的頂板中的一個或多個電化學傳感器的兩板設(shè)計，但將理解的是，各種其他替代實施例可通過另外或可替代地將一個或多個電化學傳感器并入到兩板式設(shè)備的底板中或并入到單板式設(shè)備中來實現(xiàn)。例如，兩板式設(shè)備的底板或開放式數(shù)字微流體設(shè)備的單板可基于本文所述的實施例適于包括含有工作電極和對電極的一個或多個電化學傳感器。

在單板式設(shè)備中，除了致動電極和次級數(shù)字微流體電極之外，電化學電極可被形成在底板上。例如，電化學電極可被設(shè)置在單板的將原本被致動電極的一部分占據(jù)的區(qū)域內(nèi)。圖11a示出了示例單板實施例的橫截面視圖，其中單個板包括絕緣襯底12、數(shù)字微流體致動電極14、一個或多個次級數(shù)字微流體電極(未示出)、介電層16和疏水層18。電化學工作電極110和對/偽參比電極120(在本示例實施例中被示出為圍繞工作電極110)被示出為駐留在絕緣襯底12上。

在另一示例實施方案中，在兩板式設(shè)備中，電化學電極可被形成在底板上、與致動電極共面或在底板上的不同平面中，只要電化學電極與在設(shè)備的工作表面(例如，暴露的電極)上平移的微滴電連通。例如，圖11b圖示了示例兩板實施例，其中兩板式設(shè)備的底板15包括電化學電極，并且其中頂板25包括頂部絕緣襯底24、一個或多個次級數(shù)字微流體電極22(所示的示例實施例包括單個次級電極)和疏水層20。

圖11c圖示了另一替代的示例兩板實施例，其中電化學電極110和120被設(shè)置在頂板25中，并且其中一個或多個次級數(shù)字微流體電極(未示出)被設(shè)置在底板15中。

下面的示例被提供以使本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠理解和實踐本公開的實施例。它們不應(yīng)當被視為對本公開的范圍的限制，而僅作為本發(fā)明的說明和代表。

示例

示例1：多巴胺濃度的電化學測量

如下所述，具有集成的電化學傳感器的數(shù)字微流體設(shè)備被形成。電極通過2mm鐵/亞鐵氰化物的循環(huán)伏安法進行表征。圖12a繪制了峰值電流強度與工作電極的總表面積相比的比較。注意，峰值信號電流隨電極表面積～線性增加。在圖12b中示出了具有線形、十字形和星形的工作電極的傳感器的pbs緩沖器中的2mm鐵-亞鐵氰化物的代表性循環(huán)伏安圖(cv)。

然后進行片上連續(xù)稀釋以確定系統(tǒng)對多巴胺的敏感性，其中檢測限為20.3nm，遠低于生理多巴胺尖峰期望的水平。使用如下所述形成的兩電極電化學電池的對多巴胺的片上分析的結(jié)果在圖13a-13c中示出。圖13a示出了在10μm下多巴胺(da)的背景扣除的循環(huán)伏安圖。黑色箭頭表示用于比較峰電位而選擇的電位(0.788v)。插圖示出原始信號和背景。圖13b示出了0μmda、0.5μmda、1μmda、5μmda和10μmda的一系列非背景扣除的循環(huán)伏安圖。圖13c示出了0nm至10μm的多巴胺的校準曲線(黑色)。誤差條表示±1個標準偏差并小于標記。檢測限為40nm，其被定義為與空白測量的標準偏差的三倍對應(yīng)的濃度。使用定位在頂板上的全ito電分析電池使得與dmf和顯微鏡的集成特別簡單。

示例2：數(shù)字微流體設(shè)備的底板的制作

圖案通過使用以20000dpi印刷的透明光掩膜來生成。dmf設(shè)備的承載電極陣列的底板通過標準光刻和濕法蝕刻來形成。簡單地說，鉻(200nm厚)和光致抗蝕劑涂覆的玻璃襯底(2”×3”×1.1mm)通過使用sussmicrotec的光刻機的光掩膜來被暴露于uv光(29.8mw/cm^-2，10秒)。暴露的襯底在mf-321中顯影(3分鐘)，并在熱板上進行后烘烤(125℃，1分鐘)。顯影的襯底在cr-4中蝕刻(3分鐘)，并且剩余的光致抗蝕劑在az300t中剝離(5分鐘)。

在形成電極后，襯底通過浸沒在硅烷溶液中(2-丙醇、di水、a-174和乙酸50:50:1:2v/v/v/v，10分鐘)并且固化在熱板上(80℃，10分鐘)來涂上parylene涂層底漆。在沖洗和干燥后，設(shè)備被涂覆有～7μm的parylenec(氣相沉積)和～200nm的teflon-af(旋涂，fluorinertfc-40中的1％w/w，2000rpm，60s)，并且在熱板上進行后烘烤(165℃，10分鐘)。聚合物涂層通過用小刀輕輕刮擦來從接觸焊盤去除。

示例3：數(shù)字微流體設(shè)備的頂板的制造

dmf設(shè)備的頂板由氧化銦錫(ito)涂覆的玻璃襯底在三個階段中形成。

在第一階段中，襯底在丙酮中進行超聲處理5分鐘并且在2-丙醇中沖洗1分鐘。在干燥和脫水后，襯底用(馬薩諸塞州的馬爾伯勒)shipleys1811光致抗蝕劑旋涂(3000rpm，45s)，并且然后在熱板上進行后烘烤(95℃，2分鐘)。隨后，襯底通過掩膜曝光(29.8mwcm^-2，10s)。襯底通過浸沒在(馬薩諸塞州的牛頓市的microchem的)mf-321中來顯影3分鐘，在熱板上進行后烘烤(125℃，1分鐘)，然后通過浸沒在包括4:2:1(v/v/v)的鹽酸、去離子(di)水和硝酸的ito蝕刻劑中進行蝕刻10分鐘。在沖洗后，剩余的光致抗蝕劑通過浸沒在(德克薩斯州的capitolscientific公司的)az300t中剝離5分鐘。當完成時，設(shè)備上的ito被分離成七個隔離區(qū)域，包括六個電分析電極(四個1.6mm直徑的圓和兩個1.2×1.2mm的正方形)和一個大的不規(guī)則形狀的dmf驅(qū)動電極。每個電分析電極連接到襯底邊緣上的接觸焊盤。

在第二階段中，執(zhí)行旋涂/剝離過程，如這里詳細描述的。ito載玻片在80℃下被浸沒在rca溶液(6:1:1的di水：28％氫氧化銨水溶液：30％過氧化氫)15分鐘。在沖洗、干燥和脫水后，襯底用shipleys1811光致抗蝕劑旋涂(3000rpm，60s)，然后在熱板上進行后烘烤(2分鐘，95℃)。襯底通過承載兩個電化學電極的特征的掩膜曝光(10s，29.8mwcm^-2)，然后在mf-321中顯影。

在沖洗和干燥后，襯底被整片曝光(10s，29.8mwcm^-2)，然后用teflon-af旋涂，并且使用與底板襯底相同的參數(shù)(如上)進行后烘烤。然后，襯底通過輕微的攪拌浸沒在丙酮中，直到圖案化位點上的teflon-af被剝離(5-10s)。在沖洗和干燥后，teflon-af通過在165℃和230℃下的熱板上在每個溫度下烘烤5分鐘來回流。

已經(jīng)通過示例的方式示出了以上描述的特定實施例，并且應(yīng)理解的是，這些實施例可能容易受到各種修改和替代形式。應(yīng)當進一步理解的是，權(quán)利要求不旨在限于所公開的特定形式，而是涵蓋落入本公開的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代。