用于颗粒空间追踪的多路复用电子检测微流控平台

本实验的主要目标是展示一种微流控平台，该平台结合了电阻脉冲传感技术与码分多路复用技术，以实现对多个微流控通道中颗粒的多重检测与尺寸分析。这项技术被称为微流控 CODES（microfluidic CODES），有助于实现完全集成且真正便携的芯片实验室装置，特别适用于资源有限环境下生物样本的即时检测。该技术的主要优势在于，能够通过电子方式追踪颗粒在微流控芯片上的空间与时间操控过程，从而无需显微镜等外部仪器。

我们的技术与软光刻工艺兼容，可轻松集成到微流控装置中，用于对颗粒进行分馏，从而提供类似于库尔特计数器的直接电子读出信号。开始构建微流控装置时，首先生成一组四个七位的戈尔德码。然后基于这些戈尔德码，使用计算机辅助设计（CAD）软件（如 AutoCAD）设计四种独特的电极布局。

最后，将设计好的电极布局的掩膜版交由光掩膜供应商进行制作。接着，将一片四英寸的硼硅酸盐玻璃晶圆浸入五比一的piranha溶液中，在120摄氏度下处理20分钟。清洗后，在热板上以200摄氏度加热晶圆20分钟，以蒸发残留的水分。

将洁净、干燥的晶圆放入旋涂仪中。在晶圆上施加 2 毫升负性光刻胶溶液，以 3000 转/分钟的速度旋涂 40 秒。将旋涂后的晶圆置于热板上，在 150 摄氏度下烘干 1 分钟。

用铬掩模覆盖晶圆，形成所需的电极图案。将带有掩模的光刻胶表面暴露于365纳米紫外光下，照射剂量为225毫焦每平方厘米。随后将曝光后的光刻胶在热板上于100摄氏度烘烤1分钟。

将晶圆浸入光刻胶显影液中15秒，然后用去离子水轻轻喷洗图案化晶圆，并在氮气流下吹干晶圆。接着，将带有图案的晶圆放入电子束金属蒸发仪中。以每秒一埃的速率，在晶圆上沉积一层20纳米厚的铬层和一层80纳米厚的金层。

然后将镀有金属的晶圆在丙酮中进行超声加热处理30分钟，频率为40千赫兹，振幅为100%，以刻蚀下方的光刻胶。根据需要使用划片锯将晶圆切割成较小的片。开始制备微流控通道模具时，以与前述硼硅酸盐晶圆相同的方式清洗并干燥一片四英寸的硅晶圆。

将硅片放入旋涂仪中，加入4毫升负性光刻胶溶液。先以500 rpm转速旋涂15秒，再以1,000 rpm转速旋涂15秒，最后以3,000 rpm转速旋涂60秒。将硅片正面朝上放置于浸有丙酮的洁净室擦拭布上，以去除硅片背面及边缘残留的光刻胶。

将晶圆在 65 摄氏度下烘烤 1 分钟，然后在 95 摄氏度下烘烤 2 分钟。将用于微流控通道的铬掩模图案放置在干燥的晶圆上。用 365 纳米紫外光以 180 毫焦每平方厘米的剂量曝光光刻胶，然后再次将晶圆在 65 摄氏度和 95 摄氏度下分别烘烤 1 分钟和 2 分钟。

将已图形化的晶圆放入光刻胶显影液容器中，轻轻摇晃容器三分钟。用异丙醇冲洗显影后的晶圆，并在氮气流下吹干。将晶圆在200摄氏度下烘烤30分钟，然后使用台阶仪检测光刻胶图形在晶圆表面的厚度是否均匀。

将晶圆与一个敞口培养皿中的200微升三氯硅烷一同放入真空干燥器中。让晶圆在干燥器中与三氯硅烷共同放置8小时，以实现晶圆表面的硅烷化。开始组装装置时，使用通用型洁净室胶带将直径为150毫米的培养皿中的硅晶圆模具固定。

向培养皿中加入50克比例为10:1的聚二甲基硅氧烷预聚物混合物，并在真空干燥器中对该混合物脱气1小时。将脱气后的混合物在65摄氏度下固化至少4小时。使用手术刀切下固化的PDMS层，然后用镊子将固化的层从模具上剥离下来。

将PDMS切成小块。使用活检打孔器打出微流控通道的入口和出口孔。将PDMS层图案面朝下贴在透明胶带上，以清洁微加工表面。

用丙酮、异丙醇和去离子水冲洗先前制备的带有玻璃基底的电极。在氮气流下将基底干燥。将PDMS层和基底放入射频等离子体发生器中，功率设为100毫瓦，微结构面朝上。

将微机械表面在氧气等离子体中活化处理30秒。随后使用光学显微镜将图案化的PDMS层与表面电极对齐。对齐后，使两表面接触，以将PDMS层密封在玻璃基底上。

确保玻璃基底上的涂层电极图案与PDMS微流控通道正确对齐至关重要。正确对齐后，颗粒与表面电极的相互作用将产生用于多重检测的特定编码波形。将组装好的器件在70摄氏度下烘烤5分钟，玻璃面朝下。

最后，将导线焊接到电极触点焊盘上，完成装置组装。开始实验时，将微流控装置放置在光学显微镜载物台上。将装置的参比电极连接到锁相放大器的信号输出端口，并施加一个400千赫兹的正弦波。

将正极和负极传感器电极分别连接到两个独立的跨阻放大器。将两个跨阻放大器连接到锁相放大器的差分电压输入端，使正极传感器信号从负极传感器信号中减去。将锁相放大器的解调输出端连接到数据采集单元。

在数据采集软件中，将锁相放大器输出的采样率设置为 1 兆赫兹。设置一台高速相机，用于光学记录显微镜下观察到的器件工作过程。将制备好的细胞悬液吸入注射器中。

将样品注射器固定在注射泵上，并将注射器连接至入口通道。将出口通道导向废液容器。使用注射泵以恒定流速推动细胞悬液通过装置，同时记录阻抗调制信号。

实验完成后，使用分析软件处理电学数据。将处理后的电信号与高速相机拍摄的图像进行比较，以建立细胞大小的校准曲线。将细胞悬液流经一种具有四种独特电极图案的微流控传感器装置，这些电极图案源自正交传感器编码。

四个传感器的信号均记录自单一电学输出端。通过将记录到的传感器信号与所有可能的编码进行相关性比对，可识别出每个信号所对应的独立传感器，该过程产生清晰可辨的自相关峰。利用迭代算法，解析了四个通道同时检测细胞时由干扰信号产生的波形。

将记录的波形与所有可能的编码进行相关运算，并识别出最大的自相关峰。根据该自相关峰重建对应的单个传感器信号，并从输入波形中减去该信号。将剩余信号作为输入传递至下一次迭代，此过程持续进行，直至剩余信号不再产生自相关峰为止。

基于最小二乘法逼近，通过优化算法对估计信号进行优化，以寻找重构波形与原始记录波形之间的最佳拟合。然后，根据估计传感器信号的通道编号、幅度、持续时间及相对时序，确定细胞的位置、大小以及通过传感器的时间。该方法通过将电信号与高速相机的光学测量结果进行比较，验证了其有效性。

一旦掌握，该技术非常易于实施，因为从硬件角度来看它极为简单。该技术不包含有源片上元件，可直接与软光刻技术兼容，且信号处理依赖于一种简单的计算算法。

通过本实验方案，您可以制备带有基于编码的多重电传感器的微流控芯片，并对生物分析测量中的电信号进行解码。这种多功能、可扩展的电子传感技术可轻松集成到多种微流控装置中，通过在芯片上对颗粒进行时空追踪，实现定量检测。观看本视频后，您应能够充分理解微流控CODES技术的设计、制备与实施方法。