專利名稱：基于應(yīng)力的化學(xué)反應(yīng)的靜電監(jiān)測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量?jī)x器，尤其涉及用于測(cè)量分析物結(jié)合和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的儀器。
背景技術(shù)：
分析物的存在和濃度以及化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程和效率通常被直接(如通過(guò)光監(jiān)測(cè)，如果反應(yīng)在光吸收特性上產(chǎn)生可觀測(cè)的變化)或間接(如通過(guò)質(zhì)量或體積的變化)測(cè)量。通常采用的方法中，許多需要加入一種標(biāo)記化合物，這種標(biāo)記化合物的屬性(如熒光性、放射性、化學(xué)發(fā)光性或吸收率)能被靈敏地檢測(cè)。然而，這些方法需要研發(fā)標(biāo)記試劑、給檢測(cè)過(guò)程增加步驟、以及改變分析物。如果沒(méi)有標(biāo)記化合物，傳統(tǒng)的測(cè)量要在總體規(guī)模上進(jìn)行，結(jié)果就需要分析物的真實(shí)量。
最近，在微觀尺度采用小的微機(jī)械懸臂和撓性板波(FPW)傳感器以幫助監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)和相互作用，可以獲得增強(qiáng)的靈敏度。在懸臂中，反應(yīng)被轉(zhuǎn)換成機(jī)械應(yīng)力。這些應(yīng)力被高靈敏度地檢測(cè)。然而，由于指針是小尺寸和脆弱的，而同時(shí)需要將分析物從讀出器件中分離，因此難以安裝和操作懸臂器件。因?yàn)閼冶凼呛芫碌?，所以?yīng)用選擇性涂層會(huì)很困難。為了將分析物從讀出電子設(shè)備中分離，可以采用通常借助反射作用的光讀出。
FPW系統(tǒng)可以利用膜片，該膜片通過(guò)相互交叉的指針聲學(xué)受激以建立駐波圖案。該膜片涂有選擇性材料，而分析物與該涂層的相互作用會(huì)增加該膜片的有效厚度，從而影響駐波的頻率，以指示相互作用度。因?yàn)檫@些器件由傳導(dǎo)、機(jī)械以及壓電層構(gòu)成，因此雙金屬效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不希望的溫度敏感性。為了減小熱變形，F(xiàn)PW傳感器通常運(yùn)行在高的共振頻率上。不幸的是，高的共振頻率本身限制靈敏度(此外需要更復(fù)雜的電子設(shè)備)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)采用靜電電容測(cè)量以高靈敏度檢測(cè)所需的化學(xué)或生物學(xué)分析物或化學(xué)相互作用克服了這些問(wèn)題。膜片涂有可選擇性地與所關(guān)心的分析物進(jìn)行相互作用的材料，而分析物與涂層的相互作用會(huì)施加沿膜片表面切線方向的應(yīng)力。這些應(yīng)力產(chǎn)生膜片位移，該膜片位移作為膜片和安裝在與膜片相對(duì)位置的極板之間的可變電容而被感測(cè)，該膜片包括或由導(dǎo)電材料組成，從而起電極的作用。膜片優(yōu)選為單一材料，諸如摻硼硅，以減小或消除熱導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)。結(jié)合導(dǎo)致應(yīng)力，該應(yīng)力使膜片偏轉(zhuǎn)并改變膜片和極板間的間隙的大小。
涂層例如可以包括多肽(如抗體)、核酸或其它與所關(guān)心的自由分析物相互作用的生物分子。然而，更一般地，本發(fā)明適合于與如下所述的易于捕獲和結(jié)合的任何分子種類結(jié)合使用。
因此，在第一方面中，本發(fā)明的特征在于傳感器，該傳感器包括膜片和與膜片間隔并相對(duì)的極板，該膜片在一面上包括導(dǎo)電部分和選擇性涂層。選擇性涂層與分析物的相互作用使膜片變形，從而改變傳感器的電容，以指示相互作用(如結(jié)合和/或化學(xué)反應(yīng))的度。
不像基于懸臂的方法，本發(fā)明的膜片可以配置為將電極間隙與分析物流分開以保護(hù)電極間隙。極板通過(guò)微機(jī)械加工置于晶片層級(jí)，從而產(chǎn)生更緊湊、便宜和堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。相對(duì)通常的FPW器件，單一材料膜片提供增強(qiáng)的靈敏度以及減小的熱易感性。
為了使靈敏度最大，選擇性涂層可以只覆蓋膜片表面的一部分，例如，它的中心半?yún)^(qū)或外部。因?yàn)槟て钠D(zhuǎn)對(duì)壓力差是敏感的，所以在膜片兩側(cè)的壓力需要相等。例如，通過(guò)采用穿過(guò)極板的穿孔和/或在膜片的相對(duì)面間的壓力釋放通道或孔，可以使壓力相等。
在一些實(shí)施例中，整個(gè)膜片是導(dǎo)電的(如硅)，然而，在其它實(shí)施例中，膜片包括導(dǎo)電保護(hù)膜。選擇性涂層例如可以包括多肽(如抗體或酶)或抗原。
在第二方面中，本發(fā)明的特征在于檢測(cè)與選擇性材料結(jié)合或反應(yīng)的方法。該方法采用傳感器，該傳感器包括具有導(dǎo)電部分的膜片、在膜片一面上的選擇性涂層、以及與膜片間隔并相對(duì)的極板。選擇性涂層與分析物的相互作用使膜片變形，從而改變傳感器的電容。因此，該方法包括測(cè)量傳感器的電容，以確定分析物和選擇性涂層間的相互作用的度。
在一些實(shí)施例中，測(cè)量步驟包括將傳感器電容與參考電容進(jìn)行比較。例如，參考電容可以等于沒(méi)有與選擇性涂層作用時(shí)傳感器的電容。
該方法可以進(jìn)一步包括至少將選擇性涂層暴露于流體的步驟；測(cè)量步驟指示與涂層結(jié)合的分析物是否存在于流體中。流體可包括氣體或液體。變形可與結(jié)合能量成比例，其指示結(jié)合的度。
因?yàn)楸景l(fā)明適合硅微機(jī)械加工且由于可以獲得小的器件尺寸，所以陣列中的調(diào)配不僅是可行的也是所期望的。陣列提供冗余度和采用大量選擇性涂層的可能性，以加強(qiáng)鑒別和進(jìn)行定量測(cè)量。


以下參閱附圖，通過(guò)對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的說(shuō)明，將使上述討論更容易被理解，其中圖1示出本發(fā)明傳感器的透視截面圖；圖2示出本發(fā)明涂敷的膜片的平面圖；圖3圖示出圖2中所示膜片的彎曲行為；以及圖4圖示出分析物分子層的可溶解分?jǐn)?shù)對(duì)膜片長(zhǎng)度和厚度；圖5圖示出由在膜片上1大氣壓產(chǎn)生的距離基準(zhǔn)線的最大偏轉(zhuǎn)對(duì)膜片長(zhǎng)度和厚度的關(guān)系；圖6圖示出由快速下降限制的激勵(lì)電壓對(duì)膜片長(zhǎng)度和厚度；圖7圖示出由單個(gè)分析物層產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)對(duì)膜片長(zhǎng)度和厚度；
圖8示意示出與本發(fā)明相關(guān)的有用的檢測(cè)電路。
各個(gè)元件可能未按比例制作。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，本發(fā)明的典型測(cè)量器件100包括固定裝置或基底105，它會(huì)保護(hù)導(dǎo)電膜片110的邊緣。膜片可以是圓形、矩形(如圖所示)或其它形狀。(如本文中所采用的，術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)電”意思是可導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的，和那些術(shù)語(yǔ)在技術(shù)中所表示的意思相同。)以下將會(huì)更詳細(xì)描述的選擇性涂層115被加在膜片110的底面。因?yàn)槟て?10和由基底105提供的支撐是連續(xù)的，所以涂層115位于由基底形成的空腔中。
絕緣層120(如橡膠或塑料涂層，或是氧化物)被設(shè)置于基底105的上表面。極板125被固定到與膜片110相對(duì)的絕緣層120上，從而形成膜片和極板間的間隙。
通常在運(yùn)行期間，在膜片110的兩側(cè)保持相等的壓力是重要的。為此目的可以采用幾種方法中的一種或多種。如圖1所示，可將極板125穿孔。此外，基底105可以包括一個(gè)或多個(gè)孔徑或閥門；期望的是，這些孔徑或閥門被置于涂層和膜片區(qū)域的外側(cè)，在這些地方它們不會(huì)干擾偏轉(zhuǎn)。備選地，膜片110可以不是各面都與基底相接。在基底105和膜片110的一部分間產(chǎn)生的間隙起到使膜片兩側(cè)的壓力相等的作用。
膜片110可由任何導(dǎo)電材料(如金屬、裝載色素的聚合體或半導(dǎo)體)構(gòu)成，但這種材料在足夠小的厚度級(jí)上必須能經(jīng)受住反復(fù)的應(yīng)力，以承受作為分析物與涂層115相互作用結(jié)果的可測(cè)量的變形。此外，優(yōu)選地，膜片110在其廣度上的成分是均勻的，因?yàn)槔缇哂胁煌瑹犴憫?yīng)特性的多個(gè)層的膜片會(huì)產(chǎn)生熱變形。結(jié)構(gòu)100能以多種方式制備，如通過(guò)微機(jī)械加工或通過(guò)傳統(tǒng)的硅工藝技術(shù)。例如，膜片110和基底115可以采用掩模和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)由標(biāo)準(zhǔn)六英寸硅晶片制造。傳統(tǒng)的氧化和掩?？捎糜谛纬山^緣層120。典型的器件例如可以是500μm長(zhǎng)、1000μm寬以及1.5μm厚。
選擇性涂層115可包括與所關(guān)心的分析物結(jié)合的化學(xué)成分。該成分可以在或位于聚合體、核酸、多肽、蛋白質(zhì)核酸、與多肽(如酶)相互作用的基底、與基底相互作用的酶、與抗原相互作用的抗體、與一個(gè)或多個(gè)抗體相互作用的抗原或其它生物分子上。
最簡(jiǎn)單地，測(cè)量器件100可用于檢測(cè)選擇性涂層115暴露于其中的候選溶液中所關(guān)心的分析物的存在。如果觀察到在噪聲閾值之上的應(yīng)力，那么在候選溶液中的分析物的存在就得以確認(rèn)。更精細(xì)的測(cè)量可提供進(jìn)一步的信息，如對(duì)分析物濃度的估計(jì)。這可以通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)合隨時(shí)間變化的程度得以完成，且通常需要濃度和結(jié)合行為間一些經(jīng)驗(yàn)的預(yù)定的關(guān)系。例如，如由在全飽和狀態(tài)下低于可取得的最大值的最終讀出所反映的，小于涂層115的完全平衡飽和度可以直接指示濃度。如果達(dá)到飽和，達(dá)到該條件的時(shí)間或時(shí)間應(yīng)力分布(如觀察得到的應(yīng)力隨時(shí)間的變化)可以指示濃度(再次，通常通過(guò)與先前觀測(cè)的已知濃度的參考分布進(jìn)行比較)。
同時(shí)，膜片行為的動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以在沒(méi)有參考數(shù)據(jù)的時(shí)候使預(yù)先的測(cè)量更容易。這些知識(shí)也可指示器件的設(shè)計(jì)。參考圖2，示例方法采用矩形膜片200，該矩形膜片的長(zhǎng)LD小于它的寬b的一半(即b＞2LD)，且沿所有邊緣被固定。因?yàn)閷挾冗h(yuǎn)大于長(zhǎng)度，所以該配置可被精確地模型化為簡(jiǎn)支梁。假定膜片由諸如厚度為hsi的硅等彈性材料制成。涂層115具有統(tǒng)一的厚度hc，覆蓋50％的膜片200的面積且從LD/4延伸到3LD/4。分析物與涂層115的結(jié)合在硅膜片200上施加壓縮或拉伸的應(yīng)力。盡管應(yīng)力可能是雙軸的，但是隨后的梁分析只考慮使膜片偏轉(zhuǎn)的縱向應(yīng)力。
涂層115的楊氏模量的合理估計(jì)是硅的楊氏模量(以下記作Ysi)1％，這代表多種聚合體的值。作為應(yīng)力上限，假定如果沒(méi)有限制，薄膜可以收縮1％，從而可用于使膜片變形的應(yīng)力為10-4Ysi。
軸向的支撐軸向力被模型化為加在x＝LD/4和x＝3LD/4處的扭矩耦。扭矩大小為M＝εcYcbhc(yc-yom)Eq.1其中，Yc＝涂層楊氏模量(1.68×10-9N/m2)；εc＝未限制的應(yīng)變(0.01)；b＝膜片200的寬度(涂層115橫跨整個(gè)寬度b)；hc＝涂層加上分析物的厚度(10-9m，一個(gè)單層涂層和一個(gè)分析物)；以及yc-yom＝當(dāng)施加純扭矩時(shí)，涂層中心與扭矩輸出的中軸線間的垂直距離。
覆蓋板(圖2中L1＝L2)的中部的涂層時(shí)，最大偏轉(zhuǎn)是ycen=MLD28RM---Eq.2]]>其中，LD＝膜片長(zhǎng)度(假定小于50％b)，RM＝單位扭矩的曲率半徑(YI項(xiàng)的和，慣性量I是相對(duì)扭矩中軸線計(jì)算的)。這在圖3中示出。用以偏轉(zhuǎn)膜片中心所需的點(diǎn)力由下式給出Fcen=kcenycen=192RMLD3ycen---Eq.3]]>相應(yīng)于不同負(fù)荷，膜片110的偏轉(zhuǎn)和應(yīng)變被直接確定(當(dāng)然，可以采用已出版的表格，見如R.J.Roark和W.Young，F(xiàn)ormulas for Stressand Strain，McGraw-hill(5th ed.1975)，408頁(yè))。在幾種情形中，對(duì)較大尺寸是較小尺寸1.5倍的支持的和固定的邊緣，各種值可以進(jìn)行列表。對(duì)此情形，板可以被模型化為非常寬(平面應(yīng)變假定)，使得低壓結(jié)果可以與列表的封閉形式的解進(jìn)行比較。
適用于本發(fā)明并提供精確的電容測(cè)量的代表電路800如圖8所示。電路包括兩個(gè)測(cè)量器件100，每個(gè)具有相同的基準(zhǔn)電容并記作C1、C2。單個(gè)測(cè)量器件100的電容由下式給出Cs=ϵbLDFsdgs---Eq.4]]>其中，ε＝自由空間的介電常數(shù)(8.85×10-12F/m)，gs＝電容器空氣間隙(3μm)，以及Fsd＝橋接因子(50％)。對(duì)于高效的設(shè)計(jì)，極板不應(yīng)該建在不能垂直偏轉(zhuǎn)的膜片部分上。
在運(yùn)行中，測(cè)量器件C1、C1是相同的，但只有一個(gè)(如C1)被暴露在候選流體中。另一個(gè)(C2)被用作基準(zhǔn)參考，并按需要處于與C1相同的熱環(huán)境中。備選地，參考器件可以沒(méi)有選擇性涂層，在此情形中，它也可被暴露在候選流體中。測(cè)量器件C1的一個(gè)“板”(即膜片)從AC源802接收隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)Vsinωt，而測(cè)量器件C2的相同板通過(guò)反相器805接收相同信號(hào)的反相形式。測(cè)量器件C1、C2的其它板(即極板)連接在一起，并連接運(yùn)放807的反相輸入端。相應(yīng)地，如果C1、C2的電容相同，那么由于反相器805，所得的電壓將是0。
運(yùn)放807與負(fù)反饋電路相連。因?yàn)槲捶聪喽藶榈仉妱?shì)，所以輸出電壓與電壓差ΔC＝C1-C2成比例。反饋電阻器Rf和反饋電容器Cf橋接放大器807的反相輸入端和輸出端。放大器807的輸入被反饋到電壓倍增器810的輸入端。倍增器810的另一輸入端接收諸如施密特觸發(fā)器的器件815的輸出，該器件815通過(guò)由反相器805提供的正弦信號(hào)產(chǎn)生矩形波信號(hào)。當(dāng)以此方式配置時(shí)，倍增器810用作對(duì)來(lái)自放大器807的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，低通濾波器820從解調(diào)信號(hào)吸收直流分量。因此由數(shù)字電壓計(jì)(DVM)825讀出的電壓為VO=VrmsΔCCf.]]>DVM 825通常包括顯示器并期望是可編程的，使得所接收的電壓可以轉(zhuǎn)換成有意義的讀數(shù)。最簡(jiǎn)單地說(shuō)，DVM 825允許用戶設(shè)置閾值，如果感測(cè)到的電壓超過(guò)閾值，DVM 825指示所關(guān)心的分析物與涂層115的結(jié)合。更精巧得是，DVM 825監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)隨時(shí)間變化的電壓，且包括可報(bào)告的將電壓級(jí)和它們的時(shí)間改變與濃度級(jí)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
要注意到，有源和參考電容器都與放大器輸出相連，最小的可檢測(cè)膜片rms位置信號(hào)由下式確定gres=gsVNVx(2Cs+CN+Cfb)Cs2fband---Eq.5]]>其中，VN＝前置放大器輸入電壓噪聲 Vx＝設(shè)置為0到峰值的激勵(lì)電壓，fband＝測(cè)量進(jìn)行的頻寬(1Hz)，Cfb＝反饋電容(2pF)，以及CN＝與前置放大器輸入節(jié)點(diǎn)相連的附加電容(3pF)。平方根下的因子2包含了0到峰值電壓轉(zhuǎn)換為rms時(shí)的不確定性。將gres除以單層的偏轉(zhuǎn)確定可溶解的層的比例。0-p的激勵(lì)電壓理想地設(shè)為膜片DC快速下降電壓的50％。為了便于計(jì)算，極板被假定為剛性的。激勵(lì)電壓使膜片向極板移動(dòng)一定的電容間隙百分比。DC的快速下降電壓根據(jù)下式計(jì)算Vsnap=8kcengs327LDbFsdϵ---Eq.6]]>與假定未受限的涂層加分析物的0.01應(yīng)變/層相比較的聚合體，聚合體的熱膨脹系數(shù)通常是20×10-6/℃。這些數(shù)表明熱敏感度為0.002層/℃。
膜片長(zhǎng)度和厚度與(i)分析物分子層的可溶解分?jǐn)?shù)、(ii)由于在膜片110上1大氣壓導(dǎo)致的與基準(zhǔn)的最大偏轉(zhuǎn)、(iii)對(duì)基準(zhǔn)情況(見以下)由快速下降限制的激勵(lì)電壓、以及(iv)分析物導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，分別如圖4到圖7所示。因?yàn)槟て蛔龅妮^薄或較長(zhǎng)，所以快速下降電壓減小，使得溶液中的變化很小且粗略地與該量 成比例。如圖6所示，快速下降電壓與LD2hsi3/2(膜片長(zhǎng)度和厚度)成比例，使得激勵(lì)電壓變化很大。在選擇膜片尺寸時(shí)，激勵(lì)電壓是首要的考慮。
盡管參考具體細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明做了說(shuō)明，但是這樣的細(xì)節(jié)不應(yīng)該作為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，除了所附的權(quán)利要求所包括的或者到所附的權(quán)利要求所包括的程度。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)與選擇性材料結(jié)合或反應(yīng)的方法，所述方法包括步驟a提供傳感器，包括i.包括導(dǎo)電部分的膜片；ii.位于所述膜片的第一面上的選擇性涂層；以及iii.與所述膜片間隔并與所述膜片相對(duì)的極板，所述選擇性涂層與分析物的相互作用使所述膜片發(fā)生變形并從而改變所述傳感器的電容；以及b測(cè)量所述傳感器的電容，以確定所述分析物和所述選擇性涂層間的相互作用的度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中整個(gè)所述膜片是導(dǎo)電的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜片成分是均勻的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量步驟包括將所述傳感器電容與參考電容進(jìn)行比較。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述參考電容等于沒(méi)有與所述選擇性涂層相互作用時(shí)所述傳感器的電容。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述選擇性涂層包括多肽。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述選擇性涂層包括抗體。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述選擇性涂層包括抗原。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括至少將所述選擇性涂層暴露于流體中的步驟，以及用以指示與所述涂層結(jié)合的分析物是否存在于流體中的測(cè)量步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述流體包括氣體。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述流體包括液體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述變形與結(jié)合能量成比例，其指示結(jié)合的度。
13.一種傳感器包括a包括導(dǎo)電部分的膜片；b位于所述膜片的第一面上的選擇性涂層；以及c與所述膜片間隔并與所述膜片相對(duì)的極板，所述選擇性涂層與分析物的相互作用使所述膜片發(fā)生變形并從而改變所述傳感器的電容以指示相互作用的度。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中整個(gè)所述膜片是導(dǎo)電的。
15.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述膜片成分是均勻的。
16.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述選擇性涂層只覆蓋所述膜片的第一面的一部分。
17.如權(quán)利要求13所述的傳感器，進(jìn)一步包括使所述膜片每面的壓力相等的機(jī)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其中使壓力相等的機(jī)構(gòu)包括穿過(guò)所述極板的穿孔。
19.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述涂層覆蓋所述膜片第一面的中心半?yún)^(qū)。
20.如權(quán)利要求13所述的傳感器，進(jìn)一步包括用于報(bào)告所述分析物的存在的電路。
21.如權(quán)利要求13所述的傳感器，進(jìn)一步包括用于報(bào)告所述分析物的濃度的電路。
全文摘要
靜電電容測(cè)量被用于高靈敏度地檢測(cè)化學(xué)或生物學(xué)的分析物或化學(xué)相互作用。膜片涂有可選擇性地與所關(guān)心的分析物相互作用的材料，且該分析物與涂層的相互作用施加沿膜片表面切向的應(yīng)力。這些應(yīng)力引起可作為可變電容被感測(cè)的膜片位移。
文檔編號(hào)C12Q1/68GK1947015SQ200580012891
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者M·S·維恩伯格, J·博倫斯泰恩, C·E·杜貝, R·霍金斯, E·卡倫 申請(qǐng)人:查爾斯·斯塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室公司