專利名稱：多功能集成微腔陣列生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微型生物傳感器，特別涉及一種微電子機(jī)械工藝加工的錐形微腔陣列結(jié)構(gòu)，可用于測定多種組份的多功能集成微型生物傳感器，屬酶促反應(yīng)和電分析化學(xué)原理測定液體中多種物質(zhì)濃度的傳感器。
電化學(xué)生物傳感器由酶膜和電化學(xué)電極二部分構(gòu)成。前者是分子識別元件或稱生物敏感元件，它能專一地發(fā)生某種酶促反應(yīng)；后者是換能器，能把酶促反應(yīng)的變化轉(zhuǎn)換成電信號予以檢測。因此，采用不同的酶，可對不同的底物產(chǎn)生相應(yīng)的酶促反應(yīng)，并可通過電流信號測定該底物的濃度。電化學(xué)生物傳感器中的酶膜和電化學(xué)電極的結(jié)合有多種方式，如機(jī)械固定酶膜；依靠載體與電極黏附；化學(xué)共價鍵合等。在這些結(jié)合中，酶膜的機(jī)械穩(wěn)定性或黏附性不盡人意，從而可能引起傳感器穩(wěn)定性變差；共價鍵合的酶量太少使傳感器的靈敏度偏低等。更重要的是，在這些結(jié)合方式中難以實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能集成?；谶@些結(jié)合至今尚未實(shí)現(xiàn)將幾種酶分別涂布在相距很近的微區(qū)內(nèi)，同時進(jìn)行多種物質(zhì)濃度的測定。德國K.Cam mann等人公開了一種用硅各向異性腐蝕技術(shù)在硅襯底上刻蝕錐形孔后與玻璃鍵合形成微腔，存放酶膜的單一功能微型生物傳感器。這一傳感器較好地解決了傳統(tǒng)生物傳感器穩(wěn)定性差、靈敏度低的問題。然而，這種微型傳感器在錐壁上制作鉑工作電極的工藝難度較高，難以保證器件的質(zhì)量，且測量中還需外加參比電極，使用很不方便。最重要的是，也沒有解決多功能測定多種物質(zhì)濃度的問題。為了克服上述生物傳感器的不足，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)成一種錐形微腔陣列結(jié)構(gòu)，可在各個微腔中分別注入不同酶膜，同時測定多種組份的多功能集成微型生物傳感器。
本實(shí)用新型的目的是，采用微電子機(jī)械加工工藝，集成二個以上單元的微腔陣列。將鉑工作電極陣列設(shè)計(jì)在絕緣襯底上，將銀/氯化銀參比電極設(shè)計(jì)在硅襯底上或微腔側(cè)壁上或絕緣襯底上，在每個微腔內(nèi)分別注入不同的酶膜，以構(gòu)成一種多功能集成微腔陣列生物傳感器。從而借助酶促反應(yīng)和電分析化學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)同時測定多種組份濃度。
本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器主要由玻璃或石英或陶瓷片等絕緣襯底、沉積在襯底上的鉑微工作電極陣列、銀/氯化銀微參比電極、與絕緣襯底聯(lián)成一體的錐形硅微腔陣列以及填充在各微腔內(nèi)的不同酶膜構(gòu)成。其中，絕緣襯底玻璃或石英或陶瓷片厚約0.3-1.2毫米，雙面拋光后清洗，烘干備用。光刻絕緣襯底上電極前，先在絕緣襯底上沉積0.05微米厚的鉻或鈦，以增強(qiáng)鉑的黏附性，然后再沉積鉑膜，鉑膜的厚度為0.1-1.0微米。光刻鉑膜的微電極的尺寸為0.01-1.0毫米2，鉑微電極相互間間距為0.1-1.0毫米。與絕緣襯底聯(lián)成一體的錐形硅微腔陣列采用硅片制造，(100)面硅片厚度為0.1-0.4毫米，雙面拋光，氧化后光刻圖形，二氧化硅SiO2作腐蝕掩模。硅片在40％重量百分比濃度的氫氧化鉀溶液中，50℃下進(jìn)行各向異性腐蝕，腐蝕成形的二個以上錐形孔陣列和引線槽的尺寸和位置與絕緣襯底上的鉑電極及其引線相互匹配，以保證鉑微電極不與微腔錯位接觸，且孔的尺寸略大于鉑電極。按刻出的二氧化硅圖形各向異性腐蝕制備的每個錐形微腔上錐底(小口)邊長為0.1-1.2毫米，下錐底(大口)邊長為0.5-1.6毫米，深度為0.1-0.4毫米，微腔陣列中各微腔的間距至少在0.1毫米以上以確保足夠的鍵合面。當(dāng)然，微腔版圖形狀也可設(shè)計(jì)成矩形或多邊形。絕緣襯底和刻蝕有微腔陣列的硅片鍵合聯(lián)成一體后，電極引線通過硅片上相應(yīng)位置腐蝕出的引線通道，因此鉑膜與硅仍保持良好的絕緣。在微腔內(nèi)注入酶膜溶液時，為使微腔壁親水，硅片上的微腔預(yù)先進(jìn)行硅烷化處理。此外，為擴(kuò)大傳感器的測量范圍，可在酶膜上再注入1-10％的奈非昂(Nafion)溶液(5％重量百分比的全氟化陽離子交換粉溶于低脂族醇和10％水的混合溶液)，自然干燥后即成擴(kuò)散限制膜。傳感器中的銀/氯化銀微參比電極可預(yù)先制作在玻璃、石英、陶瓷絕緣襯底片或微腔陣列硅芯片或微腔側(cè)壁上，其面積為工作電極的2-4倍。銀層的厚度為0.5-1.0微米。氯化銀的制備可將銀層浸泡在0.1-1.0摩爾/升的氯化鐵溶液中氯化獲得。制備酶膜時，將0.7克環(huán)糊精溶解于10毫升5％戊二醛溶液中，攪拌一小時交聯(lián)過夜，取上清液。然后將二茂鐵逐漸加入上清液至飽和。再把酶和牛血清(或明膠)加入二茂鐵飽和溶液的上清液中制成酶膜備用液，備用液中的比例由不同酶的活性而定。其中環(huán)糊精用于固定電子載體二茂鐵(1∶1摩爾比)，戊二醛(1-10％的水溶液)將酶和適量的牛血清(或明膠)交聯(lián)在一起。最后取出5-80微升酶/牛血清溶液針注或減壓法注入微腔，自然干燥后便制得微腔中的酶膜。使用本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器，一滴(約10-15微升)血或血清或被測溶液就能測定多個組份的濃度，響應(yīng)時間為5-30秒。傳感器壽命可在4℃條件下儲藏半年，使用測定一千次以上。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是，在微電子機(jī)械加工工藝制成的二個以上微腔中，可同時測定二個以上溶液組份，且試樣耗量極少。根據(jù)不同酶的組合，可制備系列微腔芯片，測試診斷不同疾病，如糖尿病、心血管疾病、新生兒半乳糖血癥等。也可以測試運(yùn)動員或賽馬等的運(yùn)動潛能。在微電子機(jī)械加工工藝制成的微腔結(jié)構(gòu)中，酶膜和電化學(xué)電極的結(jié)合牢固、穩(wěn)定，不易流失，傳感器性能非常穩(wěn)定，且工作壽命長。由于采用了二茂鐵電子介體和奈非昂外加擴(kuò)散限制膜，既降低了傳感器的工作電壓，減少了干擾，又提高了響應(yīng)速度，擴(kuò)大了線性范圍。此外，本實(shí)用新型中采用微電子機(jī)械加工工藝可與集成電路工藝相容，從而能批量生產(chǎn)性能優(yōu)良、可靠、實(shí)用的微型生物傳感器。


圖1是本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器下襯底頂視圖。其中，1是絕緣襯底；2是鉑微電極陣列；3是電極引線；4是電極引線腳。
圖2是本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器中的錐形硅微腔陣列芯片頂視圖。其中，5是硅微腔陣列芯片；6是硅微腔陣列芯片上的錐形孔腔。
圖3是本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器微腔硅芯片與絕緣襯底鍵合聯(lián)成一體后的頂視圖。
圖4是本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器的剖視圖。其中，7是酶膜；8是擴(kuò)散限制膜；9是銀/氯化銀參比電極。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明符合本實(shí)用新型主題的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例中，絕緣襯底選用派力克斯玻璃絕緣襯底片1，厚度1.0毫米，雙面拋光，清洗，烘干后選其一面上蒸發(fā)沉積0.05微米厚鉻或鈦，然后蒸發(fā)沉積鉑膜，鉑膜厚0.3微米，光刻玻璃片上的鉑膜，制備鉑微電極2，光刻后的鉑微電極2尺寸為0.5×0.5毫米2，電極間距為0.2毫米。制備四個一組微腔6陣列的硅芯片5采用(100)面硅片，硅片厚度為0.3毫米，雙面拋光，清洗烘干后氧化。光刻氧化硅掩膜，并將硅片放在50℃，濃度為40％重量百分比的氫氧化鉀溶液中進(jìn)行各向異性腐蝕，刻蝕錐形孔6，刻蝕成的錐形孔6大小略大于鉑微電極2尺寸(0.5×0.5毫米2)，以使玻璃片絕緣襯底1與微腔硅芯片5鍵合時鉑電極2與硅芯片5間形成良好的絕緣。同時，為使鉑電極2與硅芯片5間形成良好絕緣，還須在硅芯片5上腐蝕出電極引線3通道。在玻璃片襯底1與微腔硅芯片5鍵合前，本實(shí)施例的銀/氯化銀參比電極9在硅芯片5上制備。銀/氯化銀參比電極9的制備，先在刻蝕成錐形孔的硅芯片5小錐底一面蒸銀，銀層厚度為1.0微米，光刻腐蝕成參比電極形狀后浸泡在0.1-1.0摩爾/升的氯化鐵溶液中氯化，形成銀/氯化銀參比電極9。當(dāng)然，銀/氯化銀參比電極9也可用相同方法在絕緣襯底1上制備。玻璃片絕緣襯底1與微腔硅芯片5鍵合后，便形成了本實(shí)用新型四個一組的集成微腔陣列。微腔6中注入酶7溶液前，為了使錐形微腔壁親水，還預(yù)先對微腔壁進(jìn)行硅烷化處理。微腔6中注入的酶膜7按如下方法實(shí)施，將0.7克環(huán)糊精溶解于10毫升5％重量百分比的戊二醛溶液中，攪拌一小時交聯(lián)過夜，取上清液。然后將二茂鐵逐漸加入上清液至飽和。再將酶和牛血清加入二茂鐵飽和溶液的上清液中制成酶膜備用液，備用液中的比例由不同酶的活性而定。最后取出50微升酶/件血清溶液注入微腔6，自然干燥后便制得微腔中的酶膜7。此外，為擴(kuò)大傳感器的測量范圍，可在酶膜7上再注入1-10％重量百分比的全氟化陽離子交換粉溶于低脂族醇和水的混合溶液(奈非昂溶液)，自然干燥后即成擴(kuò)散限制膜8，擴(kuò)散限制模厚0.1-100微米，使用引出電極引線腳4成型的本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器，一滴(約10-15微升)血或血清或被測溶液就能測定四個以上組份的濃度，響應(yīng)時間為5-30秒。傳感器壽命可在4℃條件下儲藏半年，使用測定一千次以上。
實(shí)施例2本實(shí)施例中除硅微腔陣列芯片5上的錐形孔腔6的上下底設(shè)計(jì)成相應(yīng)尺寸矩形或多邊形外，其他同實(shí)施例1。
權(quán)利要求1.一種多功能集成微腔陣列生物傳感器，包括絕緣襯底、硅芯片、鉑微工作電極、銀/氯化銀微參比電極、酶膜，其特征在于與絕緣襯底聯(lián)成一體的硅芯片上有微電子機(jī)械加工成形的二個以上錐形微腔的陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于硅芯片上的錐形微腔上錐體口邊長為0.1-1.2毫米，下錐底口邊長為0.5-1.6毫米，微腔間距為0.1-0.5毫米，微腔上下錐底高為硅片的厚度0.1-0.4毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于鉑工作微電極尺寸為0.01-1.0毫米2，鉑微電極相互間的間距為0.3-0.7毫米，鉑膜厚度0.1-1.0微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于銀/氯化銀微參比電極位于絕緣襯底上或硅芯片上或微腔側(cè)壁上，參比電極面積為工作電極面積的2-4倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于硅芯片微腔中有經(jīng)硅烷化處理的親水性微腔壁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于絕緣襯底為玻璃或石英或陶瓷片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于微腔酶膜上有一層0.1-100微米厚的，1-10％重量百分比濃度的全氟化陽離子交換粉溶于低脂醇和水的混合溶液干燥而成的擴(kuò)散限制膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于針注或減壓法注入微腔中酶膜的組成有1∶1摩爾比的環(huán)糊精固定的電子載體二茂鐵，將酶和適量的牛血清或明膠交聯(lián)在一起的戊二醛。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或8所述的多功能集成微腔陣列生物傳感器，其特征在于微腔中注入的酶溶液量為5-80微升。
專利摘要本實(shí)用新型是一種多功能集成微腔陣列生物傳感器。主要由絕緣襯底、絕緣襯底上的鉑微工作電極陣列、銀/氯化銀微參比電極、與絕緣襯底聯(lián)成一體的硅錐形微腔陣列以及填充在各微腔內(nèi)的不同酶膜構(gòu)成。使用本實(shí)用新型多功能集成微腔陣列生物傳感器，一滴(約10—15微升)血或血清或被測溶液能測定多個組份的濃度，響應(yīng)時間5—30秒，使用測定一千次以上。傳感器在4℃條件下可儲藏半年。是一種多用途、穩(wěn)定、壽命長的微型生物傳感器。
文檔編號G01N33/48GK2354141SQ9822322
公開日1999年12月15日 申請日期1998年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月13日
發(fā)明者朱建中 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所