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CN115178313A - 一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法 - Google Patents

一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，该方法提出的设计结构包括梁主体和用于生化反应的中空微流道。其中梁由硅或硅化合物基底以及柔性薄膜两种结构材料复合而成。在柔性薄膜层和硅或硅化合物基底层之间含有液体进样口、液体出样口、液体进样微通道、液体出样微通道和待测样品反应池，反应池位于梁的质量敏感区域。该方法提出“液态反应‑真空检测”的方式，将待测物吸附在微流道内部并将整个结构置于真空环境中，这种检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效隔离。通过检测待测物反应导致的频率变化，完成对生化分子的高灵敏度，原位实时的快速检测，可广泛应用于医学、化工等工程领域。

Description

一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法
技术领域
本发明涉及MEMS领域、生物医学以及化学工程领域，尤其涉及一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法。
背景技术
随着电子信息科技与生物技术、微机电系统技术及纳米技术等高新技术交叉融合，近些年来各种新型微纳生物传感器不断涌现[1]。其中基于MEMS的质量敏感型梁结构的传感器由于尺寸小、结构简单、灵敏度高、易于阵列化、集成化等优点[2]，成为生化检测领域最具潜力的器件之一。它作为生化传感器有两种工作模式：静态模式和动态模式。即当待测物质特异性吸附在功能化的梁上时，会引起梁的挠度或谐振频率发生变化，通过光学或电学检测这种变化即可反映出梁吸附待测物的质量或数量。
对于液态生化分子检测，大多数研究都集中于以下两种方式，一种是液态反应完成后再进行干燥，这种方式无法实现在液态环境中的原位实时检测，并且干燥后会降低生物分子活性[3]，降低了检测的准确度。另一种是使微悬臂梁浸泡在液体流通池中进行反应，这种方式虽然能够实现对生化分子的原位实时测量，但是在流通池内检测样品时，微悬臂梁处于液态的检测环境，受阻尼影响较大，品质因子急剧下降(102以下)，使得检测灵敏度大幅度降低[4]，限制了其高精度应用。剑桥大学在近期的研究中，利用PDMS制作的微流控芯片将待检测血清样品与氮气混合成气溶胶，并定量滴在微梁上进行检测，使得样品中的大部分水分迅速挥发，只留下待测分子与敏感层反应[5]，微悬臂梁与液态反应环境隔离，具有气体环境检测高灵敏度的优势，但是依旧没有做到原位实时性监测。基于以上检测方式的不足，急需提出一种与液态环境隔离且可以进行实时原位检测的梁结构。
参考文献
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发明内容
(一)要解决的技术问题
为了实现对待测物质的高灵敏度原位实时检测，需要在高灵敏度频率检测、原位实时检测、减小检测环境的阻尼等方面进行技术突破。本发明提出了一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，由硅或硅化合物基底层和柔性薄膜层两种材料键合而成，采用“液态反应-真空检测”的方法，有效避免了液体环境带来的阻尼，且能够达到实时原位检测的目的。
(二)技术方案
为了实现对待测生化分子的高灵敏度、原位实时检测，本发明提供了一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，该方法提出的设计结构包括梁和用于生化反应的中空微流道，其中梁由硅或硅化合物基底层和柔性薄膜层两种材料键合组成。柔性薄膜和硅或硅化合物基底之间刻有液体进样口、液体出样口、液体进样微通道和液体出样微通道。在梁的质量敏感区域刻蚀反应池用来进行生化反应。
上述方案中，采用以下工艺步骤进行制备，在SOI或硅片上刻蚀出梁的外部整体结构，再进行二次光刻和刻蚀形成内部中空微纳结构，得到复合梁的下薄层。另选一玻璃片对柔性薄膜进行刻蚀，或采用在硬模板上倒模的技术形成复合梁结构的上薄层。上薄层的柔性膜采用透明材料，有利于反应池内反应前后的光学观察和检测。然后将上下薄层进行键合。最后，采用深硅刻蚀技术和有机物湿法腐蚀技术释放牺牲层，得到中空复合梁结构。
上述方案中，所述中空微纳结构复合梁采用“液态反应-真空检测”的方式，以最大限度的降低液体环境阻尼对灵敏度和品质因数的影响，这种检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效隔离，完成待检测物质的原位实时检测。
上述方案中，将待测物质通过进液口注入到梁内部的微通道中，注入的微流体会对梁产生一定的作用，通过检测梁自由端的偏移量或梁的共振频率变化，从而达到检测微流体中生物分子质量或数量目的。
上述方案中，所述反应池用于局域修饰敏感层，使敏感层与靶分子的反应发生在梁的质量敏感区域，待测样品流过梁的质量敏感区域时会引起偏转或频率变化的峰值。同时此方法减小了大面积吸附对梁弹性常数的影响，可有效提高中空微纳复合梁传感器的检测精度。
上述方案中，所述中空微纳复合梁结构可采用阵列形式，在不同梁的反应池内修饰不同的敏感层，就能够实现多种待测物的同时检测，在一定程度上节约了制造成本。且在一次实验进行过后，将清洗液通过进液口注入，清洗废液通过出液口排出，即可对梁进行简单而又无污染的清洁。
上述方案中，此种梁结构包括但不仅限于矩形微悬臂梁、T形微悬臂梁、圆形微悬臂梁、三角形微悬臂梁、U形微悬臂梁以及双端固支梁。
(二)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，以内流体外真空的检测机制实现免疫反应环境与梁测试环境的有效隔离，大大降低了外界环境的影响，提高了检测灵敏度。
2、本发明提供的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，通过在梁的质量敏感区域刻蚀反应池结构，减小了大面积吸附，使量的偏转或频率变化相对达到峰值。
3、本发明提供的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，通过对该传感器高灵敏度传感机理和在标志物联检中的应用机制研究，发现一种液态环境下分子动力学的原位实时监测新方法，为获得高性能复合梁传感器的几何结构设计和生化物质的表面功能化过程提供理论依据，为制作一种低成本、便携、快速检测的新型复合梁阵列传感器提供了手段，具有重要的应用价值。
附图说明
图1是依照本发明实施例的用于生化分子检测的中空微纳复合梁结构的示意图(以矩形微悬臂梁为例)；
图2是用于生化分子检测的中空微纳复合梁结构的剖面示意图(以矩形微悬臂梁为例)。
图3是制作矩形中空微纳复合梁的工艺流程图，其中柔性层的制备以在玻璃板上进行刻蚀为例，除此之外还可以采用倒模等方法进行制作。
图4是除矩形微悬臂梁外一些其他的梁结构，(a)T形微悬臂梁；(b)圆形微悬臂梁；(c)三角形微悬臂梁；(d)U形微悬臂梁；(e)双端固支梁。
附图标记说明：
1.体硅；2.埋氧层；3.硅或硅化合物基底；4.柔性薄膜；5.液体进/出口；6.液体进/出微通道；7.反应池。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是以矩形微悬臂梁为例，依照本发明实施例的用于生化分子检测的中空微纳复合梁结构的示意图，图2为图1的剖面图。该复合结构包括梁主体和用于生化反应的中空微流道。其中梁主体由硅或硅化合物基底和柔性薄膜两种结构材料复合而成。在柔性薄膜层和硅或硅化合物基底层之间含有液体进样口、液体出样口、液体进样微通道和液体出样微通道，梁的质量敏感区域刻蚀反应池。图3为中空微纳复合梁的制作工艺流程图，经过光刻以及刻蚀得到复合微悬臂梁的下薄层，再利用刻蚀或在硬模板上倒模的技术形成微悬臂梁复合结构的上薄层。然后将上下薄层进行键合，最后释放牺牲层，得到中空复合微悬臂梁结构。图4显示了除矩形微悬臂梁外一些其他的梁结构，这些结构的复合梁均可以利用“液态反应-真空检测”的方式有效将待测分子与外界环境隔离，实现了对待测生化分子的高灵敏度，原位实时检测。
在实际应用时，将与待测物特异性结合的敏感层修饰在反应池中，待测物从液体进样口经进样微通道流入反应池内，待反应完成后，将反应过后的样品从另一侧的出样微通道和出样口取出。梁在动态工作模式下可采用压电激励的方式进行驱动，分别测量出待测物与敏感层反应前后的谐振频率，该频率变化由惠斯通桥检测电路测量得出。在静态模式检测时可采用光学检测法，通过位置敏感探测器上的光束偏移，从而可反映微悬臂梁的弯曲变化。通过两个频率之差或偏转量的变化即可得到吸附生化分子的质量或数量等信息
为了实现同时检测多种生化分子，可将多个如图1所示的梁结构集成在一起制作成梁阵列，并选取其中一个作为参考梁，其余每个梁可修饰不同的待测物，这样便可实现多种生化分子同时检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，该方法提出的设计结构包括梁和用于生化反应的中空微流道，其中梁由硅或硅化合物基底层和柔性薄膜层两种材料组成，柔性薄膜和硅或硅化合物基底之间刻有液体进样口、液体出样口、液体进样微通道和液体出样微通道，在梁的质量敏感区域刻蚀反应池用来进行生化反应同时增大反应面积。
2.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，采用以下工艺步骤进行制备，在SOI或硅片上刻蚀出梁的外部整体结构，再进行二次光刻和刻蚀形成内部中空微纳结构，得到复合梁的下薄层，另选一玻璃片对柔性薄膜进行刻蚀，或采用在硬模板上倒模的技术形成复合梁结构的上薄层，上薄层的柔性膜采用透明材料，有利于反应池内反应前后的光学观察和检测，然后将上下薄层进行键合，最后，采用深硅刻蚀技术和有机物湿法腐蚀技术释放牺牲层，得到中空复合梁结构。
3.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，所述中空微纳结构复合梁采用“液态反应-真空检测”的方式，以最大限度的降低液体环境阻尼对灵敏度和品质因数的影响，这种检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效隔离，完成待检测物质的原位实时检测。
4.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，将待测物质通过进液口注入到梁的微通道中，注入的微流体会对梁产生一定的作用，通过检测梁自由端的偏移量或梁的共振频率变化，从而达到检测微流体中生物分子质量或数量目的。
5.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，所述反应池用于局域修饰敏感层，使敏感层与靶分子的反应发生在梁的质量敏感区域，待测样品流过梁的质量敏感区域时会引起偏转或频率变化的峰值，同时此方法减小了大面积吸附对梁弹性常数的影响，可有效提高中空微纳复合梁传感器的检测精度。
6.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，所述中空微纳复合梁结构可采用阵列形式，在不同梁的反应池内修饰不同的敏感层，就能够实现多种待测物的同时检测，在一定程度上节约了制造成本，且在一次实验进行过后，将清洗液通过进液口注入，清洗废液通过出液口排出，即可对梁进行简单而又无污染的清洁。
7.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，其特征在于，此种梁结构包括但不仅限于矩形微悬臂梁、T形微悬臂梁、圆形微悬臂梁、三角形微悬臂梁、U形微悬臂梁以及双端固支梁。
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