专利名称：称量病毒的方法及称量病毒用的纳米秤的制作方法
技术领域：
本发明属于生物技术领域，涉及一种用于病毒的快速检测的称重装置。
背景技术：
国际科研领域中，对一个病毒重量测量这方面的研究已经开展了一定的基础工 作，而国内尚未有任何关于称量单立病毒、细菌及微生物体的"纳米秤"的研究报道，而关于 纳米级别悬臂梁的研究尚有一些实验室和公司开展工作，而一些关于金属悬臂梁的设计， 还处于实验室模拟阶段，未见有阶段性工作进展。 美国普度大学医学工程系的科研人员称出了一粒天花疫苗里的牛痘病毒的重量 是9. 5飞克(1飞克=千万亿分之一克)。今后研究目标是制造出一个能实时监测空气中的 微生物的手提仪器，可用它来称量SARS病毒的重量。这个天平是在一块面积为1平方厘米 的经过微加工在硅片上制造的一条悬臂梁从硅片上伸出来，悬臂梁的自然共振频率为1. 27 兆赫。当把牛痘病毒放在悬臂梁上后，悬臂梁的共振频率就会发生变化。新的共振频率为 1. 21兆赫，这个共振频率可以用氦气激光测量出。由于共振频率与悬臂上的病毒的质量是 密切相关的。因此这个办法可以让科学家利用已知的病毒的质量，很容易地辨出各种不同 的病毒。这个形似跳水板的天平是在一块硅片上蚀刻出来的.它能称量单个牛痘病毒无 平悬臂梁的宽度大约是人头发丝的1/100。 美国康奈尔大学的研究人员利用一种亚微观装置已经能够检测出单个细胞的重 量。现在他们正在进行病毒称重工作。研究小组使用一种微小的振荡悬臂，通过记录质量增 加引起的振动频率变化测出了 6阿克的质量。这一亚微观装置本身的尺寸约几个纳米，称 为纳米电子机械系统。这一装置能够测得的质量已达阿克以下，例如一个小病毒的质量约 10阿克。在进行细胞称重时，研究人员将大肠杆菌抗体涂满悬臂，然后将装置置于含有这种 细菌的溶液中，当恰巧只有一个细胞粘附到悬臂上，单个细胞的重量就被测出了。据介绍， 通过精调，只要给悬臂涂上相应的抗体，它就可以测量和鉴别DNA分子、蛋白质以及其他生
物分子。 除了利用MEMS工艺制备Si和Si-N悬臂梁作为纳米秤研究外，佐治亚理工的王中 林教授还提出了利用CNTs作为纳米秤的设想。但是他们的测试机理是一样的，均为振动频 率扰动法，计算病毒单体的重量。共同点不仅仅在于测试方法，同样在于借助MEMS工艺，实 现悬臂梁的搭建。这样的工艺，制作难度较大，同样成本很高，不利于商业化推广，这就需要 一种更为实际而简单的工艺结构来代替它们。 用成千上万，甚至上亿个病毒的总质量除以总数来得到单个病毒的质量，这种方 法的前提是病毒的总数是已知而且要求样品中病毒的种类单纯。迄今为止，还没有一种 秤的精确度能达到称出单个病毒重量的水平。无法精确的称量一个病毒的重量，其困难在 于细菌的大小处于"纳米"数量测量尺度。成熟的具有感染能力的病毒个体称为病毒粒子 (Virion)。病毒粒子的大小以纳米(nm)来计量。由于病毒的种类与其自身的尺寸和重量 是一一对应的，因此根据病毒的大小、形态和重量特征，可供鉴定病毒时参考。
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未知病毒的发现、现有病毒的变异情况，这些都需要更加精密的仪器来辅助诊断。
而病毒的变异总是会带来更加严重的传染性和对人类机体健康系统更加致命的破坏力。 HIV病毒的检测是全世界都在关注的课题，抗体检测是发展比较成熟的一种检测
方法，感染后3 8周才能够被检测出来，这是由于从感染HIV，到产生可以被检测出来的一
定量的HIV抗体需要一段时间，HIV病毒从感染到可以被检测出来的时间也被称为窗口期。
全世界都在致力于縮短HIV从感染到可以被检测的时间，即縮短窗口期。 另一种检测HIV的病毒检测又可分为病毒分离法、p24抗原检测和病毒核酸检测
三种。在HIV感染人体后不久，抗体还不能被检出，但可以检测到HIV相关抗原或分离病毒。
抗原能够在个体感染后先于血清转化2到8天被检测到。因此，通过检测HIV的p24抗原
比抗体检测在时间上有一定的优势。但这种时间上的优势仍不能满足医护工作中迅速检测
的要求。 2009年全球大范围爆发的甲型H1N1流感症状和普通流感相似，因而很难从症状 上区分是季节性乙型流感还是甲型H1N1流感。目前对甲型H1N1流感病毒的检测主要是在 实验室进行。有以下三种方法 (1)基于RT-PCR的方法检测甲型H1N1流感病毒。 (2)基于real-time RT-PCR的方法检测新的甲型H1N1流感病毒。 (3)血清学检测甲型H1N1流感病毒。 目前对甲型H1N1流感病毒的检测多使用RT-PCR技术和real-time RT-PCR技术。 这两种方法检测甲型H1N1病毒较为准确。但是这两种方法对甲型H1N1流感病毒的检测必 须在特定的实验室里才可以完成，检测成本较高，检测周期较长，给H1N1的防治工作带来 很大的难度。称量病毒用的纳米秤，其发展趋势必然是工艺简单、效果明显，并且便携易于 操作，这就需要更加简易的组装工艺和更加简单的测量方式，据此，本发明提出了金属纳米 带为纳米秤结构，借助压电效应进行单立病毒重量标定的方案。这项技术的研发将会为国 防、医学、生命科学等众多领域的飞跃式发展起到推波助澜的作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单，操作方便，能够达到准 确计量效果的称量病毒的方法，并提供一种采用此种方法的病毒称量用纳米秤。为此，本发 明采用如下的技术方案 —种称量病毒的方法，通过制备纳米秤实现，包括下列步骤 光刻工艺，在衬底上制备电极，其中正、负电极之间的尺寸为1 10iim; 在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构； 将金属一维纳米结构的两端分别与正、负电极的接触电极进行焊接，实现欧姆接 触，组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分，其长度不小于10 ii m，宽度为150 500nm，厚度为 10 90nm ; 在悬臂梁上加载病毒后，利用光学象散的方法测量悬臂梁振动频率变化，从而标
定病毒重量。 实现上述称量方法的称量病毒用的纳米秤，包括衬底、制作在其上的正、负电极， 金属一维纳米结构，测量悬臂梁振动频率变化的装置，其中，
正、负电极之间的尺寸为1 10iim ; 金属一维纳米结构的两端分别正、负电极欧姆接触，组建纳米秤的"秤盘"即悬臂 梁部分，其宽度为150 500nm，厚度为10 90nm ; 测量悬臂梁振动频率变化的装置，所述装置利用光学象散的方法测悬臂梁振动频 率变化，从而标定病毒重量。 本发明还提供另一种称量病毒的方法，通过制备纳米秤实现，包括下列步骤
光刻工艺，在衬底上制备电极，其中正、负电极之间的尺寸为1 10iim;
在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构； 将金属一维纳米结构的两端分别与正、负电极的接触电极进行焊接，实现欧姆接 触，组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分，其长度不小于10 ii m，宽度为150 500nm，厚度为 10 90nm ; 将构成纳米秤"秤盘"部分的金属一维纳米结构氧化成为具有压电效应的纳米材 料，再通过压电效应的力_电转换机制，测定称量物的重量。 实现上述称量方法的称量病毒用的纳米秤，包括衬底和制作在其上的正、负电极， 正、负电极之间的尺寸为1 10ym;在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构，使其两端 分别焊接在正、负电极之间实现欧姆接触并组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分后，再将悬 臂梁部分氧化为具有压电效应的纳米材料，悬臂梁部分宽度为150 500nm，厚度为10 90nm ;正、负电极与测量电路相连，所述的测量电路能够通过压电效应的力_电转换机制， 测定称量物的重量。 本发明的病毒称重方法和纳米秤可以测量单个病毒或生物大分子的质量，对生物 学和医学来说，提供了一种用质量来判别病毒种类的新方法。对于化学研究，它使人们能研 究单个纳米微粒和大分子的质量及在化学反应下的质量变化。 本发明提出的用于称量病毒用的纳米秤在医学领域可以称出不同病毒的重量，帮 助区分病毒的种类，进而发现未知病毒，使它们成为病毒的微型探测器。这样，就会使得病 毒的检测变得更加便捷，更加易于操作。同时实现真正意义上的"芯片级实验室"，并商业 化。该种纳米秤可为科学家们探索微观世界提供新的实验手段，应用范围也相当广泛。在 科研领域中，一个高灵敏度的悬臂梁结构也会为称量一个如果DNA这样的微小单元结构提 供一个平台。在MEMS向NEMS发展的过程中，开创了金属一维纳米结构的应用新领域。
具体实施例方式
本发明借助光刻工艺，在衬底(如Si片、外延Si02氧化层的Si片等，且不仅限于 此类组分的衬底材料)上制备电极，其中正、负电极之间的关键尺寸为l 10ym;将金属 一维纳米结构(纳米带、纳米线、纳米棒等，且不只限于提及的这些形貌)搭建正、负电极之 间，(其中搭建一维纳米结构的方法包括正、负电极之间纳米结构的自生长，以及将已合成 的纳米材料通过微纳米加工工艺进行定位安装)，将金属一维纳米结构的两端分别与正、负 电极的接触电极进行焊接，(其中，焊接工艺可以采用FIB设备进行加工河以采用AFM的 氧化诱导工艺实现；也可以利用纳米尺度局部高温焊接工艺实现。且不仅仅限于以上列举 焊接工艺)实现欧姆接触，组建成纳米秤的"秤盘"部分。纳米秤"秤盘"部分悬臂梁的尺 寸为长度不小于1 10iim，这样可以顺利地完成纳米秤"秤盘"部分悬臂梁在正、负电极之间(关键尺寸为1 10 m)的搭建组装工作；纳米秤"秤盘"宽度150 500nm，使病毒 (病毒直径尺寸大多在100nm左右)可以顺利的置于纳米秤上；纳米秤"秤盘"厚度10 90nm左右，这样可以保持纳米秤的灵敏程度。从正、负电极两端的外侧，连接商业化的测量 功能的电路芯片，实现纳米秤对病毒的检测功能。
其中测量方式为2种方案 (1)光学方法测悬臂梁振动频率变化的方法标定病毒重量。本发明可以采用"原子 力显微镜(AFM)力传感器及其固有频率的测试"(薛实福，刘永生等.光学精密工程，1995， 3(2) :42提供的方法测量秤盘(即悬臂梁)固有频率的变化。悬臂梁制备出来后，就会有 自己的固有振动频率，当病毒单体负载至于纳米秤悬臂梁后，就会改变振动频率，通过频率 的差别标定病毒的重量。 (2)通过压电效应的力_电转换机制，利用具有压电效应的纳米秤对病毒样本对 其造成负载后，会产生相应的电学信号来测定病毒称量物的重量。当纳米压电效应的悬臂 梁被加于一定的负载后，就会产生一定的电学信号，通过经典的压电材料性能测试方法就 可以很简单的标定出被称量物的重量。纳米秤"秤盘"部分悬臂梁的金属纳米结构氧化成 为具有压电效应的纳米材料(如ZnO等，且不仅仅限于此类材料)，当病毒类称量物至于秤 盘之上的时候，在压电材料的力电转化机制下，电路中产生电学信号，通过电信号的检测标 定出病毒类称量物的重量，完成纳米秤的称量工作。 以上两种，无论是悬臂梁纳米秤的振动频率还是压电效应的力_电转换关系，都 与纳米秤悬臂梁主体的杨氏模量，即其弹性系数相关，因此需要根据纳米秤的具体尺寸来 界定测试结果与病毒重量的数学关系。 将不同病毒的重量指标进行数据库的建立，由于不同病毒的种类与重量是一一对 应的关系，因此某一病毒的称量结果就可以作为病毒种类鉴别的依据，同时也可以根据一 种特定种类病毒重量的变化来判别此类病毒是否发生了变异。
权利要求
一种称量病毒的方法，通过制备纳米秤实现，包括下列步骤(1)光刻工艺，在衬底上制备电极，其中正、负电极之间的尺寸为1～10μm；(2)在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构；(3)将金属一维纳米结构的两端分别与正、负电极的接触电极进行焊接，实现欧姆接触，组建纳米秤的“秤盘”即悬臂梁部分，其长度不小于10μm，宽度为150～500nm，厚度为10～90nm；(4)在悬臂梁上加载病毒后，利用光学象散的方法测量悬臂梁振动频率变化，从而标定病毒重量。
2. —种称量病毒的方法，通过制备纳米秤实现，包括下列步骤(1) 光刻工艺，在衬底上制备电极，其中正、负电极之间的尺寸为1 10ym;(2) 在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构；(3) 将金属一维纳米结构的两端分别与正、负电极的接触电极进行焊接，实现欧姆接触，组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分，其长度不小于10 ii m，宽度为150 500nm，厚度为10 90nm ;(4) 将构成纳米秤"秤盘"部分的金属一维纳米结构氧化成为具有压电效应的纳米材料，再通过压电效应的力电转换机制，测定称量物的重量。
3. —种称量病毒用的纳米秤，包括衬底、制作在其上的正、负电极，金属一维纳米结构，测量悬臂梁振动频率变化的装置，其中，正、负电极之间的尺寸为1 10iim ;金属一维纳米结构的两端分别正、负电极欧姆接触，组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分，其宽度为150 500nm，厚度为10 90nm ;测量悬臂梁振动频率变化的装置，所述装置利用光学象散的方法测悬臂梁振动频率变化，从而标定病毒重量。
4. 一种称量病毒用的纳米秤，包括衬底和制作在其上的正、负电极，正、负电极之间的尺寸为1 lOym ;在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构，使其两端分别焊接在正、负电极之间实现欧姆接触并组建纳米秤的"秤盘"即悬臂梁部分后，再将悬臂梁部分氧化为具有压电效应的纳米材料，悬臂梁部分宽度为150 500nm，厚度为10 90nm ;正、负电极与测量电路相连，所述的测量电路能够通过压电效应的力电转换机制，测定称量物的重量。
全文摘要
本发明属于生物技术领域，涉及一种称量病毒的方法，通过制备纳米秤实现，包括下列步骤光刻工艺，在衬底上制备电极，其中正、负电极之间的尺寸为1～10μm；在正、负电极之间搭建金属一维纳米结构；将金属一维纳米结构的两端分别与正、负电极的接触电极进行焊接，实现欧姆接触，组建纳米秤的“秤盘”即悬臂梁部分，其长度不小于10μm，宽度为150～500nm，厚度为10～90nm；在悬臂梁上加载病毒后，利用光学象散的方法测量悬臂梁振动频率变化，从而标定病毒重量。本发明同时涉及该种称量方法采用的纳米程，并涉及另外一种具有相同发明构思的病毒称量方法和纳米秤。本发明具有工艺简单，操作方便，能够达到准确计量效果的优点。
文档编号B81B7/00GK101717066SQ20091031033
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者倪恒侃, 傅星, 张之圣, 曹丽凤, 李付奎, 李玲霞, 王慧, 薛涛, 邹强 申请人:天津大学