专利名称：多功能集成微腔阵列生物传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微型生物传感器，特别涉及一种微电子机械工艺加工的锥形微腔阵列结构，可用于测定多种组份的多功能集成微型生物传感器，属酶促反应和电分析化学原理测定液体中多种物质浓度的传感器。
电化学生物传感器由酶膜和电化学电极二部分构成。前者是分子识别元件或称生物敏感元件，它能专一地发生某种酶促反应；后者是换能器，能把酶促反应的变化转换成电信号予以检测。因此，采用不同的酶，可对不同的底物产生相应的酶促反应，并可通过电流信号测定该底物的浓度。电化学生物传感器中的酶膜和电化学电极的结合有多种方式，如机械固定酶膜；依靠载体与电极黏附；化学共价键合等。在这些结合中，酶膜的机械稳定性或黏附性不尽人意，从而可能引起传感器稳定性变差；共价键合的酶量太少使传感器的灵敏度偏低等。更重要的是，在这些结合方式中难以实现传感器的多功能集成。基于这些结合至今尚未实现将几种酶分别涂布在相距很近的微区内，同时进行多种物质浓度的测定。德国K.Cam mann等人公开了一种用硅各向异性腐蚀技术在硅衬底上刻蚀锥形孔后与玻璃键合形成微腔，存放酶膜的单一功能微型生物传感器。这一传感器较好地解决了传统生物传感器稳定性差、灵敏度低的问题。然而，这种微型传感器在锥壁上制作铂工作电极的工艺难度较高，难以保证器件的质量，且测量中还需外加参比电极，使用很不方便。最重要的是，也没有解决多功能测定多种物质浓度的问题。为了克服上述生物传感器的不足，本实用新型设计成一种锥形微腔阵列结构，可在各个微腔中分别注入不同酶膜，同时测定多种组份的多功能集成微型生物传感器。
本实用新型的目的是，采用微电子机械加工工艺，集成二个以上单元的微腔阵列。将铂工作电极阵列设计在绝缘衬底上，将银/氯化银参比电极设计在硅衬底上或微腔侧壁上或绝缘衬底上，在每个微腔内分别注入不同的酶膜，以构成一种多功能集成微腔阵列生物传感器。从而借助酶促反应和电分析化学原理，实现同时测定多种组份浓度。
本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器主要由玻璃或石英或陶瓷片等绝缘衬底、沉积在衬底上的铂微工作电极阵列、银/氯化银微参比电极、与绝缘衬底联成一体的锥形硅微腔阵列以及填充在各微腔内的不同酶膜构成。其中，绝缘衬底玻璃或石英或陶瓷片厚约0.3-1.2毫米，双面抛光后清洗，烘干备用。光刻绝缘衬底上电极前，先在绝缘衬底上沉积0.05微米厚的铬或钛，以增强铂的黏附性，然后再沉积铂膜，铂膜的厚度为0.1-1.0微米。光刻铂膜的微电极的尺寸为0.01-1.0毫米2，铂微电极相互间间距为0.1-1.0毫米。与绝缘衬底联成一体的锥形硅微腔阵列采用硅片制造，(100)面硅片厚度为0.1-0.4毫米，双面抛光，氧化后光刻图形，二氧化硅SiO2作腐蚀掩模。硅片在40％重量百分比浓度的氢氧化钾溶液中，50℃下进行各向异性腐蚀，腐蚀成形的二个以上锥形孔阵列和引线槽的尺寸和位置与绝缘衬底上的铂电极及其引线相互匹配，以保证铂微电极不与微腔错位接触，且孔的尺寸略大于铂电极。按刻出的二氧化硅图形各向异性腐蚀制备的每个锥形微腔上锥底(小口)边长为0.1-1.2毫米，下锥底(大口)边长为0.5-1.6毫米，深度为0.1-0.4毫米，微腔阵列中各微腔的间距至少在0.1毫米以上以确保足够的键合面。当然，微腔版图形状也可设计成矩形或多边形。绝缘衬底和刻蚀有微腔阵列的硅片键合联成一体后，电极引线通过硅片上相应位置腐蚀出的引线通道，因此铂膜与硅仍保持良好的绝缘。在微腔内注入酶膜溶液时，为使微腔壁亲水，硅片上的微腔预先进行硅烷化处理。此外，为扩大传感器的测量范围，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阳离子交换粉溶于低脂族醇和10％水的混合溶液)，自然干燥后即成扩散限制膜。传感器中的银/氯化银微参比电极可预先制作在玻璃、石英、陶瓷绝缘衬底片或微腔阵列硅芯片或微腔侧壁上，其面积为工作电极的2-4倍。银层的厚度为0.5-1.0微米。氯化银的制备可将银层浸泡在0.1-1.0摩尔/升的氯化铁溶液中氯化获得。制备酶膜时，将0.7克环糊精溶解于10毫升5％戊二醛溶液中，搅拌一小时交联过夜，取上清液。然后将二茂铁逐渐加入上清液至饱和。再把酶和牛血清(或明胶)加入二茂铁饱和溶液的上清液中制成酶膜备用液，备用液中的比例由不同酶的活性而定。其中环糊精用于固定电子载体二茂铁(1∶1摩尔比)，戊二醛(1-10％的水溶液)将酶和适量的牛血清(或明胶)交联在一起。最后取出5-80微升酶/牛血清溶液针注或减压法注入微腔，自然干燥后便制得微腔中的酶膜。使用本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器，一滴(约10-15微升)血或血清或被测溶液就能测定多个组份的浓度，响应时间为5-30秒。传感器寿命可在4℃条件下储藏半年，使用测定一千次以上。
本实用新型的优点是，在微电子机械加工工艺制成的二个以上微腔中，可同时测定二个以上溶液组份，且试样耗量极少。根据不同酶的组合，可制备系列微腔芯片，测试诊断不同疾病，如糖尿病、心血管疾病、新生儿半乳糖血症等。也可以测试运动员或赛马等的运动潜能。在微电子机械加工工艺制成的微腔结构中，酶膜和电化学电极的结合牢固、稳定，不易流失，传感器性能非常稳定，且工作寿命长。由于采用了二茂铁电子介体和奈非昂外加扩散限制膜，既降低了传感器的工作电压，减少了干扰，又提高了响应速度，扩大了线性范围。此外，本实用新型中采用微电子机械加工工艺可与集成电路工艺相容，从而能批量生产性能优良、可靠、实用的微型生物传感器。
图1是本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器下衬底顶视图。其中，1是绝缘衬底；2是铂微电极阵列；3是电极引线；4是电极引线脚。
图2是本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器中的锥形硅微腔阵列芯片顶视图。其中，5是硅微腔阵列芯片；6是硅微腔阵列芯片上的锥形孔腔。
图3是本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器微腔硅芯片与绝缘衬底键合联成一体后的顶视图。
图4是本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器的剖视图。其中，7是酶膜；8是扩散限制膜；9是银/氯化银参比电极。
以下结合附图详细说明符合本实用新型主题的实施例。
实施例1本实施例中，绝缘衬底选用派力克斯玻璃绝缘衬底片1，厚度1.0毫米，双面抛光，清洗，烘干后选其一面上蒸发沉积0.05微米厚铬或钛，然后蒸发沉积铂膜，铂膜厚0.3微米，光刻玻璃片上的铂膜，制备铂微电极2，光刻后的铂微电极2尺寸为0.5×0.5毫米2，电极间距为0.2毫米。制备四个一组微腔6阵列的硅芯片5采用(100)面硅片，硅片厚度为0.3毫米，双面抛光，清洗烘干后氧化。光刻氧化硅掩膜，并将硅片放在50℃，浓度为40％重量百分比的氢氧化钾溶液中进行各向异性腐蚀，刻蚀锥形孔6，刻蚀成的锥形孔6大小略大于铂微电极2尺寸(0.5×0.5毫米2)，以使玻璃片绝缘衬底1与微腔硅芯片5键合时铂电极2与硅芯片5间形成良好的绝缘。同时，为使铂电极2与硅芯片5间形成良好绝缘，还须在硅芯片5上腐蚀出电极引线3通道。在玻璃片衬底1与微腔硅芯片5键合前，本实施例的银/氯化银参比电极9在硅芯片5上制备。银/氯化银参比电极9的制备，先在刻蚀成锥形孔的硅芯片5小锥底一面蒸银，银层厚度为1.0微米，光刻腐蚀成参比电极形状后浸泡在0.1-1.0摩尔/升的氯化铁溶液中氯化，形成银/氯化银参比电极9。当然，银/氯化银参比电极9也可用相同方法在绝缘衬底1上制备。玻璃片绝缘衬底1与微腔硅芯片5键合后，便形成了本实用新型四个一组的集成微腔阵列。微腔6中注入酶7溶液前，为了使锥形微腔壁亲水，还预先对微腔壁进行硅烷化处理。微腔6中注入的酶膜7按如下方法实施，将0.7克环糊精溶解于10毫升5％重量百分比的戊二醛溶液中，搅拌一小时交联过夜，取上清液。然后将二茂铁逐渐加入上清液至饱和。再将酶和牛血清加入二茂铁饱和溶液的上清液中制成酶膜备用液，备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，为扩大传感器的测量范围，可在酶膜7上再注入1-10％重量百分比的全氟化阳离子交换粉溶于低脂族醇和水的混合溶液(奈非昂溶液)，自然干燥后即成扩散限制膜8，扩散限制模厚0.1-100微米，使用引出电极引线脚4成型的本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器，一滴(约10-15微升)血或血清或被测溶液就能测定四个以上组份的浓度，响应时间为5-30秒。传感器寿命可在4℃条件下储藏半年，使用测定一千次以上。
实施例2本实施例中除硅微腔阵列芯片5上的锥形孔腔6的上下底设计成相应尺寸矩形或多边形外，其他同实施例1。
权利要求1.一种多功能集成微腔阵列生物传感器，包括绝缘衬底、硅芯片、铂微工作电极、银/氯化银微参比电极、酶膜，其特征在于与绝缘衬底联成一体的硅芯片上有微电子机械加工成形的二个以上锥形微腔的阵列。
2.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于硅芯片上的锥形微腔上锥体口边长为0.1-1.2毫米，下锥底口边长为0.5-1.6毫米，微腔间距为0.1-0.5毫米，微腔上下锥底高为硅片的厚度0.1-0.4毫米。
3.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于铂工作微电极尺寸为0.01-1.0毫米2，铂微电极相互间的间距为0.3-0.7毫米，铂膜厚度0.1-1.0微米。
4.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于银/氯化银微参比电极位于绝缘衬底上或硅芯片上或微腔侧壁上，参比电极面积为工作电极面积的2-4倍。
5.根据权利要求1或2所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于硅芯片微腔中有经硅烷化处理的亲水性微腔壁。
6.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于绝缘衬底为玻璃或石英或陶瓷片。
7.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于微腔酶膜上有一层0.1-100微米厚的，1-10％重量百分比浓度的全氟化阳离子交换粉溶于低脂醇和水的混合溶液干燥而成的扩散限制膜。
8.根据权利要求1所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于针注或减压法注入微腔中酶膜的组成有1∶1摩尔比的环糊精固定的电子载体二茂铁，将酶和适量的牛血清或明胶交联在一起的戊二醛。
9.根据权利要求1或2或8所述的多功能集成微腔阵列生物传感器，其特征在于微腔中注入的酶溶液量为5-80微升。
专利摘要本实用新型是一种多功能集成微腔阵列生物传感器。主要由绝缘衬底、绝缘衬底上的铂微工作电极阵列、银/氯化银微参比电极、与绝缘衬底联成一体的硅锥形微腔阵列以及填充在各微腔内的不同酶膜构成。使用本实用新型多功能集成微腔阵列生物传感器，一滴(约10—15微升)血或血清或被测溶液能测定多个组份的浓度，响应时间5—30秒，使用测定一千次以上。传感器在4℃条件下可储藏半年。是一种多用途、稳定、寿命长的微型生物传感器。
文档编号G01N33/48GK2354141SQ9822322
公开日1999年12月15日 申请日期1998年2月13日 优先权日1998年2月13日
发明者朱建中 申请人:中国科学院上海冶金研究所