一种以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片的制作方法

本发明属于微机电系统（micro-electromechanicalsystems,mems）领域，涉及一种以微悬臂梁传感器为核心，集混合、富集和检测功能于一体的微全分析系统芯片。

背景技术：

微悬臂梁(microcantilever,mc)是结构最为简单的mems器件之一，对它的研究早在上世纪60年代就已经开展。伴随着原子力显微镜(atomicforcemicroscope,afm)的发明与发展，悬臂梁逐步成为mems领域的研究热点，从仅用于表征样品表面形貌的探针，发展成为一种新型微传感器。通过在微悬臂梁的自由端表面修饰敏感层，当敏感层与待测试样发生化学反应、物理吸附或生物亲和等作用时，传感器将因反应产物质量、上下表面应力等变化而导致形貌偏转或频率偏移。

以mems工艺为基础，采用新型的多晶硅纳米材料设计的功能的纳米复合材料悬臂梁传感器能提升多层复合结构的稳定性；通过嵌套式布局和阶梯式结构等合理设计，保证传感器的灵敏度和机械响应，提高悬臂梁传感器的集成化程度。在液相环境中，与普通悬臂梁传感器相比，微悬臂梁应用范围广（动态检测、静态检测）并能充分发挥其体积小、易于集成、抗干扰能力强的等优点，进一步拓展微悬臂梁传感器在便携式、快速检测领域的应用范围。

微全分析系统(micrototalanalysissystems,µtas)是利用mems工艺在体积有限的基底材料上制作沟道、混合器和储液池等多种微结构，同时集成泵、阀、传感器等微型功能器件，以实现对试样的快速分析与检测。与传统方法相比，µtas依据待测物质的特性，有针对性的设计芯片结构，使测试点充分接近待测试样，可有效避免样品污染、减少分析过程中的试剂消耗。目前µtas芯片已经成为医药、生化、环境等领域不可或缺的分析检测手段。通常µtas的特征尺度在微米量级，且包含机、电、热、流体等物理因素，是一个复杂的微观多物理场藕合体系，多物理场的交织作用将极大影响µtas内部的质量、动量和能量的传输过程。此外，结构尺度的减小、表面积与体积之比的增加所引发的“尺度效应”及“表面效应”，也为系统的设计与器件集成额外带来许多新的挑战。

近年来，微悬臂梁传感器在分子识别、抗体检测、环境监测等众多领域都已经出现了它的身影。由于大多数生化检测都在溶液中进行，所以在扩展微悬臂梁传感器检测领域的同时，对其在液相环境中的检测性能也提出了更高的要求。目前微悬臂梁传感器液相检测大多将微悬臂梁传感器放置于盛有待测试样的特制载物台，然后借助afm系统测量其偏转量实现对生化样品的液相检测。该方法虽然能实现液相检测，但检测过程离不开实验室条件，微悬臂梁大部分采用静态方法检测，易受到液相环境的干扰。

技术实现要素：

发明目的

本发明为了解决现有技术在集成化、实时检测应用方面的不足，进一步拓展微流控芯片及微悬臂梁传感器在液相环境和快速检测领域的应用范围。提供了一种利用微悬臂梁传感器和微全分析系统的优势，将二者联用，设计以多功能微悬臂梁传感器为核心，集预处理、分离、富集和痕量检测功能于一体的微全分析系统芯片。

技术方案

一种以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片：包括2个进液口、u-型进液通道、微混合器、固相萃取柱、废液池、出液口、检测池、电极引线仓、电极引线、废液通道、传感器仓，微悬臂梁传感器，2个进液口通过u-型进液通道与微混合器的进液端连通，洗脱液口通过洗脱液通道与微混合器的尾端相连，微混合器的尾端与固相萃取柱的进液端连接，固相萃取柱内填充有选择性吸附剂，固相萃取柱的出液端通过沟道与检测池连接，检测池底部固定传感器仓，传感器仓中装配微悬臂梁传感器，传感器仓两侧连通电极引线仓，电极引线仓中有电极引线，通过电极引线连接微悬臂梁传感器，检测池与废液池通过废液沟道连通，废液池设有出液口。

所述微悬臂梁传感器含有压电材料，可利用电压驱动用于动态检测，也含有压阻材料，可利用自身压阻效应用于静态检测。

所述洗脱液通道为两内侧壁依次设有凸齿的通道。

所述检测池形貌为上宽下窄式的梯形检测池。

所述微悬臂梁传感器在传感器仓中的固定方式为微悬臂梁传感器垂直于检测池下底面固定。

优选的一种情况是：所述选择性吸附剂为直径大于固相萃取柱的进液口和出液口的球型，选择性吸附剂在固相萃取柱内直线排列，选择性吸附剂的直径为固相萃取柱内径的90%；

优选的另一种情况是：所述选择性吸附剂为球型，选择性吸附剂在固相萃取柱内的排列方式为一大球四小球间隔排列，所述大球直径为固相萃取柱内径的90%，小球直径为固相萃取柱内径的45%，靠近固相萃取柱的出液口和进液口的选择性吸附剂为大球。

一种如所述的以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片的制备方法：

1）使用超精密雕刻机在聚合物基底a上制作进液口、洗脱液口、吸附剂填充口、出液口，在聚合物基底b上制作u-型进液通道、圆形通道、洗脱液通道在聚合物基底c上制作传感器仓、电极引线仓、废液通道；固相萃取柱既在基底a也在基底b制作，微混合器、检测池、废液池既在基底b也在基底c制作；

2）以纳米颗粒为基础，根据抗原和抗体之间的特异性识别和结合反应为基础的免疫分析方法制备关于待测液所需的吸附剂；

3）将电极引线焊接到微悬臂梁传感器上，使微悬臂梁传感器能够用电压驱动工作；

4）将微悬臂梁传感器装配至芯片检测池内的传感器仓，并采用有机溶剂混溶溶液浸泡键合法实现多层芯片基底a、基底b和基底c的封合；

5）吸附剂填充口与固相萃取柱连通，通过吸附剂填充口向固相萃取柱内填充制备好的吸附剂，吸附剂利用免疫分析方法捕获待测物质，为微悬臂梁传感器检测提供支持；

6）使用热熔胶、硅胶材料封合微全分析系统芯片的进液口、吸附剂填充口、出液口、传感器仓和电极引线仓的缝隙。

10.一种使用如所述的以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片物质浓度检测的方法：待测试样与缓冲液分别从两个进液口注射入微全分析系统芯片，经u-型进液通道后在微混合器处进行混合，混合液通过固相萃取柱，利用固相萃取柱内填充的选择性吸附剂将试样中的待测离子留在固相萃取柱内，而干扰离子经废液池在出液口排出，随后，更换注射泵内的试剂，再次连接芯片后从2个进液口注入洗脱液，将固相萃取柱内选择性吸附剂上吸附的待测物质冲洗进检测池，利用安装在传感器仓内并与检测池连通的微悬臂梁传感器将偏转量转换为电信号输出，检测信号通过安置在电极引线仓内的2个电极引线输出，电化学工作站接收输出的电信号，并利用与其相连的电脑显示出待测物质的浓度值，实现对待测物质浓度的检测。

所述待测试样与缓冲液分别从两个进液口注射入微全分析系统芯片，注射速度值小于0.375ml/min。

优点及效果

本发明提供的用于液相环境集成化检测的微全分析系统芯片，集成有用于试样预处理的微混合器、用于干扰离子分离和待测离子富集的固相萃取柱和带有集成电桥的微悬臂梁传感器，可实现液相环境试样快速集成化检测，有效降低了微悬臂梁传感器与微流控芯片结合后在微米级尺度下检测池内试样流动特性对微悬臂梁传感器性能的影响，进而制作出微型化、实时检测、便携式应用、检测极限低的检测系统，进一步拓展微流控芯片及微悬臂梁传感器在便携式、快速检测领域的应用范围。

附图说明

图1、本微全分析系统芯片的结构示意图；

图2、本微全分析系统芯片的结构拆解图；

图3、基底a正面图；

图4、基底a背面图；

图5、基底b正面图；

图6、基底b背面图；

图7、基底c正面图；

图8、u型进液口示意图；

图9、固相萃取柱和圆形通道示意图1；

图10、洗脱液通道示意图1；

图11、固相萃取柱和圆形通道示意图2；

图12、洗脱液通道示意图2。

附图标记说明：

所述标注为：1.进液口、2.u-型进液通道、3.微混合器、4.固相萃取柱、5圆形通道、6.检测池、7.废液池、8.洗脱液通道、9.洗脱液口、10.吸附剂填充口、11.出液口、12.传感器仓、13.电极引线仓、14.电极引线、15.废液通道、16.选择性吸附剂、17.微悬臂梁传感器、101.基底a、102.基底b、103.基底c。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本芯片主要由微混合器3、固相萃取柱4、检测池6和微悬臂梁传感器17四个功能模块组成。试样和缓冲液分别从两个进液口1进入芯片，经u-型进液通道2后在微混合器3处进行混合。混合液通过固相萃取柱4，利用柱内填充的选择性吸附剂16，将试样中的待测离子将留在固相萃取柱4内，而干扰离子经废液通道15进入废液池7，最后由出液口11排出。随后从进液口1中通入洗脱液，将留在固相萃取柱4内的待测离子冲洗下来，并利用微悬臂梁传感器17实现对待测离子浓度的检测。完成检测的试样经废液通道15进入废液池7，最后由出液口11排出。以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片，包括2个进液口1、u-型进液通道2、微混合器3、固相萃取柱4、废液池7、出液口11、检测池6、电极引线仓13、电极引线14、废液通道15、传感器仓12，微悬臂梁传感器17，2个进液口1通过u-型进液通道2与微混合器3的进液端连通，洗脱液口9通过洗脱液通道8与微混合器3的尾端相连，微混合器3的尾端与固相萃取柱4的进液端连接，固相萃取柱4内填充有选择性吸附剂16，固相萃取柱4的出液端通过沟道5与检测池6连接，沟道5竖截面为圆形，检测池6形貌为上宽下窄式的梯形检测池，底部固定传感器仓12，传感器仓12中装配微悬臂梁传感器17，传感器仓12起到保护微悬臂梁传感器17的作用，因此，相当于将微悬臂梁传感器17集成到检测池6中；微悬臂梁传感器17含有压电材料（leadzirconatetitanate(pzt-2)），可利用电压驱动用于动态检测，也含有压阻材料（n-silicon(single-crystal,lightlydoped)），可利用自身压阻效应用于静态检测。微悬臂梁传感器17在传感器仓12中的固定方式为微悬臂梁传感器17垂直于检测池6下底面固定。传感器仓12两侧连通电极引线仓13，电极引线仓13中有电极引线14，通过电极引线14连接微悬臂梁传感器17，检测池6与废液池7通过废液沟道15连通，废液池7设有出液口11。如图10和图12所示，洗脱液通道8为两内侧壁依次设有凸齿的通道。相同流速流入时，横截面越小，出口流速越快。

如图9所示，优选的一种实施方式为：所述选择性吸附剂16为直径大于固相萃取柱4的进液口和出液口的球型，选择性吸附剂16在固相萃取柱4内直线排列，选择性吸附剂16的直径为固相萃取柱4内径的90%。如图11所示，优选的另一种实施方式为：选择性吸附剂16为球型，选择性吸附剂16在固相萃取柱4内的排列方式为一大球四小球间隔排列，所述大球直径为固相萃取柱4内径的90%，小球直径为固相萃取柱4内径的45%，靠近固相萃取柱4的出液口和进液口的选择性吸附剂16为大球。通过吸附剂填充口10向固相萃取柱4内填充或更换球形选择性吸附剂16，使芯片可满足不同种类离子分离富集的需求。与检测池6相连的固相萃取柱内填充经过修饰的纳米二氧化硅、碳纳米管纳米颗粒，可实现对特定待测离子的选择性吸附。

如上述的以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片的制备方法：

1）使用超精密雕刻机（扬清芯片younglaser-v12）在聚合物基底a101上制作进液口1、洗脱液口9、吸附剂填充口10、出液口11，在聚合物基底b102上制作u-型进液通道2、圆形通道5、洗脱液通道8在聚合物基底c103上制作传感器仓12、电极引线仓13、废液通道15；固相萃取柱4既在基底a101也在基底b102制作，微混合器3、检测池6、废液池7既在基底b102也在基底c103制作；

2）以纳米颗粒为基础，根据抗原和抗体之间的特异性识别和结合反应为基础的免疫分析方法制备关于待测液所需的吸附剂16；

3）将电极引线14焊接到微悬臂梁传感器17上，使微悬臂梁传感器17能够用电压驱动工作；

4）将微悬臂梁传感器17装配至芯片检测池6内的传感器仓12，并采用有机溶剂混溶溶液浸泡键合法实现多层芯片基底a101、基底b102和基底c103的封合；

5）吸附剂填充口10与固相萃取柱4连通，通过吸附剂填充口10向固相萃取柱4内填充制备好的吸附剂16，吸附剂16利用免疫分析方法捕获待测物质，为微悬臂梁传感器17检测提供支持；

6）使用热熔胶、硅胶材料封合微全分析系统芯片的进液口1、吸附剂填充口10、出液口11、传感器仓12和电极引线仓13的缝隙。

一种使用所述的以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片物质浓度检测的方法：待测试样与缓冲液分别从两个进液口1注射入微全分析系统芯片，经u-型进液通道2后在微混合器3处进行混合，混合液通过固相萃取柱4，利用固相萃取柱4内填充的选择性吸附剂16将试样中的待测离子留在固相萃取柱4内，而干扰离子经废液池7在出液口11排出，随后，更换注射泵内的试剂，再次连接芯片后从2个进液口1注入洗脱液，将固相萃取柱4内选择性吸附剂16上吸附的待测物质冲洗进检测池6，利用安装在传感器仓12内并与检测池6连通的微悬臂梁传感器17将偏转量转换为电信号输出，检测信号通过安置在电极引线仓13内的2个电极引线14输出，电化学工作站接收输出的电信号，并利用与其相连的电脑显示出待测物质的浓度值，实现对待测物质浓度的检测。所述待测试样与缓冲液分别从两个进液口1注射入微全分析系统芯片，注射速度值小于0.375ml/min。

本发明的设计原理：本发明主要以微悬臂梁传感器17为核心，集预处理、分离、富集和痕量检测等功能于一体的微全分析系统。芯片主要由微悬臂梁传感器17、微混合器3、固相萃取柱4、检测池6等结构构成。其中使用超精密雕刻机在聚合物基底材料上加工微结构；选择性吸附剂16以纳米颗粒（纳米二氧化硅、碳纳米管）为原料，利用免疫分析方法修饰后可实现对不同离子的选择性吸附；以mems工艺为基础微悬臂梁传感器17；采用有机溶剂混溶溶液浸泡键合法实现多层芯片封合。

芯片工作时，首先从进液口1以相同流速分别通入试样和ph缓冲液，利用微混合器3调节试样ph值到固相萃取柱4选择性吸附条件。进样1分钟后关闭进液口1。随后将注射泵内的试剂更换为洗脱液，从进液口1向微全分析系统芯片内注入洗脱液1分钟。注入洗脱液的同时，使用电化学工作站测量试样中的待测重金属离子浓度。

本发明中的待测液进样速度控制在0.375ml/min内。数值仿真结果显示，在其他条件相同的情况下，当待测液进样速度控制在0.375ml/min内时，比待测进样速度大于0.375ml/min时检测池内流体流动特性对微悬臂梁传感器影响效果得到显著改善。通过控制待测液进样速度能有效降低微米级尺度下微流体对微悬臂梁传感器的影响，进而提高检测灵敏度，该进样速度完全可以满足试样的预处理要求。

本发明中的进液通道2采用u-型结构。数值仿真结果显示，在其他条件相同的情况下（流速：0.375ml/min），当进液通道采用u-型结构2时，比夹y-型进通道浓度方差值下降约为0.032，混合效果得到很大改善。这是由于两进液口注入液体后，液体的首次接触点到直通沟道起点的距离增加，两路液体的扩散距离随之增加。

本发明中的片上固相萃取柱4为一体化柱状结构的填充柱，为了增加洗脱液冲刷沾滞在球形选择性吸附剂16上待测离子的效率，固相萃取柱4前端下部与通道相连，固相萃取柱后端上部与圆形通道5相连，洗脱液由通道进入到固相萃取柱4前端时，该结构增加了进液压力，提高了洗脱液冲刷效果，为下一级检测提供高待测离子浓度。

本发明中的一种固相萃取柱如图11所示，该固相萃取柱为一体化长方体状结构的填充柱，为了增加吸附剂对待测离子的吸附效果，固相萃取柱内为大小不同的球形吸附剂，其排列方式为一大球形吸附剂和四个小的球形吸附剂，共三组。数值仿真结果显示，在相同条件下，图11形状固相萃取柱吸附效率比图9固相萃取柱高26%，因此具有较好的待测离子吸附能力。此外，为了增加洗脱液冲刷沾滞在球形选择性吸附剂16上待测离子的效率，固相萃取柱4前端下部与通道相连，固相萃取柱后端上部与圆形通道5相连，洗脱液由通道进入到固相萃取柱4前端时，该结构增加了进液压力，提高了洗脱液冲刷效果，为下一级检测提供高待测离子浓度。

本发明中的片上洗脱液通道8内部为内凸齿状通道，当洗脱液通道为内凸齿形时，其内部流动状态会很复杂，重要的一点是锯齿形内部洗脱液流速比不含锯齿形洗脱液通道要快，这样就会更高效地冲刷附着在球形吸附剂上的待测离子，为下一级检测提供离子浓度保证。数值仿真结果显示，通道形状长度、宽度和高度一致时，通道内部含有锯齿结构比通道内部不含锯齿结构洗脱液动流速快16%，该结构能使洗脱液注入到固相萃取柱4时具有较大的流速，能够充分冲刷掉附着在球形选择性吸附剂上的待测离子，进而更好的为下一级做准备。

本发明中的另一种洗脱液通道如图12所示，该洗脱液通道为波纹型，数值仿真结果显示，通道形状长度、宽度和高度一致时，通道波纹型结构洗脱液通道比通道内部含锯齿结构洗脱液动流速快13%，该结构能使洗脱液注入到固相萃取柱4时具有较大的流速，能够充分冲刷掉附着在球形选择性吸附剂上的待测离子，进而更好的为下一级做准备。

本发明中的固相萃取柱4与检测池6之间通过圆形沟道5连接。数值仿真结果显示，在其他条件相同的情况下（待测液进样速度为0.375ml/min），不同截面形状的通道检测池对流体流动特性影响不同，截面形状为等面积的矩形、梯形和圆形时，检测池6内微悬臂梁传感器变化趋势相同，其中圆形沟道5对流体流动特性影响最小，进而降低对微悬臂梁传感器17的影响，提高检测精度。

本发明中圆形沟道5特征长度小于150μm。数值仿真结果显示，在其他条件相同的情况下（待测液进样速度为0.375ml/min、沟道形状为圆形），不同特征长度的圆形沟道对检测池内流体流动特性影响不同。在圆形沟道特征长度在50-150μm之间变化时，圆形沟道特征长度为50μm时，检测池6内流体流动所受影响最小；圆形沟道特征长度为150μm时，检测池内流体流动所受影响最大；但在50-150μm范围内变化时，检测池内流体流动所受影响变化不大，因此可以根据实际要求在该区间内选择合适特征长的圆形沟道。

本发明的检测池6形状为梯形检测池，数值仿真结果显示，在其他条件相同的情况下（待测液进样速度为0.375ml/min、特征长度相同的圆形沟道），不同形状的检测池对流体流动的影响不同，截面面积相同的矩形、梯形和圆形检测池，检测池6内微悬臂梁传感器17所受流体流动影响变化趋势相同，其中梯形检测池对流体流动特性影响最小，进而降低对微悬臂梁传感器17的影响、提高检测精度。

本发明的微悬臂梁传感器17在传感器仓12中的固定方式为微悬臂梁传感器17垂直于检测池6下底面固定。在检测过程中，该固定方式能有效减小由沟道进入到检测池中的流体作用力，减小检测过程中微悬臂梁传感器所受到流体流动的干扰，进而提升检测精度。

制造方法实施例：

一种以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片，其制造方法的工艺步骤如下：

1）在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物基底材料上使用超精密雕刻机加工微沟道、微混合器微结构。

2）选择纳米二氧化硅为吸附剂原料，将5g活化后的纳米二氧化硅分散到50ml的甲苯中，缓慢滴入3-氯丙基三甲氧基硅烷4ml并搅拌均匀。将混合溶液回流24h后过滤反应产物，分别用乙醇和二乙醚洗涤后烘干(70℃，5小时)备用。

3）将4g经3-氯丙基三甲氧基硅烷改性后的纳米二氧化硅分散到250ml乙醇中，缓慢滴入5-甲基苯并三氮唑1ml并搅拌均匀。将混合溶液回流8h后过滤反应产物，分别用乙醇和二乙醚洗涤后烘干(70℃，5h)得到对hg²⁺、pb²⁺离子具备选择性吸附能力的吸附剂。该吸附剂可实现对特定重金属离子的选择性“富集分离”。

4）使用proteldxp软件绘制pcb电极原理图，外协制备pcb工作电极14。配制由浓度为7×10^-3mmo1/l的na3au(so3)2、浓度为1.25×10^-3mo1/l的na2so3和浓度为0.6mo1/l的hcho组成的亚硫酸盐化学镀金液，对pcb微电极进行镀金操作。镀金操作过程中，控制ph值范围在10~12，温度范围在2℃~5℃。

5）将饱和kcl溶液、pvc和增塑剂o-npoe按5wt%、32wt%、63wt%比例，溶解在适量的新蒸馏的四氢吠喃溶液中。在微悬臂梁传感器压电驱动层上打孔，将得到的pvc混合溶液直接浇筑在准备好的pcb电极上，室温放置24小时固化。在显微镜下除去金属电极上的pvc附着物，并使用酒精和稀盐酸反复清洗金属电极表面。制备得到微悬臂梁传感器。

6）取制备好的微悬臂梁传感器17，焊接电极引线14后放置在传感器仓12内，电极引线14通过电极引线仓13引出。

7）按体积比v三氯甲烷:v乙醇=1:10配制无水乙醇与三氯甲烷混溶溶液110毫升。将芯片基片101、102和103分别在上述混溶溶液中润湿，在显微镜下使用石英玻璃卡具固定，将固定后的芯片放入盛有混溶溶液的培养皿中。将培养皿立即放入干燥箱，设置温度在40°c，键合10min。

8）取50mg改性纳米二氧化硅吸附剂，通过吸附剂填充口10缓慢倒入的固相萃取柱4内，填充完毕后封闭填充口。

9）对电极引线仓13进行封闭，以为防止芯片使用过程中，试样进入造成短路。

本发明这种以微悬臂梁传感器为核心的微全分析系统芯片，有针对性的设计芯片结构，使微悬臂梁传感器在液相环境下工作稳定，检测精度高，降低了液相环境对微悬臂梁传感器的干扰。

其他原理解释：

免疫分析方法：免疫分析法是应用于分析领域的一门新技术，是基于抗原和抗体之间的特异性识别和结合反应为基础，通过对抗原或抗体进行标记，利用标记物的生物或物理或化学放大作用来进行检测，该方法是一种微量分析方法，具有高灵敏性和抗体反应的强特异性。

圆形吸附剂制作方法（以微/纳米sio2吸附剂为例）：先将硅源硅酸钠溶解在蒸馏水中并在高密度聚乙烯瓶中搅拌，把十六烷基三甲基氯化铵溶液加入到清的硅酸钠溶液中，然后在室温条件下加入甲酰胺；搅拌五分钟后得到清溶液，置于ph值为12，25℃静态条件下，五分钟后浑浊溶液变清，混合物在25℃下搅拌3小时形成球，通过过滤收集到白色产品，用大量水清洗，并在空气中干燥。400℃条件下煅烧去除有机物。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。