專利名稱：可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生物傳感器。特別是涉及一種滿足在液相環(huán)境中，借助微球表面
的特異性抗體探針，達到生物分子的定性檢測，并且能夠反復使用的可復用型微懸臂梁式 免疫傳感器的制備方法。
背景技術：
現(xiàn)今，在環(huán)境監(jiān)測，食品加工，衛(wèi)生保健，生物醫(yī)學技術和臨床分析等方面，能對微 小(皮摩爾到納摩爾量級)的生化物質(zhì)直接進行檢測的要求越來越突出。隨著微、納技術的 發(fā)展，具有微小結(jié)構(gòu)和高靈敏度的傳感器有了很大的發(fā)展空間，具有納米機械響應的微懸 臂梁式傳感器非常符合微、納生物傳感器的特點。這類新型的高靈敏度傳感器可以完成局 部的，高分辨率的和免生物分子標記的測量，符合能對微小生化物質(zhì)直接進行檢測的要求。 傳統(tǒng)微懸臂梁式免疫傳感器都是通過在梁表面直接進行生化修飾，通過與特異性分子發(fā)生 生化的特異性反應，結(jié)合并感應到待檢測生化分子的。這種生化傳感器一般是不可復用的， 就算有的可以復用( 一般通過清洗梁表面達到復用)，但隨著復用次數(shù)的增加，傳感器的性 能也會急劇的降低；另外，生物探針的梁上固定、抗梁上非特異性吸附等生化反應都在微懸 臂梁陣列所在的微通道內(nèi)進行，增加了檢測的復雜性及檢測失敗的風險，進而增加了檢測 成本。作為熒光探針，半導體量子點的光學特性比在免疫熒光分析法中經(jīng)常采用的傳統(tǒng)發(fā) 色團如羅丹明6G或其它有機染料分子有明顯的優(yōu)越性半導體量子點的激發(fā)光譜寬，且連 續(xù)分布，而發(fā)射光譜呈對稱分布且寬度窄，熒光發(fā)射波長可通過改變量子點的人小而加以 調(diào)節(jié)，因而不同大小的半導體量子點能被單一波長的光激發(fā)而發(fā)出不同顏色的熒光。相反， 多種染料的熒光(多種顏色)卻需要多種激光加以激發(fā)，這樣不僅增加了實驗費用，而且使 分析變得更加復雜。當延長照射時間時，有機染料的熒光信號往往會很快暗下來(即光漂 白)，而半導體量子點則可持續(xù)發(fā)光，其熒光壽命為染料分子的100倍以上。以氧化鎘(Cd0) 和硒粉(Se)為前驅(qū)體制備合成的三正辛基氧化磷(T0P0)包裹的硒化鎘量子點是傳統(tǒng)的且 被廣泛采用的納米量子點材料。同時，具有磁性和抗體雙重靶向功能的多孔聚苯乙烯磁微 球由于其超順磁特性，良好的生物相容性，適于在微通道內(nèi)進行可控式固相陣列檢測等特 性被越來越多的應用于生物科學和醫(yī)藥領域。因此，將硒化鎘量子點通過疏水反應，嵌入到 聚苯乙烯磁微球上，可實現(xiàn)抗體、磁性、熒光探針多功能一體的生物探針群。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)懸臂梁式免疫傳感器的可復用 性，滿足在液相環(huán)境中，借助微球表面的特異性抗體探針，達到生物分子定性檢測的可復用 型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法。 本發(fā)明所采用的技術方案是一種可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法， 包括如下步驟 1)首先選擇4英寸P型絕緣體上硅片，晶向為100，電阻率10-20Q cm，厚度505 545iim，其中，上層硅厚度為234士10nm， Si02厚度為:398士10nm ; 2)在整個硅片上進行硼擴散，平均摻雜濃度為N " 5. 0X1019cm—3，方塊電阻大小
為Rn" 100Q/口，單個壓阻的阻值約為9. 2kQ ; 3)進行第一步光刻，使用壓敏電阻版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到壓敏電阻 區(qū)域圖形； 4)使用低壓化學氣相淀積的方法在片上淀積一層二氧化硅薄膜； 5)進行第二步光刻，使用接觸孔版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到接觸孔圖
形； 6)進行濃硼擴散，平均摻雜濃度為N = 2 5. 0 X 102°cm—3 ;
7)使用電子束濺射法在片上淀積鉻與金兩種金屬； 8)進行第三步光刻，使用金屬連接版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到金屬連線 的圖形； 9)在溫度400 °C下，通高純氮氣30分鐘，形成鉻金合金；
10)使用低壓化學氣相淀積法在片上形成氮化硅薄層； 11)進行第四步光刻，使用鈍化層版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到壓焊點圖 形； 12)進行劃片操作，使硅片剩余厚度120-150 ii m ; 13)進行第五步光刻，使用正面腐蝕版在硅片上逐一進行掩膜，具體是使用反 應離子刻蝕的方法，先對氮化硅刻蝕，接著對二氧化硅刻蝕，再對硅刻蝕，總刻蝕深度為 150-200 ii m，最后使用濕法刻蝕法對硅縱向刻蝕150 y m，得到保留硅厚度150-200 y m的未 經(jīng)封裝的芯片； 14)用玻璃蓋片封裝芯片。 步驟4所述的二氧化硅薄膜厚度為4000±20 A。
步驟7所述的鉻與金兩種金屬的總厚度為0. 5 ii m。
步驟10所述的氮化硅薄層的厚度為約1500±20 A。 步驟14所述的封裝芯片是將玻璃經(jīng)由準分子激光技術加工成頂部具有圓形通 孔，底部具有方形凹槽的結(jié)構(gòu)，將具有該結(jié)構(gòu)的玻璃與所述的芯片進行陽極鍵合工藝操作， 鍵合時玻璃接陰極，硅接陽極，電源電壓300V，加熱溫度控制在300°C——35(TC，鍵合后得 到的傳感器芯片。 本發(fā)明的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，具有如下特點 (1)利用MEMS技術實現(xiàn)以單晶硅為壓阻材料的懸臂梁式免疫傳感器。 (2)利用RFIC技術在懸臂梁上制備微電感線圈，突破懸臂梁式免疫傳感器傳統(tǒng)模
式，即免疫反應直接在懸臂梁表面進行使梁不可復用，實現(xiàn)懸臂梁式免疫傳感器的可復用性。
(3)采用的CdSe量子點標記的聚苯乙烯磁微球，被捕獲的磁微球是沿著微磁場方
向呈鏈狀排布，當撤去微電感線圈中的電流時，磁微球會立即從微電感線圈上解析，并在微
通道中重新分布。
圖1是壓敏電阻版的結(jié)構(gòu)示意 圖2是接觸孔版的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是金屬連接版的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是鈍化版的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是正面腐蝕版的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是未經(jīng)封裝的傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是玻璃蓋片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是圖7的A-A截面示意圖； 圖9是7的B-B截面示意圖； 圖10是封接完畢的傳感器芯片示意圖； 圖11是電感線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中 1 :金屬連接觸點2 :微通道 3:懸臂梁 4:電感線圈 5:硅片 6:進樣孔 7:出樣孔
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例附圖對本發(fā)明的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法做 出詳細說明。 本發(fā)明的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，包括如下步驟 1)首先選擇4英寸P型絕緣體上硅片(S0I)，晶向為100，電阻率10-20 Q 'cm，厚
度505 545iim，其中，上層硅厚度為234士10nm， Si02厚度為398士10nm ; 2)在整個硅片上進行硼擴散，平均摻雜濃度為N " 5. 0X1019cm—3，方塊電阻大小
為Rn" 100Q/口，單個壓阻的阻值約為9. 2k Q ; 3)進行第一步光刻，使用如圖1所示的壓敏電阻版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕 得到壓敏電阻區(qū)域圖形，四個完全相同的壓敏電阻組成對稱的惠斯通電橋；
4)使用低壓化學氣相淀積(LPCVD)的方法在片上淀積一層二氧化硅薄膜(Si02)， 所述的二氧化硅薄膜厚度為4000±20 A; 5)進行第二步光刻，使用如圖2所示的接觸孔版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得
到接觸孔圖形，圖2中的a表示引線孔的局部放大； 6)進行濃硼擴散，平均摻雜濃度為N = 2 5. 0 X 102°cm—3 ;
7)使用電子束濺射法在晶片上淀積鉻與金兩種金屬(Cr/Au)，所述的鉻與金兩種 金屬的總厚度為0.5iim; 8)進行第三步光刻，使用如圖3所示的金屬連接版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕 得到金屬連線的圖形，如圖11所示； 9)在溫度400 °C下，通高純氮氣30分鐘，形成鉻金合金； 10)使用低壓化學氣相淀積(LPCVD)法在片上形成氮化硅(Si3N4)薄層，所述的氮 化硅薄層的厚度為約1500士20A; 11)進行第四步光刻，使用如圖4所示的鈍化層版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到壓焊點圖形； 12)進行劃片操作，使硅片剩余厚度120-150 y m ; 13)進行第五步光刻，使用如圖5所示的正面腐蝕版在硅片上逐一進行掩膜，具體 是使用反應離子刻蝕(RIE)的方法，先對氮化硅(Si3N4)刻蝕，接著對二氧化硅(Si02)刻 蝕，再對硅刻蝕，總刻蝕深度為150-200 ii m，最后使用濕法刻蝕法對硅縱向刻蝕150 y m，得 到保留硅厚度150-200 ym的未經(jīng)封裝的芯片；經(jīng)過以上工藝步驟，得到的未經(jīng)封裝的芯片 如圖6所示，圖6中虛線部分即為刻蝕形成的微通道，懸臂梁結(jié)構(gòu)已形成。
14)用玻璃蓋片封裝芯片。所述的封裝芯片是采用Corning公司的7740型玻璃， 將玻璃經(jīng)由準分子激光技術加工成頂部具有圓形通孔，底部具有方形凹槽的結(jié)構(gòu)，如圖7、 圖8、圖9所示。將具有該結(jié)構(gòu)的玻璃與所述的芯片進行陽極鍵合工藝操作，鍵合時玻璃接 陰極，硅接陽極，電源電壓300V，加熱溫度控制在300°C——35(TC，鍵合后得到結(jié)構(gòu)如圖10 所示的傳感器芯片。 采用本發(fā)明所制得的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器進行生物樣品檢測過程結(jié) 合圖6說明如下其中，對于微電感線圈生熱的問題，可以通過放置熱電致冷器、溫度控制 箱的總體溫度調(diào)節(jié)及微泵的循環(huán)冷卻來達到降溫。 (1)給懸臂梁式免疫傳感器上的微平面電感線圈4通電，在微通道2中加入具有磁 性和抗體雙重靶向功能的硒化鎘量子點磁微球懸浮液。當磁微球隨待測液，流經(jīng)微懸臂梁 3上方通電的微電感線圈4時，會受到微磁場的吸引，進而磁微球會被吸附在懸臂梁3上。
(2)吸附完畢后，加入待測溶液(血液或痰液)，其中含有各種生物分子，由于磁微 球上含有特異性的抗體蛋白探針，所以，運動過程中與磁球相接觸的生物分子的特異性抗 原，會與磁球上特異性的抗體蛋白探針，發(fā)生特異性的抗體_抗原反應，從而使待測生物分 子吸附在磁微球上，而其他的生物分子則不受影響，隨液體直接流出。 (3)使用超高壓水銀燈發(fā)出的藍光(470-490nm)激發(fā)吸附在懸臂梁3上的磁微球， 此時嵌入到磁微球上不同粒徑尺寸的硒化鎘量子點會被激發(fā)出不同的熒光，結(jié)合球上不同 的抗體蛋白探針，借助熒光顯微鏡，達到生物分子的定性檢測。期間，吸附在懸臂梁3上的 硒化鎘量子點磁微球和特異性生物分子會對微懸臂梁3產(chǎn)生應力，致使微懸臂梁3彎曲，從 而使懸臂梁3上應力集中區(qū)上的壓阻材料發(fā)生形變，導致電阻變化，而這一電阻的變化會 通過后端的惠斯通電橋輸出電壓信號，達到生物分子的定量檢測。 (4)檢測完成后，斷開微電感線圈的直流電流，磁微球會立刻消磁并從懸臂梁3上 解析下來，接著，磁微球和特異性生物分子一起隨溶液流走。之后可以繼續(xù)進行下一次樣品 的檢測。
權(quán)利要求
一種可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)首先選擇4英寸P型絕緣體上硅片，晶向為100，電阻率10-20Ω·cm，厚度505～545μm，其中，上層硅厚度為234±10nm，SiO2厚度為398±10nm；2)在整個硅片上進行硼擴散，平均摻雜濃度為N≈5.0×1019cm-3，方塊電阻大小為R□≈100Ω/□，單個壓阻的阻值約為9.2kΩ；3)進行第一步光刻，使用壓敏電阻版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到壓敏電阻區(qū)域圖形；4)使用低壓化學氣相淀積的方法在片上淀積一層二氧化硅薄膜；5)進行第二步光刻，使用接觸孔版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到接觸孔圖形；6)進行濃硼擴散，平均摻雜濃度為N＝2～5.0×1020cm-3；7)使用電子束濺射法在片上淀積鉻與金兩種金屬；8)進行第三步光刻，使用金屬連接版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到金屬連線的圖形；9)在溫度400℃下，通高純氮氣30分鐘，形成鉻金合金；10)使用低壓化學氣相淀積法在片上形成氮化硅薄層；11)進行第四步光刻，使用鈍化層版在硅片上逐一進行掩膜，刻蝕得到壓焊點圖形；12)進行劃片操作，使硅片剩余厚度120-150μm；13)進行第五步光刻，使用正面腐蝕版在硅片上逐一進行掩膜，具體是使用反應離子刻蝕的方法，先對氮化硅刻蝕，接著對二氧化硅刻蝕，再對硅刻蝕，總刻蝕深度為150-200μm，最后使用濕法刻蝕法對硅縱向刻蝕150μm，得到保留硅厚度150-200μm的未經(jīng)封裝的芯片；14)用玻璃蓋片封裝芯片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，其特征在于， 步驟4所述的二氧化硅薄膜厚度為4000±20 A。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，其特征在于， 步驟7所述的鉻與金兩種金屬的總厚度為0. 5 m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，其特征在于， 步驟10所述的氮化硅薄層的厚度為約1500±20 A。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，其特征在于， 步驟14所述的封裝芯片是將玻璃經(jīng)由準分子激光技術加工成頂部具有圓形通孔，底部具 有方形凹槽的結(jié)構(gòu)，將具有該結(jié)構(gòu)的玻璃與所述的芯片進行陽極鍵合工藝操作，鍵合時玻 璃接陰極，硅接陽極，電源電壓300V，加熱溫度控制在300°C -35(TC，鍵合后得到的傳感器 心片。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可復用型微懸臂梁式免疫傳感器的制備方法，有如下步驟1)選擇硅片；2)在整個硅片上進行硼擴散；3)第一步光刻得到壓敏電阻區(qū)域圖形；4)在片上淀積一層二氧化硅薄膜；5)第二步光刻得到接觸孔圖形；6)進行濃硼擴散；7)在片上淀積鉻與金兩種金屬；8)第三步光刻得到金屬連線的圖形；9)高溫下通高純氮氣形成鉻金合金；10)在片上形成氮化硅薄層；11)第四步光刻得到壓焊點圖形；12)進行劃片操作，使硅片剩余厚度120-150μm；13)第五步光刻得到保留硅厚度150-200μm的未經(jīng)封裝的芯片；14)用玻璃蓋片封裝芯片。本發(fā)明實現(xiàn)以單晶硅為壓阻材料的懸臂梁式免疫傳感器；實現(xiàn)懸臂梁式免疫傳感器的可復用性。
文檔編號G03F7/00GK101713777SQ20091022804
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者史再峰, 吳元慶, 姚素英, 高靜, 高鵬 申請人:天津大學