專利名稱：一種手性傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于手性識別研究的傳感器，尤其涉及一種用于識別D型和L型 手性分子的微懸臂梁結(jié)構(gòu)的手性傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
微懸臂梁結(jié)構(gòu)是一種最簡單的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，它易于進(jìn)行微加工以及大量生 產(chǎn)。近年來，基于不同微懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物的實(shí)時(shí)探測。人們發(fā)現(xiàn) 少量的分子吸附在微懸臂梁的表面就會導(dǎo)致微懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)量和振蕩頻率的變化。由于 分子的吸附而導(dǎo)致的微懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)量的變化主要是由于分子吸附在微懸臂梁表面后， 在上下表面產(chǎn)生了不同的應(yīng)力。分子吸附在懸臂梁表面之前，懸臂梁上表面和下表面的應(yīng) 力處于平衡，產(chǎn)生一個(gè)沿著微懸臂梁中間平面的徑向力，當(dāng)分子吸附到微懸臂梁上下表面 后，它們對上下表面應(yīng)力的影響不一樣，例如可以把分子在微懸臂梁表面的吸附限定在一 個(gè)表面，上下表面不同的應(yīng)力改變產(chǎn)生了一個(gè)附加的彎曲力，使微懸臂梁的尖端移動(dòng)到新 的位置。一般來說，分子的吸附降低了表面能。對于微懸臂梁的小范圍彎曲，表面應(yīng)力的變 化等于表面自由能的變化。懸臂梁彎曲的程度和由于分子吸附引起的表面自由能的變化成 比例。因此，懸臂梁的彎曲取決于每個(gè)吸附分子對懸臂梁表面自由能的改變量以及吸附在 懸臂梁表面的所有分子的數(shù)量。懸臂梁彎曲的程度取決于懸臂梁的彈性系數(shù)。為了得到更 大的懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)，可以使用彈性系數(shù)小的懸臂梁。分子在懸臂梁表面的吸附改變了懸臂梁的振蕩頻率，主要是由于分子的吸附改變 了懸臂梁的總質(zhì)量。懸臂梁振蕩頻率取決于懸臂梁的尺寸，彈性模量和密度。懸臂梁的振 蕩頻率對懸臂梁的質(zhì)量負(fù)載很敏感，基于振蕩頻率偏移的方法有可能可以提供探測單個(gè)分 子的最終靈敏度。然而，液體介質(zhì)的阻尼效應(yīng)嚴(yán)重影響了懸臂梁器件的振蕩響應(yīng)，而基于懸 臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)的測量方法不會受到介質(zhì)粘性的影響，因此，基于懸臂梁彎曲的測量方法在 生物和化學(xué)探測中更具有吸引力。目前，手性化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、食品添加劑、新材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了 人們的廣泛關(guān)注，手性化合物的合成、拆分及對映體純度的測定成為當(dāng)前化學(xué)的前沿領(lǐng)域 之一。為與之相適應(yīng)，用于檢測手性化合物成分、品質(zhì)特性的手性傳感器也成為了本領(lǐng)域技 術(shù)人員高度重視的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述微懸臂梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種手性傳感器，同時(shí) 提供一種該手性傳感器的制法，以實(shí)現(xiàn)一種成本低廉、方便易行的用于手性識別研究的傳 感器。本發(fā)明的上述第一個(gè)目的，是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)—種手性傳感器，其特征在于所述傳感器的感測探頭為硅基底上的微懸臂梁結(jié) 構(gòu)，并且所述微懸臂梁的變形梁上修飾有用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。進(jìn)一步地，該用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大環(huán) 類化合物、嚇啉類化合物。其中大環(huán)類化合物至少包括環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚等。進(jìn)一步地，該微懸臂梁包括硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)、二氧化硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)及氮化 硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，任一種微懸臂梁結(jié)構(gòu)均包括變形梁及支撐底梁。本發(fā)明的上述另一個(gè)目的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)解決方案可以是一種手性傳感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蝕方法制作微懸臂梁； 再將用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物通過共價(jià)或非共價(jià)的方法修飾到微 懸臂梁的變形梁上，制成感測探頭，并將所述感測探頭與振蕩頻率檢測儀搭接為一體化集 成的手性傳感器。進(jìn)一步地，前述一種手性傳感器的制法，在刻蝕方法制作微懸臂梁之前，還包括在 硅基底上沉積制備二氧化硅層或氮化硅層，刻蝕的對象為后制備的二氧化硅層或氮化硅層。本發(fā)明的上述另一個(gè)目的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)解決方案還可以是一種手性傳感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蝕方法制作微懸臂梁； 再在微懸臂梁的支撐底梁上制備壓電薄膜；最后將用于特異性吸附D型和L型手性分子的 手性化合物通過共價(jià)或非共價(jià)的方法修飾到微懸臂梁的變形梁上，制成帶微懸臂梁結(jié)構(gòu)感 測探頭的手性傳感器。進(jìn)一步地，前述一種手性傳感器的制法，在刻蝕方法制作微懸臂梁之前，還包括在 硅基底上沉積制備二氧化硅層或氮化硅層，刻蝕的對象為后制備的二氧化硅層或氮化硅層。本發(fā)明的該種手性傳感器及其制法的問世并實(shí)施應(yīng)用后，把對D型和L型手性分 子特異性吸引的手性化合物結(jié)合微懸臂梁傳感技術(shù)，大大提高了檢測手性分子的簡便易行 性，同時(shí)傳感器本身的制作成本低廉，適于規(guī)?；a(chǎn)。


圖1是本發(fā)明手性傳感器一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明手性傳感器另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明進(jìn)一步發(fā)掘微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的應(yīng)用，創(chuàng)新地提供了一種基于微懸臂梁 的手性傳感器及其制法。該手性傳感器，構(gòu)造簡單，加工方便。微懸臂梁的選材價(jià)格低廉；可 以利用傳統(tǒng)的微加工方法，制作懸臂梁結(jié)構(gòu)，再將手性分子修飾到微懸臂梁之上，通過手性 分子在微懸臂梁表面的吸附過程中使懸臂梁發(fā)生靜態(tài)彎曲，或者通過手性分子在微懸臂梁 表面吸附過程中使頻率改變來實(shí)現(xiàn)傳感，從而實(shí)現(xiàn)在空氣中對手性分子的檢測，可以方便、 快捷地識別手性分子。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種手性傳感器，其感測探頭為硅基底上的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且所 述微懸臂梁的變形梁上修飾有用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。其中該 用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大環(huán)類化合物、嚇啉類化合
4物。進(jìn)一步地，其中大環(huán)類化合物至少包括環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚等。此外，該微懸臂梁包括硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)、二氧化硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)及氮化硅的 微懸臂梁結(jié)構(gòu)，任一種微懸臂梁均包括變形梁及支撐底梁的基本結(jié)構(gòu)。該種手性傳感器通過共價(jià)或非共價(jià)的修飾方法，將氨基酸、大環(huán)芳烴類化合物、！卜 啉類化合物修飾到微懸臂梁的變形梁上，空氣中存在的D型和L型手性分子便易于結(jié)合到 微懸臂梁上，使得變形梁發(fā)生彎曲或者頻率發(fā)生變化。由此，籍由該種成本低廉、方便易行 的手性傳感器，可實(shí)現(xiàn)檢測空氣中存在的D型和L型手性分子。以下結(jié)合附圖，從兩個(gè)實(shí)施例分別對該手性傳感器的制備方法進(jìn)行說明。需要說 明的是，以下對于實(shí)施例的詳細(xì)說明僅作為實(shí)例提供，并非以此限制本發(fā)明多樣化的實(shí)施 方式。實(shí)施例一該手性傳感器具有硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，且該微懸臂梁結(jié)構(gòu)為刻蝕形成豎直的支撐 底梁和水平的變形梁，且變形梁上化學(xué)修飾有氨基酸。其制法為先在硅基底1上利用刻蝕方法制作微懸臂梁2a ；再將用于特異性吸附 D型和L型手性分子的手性化合物3 (即氨基酸)通過共價(jià)或非共價(jià)的方法修飾到微懸臂梁 的變形梁上，制成感測探頭，并將所述感測探頭與振蕩頻率檢測儀4搭接為一體化集成的 手性傳感器。通過手性分子在微懸臂梁表面吸附過程中逐漸使頻率改變來實(shí)現(xiàn)傳感檢測。實(shí)施例二該手性傳感器具有二氧化硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，其該微懸臂梁結(jié)構(gòu)為刻蝕形成豎直 的支撐底梁和水平的變形梁，且變形梁上化學(xué)修飾有杯芳烴。其制法為先在硅基底1上沉積制備二氧化硅層，利用刻蝕方法制作僅為二氧化 硅的微懸臂梁2b ；再在微懸臂梁的支撐底梁上制備壓電薄膜5 ；最后將用于特異性吸附D 型和L型手性分子的手性化合物3 (即杯芳烴)通過共價(jià)或非共價(jià)的方法修飾到微懸臂梁 的變形梁上，制成帶微懸臂梁結(jié)構(gòu)感測探頭的手性傳感器。通過手性分子在微懸臂梁表面 的吸附過程中使懸臂梁發(fā)生靜態(tài)彎曲，以壓電薄膜體現(xiàn)的電壓波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)傳感檢測。
權(quán)利要求
一種手性傳感器，其特征在于所述傳感器的感測探頭為硅基底上的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且所述微懸臂梁的變形梁上修飾有用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手性傳感器，其特征在于所述用于特異性吸附D型和L 型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大環(huán)類化合物、嚇啉類化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種手性傳感器，其特征在于所述大環(huán)類化合物至少包括 環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手性傳感器，其特征在于所述微懸臂梁包括硅的微懸 臂梁結(jié)構(gòu)、二氧化硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)及氮化硅的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，任一種微懸臂梁結(jié)構(gòu)均包 括變形梁及支撐底梁。
5.權(quán)利要求1所述一種手性傳感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蝕方法 制作微懸臂梁；再將用于特異性吸附D型和L型手性分子的手性化合物通過共價(jià)或非共價(jià) 的方法修飾到微懸臂梁的變形梁上，制成感測探頭，并將所述感測探頭與振蕩頻率檢測儀 搭接為一體化集成的手性傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種手性傳感器的制法，其特征在于所述刻蝕方法制作微 懸臂梁之前，還包括在硅基底上沉積制備二氧化硅層或氮化硅層，刻蝕的對象為后制備的 二氧化硅層或氮化硅層。
7.權(quán)利要求1所述一種手性傳感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蝕方法 制作微懸臂梁；再在微懸臂梁的支撐底梁上制備壓電薄膜；最后將用于特異性吸附D型和L 型手性分子的手性化合物通過共價(jià)或非共價(jià)的方法修飾到微懸臂梁的變形梁上，制成帶微 懸臂梁結(jié)構(gòu)感測探頭的手性傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種手性傳感器的制法，其特征在于所述刻蝕方法制作微 懸臂梁之前，還包括在硅基底上沉積制備二氧化硅層或氮化硅層，刻蝕的對象為后制備的 二氧化硅層或氮化硅層。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種手性傳感器及其制法。該手性傳感器包括微懸臂梁結(jié)構(gòu)，以及通過共價(jià)或非共價(jià)的方法單側(cè)修飾在微懸臂梁的變形梁上的用于識別D型和L型手性分子的手性化合物。傳感器置于含有待檢測手性分子的空氣中，隨著手性分子吸附在懸臂梁上產(chǎn)生的質(zhì)量變化，微懸臂梁發(fā)生靜態(tài)彎曲或者頻率變化，從而檢測空氣中存在的D型和L型手性分子。該手性傳感器的應(yīng)用，大大提高了檢測手性分子的簡便易行性，同時(shí)傳感器本身的制作成本低廉，適于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號G01N5/02GK101963564SQ20101025792
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者崔錚, 潘革波, 王亦 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所