一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器的製造方法

2023-07-15 10:27:31

一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，包括石英晶振片和頻率計，所述石英晶振片包括石英晶片、設置在石英晶片上部的工作電極、設置在石英晶片下部的下電極，所述頻率計連接工作電極和下電極，所述石英晶振片表面設置微米結構或納米結構。與現有技術相比，本發明通過微納加工工藝可以在石英晶振片表面精確製作不同尺寸、不同形貌的微米納米結構，可以根據不同的用途來調整微米納米結構，不僅體現了本發明的應用靈活性，而且提供一種一種新型的傳感器件，增強了這種QCM生物傳感器的應用範圍。
【專利說明】一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器。

【背景技術】
[0002]石英晶體微天平(QCM)是基於石英晶體的壓電效應對其電極表面質量變化進行測量的儀器。壓電效應是由Pierre Curie和Jacques Curie兄弟在1880年發現的，即在石英晶片加一電場，晶片會產生機械變形。相反，若在晶片上施加機械壓力，則在晶片相應的方向上產生一定的電場。由於其具有納克級的質量響應靈敏度，使得QCM廣泛運用於工業鍍膜、分析化學、分子生物學、免疫學、遺傳學、環境科學以及其它一些涉及質量、密度及粘度等檢測領域。瑞典的Q-Sense公司的QCM儀器性能在同行業中處於領先地位，在分子生物學領域中主要用於研究生物活性分子之間的相互作用，比如蛋白質吸附動力學、抗原/抗體相互作用、DNA雜交、適配體-蛋白相互作用等方面；在生物醫學領域中用於研究或檢測抗原、抗體、血細胞、病原微生物、核酸及蛋白質等。
[0003]作為一種高靈敏度的生物傳感器而言，一個重要的參數就是其檢測的靈敏度。對於QCM，其質量靈敏度與它的共振頻率有關，共振頻率越高，其質量靈敏度就越高。要提高QCM儀器本身的檢測靈敏度，一方面可以通過採用較高共振頻率的石英晶振片，目前市場上常見的石英晶振片的頻率為5MHz。如果採用更高共振頻率的石英晶振片，雖然理論上可以得到較高的質量靈敏度，但是晶振片的厚度跟它的共振頻率成反比，即共振頻率越高，其晶振片的厚度越薄。然而，晶振片在使用時是通過「O」型橡膠圈壓緊密封或者粘接的方式將其固定在液體反應流通池中，如果採用較薄的石英晶振片將導致一些問題，一方面是密封或粘貼固定的方式對於薄的石英晶振片將產生額外的機械應力，這將嚴重影響QCM的信號及其檢測靈敏度；另外一方面，薄的石英晶振片在操作時更容易損壞，使用成本變高。對此，商業化的QCM目前目前主要採取兩種方式提高檢測靈敏度，比如Q-Sense公司採用5MHz晶振片的高次諧振頻率(15MHz、25MHz、35MHz)方式，德國3T公司的QCM則採用1MHz的石英晶振片。
[0004]要提高QCM儀器本身的檢測靈敏度的另外一種方法是增加單位面積內結合在石英晶振片中的生物分子的數量。然而，目前商品化QCM儀器用於生物類檢測的石英晶振片都採用拋光的石英晶振片，拋光的石英晶振片表面平滑，粗糙度較小，可以看做是平面型的反應表面；而未拋光的石英晶振片表面粗糙度較大，雖然可以在一定程度上提高晶振片的表面積，但是其粗糙結構的形貌和大小無法控制，這是由拋光工藝所決定的，很難得到高一致性的粗糙表面。


【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題是增加石英晶片的表面積，以此來增加單位面積內結合在石英晶振片中的生物分子的數量，從而提高QCM生物傳感器的檢測靈敏度。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0007]—種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，包括石英晶振片和頻率計，所述石英晶振片包括石英晶片、設置在石英晶片上部的工作電極、設置在石英晶片下部的下電極，所述頻率計連接工作電極和下電極，所述石英晶振片表面設置微米結構或納米結構。
[0008]進一步，在石英晶振片上旋塗一層光刻膠，經曝光、顯影后得到微米結構或納米結構。
[0009]微米結構的製作方法是:將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min;然後旋塗一層六甲基二矽氮烷，然後旋塗一層光刻膠，光刻膠厚度在0.2?5 μ m之間，90°C下烘5?30min，接著，將塗有光刻膠的石英晶振片進行紫外或深紫外曝光，，曝光時間5s?3min，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠微米結構。
[0010]微米結構或納米結構的製作方法是:將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min;然後旋塗一層粘附劑聚乙烯吡咯烷酮或三甲氧基矽烷，然後將其放入乙醇和去離子水中各清洗lOmin，之後在120°C下烘5min ;然後旋塗一層電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度在0.2?2μπι之間，120°C下烘5?15min，接著，將塗有電子束光刻膠的石英晶振片進行電子束曝光，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠納米結構或微米結構。
[0011]與現有技術相比，本發明通過微納加工工藝可以在石英晶振片表面精確製作不同尺寸、不同形貌的微米納米結構，可以根據不同的用途來調整微米納米結構，不僅體現了本發明的應用靈活性，而且提供一種新型的傳感器件，增強了這種QCM生物傳感器的應用範圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明:
[0014]如圖1所示，一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，包括石英晶振片和頻率計1，所述石英晶振片包括石英晶片2、設置在石英晶片2上部的工作電極3、設置在石英晶片2下部的下電極4，所述頻率計I連接工作電極3和下電極4，所述石英晶振片表面設置微米結構5或納米結構5。
[0015]使用時，石英晶振片清洗後，進行化學修飾，然後將其浸入2.5%的戊二醛溶液中反應I小時；然後就可以進行生物分子識別元件6(抗體、DNA、酶等生物分子等)的固定，之後進行待測生物分子的檢測。
[0016]實施例1
[0017]將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min ;然後旋塗一層六甲基二娃氮燒,然後旋塗一層光刻膠,光刻膠厚度為5ym,90°C下烘30min，接著，將塗有光刻膠的石英晶振片進行紫外或深紫外曝光，曝光時間5s，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠微米結構。
[0018]實施例2
[0019]將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾,用氧氣等離子體處理5min ；然後旋塗一層六甲基二娃氮燒，然後旋塗一層光刻膠，光刻膠厚度為0.5 μ m, 90 °C下烘5min，接著，將塗有光刻膠的石英晶振片進行紫外或深紫外曝光，曝光時間3min，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠微米結構。
[0020]實施例3
[0021]將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min ；然後旋塗一層粘附劑聚乙烯吡咯烷酮或三甲氧基矽烷，然後將其放入乙醇和去離子水中各清洗lOmin，之後在120°C下烘5min ;然後旋塗一層電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度為2μm，12(rC下烘15min，接著，將塗有電子束光刻膠的石英晶振片進行電子束曝光。然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠納米級結構。
[0022]實施例4
[0023]將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min ；然後旋塗一層粘附劑聚乙烯吡咯烷酮或三甲氧基矽烷，然後將其放入乙醇和去離子水中各清洗lOmin，之後在120°C下烘5min ;然後旋塗一層電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度為0.2 4!11，1201:下烘51^11，接著，將塗有電子束光刻膠的石英晶振片進行電子束曝光。然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠納米級結構。
[0024]實施例5
[0025]將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲1min後吹乾，用氧氣等離子體處理5min ；然後旋塗一層粘附劑聚乙烯吡咯烷酮或三甲氧基矽烷，然後將其放入乙醇和去離子水中各清洗lOmin，之後在120°C下烘5min ;然後旋塗一層電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度為I μ m，120°C下烘lOmin，接著，將塗有電子束光刻膠的石英晶振片進行電子束曝光。然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠微納米級結構。
[0026]實施例6
[0027]採用S12類型的光刻膠的1HMz石英晶振片，用0.1 % APTES的甲苯溶液或乙醇溶液進行氨基化修飾，然後將其浸入2.5%的戊二醛水溶液中反應I小時；然後就可以進行生物分子識別元件比如抗體、DNA、酶等生物分子的固定，之後進行待測生物分子的檢測。
【權利要求】
1.一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，包括石英晶振片和頻率計，所述石英晶振片包括石英晶片、設置在石英晶片上部的工作電極、設置在石英晶片下部的下電極，所述頻率計連接工作電極和下電極，其特徵在於，所述石英晶振片表面設置微米結構或納米結構。
2.根據權利要求1所述的一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，其特徵在於，在石英晶振片上旋塗一層光刻膠，經曝光、顯影后得到微米結構或納米結構。
3.根據權利要求2所述的一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，其特徵在於，所述微米結構的製作方法是:將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲lOmin後吹乾，用氧氣等離子體處理5min;然後旋塗一層六甲基二矽氮烷，然後旋塗一層光刻膠，光刻膠厚度在0.2?5μπι之間，90°C下烘5?30min，接著，將塗有光刻膠的石英晶振片進行紫外或深紫外曝光，曝光時間5s?3min，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠微米結構。
4.根據權利要求3所述的一種基於微納結構的壓電聲波生物傳感器，其特徵在於，所述微米結構或納米結構的製作方法是:將石英晶振片依次用丙酮、乙醇各超聲lOmin後吹乾，用氧氣等離子體處理5min;然後旋塗一層粘附劑聚乙烯吡咯烷酮或三甲氧基矽烷，然後將其放入乙醇和去離子水中各清洗lOmin，之後在120°C下烘5min ;然後旋塗一層電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度在0.2?2μπι之間，120°C下烘5?15min，接著，將塗有電子束光刻膠的石英晶振片進行電子束曝光，然後，將曝光後的石英晶振片浸入顯影液中，顯影后得到正膠或負膠納米結構或微米結構。
【文檔編號】G01N5/00GK104406881SQ201410660446
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】張志強, 黎海文, 吳一輝 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所