分子篩修飾的諧振式微梁化學生物傳感器的製作方法

2023-06-26 19:44:36 1

專利名稱：分子篩修飾的諧振式微梁化學生物傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬傳感器技術領域，具體涉及一種用分子篩修飾的諧振式微梁化學生物傳感器。
本實用新型設計的諧振式微梁化學生物傳感器，由多層薄膜組成，具體分為兩部分高靈敏度自激振自檢測的壓電式諧振微懸臂梁和高選擇性的分子篩膜。其結構如

圖1所示。其中，壓電式諧振微懸臂梁由上、中、下三層電極4和2層壓電層3相互間隔構成，其上下兩側分別有絕緣層2；高選擇性分子篩膜層1設於微懸臂梁上表面。傳感器的基底為矽片。
本傳感器中的兩層壓電層完成諧振、實現傳感器功能的自驅動和自檢測。其工作原理如下壓電材料具有正壓電和逆壓電兩重效應，也就是說，在一定電壓作用下，壓電材料會相應產生一定的應變，而加在壓電材料上一定的形變又會有一定量的電壓輸出。本技術在微懸臂梁結構上製作有兩層壓電層，其中一層作為諧振的激勵源，即通過電極往一層壓電層上加上一定量的交流電壓，使得整個梁產生動態應變，以該交流電壓的頻率振動；另外一層作為諧振的檢測源。
微懸臂梁系統的共振頻率fi可以簡單地表示為fi=122l2EIm------(1)]]>其中，E、I為系統的楊氏模量和截面慣性矩，λi為僅與邊界條件有關的常數，l、m分別為梁的長度和單位長度的質量。當激勵電壓的頻率達到系統的共振頻率時，系統的振幅出現峰值。
微懸臂梁上的另一層壓電層在上述動態應變的作用下會產生相應的交流電壓，測量該交流電壓的頻率即可檢測到微懸臂梁系統的共振頻率。
由公式(1)可以看到，當微懸臂梁系統的質量發生變化Δm時，系統的共振頻率也會相應改變，即fifi=1m/m+1-1--------(2)]]>所以，通過測量微懸臂梁系統的共振頻率的變化即可獲得系統質量的改變量。
本實用新型採用高選擇性的分子篩膜作為傳感器的敏感源，具有重要意義。作為化學生物傳感器，選擇性和靈敏性具有同等重要的地位。利用分子篩的多孔性，通過分子篩製備和精確調控其結構，可以針對不同氣體分子的直徑大小以及化學基團特性，對分子篩的孔徑以及孔徑內壁進行特定的修飾，實現該分子篩膜上只能吸附該特定的分子，從而實現高選擇性；同時，由於分子篩的有效表面積——吸附質量比非常大，在經過特定的化學修飾後，可提高吸附特定氣體的有效質量，可以實現高靈敏性；而且，分子篩具有穩定的化學特性，因此用分子篩做傳感器的敏感源，可以進行多次測量，同時穩定的化學特性可以保證能在分子篩上進行各種化學修飾，進而實現對多種化學生物分子的測量。
在微懸臂梁表面製備分子篩膜可以採用通常的凝膠—溶膠技術。它既利用了分子篩的上述特性，又利用了標準的集成電路和MEMS製備技術，實現了分子篩膜製作工藝的一致性和可重複性。二者的結合，使該化學生物傳感器成為一種實用技術。
在表面分子篩膜吸附特定分子前後、或修飾在膜上的特定分子在與其它測量對象作用(如抗體抗原的作用等)前後，微懸臂梁系統的共振頻率發生改變，即可測量被吸附的分子質量或特定分子與測量對象之間的作用情況。
本實用新型設計的化學生物傳感器具有如下特點1、選擇性強，靈敏度高。分子篩膜的孔徑和孔徑內膜的特定修飾，吸附質量比大。
2、可重複性高、微小型化、可大規模生產、價格低廉。採用集成電路和MEMS製備技術，可以保證大規模生產，工藝可重複性高，每片矽片上能同時製作上百個器件，由於各種功能集成電路的發展，可以使整個系統微型化，降低成本。
3、多指標性。可利用集成電路技術製成傳感器陣列，在不同微懸臂梁上修飾不同的分子篩結構，對不同化學生物分子敏感，實現多種(個)指標同時檢測。
4、非標記性。不需要任何標識物質(如螢光劑等)，直接通過分子篩對特定分子的吸附和頻率的改變來完成檢測。
圖2為塗敷有氟裡昂分子篩層的傳感器對不同濃度的氟裡昂氣體的響應。
圖3為分子篩的選擇性實驗結果。其中，(a)塗敷有氟裡昂專用分子篩的微懸臂梁的響應■氟裡昂◆乙醇；(b)無分子篩微懸臂梁對氣體的響應氟裡昂●乙醇。
圖中標號1為分子篩膜，2為絕緣層，3為壓電層，4為電極層。
具體實施方式
下面通過實施例進一步描述本實用新型。
實施例，微懸臂梁的尺寸為970μm×300μm×3μm。其表面為對氟裡昂分子具有獨特選擇性的MFI分子篩膜。
傳感器的製作工藝流程為矽基片上澱積Si3N4/SiO2層後，濺射Ti/Pt下電極，用凝膠——溶膠方法形成下層壓電層PZT，用相同的工藝製作出中電極、上層壓電層PZT和上電極，鈍化後生成了SiO2表面，由背面刻蝕形成微懸臂梁。微懸臂梁表面用分析級丙酮清洗後，在空氣中乾燥，再將僅對氟裡昂分子敏感的MFI分子篩液進行雙倍稀釋，得到約為0.002％(w/V)的分子篩懸浮液，取出0.2μl旋塗在微懸臂梁表面，經10分鐘100℃的焙烘，即完成了該傳感器的製作。
塗敷有氟裡昂專用分子篩層的微懸臂梁對不同濃度的氟裡昂氣體的響應見圖2所示。頻率變化隨著氣體濃度的增加呈指數衰減，表明了分子篩最終趨向於飽和吸附。
分子篩的選擇性實驗結果見圖3所示。塗敷有氟裡昂專用分子篩層的微懸臂梁顯示了對氟裡昂的敏感，而對乙醇無響應。無任何分子篩塗敷的微懸臂梁則對氟裡昂和乙醇均無有效響應。另外，實驗也表明該種微懸臂梁的重複性好，歸零時間短(＜20秒)。
權利要求1.一種分子篩修飾的諧振式微梁化學生物傳感器，由多層膜組成，具體分為兩個部分高靈敏度自激振自檢測的壓電式諧振微懸臂梁和高選擇性的分子篩膜，其特徵在於微懸臂梁由上、中、下3層電極(4)和2層壓電層(3)相互間隔構成，其上、下兩側分別有絕緣層(2)；高選擇性分子篩膜層設置於微懸臂梁上表面。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於針對不同氣體分子的直徑大小以及化學基團特性，對分子篩的孔徑以及孔徑內壁進行特定的修飾。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於分子篩膜為MFI分子篩膜。
專利摘要本實用新型為一種用分子篩修飾的諧振式微梁化學生物傳感器。由壓電式諧振懸臂梁和高選擇性分子篩膜組成,其中微懸臂由上、中、下3層電極和2層壓電層相互間隔構成,其上、下兩側為絕緣層,分子篩膜層設置於微懸臂梁上表面。本傳感器選擇性強、靈敏度高,可重複性好,適合大規模生產,並可降成本。
文檔編號G01N27/327GK2504633SQ0125473
公開日2002年8月7日 申請日期2001年11月16日 優先權日2001年11月16日
發明者周嘉, 黎坡, 黃宜平, 張松, 周峰, 楊芃原, 趙東元 申請人:復旦大學