基于MEMS工藝的電極型免疫微傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近幾年，基于電化學(xué)原理的安培酶免疫檢測發(fā)展迅速，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與處理、生物技術(shù)及臨床診斷等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

利用抗原抗體之間的特異性親和作用以及酶的催化放大作用，通過檢測與待測物濃度相關(guān)的電流信號實(shí)現(xiàn)生物分子的檢測和識別，相對于傳統(tǒng)的光譜免疫檢測具有響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、體積小等特點(diǎn)。

基于MEMS工藝在硅襯底上制備微電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)免疫檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)免疫傳感器器件的微型化、檢測試劑的微量化以及生產(chǎn)的批量化。但這類免疫傳感器仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，很多性能還有待改善，例如傳感器的穩(wěn)定性和一致性較差，這在很大程度上阻礙了其向?qū)嵱没?、市場化方向的發(fā)展。

影響微型免疫傳感器穩(wěn)定性和一致性的因素較多，包括生物敏感膜的質(zhì)過程中的可控性量以及免疫檢測等。首先生物敏感膜是生物傳感器的識別元件，是生物傳感器的核心。對于日益微型化的免疫傳感器，既需要在微尺度下行免疫分子的固相化，又要保證固相免疫分子的數(shù)量和活性，同時(shí)又要保證不同免疫傳感器生物敏感膜固化的一致性，具有很大的難度。常規(guī)對微傳感器敏感表面進(jìn)行修飾的方法，無論在同化機(jī)理上是采用共價(jià)結(jié)合還是物理吸附，多采用浸泡、滴涂等方法來實(shí)現(xiàn)。每次對樣品的處理時(shí)間以及試劑添加量的多少，往往因人而異，同時(shí)也受環(huán)境條件的影響，使制備的生物敏感膜的穩(wěn)定性和一致性難以保證。因此需要進(jìn)行生物敏感膜固化過程的可控性技術(shù)和方法研究，以提高傳感器的一致性和穩(wěn)定性。

其次，根據(jù)電流型免疫傳感器檢測的原理和特點(diǎn)，在免疫檢測的過程中需要依次在傳感器表面加入待測抗原、酶標(biāo)抗體以及反應(yīng)底物，并要在這些過程中對電極表面進(jìn)行反復(fù)清洗。如此繁瑣的試劑添加過程目前在實(shí)驗(yàn)室階段多采用人工滴加的方法來完成，帶來的不穩(wěn)定因素眾多，很難保證傳感器工作環(huán)境的穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)，從而影響傳感器檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

基于以上考慮，本文在MEMS工藝制備的電極型免疫微傳感芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制備微反應(yīng)室以及微進(jìn)出樣溝道，利用SU-8膠和PDMS等材料搭建微流體系統(tǒng)，用以結(jié)合蠕動泵完成敏感膜固定化及進(jìn)樣和清洗等免疫檢測操作過程，消除人為干擾，改善生物敏感膜制備以及免疫反應(yīng)環(huán)境，探索提高生物敏感膜固化的穩(wěn)定性和一致性，為提高免疫微傳感器檢測一致性的研究積累方法和經(jīng)驗(yàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作

根據(jù)免疫傳感器檢測的原理及特點(diǎn)，并針對提高微型免疫生物傳感器穩(wěn)定性和一致性的需要，進(jìn)行微流體系統(tǒng)的設(shè)汁和研究。設(shè)計(jì)面向應(yīng)用化和穩(wěn)定的免疫檢測系統(tǒng)，考慮到低成本和易操作等因素，采用將微反應(yīng)室和反應(yīng)電極分別制作的方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)在電極片表面粘附微結(jié)構(gòu)形成微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行免疫檢測，反應(yīng)結(jié)束后可以將反應(yīng)室與電極分開，相對于一次性的反應(yīng)電極，微反應(yīng)窒可以經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

2.1 微流體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MEMS工藝制備的電極型免疫微傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括圓形的工作電極和環(huán)形的對電極，工作電極敏感面積為1 mm2，該免疫傳感器具有微型化、試劑用量少的特點(diǎn)。根據(jù)免疫傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)包括微型反應(yīng)室和進(jìn)出樣溝道的微流體系統(tǒng)，配合蠕動泵實(shí)現(xiàn)自動加樣系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)免疫檢測過程。微流體結(jié)構(gòu)如圖2所示，微反應(yīng)室搭建在由工作電極和對電極所組成的敏感反應(yīng)區(qū)域上。通過計(jì)算檢測時(shí)電極表面所需樣品的體積，設(shè)計(jì)高為500 μm、直徑為5 mm的圓柱形微反應(yīng)室，將微型免疫電極置于其中心。

在微小空間內(nèi)進(jìn)行液體樣品的進(jìn)出樣品操作，肯定會對微反應(yīng)室壁和電極表面產(chǎn)生一定壓力。為了保證整個(gè)反應(yīng)室的密封性和電極表面敏感區(qū)域免受流體沖擊而保持敏感膜的完好無損，同時(shí)為了保證敏感電極表面免疫反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的均一性，綜合進(jìn)出樣流速及保證電極表面樣品均勻分布等因素，合理設(shè)計(jì)微室結(jié)構(gòu)以及進(jìn)液口和出液口的數(shù)量和尺寸，使得在沒有微閥的情況下，實(shí)驗(yàn)試劑在進(jìn)入微室后能夠良好地分布于反應(yīng)電極表面區(qū)域，并能被順利排出不會殘留在微室內(nèi)。

根據(jù)以上考慮，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)，如圖3所示，中心圓柱體是微反應(yīng)室腔，頂部的小圓柱體為進(jìn)液溝道，底部的方形結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)的出液溝道，進(jìn)液口位置有中心和邊緣位置兩種，出液溝道數(shù)量有4種。

2.2 微流體結(jié)構(gòu)制備材料的研究

2.2.1 微流體結(jié)構(gòu)材料的選擇

PDMS具有無毒、用澆鑄法能復(fù)制微通道、加工簡便快速和成本低等特點(diǎn)，所以選擇將PDMS覆于模具上，固化成膜后揭下來壓于電極片表面上密封構(gòu)成微反應(yīng)室，這樣PDMS具有良好的化學(xué)惰性，可以避免微溝道對反應(yīng)試劑的污染。而且PDMS固化后的彈性可以緩沖微流帶來的對微反應(yīng)室的力的作用，允許外力均勻地施加在電極表面的周圍。

2.2.2 微流體結(jié)構(gòu)模具材料的選擇

在MEMS工藝中，500 μm的反應(yīng)室高度較厚，如用深刻蝕等工藝在硅片上實(shí)現(xiàn)如此深的結(jié)構(gòu)較為困難。SU-8膠是MEMS工藝中的一種厚膠材料，常用于深結(jié)構(gòu)的制備，故實(shí)驗(yàn)采用SU-8膠制作微流體結(jié)構(gòu)模具。而如此厚的SU-8膠所帶來的應(yīng)力和表面張力在制作過程中嚴(yán)重影響到硅片的形狀，故采用玻璃圓片為材料，這樣也降低了成本。

3 仿真結(jié)果

對于電流型免疫傳感器，其免疫反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生于中心圓形工作電極區(qū)域。在微小的反應(yīng)空間內(nèi)，如果修飾溶液、待檢測樣品、清洗液等試劑能夠以工作電極圓心為中心，在圓形電極表面均勻和對稱的流動和分布來參與反應(yīng)，在敏感膜固化的過程中將能夠提高生物敏感膜固化過程的一致性，從而保證生物敏感膜的質(zhì)量。在免疫反應(yīng)過程中將能夠促進(jìn)敏感膜表面抗原抗體之間免疫反應(yīng)的均一性，同時(shí)促進(jìn)敏感表面電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一致性，從而提高傳感器的響應(yīng)速度并增大信號響應(yīng)。在清洗的過程中能夠增加電極敏感表面清洗的潔凈性和一致性，減少非特異性信號干擾給傳感器檢測所帶來的偏差，增加檢測的穩(wěn)定性和一致性。同時(shí)可以避免因反應(yīng)液局部密集所帶來的電流生成不均，避免敏感膜表面受力不均產(chǎn)生的局部脫落等問題。

根據(jù)設(shè)計(jì)的4種微流體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)采用fluent軟件進(jìn)行微流體模擬，驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)的可行性，通過性能上的一些比對，選擇合理的微反應(yīng)室和進(jìn)出樣溝道結(jié)構(gòu)。

3.1 流速與密度分布仿真

如圖4所示，對試劑在進(jìn)出樣、清洗等操作過程中的流動情況進(jìn)行仿真。試劑進(jìn)入微反應(yīng)室后，在電極表面附近，液體的流速以電極表面對稱。試劑在電極表面分布較為均勻，沒有液體局部集中、分布不對稱的情況出現(xiàn)。4種結(jié)構(gòu)下反應(yīng)試劑能夠均等地流入到敏感反應(yīng)區(qū)域參加反應(yīng)，到達(dá)電極表面后都能均勻分布于敏感區(qū)域及其周圍，較好地參與反應(yīng)，同時(shí)采用PBS緩沖液也能夠較好地完成清洗任務(wù)。

3.2 壓力分布仿真

檢測過程中應(yīng)考慮液體輸入微反應(yīng)室時(shí)對工作電極表面敏感膜及室壁產(chǎn)生的力的作用，因?yàn)榱Φ淖饔貌划?dāng)會產(chǎn)生敏感膜脫落的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中通過合理地設(shè)計(jì)選擇進(jìn)液口位置來優(yōu)化力的分布，減少對敏感膜表面產(chǎn)生的沖擊。在設(shè)計(jì)的4種結(jié)構(gòu)中，對進(jìn)液口位置的選擇分成中心處和邊緣處兩種，兩種結(jié)構(gòu)的壓力分布圖對比如圖5所示。在進(jìn)液管道附近，液體產(chǎn)生較大的力的作用，而將進(jìn)液口從反應(yīng)區(qū)域正上方移至邊緣處，其產(chǎn)生的力會在中心敏感區(qū)域外圍被電極周邊區(qū)域和富有彈性的PDMS室壁緩沖而減弱，不會影響到敏感膜生成區(qū)域，較好地解決了進(jìn)出液對敏感膜可能造成的損害問題；而在中心開口的兩種結(jié)構(gòu)位于敏感反應(yīng)區(qū)上方，如圖可見試劑輸人時(shí)會有力作用于中心處，特別是當(dāng)液體輸入速度較高時(shí)，會對敏感膜造成損傷。

綜合以上模擬分析，從微流體在微反應(yīng)室內(nèi)的密度、速度及壓力的分布模擬展開討論和比較，論證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性，并得到了在邊緣處設(shè)置進(jìn)液口的結(jié)構(gòu)較在中心處設(shè)置進(jìn)液口的結(jié)構(gòu)更為合理的結(jié)論。當(dāng)然反應(yīng)操作過程中實(shí)際效果還與進(jìn)樣流速和所用試劑黏稠度的選擇等因素有關(guān)，因此通過計(jì)算設(shè)計(jì)，制作了不同的微室結(jié)構(gòu)（包括進(jìn)出液溝道位置、數(shù)量及尺寸的不同選擇），如圖6。下一步將結(jié)合實(shí)際檢測進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

4 結(jié)束語

本文在MEMS工藝制備的電流型免疫傳感器基礎(chǔ)上，利用SU-8膠和PDMS等材料搭建微流體系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和制備了微反應(yīng)室以及微進(jìn)出樣溝道，進(jìn)行了生物敏感膜固化過程的可控性技術(shù)及方法研究方面的探索，是提高免疫微傳感器檢測一致性及穩(wěn)定性方法研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一，對日益微型化的免疫生物傳感器的研制有著重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。通過fluent軟件的模擬，對不同結(jié)構(gòu)下微流體所產(chǎn)生的密度、速度和壓力分布給敏感膜固化和免疫檢測所帶來的影響進(jìn)行了分析和比較，并做出了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和選擇。為下一步配合蠕動泵進(jìn)行免疫檢測實(shí)驗(yàn)，尋求消除人為干擾、改善微免疫檢測環(huán)境以及對微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)一步的改進(jìn)打下基礎(chǔ)，也為提高電流型免疫微傳感器的穩(wěn)定性和一致性研究積累了方法和經(jīng)驗(yàn)。