CN103226124A - 紫外线曝光成型硅基生物传感器的设计与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器设备及其制作方法。具体来说，本发明涉及一种基于可大量渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子的紫外线曝光成型硅基生物传感器的设计与制备方法。本发明包括：用有机硅聚合物/倍半硅氧烷聚合物形成一层表面，应用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露的聚合物，使黏附膜不受干扰。本发明成功的利用一种简单且可靠的制造工序来制作传感装置，用简单的步骤来制备可渗透气体但不渗透离子和代谢产物的膜。

Description

紫外线曝光成型硅基生物传感器的设计与制备方法

技术领域

本发明涉及传感器设备及其制作方法。具体来说，本发明涉及一种基于可大量渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子的紫外线曝光成型硅基生物传感器的设计与制备方法。

背景技术

有机硅，即有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。目前已有许多以有机硅为材料的微加工薄膜，可大量渗透气体分子，但不渗透非气态分子和离子。然而成功应用的硅材料却不能直接进行光成型。因此使用间接的手段来实现光在表面特定位置的定型。共聚物本身不是一个光活性物质，但这种间接的方法可以使共聚物光成型。然而尽管得到的共聚物膜表现出代谢物（如葡萄糖）运输衰减的特性，且可自由地渗透氧气，但是制造过程仍是复杂的，会降低产量，提高成品的成本。

根据上述情况，有必要利用一种简单且可靠的制造工序来制作传感装置，用简单的步骤来制备可渗透气体但不渗透离子和代谢产物的膜。

发明内容

本发明阐述了光成型硅传感器膜及其制造方法。

本发明的目的之一是提供一种可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的膜，该膜由光成型有机硅聚合物膜组成。

本发明的另一个目的是提供一种可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的膜，该膜由基于倍半硅氧烷聚合物的光成型膜组成。

本发明的另一个目的是提供可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的光成型膜的制作方法，包括：用有机硅聚合物形成一层表面，应用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露的聚合物，使黏附膜不受干扰。

本发明的另一个目的是提供可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的光成型膜的制作方法，包括：用倍半硅氧烷聚合物形成一层表面，应用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露的聚合物，即光刻工艺。

本发明的另一个目的是提供可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的光成型膜的制作方法，包括：在表面微喷一层定量的有机硅聚合物，应用紫外线（UV）辐射照射该层，使聚合物在表面形成黏附膜。

本发明的另一个目的是提供可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的光成型膜的制作方法，包括：在表面微喷一层定量的倍半硅氧烷聚合物，应用紫外线（UV）辐射照射该层，使聚合物在表面形成黏附膜。

本发明的目的之一是提供一种传感装置，包括：可渗透气体但不渗透非气态分子和离子的光固化硅膜。

本发明的另一个目的是提供一种传感装置，包括：感应表面，覆盖感应表面的基质，以及覆盖至少基质一部分的光成型膜，该光成型膜由光不稳定的有机硅聚合物组成，可大量渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子。

本发明的另一个目的是提供一种参考电极，包括：银-氯化银感应表面，覆盖感应表面的含有氯离子的基质，以及至少覆盖基质一部分的光成型硅膜，该硅膜可渗透水蒸气但不渗透离子，且必须带有至少一个光阑允许氯离子交换。

本发明的另一个目的是提供一种氧气传感装置，包括：惰性金属表面，覆盖感应表面的基质，以及至少覆盖基质一部分的光成型硅膜，该硅膜可渗透氧分子但不渗透非气态分子和离子。

本发明的另一个目的是提供一种二氧化碳传感装置，包括：pH值感应表面，覆盖感应表面的含有碳酸酐酶与氢醌的基质，以及覆盖基质的光成型微喷硅膜，其中该膜可渗透二氧化碳分子，但不渗透非气态分子和离子。

特别地，本文还阐述了可渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子的光成型硅膜传感装置及其制作方法。根据本发明典型实施方案的第一个方面，一个传感装置包括感应表面和覆盖传感表面的基质。传感装置还包括覆盖至少基质一部分的光成型膜。该光成型膜由可渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子的直接光成型的有机硅聚合物组成。

根据本发明的第一个方面，有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外有机硅聚合物还可由β-取代倍半硅氧烷聚合物组成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。将其暴露在光中可取代绑定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。有机硅聚合物可通过光引发剂作用进行交联。该光成型膜可大幅度或完全将基质封闭。也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。此外，也可通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。

根据本发明的第一个方面，配置传感设备可用于检测氧气、二氧化碳或水蒸气。配置传感装置可用于检测血糖、乳酸、肌酐、抗坏血酸、尿酸和/或胆红素。配置传感装置可用于检测氯、钾、钠、钙、质子和氢氧根组成的离子。传感表面具有多种选择，包括金属电极、非金属电极和光学波导。此外，传感表面还可由铂金、黄金、铱、银、卤化银、氯化银和碳等组成。传感表面根据电位法或安培法进行编制。基质可由聚乙烯醇、光成型的聚乙烯醇、明胶、光成型明胶和硝酸纤维组成，包括生物活性分子。例如，基质可由葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、胆红素氧化酶、抗坏血酸氧化酶、碳酸酐酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐酶等组成的生物活性分子形成，还可包括氧化还原物。此外，该基质可由氢醌、二茂铁、亚铁和铁氰化钾组成的氧化还原物组成，还可包括离子物质。根据第一个方面的另一个典型方案，基质还可包括氯离子。

根据本发明的第二个方面，参考电极包括银-氯化银感应表面以及覆盖感应表面的含有氯离子的基质。该参考电极至少覆盖基质一部分的直接光成型的硅膜。该硅膜由有机硅聚合物组成，可渗透水蒸气但不渗透离子，且必须带有至少一个允许氯离子交换的光阑。

根据本发明的第二个方面，有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外，有机硅聚合物可由β-取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。将其暴露在光中可取代绑定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。有机硅聚合物可通过光引发剂作用进行交联。该光成型膜可大幅度或完全将基质封闭。也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。此外，也可通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。

根据本发明的第三个方面，氧气传感装置包括惰性金属表面以及覆盖感应表面的基质。氧气传感装置还包括至少覆盖基质一部分的光成型硅膜，该硅膜由有机硅聚合物组成，可渗透氧气分子，但不渗透非气态分子和离子。

根据本发明的第三个方面，有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外，有机硅聚合物可由β-取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。将其暴露在光中可取代绑定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。有机硅聚合物可通过光引发剂作用进行交联。该光成型膜可大幅度或完全将基质封闭。也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。此外，也可通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。

根据本发明的第四个方面，二氧化碳感应装置包括一个感应表面。二氧化碳感应装置还包括覆盖至少感应表面一部分的含有碳酸酐酶与氢醌的基质，以及覆盖基质的光成型硅膜，该硅膜由有机硅聚合物组成，可渗透二氧化碳分子但不渗透非气态分子和离子。

根据本发明的第四个方面，有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外，有机硅聚合物可由β-取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。将其暴露在光中可取代绑定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。有机硅聚合物可通过光引发剂作用进行交联。该光成型膜可大幅度或完全将基质封闭。也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。此外，也可通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。

根据本发明的第五个方面，光成型透气膜不可渗透非气态分子和离子，包括有机硅聚合物，将其暴露在光中可取代绑定的成分，形成光成型膜。

根据本发明的第五个方面，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。该膜可与基质层接触。该膜可大幅度或完全将基质封闭，也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外，有机硅聚合物可由β-取代倍半硅氧烷聚合物组成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。

根据本发明的第六个方面，光成型透气膜不能渗透非气态分子和离子，由倍半硅氧烷聚合物组成，通过光线直接照射制成。

根据本发明的第六个方面，光可由一个或多个波长在200-400nm范围的光组成。该膜可与基质层接触。该膜可大幅度或完全将基质封闭，也可通过将基质置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型。

根据本发明的第七个方面，制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：a）用带有绑定活性成分的有机硅聚合物形成一层表面；b）用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，以去除活性成分，使有机硅聚合物在表面形成黏附膜；c）将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露于紫外线的有机硅聚合物。

根据本发明的第七个方面，有机硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物组成。另外，有机硅聚合物可由个β-取代倍半硅氧烷聚合物组成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或类似物组成。

根据本发明的第八个方面，制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：a）用倍半硅氧烷聚合物形成一层表面；b）用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，以去除活性成分，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜；c）将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露于紫外线的倍半硅氧烷聚合物。

根据本发明的第九个方面，制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：a）在表面微喷一层定量的有机硅聚合物；b）用紫外线（UV）辐射照射该层，以去除活性成分，使有机硅聚合物在表面形成黏附膜。

根据本发明的第十个方面，制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：a）在表面微喷一层定量的倍半硅氧烷聚合物；b）用紫外线（UV）辐射照射该层，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜。

根据本发明的第十一个方面，制备覆盖表面的成型层的方法包括如下步骤：a）用可产生活性基团的有机硅聚合物同质混合物和有效量的光引发剂形成一层表面；b）将该层选定的区域暴露在紫外线下，使其足以对该层的外露区域进行聚合；c）去除该层表面未曝光的部分，以制备覆盖表面的成型层。

本发明有益效果：成功的利用一种简单且可靠的制造工序来制作传感装置，用简单的步骤来制备可渗透气体但不渗透离子和代谢产物的膜。

附图说明

图1（a）和1（b）分别描绘了传统和本发明的传感芯片将其纳入参考传感器。

图1（c）和1（d）分别描绘了部分传统和本发明的设备参考传感器的纵向视图。

图2（a）和2（b）分别描绘了传统和本发明参考传感器膜的制作流程的详细图解。

图3说明了改良的参考传感器接界电势与KCl盐桥的函数关系。

图4分别描绘了用贝克曼CX7分析仪衡量时，根据本发明工艺和传统工艺制备的葡萄糖传感器的线性响应。

图5分别描绘了用ABL的血气分析仪衡量时，根据本发明工艺和传统工艺制备的氧气传感器的线性响应。

图6分别描绘了用设定的乳酸质量浓度衡量的根据本发明工艺和传统工艺制备的乳酸传感器的线性响应。

具体实施方式

本发明的实施方案旨在阐述可大量渗透气体分子但不渗透非气态分子和离子的光成型硅胶膜的传感装置及其制作方法。具体地说本发明涉及具有用于样品中的各种分子浓度检测的光固化有机硅膜传感装置。该装置可用作实验室自动分析仪传感器和一次性使用测试盒进行实时或接近实时的分析物检测。

根据典型实施方案，本发明涉及到分析物传感器，以确定液体样品中分析物的含量，其中包括，如血液等中的分析物，如葡萄糖、乳酸、肌酐、氧分压、二氧化碳分压等等。本发明的典型实施方案也可用作与上述分析物传感器相关的银-氯化银和其他类似电化学耦联的参考传感器，提供测量分析物传感器电势的半电池电势。这些参考传感器也可用于进行安培测量。

传统的透气材料不能直接进行光成型，但这些材料已发现用于传感器的制作，如包括，二巯丙磺和聚碳酸酯的嵌段共聚物。例如将6％的固体溶于二氯甲烷和氯苯溶剂中制备共聚物。为了制成这种聚物层，将光成型材料涂层（如重铬酸盐明胶或用聚乙烯醇处理的有机吡啶盐，可选择性地与牛血清白蛋白融合以助于形成聚乙烯醇黏附底层）涂于聚合物膜层之上。此第二层涂层成型后采用光刻工艺形成保护层帽，然后用湿蚀工艺将共聚物从未保护区剥离。用该种方法制备的硅氧烷共聚物具有良好的透气性和机械性能（如灵活性），也不渗透非气态分子和离子。

避免此类透气膜的间接成型以及具备制作直接光成型的膜材料都是非常必要的。由于微加工传感器可通过简化的制造工艺制备，且具有更好的可靠性，能降低成本，改进和微结构尺寸的保真度，因此生产这种微加工传感器具有很强的优势。

 根据本发明典型实施方案制备的光成型透气膜，其重要性能主要是微加工适用性。最好的该材料具有水蒸汽、氧气、二氧化碳之类的高渗透性，但不渗透中性分子（如大于120道尔顿分子量的分子）和离子（如通常以水合形式存在的物质，如[X,H20(n)]-）。根据典型实施方案，膜具有足够的弹性，允许其与其他任何层接触后的再水化膨胀，如底部的凝胶基质层。这种情况下发生的膨胀，最好不引起膜开裂或变形。

制造过程还需要适用于微加工的简化性和健壮性，如包括黏附于表面之上或之下的粘合剂，以及厚度和尺寸特征均匀的成型层，通常厚度从0.1-10微米，宽度为大于等于20微米。由此产生的光成型膜还需具有图案完整性，使图案适合下一步的工艺，如硅片切割（在不分层的情况下）等等。当材料被旋涂到平面（如硅晶片）上时，光成型混合材料还需具有最小的径向厚度变化。

如果将透气膜用于微加工传感器使用，该膜还需具备以下属性，包括但不限于：i.）该膜不可污染制模设备；ii.）该膜在室温下应具有稳定性，尽管该膜在合适时间具有这种稳定性，但需确保其稳定期可达几个星期；iii.）在指定的存储条件下，尽管该存储情况可长达任何适当时间，该膜保质期需长达数个月。该膜还应当具备合适的传感器行为，如包括，原始信号可在分析物报告的整个或接近整个或大范围内大幅度地线性地随着感应到的分析物浓度的增加而增强。该膜应具有良好的辨别性能，允许大量气体分子的自由通过，同时大幅阻断非气态分子和离子通道。

本发明的此类优良特性可在光成型材料混合物和由此产生的预期形成光固化电解质涂层的以钝化电子设备以及提供电路板、光学元件、挡风玻璃、电脑屏幕及类似的防刮涂层的光成型膜中得以实现。这种混合物如紫外光固化聚硅氧烷，在本发明出现以前没有进行光刻工艺成型处理。此外，这种常规应用光固化聚硅氧烷的成功并没有考虑或要求上述需要的重要感应应用领域的特性，包括透气性、水基有机聚合物基质附着性、低温加工特性，等等。本研究首次考虑到用于微加工传感器制造的光刻工艺混合物和材料的适用性。

本发明发现高分子材料具有（RSiO3 / 2）和（R'SiO3 / 2）y的倍半形式，其中R由一个有机基团组成（如烷基、烯基、烷氧基和链烯氧基），和R'由一个有机基团或氢原子组成，适用于本发明的实际应用。这种混合物和材料包括道康宁WL- 7154树脂（CAS号609768-46-9），是一种溶于丙二醇甲醚醋酸酯的聚硅氧烷溶液（PGMEA，CAS号108-65-6），在三甲苯中约有30％的固体。该聚硅氧烷可以是羟基终止的3-（甲基丙烯酰氧基）苯丙基倍半硅氧烷。这种聚硅氧烷溶液与光引发剂如苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰）氧化膦（CAS号162881-26-7）混合，以形成树脂。当暴露在紫外线下时（如在200-400纳米的波长范围内），聚硅氧烷的甲基丙烯酰氧基团通过光引发剂作用进行交联。也可使用另一种道康宁树脂WL- 5351，由此产生的光成型膜具有良好的透气性和弹性。

    根据本发明的典型实施方案，参考传感器通过微加工步骤完成，但不包括上述描述的用保护盖12（如图1（a）所示）将非光成型硅酮-非硅酮共聚物11（如图1（a）所示）剥离下来。

如图1（a）、1（b）、1（c）和1（d）所示，微加工步骤如下：a）硅晶片（1）热氧化在晶片表面形成二氧化硅绝缘层（2）；b）将钛钨合金（3）喷射到表面，再喷上一层银（4）。该领域技术人员知道，可使用传统的光刻工艺制作金属形成所需的电极（5）、导电线（6）和电接触垫（7），如图1（a）所示和图1（c）的纵向视图（14）所示。接着，光成型聚酰亚胺被旋离下来，落到晶片上成型，形成覆盖导电线的钝化层（8）。经过银电极的氯化（9），光成型重铬酸盐明胶层剥离下来，落到晶片上成型，形成覆盖银-氯化银电极及周边区域的电解质基质层（10）。在图1（a）和1（b）中，硅晶片1的整体尺寸约为3mm乘以5mm。此外，图1（c）和1（d）所示的纵向视图指出了不同层之间的关系，而不是指出其等级。

据悉，电极可用诸如铂、金、铱、其他银卤化物、碳之类进行微加工，这种制作方式在该领域很常见。除了金属和非金属电极外，感应表面还可包括，如平面光波导、消逝波传感器、声表面波传感器等。这类装置在该领域是众所周知的，适用于上述的基质和膜制作流程。

根据本发明典型实施方案的改进流程，上述描述的晶片制造可用上述的道康宁树脂WL- 7154（CAS号609768-46-9）进行旋涂，每晶片使用约3 -5mL树脂，在材料表面旋涂10秒钟，转速为900 RPM。紧接这一步骤，用2000 RPM的高转速旋涂40秒，直到膜厚度达到1.85微米。接着，在软烤箱中100℃预暴露约60秒，使温度逐渐下降，以提高附着力，防止由于脱气剂的诱捕形成的胶片空隙。

接下来用光罩进行约1000 mJ/cm2 的宽带频谱U曝光。接着100℃烘烤约60秒，室温固化至少30分钟。用三甲苯喷头沿着晶片喷涂约15秒，以500 RPM的转速用异丙醇冲洗约10秒，然后以3500 RPM的转速转旋干约20秒。这些步骤结束后，产生770微米乘以930微米的约1.85微米厚的长方形膜，其平面图如图1（b）所示，纵向视图（15）如图1（d）所示。

如图1（b）所示，成型的膜13可与底层基质、电极和其他表面特征形成固定的几何关系，通过光掩模对准和曝光来实现这一目标。据悉，这一过程可选择性地包括约2-4％的溶于丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）的甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（CAS号4369-14-6）（PGMEA）黏附底漆涂层。这种底漆可提高产生膜在表面上的附着力。根据典型实施方案，这种使用方法不是必需的，只是简化了流程，减少晶片暴露于其他化学品。

本工艺比传统工艺更简单。更重要的是树脂材料的图案出奇地漂亮，如图2所示传统工艺（图2（a））与本发明工艺（图2（b））的比较。图2（b）表明，本发明工艺在边缘的图案控制方面有明显的改善，因为本发明典型实施方案与传统工艺17相比，可提供较锐利、较干净的边缘16。

由于蚀刻过程的削弱趋势，传统工艺形成的横向尺寸变化较大。由于传感设备的性能取决于从膜边缘到电极的路径长度一致，更干净、更明确的边缘可减少同块晶片上传感器之间、连续加工的晶片之间以及各批次晶片之间的差异。这种改良对设备来说非常重要，传感器的生产是数以百万计的，可用于一次性分析设备的使用。

本发明典型实施方案的发明流程有许多理想的特性。例如，膜层在轨道烘烤后具有最小的粘性，没有发现受污染的设备，在下游过程如晶圆切割和传感器封装中也没有发现受损的胶片。最重要的是，可对材料进行统制以控制几百个感应器晶片的径向尺寸以及晶片与晶片之间的尺寸，使其厚度在0.1微米之内。

控制实验表明，如果制成的膜材料可以完全或几乎完全包围住底层基质层，第二个外部测试参照电极结构与离子水溶液设备没有发生电接触（即电极为开路的）。这种测试证明，成型的膜材料不利于离子传导，或者更具体地说，离子扩散速度太慢，以致在测试时间内，无法测量离子扩散，无法将形成的盐桥开口围起来。

如果第二个电极的结构按图1的晶片进行制作，并通过膜封闭，那么当膜与水溶液接触时，在这两个电极间可建立电接触。在这里前面干燥保存的设备将随着水蒸汽穿过膜而变得潮湿，从而溶化底层基质的离子。对于厚度约1.85微米的膜，该湿化过程大约需要10-60秒钟，湿化时间随厚度而定。厚度在0.1-10微米范围内的膜具有理想的湿膜特性。这些实验证实，根据本发明典型实施方案加工的膜，具有相当幅度的离子非渗透性和透气性（如水蒸汽）。

在操作过程中，参考传感器向第二个传感器电势如钾电极施加固定的或可预见的半电池电势，该电势可被衡量。水蒸汽通过气体渗透膜溶化含有氯离子的底层基质。这些离子在银-氯化银电极上产生可预见的电势。在透气膜的周边，底层基质接触校准液形成液接（或盐桥），通过这个过程，离子流动起来，建立与相邻传感器如钾电极的电连续性。根据典型实施方案，分析周期包括：传感器与校准液接触1-2分钟，接着与血液样品接触1分钟。注意，在该系统电化学测试时间范围内，参考传感器基质的离子浓度必须基本恒定，从而提供一个可靠的基准电位。

关于改进参考传感器的实际性能，预计需要比在地面更高的参考电位，通过降低液接电位来缩短阴离子的干扰程度。图3为图300，说明液接电势305达到了最低电位310，约100 mV。通过增加成型后暴露于晶片的氯化钾水溶液浓度可提高该电势，因此，浸泡过程可向参考传感器基质层加入更多的氯化钾盐。因此，使用WL- 7154进行改进的透气膜可提供可靠的半电池电势用于电势的测量。

根据典型实施方案发明的透气膜加工流程已应用于葡萄糖传感器的生产。不同的是银金属用铂代替，且基质为聚乙烯醇，也包含葡萄糖氧化酶。

上述参考传感器描述了WL- 7154材料的沉积和成型。在这个例子中，支持葡萄糖酶氧化的氧气通过透气膜层的直接扩散供应到基质，而葡萄糖只通过一个或多个透气层的开口进入到基质中。该过程可确保传感器的输出与临床糖尿病血液样本中发现的血糖浓度范围成线性关系。图4为图400，说明了用CX7分析仪的参考方法测量的新工艺405和传统工艺410在10-680mg/dL范围内的理想的线性关系。发现这种新透气流程也适用于测量如乳酸、肌酐等其他分析物的其他安培传感器的制造。

对于新的葡萄糖传感器，控制实验表明，如果制成的膜材料可以完全或几乎完全包围住含有葡萄糖氧化酶的底层基质层以及内部参考电极，那么当其与含有不同浓度葡萄糖的溶液接触时，将检测不到葡萄糖依赖信号。该测试证实，按照此方法加工的膜，基本上不渗透非气态分子，如葡萄糖通过膜的葡萄糖扩散率与氧气和水蒸汽的扩散速度相比是微不足道的。另外的实验表明，通过膜的乳酸、肌酐、肌酸、抗坏血酸、尿酸和胆红素以及包括氯、钾、钠、钙的离子、质子和氢氧基的扩散率也是不易察觉的。这一发现与本发明的透气但不透非气态分子和离子的膜特性一致。

注意上述典型实施方案的葡萄糖氧化酶可替换为生物活性分子，这些分子在传感器上具有其特异性。这些生物活性分子包括酶，如抗坏血酸氧化酶、乳酸氧化酶、胆红素氧化酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶、肌酸酐酶、碳酸酐酶等等。

 根据典型实施方案改良的透气膜生产流程已被应用于氧气（pO2）、二氧化碳（pCO2）和乳酸传感器的制造。在硅片上制作氧传感器与上述的葡萄糖传感器过程类似，不同的是，铂金属被金电极芯片所取代，直径约10微米，且聚乙烯醇基质中不含酶，但可包括用于粘连的失活蛋白（如白蛋白）。WL- 7154材料的沉积及成型详见上述参考传感器。

图5为图500，说明了用新材料加工的氧传感器在22-324mm Hg pO2范围与传统工艺510相比的线性响应505。值得注意的是，样品电流与校准液电流的比值与pO2成正比，可使用合适的线性方程将纳安（nA）单位转换为毫米汞柱（mm Hg）。图6所示的图600说明了利用本发明工艺605和传统工艺610制作的乳酸感应器也具有相似的结果。由图可知，如图6所示，根据典型实施方案，本发明工艺具有理想的线性关系。

硅片上二氧化碳传感器的制作过程与上述氧传感器相似，不同的是基质中包括氢醌和碳酸酐酶。氢醌可建立氧化还原电位，根据溶解的二氧化碳、碳酸和碳酸氢根离子之间的平衡，是氢离子浓度的函数。碳酸酐酶充当这个反应的催化剂。注意也可使用替代成氢醌的氧化还原活性物质，其中包括二茂铁、取代二茂铁以及三价铁和二价铁。

pCO2传感器的WL- 7154材料沉积详见上述参考传感器。不过根据典型实施方案，二氧化碳传感器的制作方法为，将约10 nL的膜材料直接微喷在基质层上，干燥并形成包覆或几乎包覆住基质的膜层。过度暴露于紫外线辐射可进行膜受光显影和固定。这种做法避免了旋转材料、面罩曝光和显影步骤，即省却了成型过程。

当透气膜包围或几乎包围整个基质层，且参考电极置于膜下时，氧气和二氧化碳传感器运作良好。这与聚合物膜可渗透如氧气和二氧化碳等气体分子的特性描述一致。

根据另一个典型实施方案，传感器为圆柱形设备，如光纤元件或电极丝等，该传感器可用光成型共聚物进行图层，然后充分暴露在紫外线辐射下以制备气体渗透膜。

根据另一个典型实施方案，除了利用定型的光成型明胶和聚乙烯醇制备底层基质，也可用微喷技术在表面喷上定量的材料，然后充分暴露在紫外线辐射下来制备这些基质。另外，用微喷技术喷上如明胶、聚乙烯醇和硝化纤维的非光成型物质，然后进行干燥也可制备基质。

根据本发明典型实施方案制备的设备和方法适用于进行代谢产物如葡萄糖和氧气检测和测量的微加工传感器，也适用于参考传感器，如基于银-氯化银等制备的传感器。这类传感器可用于进行血液或液体样品的测定，且适用于点护理诊断，包括事故现场、急诊室、加护病房等，也可用于非医疗用途，例如环境测试等。

本发明在不悖离其必要特点或思想的情况下，可用各种特定形式进行实施。本发明典型方案的各方面都只是说明性的，不受任何形式的限制。不仅仅上述的描述，附加的注意事项对本发明的范围进行了划定。由此引申的意思和内容的所有变更也包括在内。

Claims (1)

1.紫外线曝光成型硅基生物传感器的设计与制备方法，其特征在于传感装置包括：传感表面以及覆盖表面的基质以及覆盖至少基质一部分的光成型膜，其中光成型膜由直接光成型的有机硅聚合物组成；可渗透气体分子，但不渗透非气态分子和离子；其有机硅聚合物为倍半硅氧烷聚合物，还可以为β-取代倍半硅氧烷聚合物，或者是氢化硅倍半氧烷聚合物；

传感装置，其绑定成分通过暴露于光中被取代并形成光成型膜；其光由波长在200-400nm范围内的一个或多个光组成；其有机硅聚合物通过光引发剂作用进行交联；其光成型膜为完全封闭基质；其通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型；其配置的传感装置可用于检测氧气、二氧化碳和水蒸气；其配置的传感装置也可用于检测葡萄糖、乳酸、肌酐、抗坏血酸、尿酸和胆红素；其可选择的离子基团可为氯、钾、钠、钙、质子和氢氧根；其可选择的感应表面可为金属电极、非金属电极和光学波导；其可选择的感应表面可为铂、金、铱、银、卤化银、氯化银和碳；其感应表面适用于电势法或安培法；其可选择的基质可为聚乙烯醇、光成型聚乙烯醇、明胶、光成型明胶和硝化纤维；其基质包括具有生物活性的分子；其可选择的具有生物活性分子的基质可为葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、胆红素氧化酶、抗坏血酸氧化酶、碳酸酐酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐酶；其基质包括氧化还原物质；其可选择的包括氧化还原物质的基质可为带有氢醌、二茂铁、亚铁和铁氰化钾基团的氧化还原物；其基质包括氯离子；

参考电极包括：银-氯化银感应表面；覆盖感应面的含有氯离子的基质；以及覆盖至少基质一部分的直接光成型膜，其中光成型膜由有机硅聚合物组成，可渗透水蒸汽，但不渗透离子，而且光成型膜还包括至少一个光阑以允许离子交换；

参考电极，其有机硅聚合物为倍半硅氧烷聚合物；

其绑定成分通过暴露于光中被取代并形成光成型膜；

其有机硅聚合物通过光引发剂作用进行交联；

其光成型膜完全封闭基质；

其通过将基质和传感表面置于大致固定的几何关系来对该光成型膜进行定型；

制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：

a）用带有绑定活性成分的有机硅聚合物形成一层表面；

b）用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部分，以去除活性成分，使有机硅聚合物在表面形成黏附膜；

c）将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露于紫外线的有机硅聚合物；其中有机硅聚合物为倍半硅氧烷聚合物；

制备透气但不透非气态分子和离子的光成型膜的步骤包括：

a）用带有绑定活性成分的有机硅聚合物形成一层表面；

b）用紫外线（UV）辐射照射该层的至少一部份，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜；

c）将黏附层暴露到显影机中，选择性地去除未暴露于紫外线的倍半硅氧烷聚合物。

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