CN112034018B - 基于pdms微流体通道的葡萄糖生物传感器、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器、制备方法及应用，包括玻璃基板，作为承载体；金属结构，设于玻璃基板上；微流体通道，与玻璃基板上的金属结构对准且键合。制备方法包括如下步骤：在玻璃基板上构建金属结构；制备PDMS微流体通道；对玻璃基板上的金属结构和PDMS微流体通道的表面进行氧等离子体处理，采用射频磁控溅射室产生等离子体，并且在50W，6.5Pa气压条件下，作用时间30s；将等离子体处理后的玻璃基板和PDMS微流体通道进行对准，二者对准后再进行压紧，并在95℃的热板上静置30mins，即可完成电容型葡萄糖生物传感器的加工。本发明采用单层金属结构的传感器设计，能够应用在生物传感器领域、微波谐振器领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器、制备方法及应用，属于生物传感器技术领域。
背景技术
生物传感器是一门由生物、物理、化学、电子技术、医学等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，它是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如电极、光学器件、场效应管、压电晶体、微波器件等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。1954年Clark的氧电极分析方法使活体组织氧分压的无损检测成为可能，由此打开了生物传感器这一研究领域。而1990年人类基因组计划的实施则大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展，给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。
葡萄糖溶液作为常用的糖尿病待测患者前期测试溶液，利用生物传感器可以对其浓度参数进行检测。根据生物传感器理化换能器的不同，当前葡萄糖检测技术可分为三类：
涉及到生物酶检测的电化学方法，其理化换能器为电极；
涉及到光学技术和原理的光学方法，其理化换能器为光学器件；
涉及到电磁场原理分析的微波方法，其理化换能器为微波器件。
上述三种检测技术对于葡萄糖溶液浓度的检测各有利弊，其中电化学方法所用的理化换能器设计简单且加工成本较低，外围匹配电路和参数显示模块已有成熟的技术条件。其弊端在于生物酶与葡萄糖溶液需要一定的时间进行反应并产生电化学传感器检测用的电信号，测量时间较长。而且测量溶液的用量往往较大，不利于成本控制。光学方法由于其理化换能器能够灵敏的输出生物传感响应参数，对于微量的葡萄糖溶液即可实现高灵敏检测，且光学检测方法不涉及到有线电路，使得葡萄糖溶液的无线检测变为可能。然而，光学检测平台的搭建较为复杂且需要一定的稳定时间，光学器件和设备通常又比较昂贵，检测过程中易受到外界环境光的影响，测量所需溶液的用量没有理论依据，目前其市场前景还有待开发。微波方法为近几年提出的新兴传感器测试方法，由于微波器件参数众多，能够实现多参数表征生物传感响应，可以从不同的参数角度来分析待测的生物标记物溶液。此外，微波器件还具有灵敏度高、反应时间短、可重复利用等优点。但是微波传感器的测量必须用到价格昂贵的矢量网络分析仪且其外围匹配电路和显示模块设计复杂，商品化的过程还有待开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)微流体通道的葡萄糖生物传感器，包括玻璃基板，作为承载体；金属结构，设于玻璃基板上；微流体通道，与玻璃基板上的金属结构对准且键合。
进一步地，金属结构依次包括：第一层种子金属层，喷溅生长于玻璃基板上；第二层种子金属层，喷溅生长于第一层种子金属层上；光阻胶层，形成于第二层种子金属层上，光阻胶层用于设置电容和电阻的金属结构；第一层金属层，电镀于光阻胶层表面；第二层金属层，电镀于第一金属层表面，用作防氧化层。
进一步地，SU-8模子包括旋涂于硅基板上的SU-8光阻胶。
本发明的另一目的是提供一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器的制备方法，包括如下步骤：S1：清洗玻璃基板；S2：在玻璃基板上构建金属结构；S3：清洗硅基板；S4：在硅基板上构建SU-8模子；S5：将SU-8模子放置在托盘中，将PDMS溶液和固化液进行10:1的配比并混合均匀，所成的半成品在真空箱中静置半小时，使PDMS溶液中无气泡；将混合均匀的PDMS溶液导入托盘，并在真空干燥箱65-75℃的环境中静置20mins，在90℃的环境中静置10mins；静置后获得固化的PDMS微流体通道；S6：对玻璃基板上的金属结构和PDMS微流体通道的表面进行氧等离子体处理，采用射频磁控溅射室产生等离子体，并且在50W，6.5Pa气压条件下，作用时间30s；S7：将等离子体处理后的玻璃基板和PDMS微流体通道进行对准，二者对准后再进行压紧，并在95℃的热板上静置30mins，即可完成电容型葡萄糖生物传感器的加工。
进一步地，清理玻璃基板包括如下步骤：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗；利用SPM溶液清洗玻璃基板，再次利用异丙胺溶液进行清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗；所述SPM溶液含有H2SO4、H2O2、H2O。
进一步地，构建金属结构的方法包括如下步骤：利用喷溅方法生长一层厚度为20-50nm的钛或者铬作为第一层种子金属层，再利用喷溅方法生长一层厚度为30-100nm的金作为第二层种子金属层；在第二层种子金属层上形成图案化的光阻胶层；在光阻胶层上电镀一层厚度为6.0-9.0μm的铜作为第一层金属层，再电镀一层厚度为0.5-1.0μm的金作为第二层金属层，以构成预定义的金属结构。
进一步地，形成金属结构后，利用去胶剥离设备并且使用丙酮溶液去除光阻胶、使用刻蚀性气体刻蚀掉多余的种子金属层。
进一步地，清洗硅基板包括如下步骤：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗。
进一步地，制备SU-8模子包括如下步骤：S1：在硅基板上旋涂SU-8光阻胶，并在60-70℃温度下软烘5mins，接着在90-100℃温度下软烘20mins；S2：将S1所得的半成品在240mJ/cm2的UV光下曝光，接着进行曝光后烘焙，即在60-70℃温度下烘焙5mins，90-100℃温度下烘焙10mins；S3：利用SU-8显影液，将S2所得的半成品芯片显影30mins并用去离子水溶液进行冲洗，冲洗后用氮气吹干半成品芯片，将半成品芯片在145-155℃温度下硬烘20mins，得到成品SU-8模子。
进一步地，对静置完毕后将固化的PDMS微流体通道进行区域切割和定点打孔。切割的区域位置需要保证PDMS微流体通道完整无损伤，在完全覆盖金属传感器结构的同时能够裸露出后续测量用的金属接触点。打孔位置位于PDMS微流体通道的输入和输出端，即输入和输出端所在的圆形区域。
本发明的另一目的是提供传感器在生物传感领域和/或微波谐振器领域中的应用。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用单层金属结构的传感器设计，利用电镀工艺进行金属垫积，金属主要采用铜，表层生长金，相比于传统的贵金属垫积工艺，降低了加工成本；
(2)待测葡萄糖溶液固定在微流体腔中进行测量，测量位置固定、溶液形状固定、溶液用量固定，仅需1.806微升即可完成生物传感响应的测量，高效地节省了测试用溶液的成本，有利于商业化推广应用；
(3)电容的设计采用相互缠绕型结构，芯片尺寸较小，仅为4100μm*4000μm；
(4)生物传感器前端额外加持电阻型温度传感器，用于表征不同温度下的待测葡萄糖溶液的生物传感响应；
(5)PDMS微流体通道的引入，结合本发明提出的电容型生物传感器芯片和电阻型温度传感器芯片，能够为真实环境下待测溶液流经血管、毛细管道、微通道等情况提供一种可行的溶液浓度测量方案；
(6)诸如葡萄糖溶液、尿酸溶液、以及DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器结构示意图；
图2为电容型生物传感器和电阻型温度传感器结构示意图；
图3为PDMS微流体通道示意图。
其中，1、PDMS微流体通道；2、电容型生物传感器；3、电阻型温度传感器；4、玻璃基板；5、金属校准模块；6、相互缠绕型电容金属结构；7、蜿蜒线型电阻金属结构；8、微流体通道输入端口；9、微流体通道输出端口；10、微流体校准模块；11、微流体电容腔；12、微流体电阻腔。
具体实施方式
实施例1：
一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器，设计时，在计算机上利用Advanced Design System 2015软件，设计并仿真得到结构紧凑的基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器；其具体结构如图1所示，包括作为承载体的玻璃基板，在玻璃基板上设有金属结构；金属结构为从玻璃基板上逐渐叠加的金属层，依次包括喷溅生长于玻璃基板上的第一层种子金属层，厚度为20-50nm，材质为钛或者铬；喷溅生长于第一层种子金属层上的第二层种子金属层，厚度为30-100nm；第二层种子金属层采用金，以提升半导体基板与后续器件金属层之间的粘合力。
在第二层种子金属层上形成有图案化的光阻胶层，图案化的光阻胶层窗口对应于所述预定义的电容和电阻的金属结构；本实施例中，窗口是指光阻胶层上的缺口，在该缺口区域，后续进行电容和电阻所用金属的生长。
在光阻胶层上电镀一层厚度为6.0-9.0μm厚的铜作为第一层金属层，之后继续电镀一层厚度为0.5-1.0μm厚的金作为第二层金属层来构成预定义的金属结构。此处一般采用较厚铜，因为其具有相对较高的电导率、较低的电阻率、较低的损耗和价格，从而可以获得较快的反应速度，并且有利于后续的器件焊接；但是铜易氧化，所以最终需要在铜上面再加一层金作为防止氧化层。再利用去胶剥离设备，使用丙酮溶液去除光阻胶；利用感性耦合等离子体刻蚀工艺，使用氩气等刻蚀性气体来去除不需要的种子金属以防止器件工作时的短路现象。
在玻璃基板上还设有金属校准模块，如图2和3所示，金属校准模块区域与PDMS微流体校准模块一一对应；作用是为了在后续PDMS微流体通道和金属结构键合时起到对准的作用，即通过将上述PDMS和金属校准模块在显微镜下重合在一起，即可保证PDMS微流体通道和金属传感器结构上下对应起来。使用PDMS材料预制得到微流体通道后，将流体通道与等离子处理后的玻璃基板进行键合，对准后再压紧，得到电容型葡萄糖生物传感器的完整结构。
实施例2：
一种葡萄糖生物传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1：清洗玻璃基板；清理玻璃基板包括如下步骤：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗；利用SPM溶液清洗玻璃基板，再次利用异丙胺溶液进行清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗；所述SPM溶液含有H2SO4、H2O2、H2O。
S2：在玻璃基板上构建金属结构；构建金属结构的方法包括如下步骤：利用喷溅方法生长一层厚度为20-50nm的钛或者铬作为第一层种子金属层，再利用喷溅方法生长一层厚度为30-100nm的金作为第二层种子金属层；在第二层种子金属层上形成图案化的光阻胶层；在光阻胶层上电镀一层厚度为6.0-9.0μm的铜作为第一层金属层，再电镀一层厚度为0.5-1.0μm的金作为第二层金属层，以构成预定义的金属结构。形成金属结构后，利用去胶剥离设备并且使用丙酮溶液去除光阻胶、使用刻蚀性气体刻蚀掉多余的种子金属层。
S3：清洗硅基板；清洗硅基板包括如下步骤：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗。
S4：另取一份硅基板，作为另一承载体，在硅基板上构建SU-8模子；制备SU-8模子包括如下步骤：
1：在硅基板上旋涂SU-8光阻胶，并在60-70℃温度下软烘5mins，本实施例中，软烘温度为65℃；接着在90-100℃温度下软烘20mins；本实施例中，软烘温度为95℃；
2：将S1所得的半成品在240mJ/cm2的UV光下曝光，接着进行曝光后烘焙，即在60-70℃温度下烘焙5mins，本实施例中，烘焙温度为65℃；90-100℃温度下烘焙10mins，本实施例中，软烘温度为95℃；
3：利用SU-8显影液，将S2所得的半成品芯片显影30mins并用去离子水溶液进行冲洗，冲洗后用氮气吹干半成品芯片，将半成品芯片在145-155℃温度下硬烘20mins，本实施例中，硬烘温度采用150℃；得到成品SU-8模子。
S5：将SU-8模子放置在托盘中，将PDMS溶液和固化液进行10:1的配比并混合均匀，所成的半成品在真空箱中静置半小时，使PDMS溶液中无气泡；将混合均匀的PDMS溶液导入托盘，并在真空干燥箱65-75℃的环境中静置20mins，在90℃的环境中静置10mins；静置后获得固化的PDMS微流体通道；对静置完毕后将固化且变软的PDMS微流体通道进行区域切割和定点打孔。如图1和3所示，切割的区域位置需要保证PDMS微流体通道完整无损伤，在完全覆盖金属传感器结构的同时能够裸露出后续测量用的金属接触点。打孔位置位于PDMS微流体通道的输入和输出端，即输入和输出端所在的圆形区域。
S6：对玻璃基板上的金属结构和PDMS模子的表面进行氧等离子体处理，采用射频磁控溅射室产生等离子体，并且在50W，6.5Pa气压条件下，作用时间30s；
S7：将等离子体处理后的玻璃基板和PDMS模子进行对准，二者对准后再进行压紧，并在95℃的热板上静置30mins，即可完成电容型葡萄糖生物传感器的加工。
实施例3：
使用时实施例1和2中的传感器时，可以应用在生物传感器领域和微波谐振器两个领域，应用在生物传感器领域中时，通过在PDMS微流体通道中注入待测葡萄糖溶液，即可完成葡萄糖溶液浓度的检测。
该基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器的检测原理是：产品具有蜿蜒线结构的电阻型温度传感器置于电容型生物传感器前端，在1MHz的工作频率下，测量待测葡萄糖溶液的温度变化，通过电阻值和温度的关系来表征温度传感响应。对于待测葡萄糖溶液温度的测量，有利于校准环境温度对葡萄糖溶液自身介电常数的影响，增加最终生物传感器测量的准确性；
由于葡萄糖溶液浓度变化时，葡萄糖溶液自身的介电常数也是变化的，且两者是成比例的，因此不同的浓度的葡萄糖溶液在滴加到电容区域后，电容结构中线与线之间会被葡萄糖溶液填充，改变电容结构的有效介电常数，使得电容的容值随之发生变化。本发明提出的相互缠绕型电容正是通过检测电容值，从而得到容值与待测葡萄糖溶液浓度参数之间的线性关系，以此线性关系来计算葡萄糖溶液的浓度；
再对测量得到的数据进行整理分析，得到表征生物标记物溶液浓度的关键参数。例如，灵敏度、反应时间、检测限度值、以及线性度；
对诸如乙醇溶液、尿酸溶液、以及DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件；
对诸如DNA溶液、胆固醇溶液等昂贵测量样品，仅通过微升级的溶液用量即可完成测量，极大的节省了成本，提高了生物标记物溶液的利用率。
实施例4
如图2所示，本实施例提供一种小型化的中低频电容和电阻的设计方法，将实施例1和实施例2中的传感器应用在微波谐振器领域，该电阻和电容也可用于中低频率的射频集成电路应用中。具体设计方法如下：
对于相互缠绕型电容，由线宽为100微米，匝数为4.5匝的两组方形线圈缠绕而成，整体芯片面积为4100μm×4000μm。该结构是通过传统的交指型电容结构变形而来，为通过增大指间的接触面积，在有限的设计区域内，提升电容的容值。其电容值C可由以下公式进行推算，
其中，εre为有效介电常数，N为线圈匝数，W为线宽，l为从上到下所有直线尺寸的平均长度，S为线间距，上述长度单位均为微米。电容的容值可以通过改变线宽、匝数、以及线间距来进行大小调整，以此来满足集成电路中不同电容值的需求。在4Hz，1kHz,1MHz的中低频工作频率下，电容可以分别实现28.023nF，3.224pF，2.424pF的容值。
对于蜿蜒线型电阻，由线宽为100微米，匝数为4.5匝的两组方形线圈连接而成，整体芯片面积为4100μm×3800μm。电阻性能的体现主要通过加工工艺中金属具有一定的电阻率来实现，通过延长蜿蜒线的长度，在有限的设计区域内，增大电阻的阻值。其电阻值R可由以下公式进行推算，
其中，σ为金属的电导率，单位S/m，l为电阻的金属线长度，W为线宽，t为金属厚度。在4Hz，1kHz,1MHz的中低频工作频率下，电阻值均为102.5Ω。电阻的阻值可以通过改变线宽、线间距、以及线长度来进行大小调整，以此来满足集成电路中不同电阻值的需求。
本实施例的优点及有益效果；
(1)电容和电阻的设计均采用单层结构，电镀工艺，加工成本低；
(2)在有限的面积范围内，电容值和电阻值可以通过改变结构的参数(线宽、线长、匝数等)实现可调，以满足不同集成电路的需求；
(3)电容和电阻的尺寸均小于5mm×5mm，有利于电路的集成和小型化。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种基于PDMS微流体通道的葡萄糖生物传感器，其特征在于，所述葡萄糖生物传感器包括：
玻璃基板，作为承载体；
金属结构，设于玻璃基板上；
微流体通道，与玻璃基板上的金属结构对准且键合；
其中，所述金属结构包括相互缠绕型的电容金属结构及蜿蜒线型的电阻金属结构，所述电容金属结构形成生物传感器，所述电阻金属结构形成温度传感器；并且，所述温度传感器被置于所述生物传感器的前端，以表征不同温度下的待测葡萄糖溶液的生物传感响应。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于，金属结构依次包括：
第一层种子金属层，喷溅生长于玻璃基板上；
第二层种子金属层，喷溅生长于第一层种子金属层上；
第一层金属层，电镀于形成在第二层种子金属层上图案化的光阻胶窗口处；
第二层金属层，电镀于第一金属层表面，用作防氧化层。
3.权利要求1所述的葡萄糖生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：清洗玻璃基板：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗；利用SPM溶液清洗玻璃基板，再次利用异丙胺溶液进行清洗；再用去离子水溶液进行二次清洗；所述SPM溶液含有H2SO4、H2O2、H2O；
S2：在玻璃基板上构建金属结构；
S3：清洗硅基板；
S4：在硅基板上构建SU-8模子；
S5：将SU-8模子放置在托盘中，将PDMS溶液和固化液进行10:1的配比并混合均匀，所成的半成品在真空箱中静置半小时，使PDMS溶液中无气泡；将混合均匀的PDMS溶液导入托盘，并在真空干燥箱65-75℃的环境中静置20mins，在90℃的环境中静置10mins；静置后获得固化的PDMS微流体通道；对静置完毕后的PDMS微流体通道进行区域切割和定点打孔；
S6：对玻璃基板上的金属结构和PDMS微流体通道的表面进行氧等离子体处理，采用射频磁控溅射室产生等离子体，并且在50W，6.5Pa气压条件下，作用时间30s；
S7：将等离子体处理后的玻璃基板和PDMS微流体通道进行键合，二者对准后再进行压紧，并在95℃的热板上静置30mins，即可完成电容型葡萄糖生物传感器的加工。
4.根据权利要求3所述的葡萄糖生物传感器的制备方法，其特征在于，构建金属结构的方法包括如下步骤：利用喷溅方法生长一层厚度为20-50nm的钛或者铬作为第一层种子金属层，再利用喷溅方法生长一层厚度为30-100nm的金作为第二层种子金属层；在第二层种子金属层上形成图案化的光阻胶层；在图案化的光阻胶层上电镀一层厚度为6.0-9.0μm的铜作为第一层金属层，再电镀一层厚度为0.5-1.0μm的金作为第二层金属层，以构成预定义的金属结构。
5.根据权利要求4所述的葡萄糖生物传感器的制备方法，其特征在于，形成金属结构后，利用去胶剥离设备并且使用丙酮溶液去除光阻胶、使用刻蚀性气体刻蚀掉多余的种子金属层。
6.根据权利要求3所述的葡萄糖生物传感器的制备方法，其特征在于，清洗硅基板包括如下步骤：利用异丙胺溶液进行一次清洗，再用去离子水溶液进行二次清洗。
7.根据权利要求3所述的葡萄糖生物传感器的制备方法，其特征在于，制备SU-8模子包括如下步骤：
S1：在硅基板上旋涂SU-8光阻胶，并在60-70℃温度下软烘5mins，接着在90-100℃温度下软烘20mins；
S2：将S1所得的半成品在240mJ/cm2的UV光下曝光，接着进行曝光后烘焙，即在60-70℃温度下烘焙5mins，90-100℃温度下烘焙10mins；
S3：利用SU-8显影液，将S2所得的半成品芯片显影30mins并用去离子水溶液进行冲洗，冲洗后用氮气吹干半成品芯片，将半成品芯片在145-155℃温度下硬烘20mins，得到成品SU-8模子。
8.权利要求1-2任意一项所述的葡萄糖生物传感器，或权利要求3-7任意一项方法在生物传感领域和/或微波谐振器领域中的应用。
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