CN1566938A - 多参数微传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术，特别是一种微型生物传感器集成化技术。本发明多参数微传感器，由载体材料、薄膜微电极阵列、微型反应室和进样微腔组成，在载体材料表面固设有薄膜微电极阵列；薄膜微电极阵列由工作电极和对电极组成，各工作电极和对电极都有引出端，引出端上连有导电引线；在工作电极和对电极之间有微型反应室，微型反应室连有进样微腔。本发明在应用上可以检测全血中多个生化指标，把集成传感器阵列制作成一次性检测试条，其生产工艺采用先进的微机电系统(MEMES)工艺，既保证了检测的可靠性和一致性，又降低了试条的生产成本，采用简单有效的酶的固定方法，使得试条的生产更为简便，而且系统的响应快，灵敏度高等优点。

Description

多参数微传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术，特别是一种微型生物传感器集成化技术，是一种基于微机电系统(MEMS)技术的多参数微传感器阵列集成化试条及其多参数全血生化检测微系统。
背景技术
微型生物传感器集成化技术研究是目前国际生物传感器的前沿和热点问题，在医药、卫生、食品、环境科学领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。微电极的设计、工艺、检测、集成等背景技术对微系统性能具有重要的影响。目前依托于丝网印刷的厚膜技术用于制作单参数的一次性传感器试条以及检测仪表已经开始商品化生产，但是这种采用厚膜技术的传感器试条制作耗时、耗材，工艺较为复杂而且在响应时间、灵敏度、稳定性等方面不如基于先进的微机电系统(MEMS)制造技术的薄膜电极。在检测技术中生物酶的固定技术对传感器的响应时间、灵敏度、使用寿命等性能有至关重要的影响，目前生物酶的固定方法有很多，因此寻找一种简单易于生产并且使传感器阵列具有较好的分析性能的酶固定方法是微系统应用开发中不可缺少的关键技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，用微机电系统(MEMS)制造技术生产一种响应时间快、灵敏度高、使用寿命长的多参数微传感器。
本发明的另一目的是，这种多参数微传感器对生物酶有较好的固定性能，且工艺简单。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种多参数微传感器，由载体材料、薄膜微电极阵列、微型反应室和进样微腔组成，其在载体材料表面固设有薄膜微电极阵列；薄膜微电极阵列由工作电极和对电极组成，各工作电极和对电极都有引出端，引出端上连有导电引线；在工作电极和对电极之间有微型反应室，微型反应室连有进样微腔。
所述的多参数微传感器，其所述工作电极和对电极表面有一层金属纳米颗粒。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作，包括以下步骤：
(1)预清洗：首先将载体材料放在浓硫酸和重铬酸钾(25∶1)混合溶液中浸泡，再用去离子水冲洗，直到载体材料表面亲水为止，最后放在烘箱里烘干；
(2)薄膜制备：采用真空镀膜法先沉积铬，取出，再沉积金；
(3)甩胶、光刻、显影：在匀胶机上沉积负性光刻胶，经烘箱里烘干，然后在光刻机上曝光，再在负胶显影液中显影，接着用负胶清洗液冲洗，最后在烘箱里再烘干；
(4)腐蚀金：在碘和碘化钾(1∶4)混合溶液中浸泡，直到除电极以外部分的金完全腐蚀为止；
(5)腐蚀铬：在氢氧化钠和高锰酸钾溶液中浸泡，直到除电极以外部分的铬完全腐蚀为止；
(6)去胶：采用干刻或湿刻方法去除表面胶膜；
(7)完成：得到产品。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(1)中，载体材料在浓硫酸和重铬酸钾(25∶1)混合溶液中浸泡时间≥6小时；在80℃烘箱里烘烤1.5～2.5小时。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(2)中，真空镀膜条件为：真空度10-3Pa，温度180℃；铬沉积190～210埃，金沉积2980～3020埃。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(3)中，负性光刻胶沉积1.4～1.6μ，在80℃烘箱里烘25～35分钟，然后在光刻机上曝光1～2秒，再在负胶显影液中显影1～2分钟，接着用负胶清洗液冲洗1～2分钟，最后在180℃烘箱里再烘35～45分钟。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(6)中，干刻法采用反应离子刻蚀机腐蚀，其工艺条件为：RF功率为50Watt，刻蚀气体为30ml/分钟的氧气，工作气压为4Pa，自偏压为50Volt，刻蚀时间为10～15分钟。
所述的多参数微传感器，其所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(6)中，湿刻法就是把电极阵列放在发烟HNO3中浸泡10～15分钟左右，取出，用去离子水冲洗，直到在显微镜下观察到电极阵列表面的胶已去除为止。
所述的多参数微传感器，其所述微电极表面有一层金属纳米颗粒，是采用电化学沉积的方法在微电极上沉积一层铂黑颗粒；可采用不同的电化学沉积条件组装不同比表面积的金属纳米颗粒。
所述的多参数微传感器，其特征在于，所述表面有一层金属纳米颗粒的微电极，可将含有基体溶液和酶的混合溶液直接吸附在多孔疏松状的金属纳米颗粒层内。
所述的多参数微传感器，其微系统的检测原理是在修饰了多孔的铂黑微电极阵列上，不同微电极同时吸附了不同的生物酶和电子媒介体，当固定在各自的工作电极上的氧化酶分别将各自底物进行氧化作用时，电子媒介体将还原酶氧化成氧化酶，氧化酶再进一步对其底物进行氧化，并使电子媒介体变成还原态，累积的还原态电子媒介体在工作电极上较低电压下氧化，其氧化电流与待测底物成正比。
所述的多参数微传感器，其所述载体材料包括玻璃、玻璃纤维和高分子绝缘材料。
所述的多参数微传感器，其所述高分子绝缘材料为环氧树脂、聚亚酰氨酯(PEO)、乙烯-对二苯酸酯(PET)。
所述的多参数微传感器，其所述微型反应室，其功能是为了减小反应产物的瞬间扩散和酶的流失，微腔由两端通的毛细管构成使得样品在毛细管力的作用下可瞬间充满整个微型反应室。
所述的多参数微传感器，其通过薄膜微电极阵列引出端上的导电引线与微型仪表相连，构成便携式多参数全血生化检测微系统。
所述的多参数微传感器，其所述微型仪表为便携式检测仪表，设有独特的微弱信号的检测电路。
本发明解决了微系统的设计、工艺、金属纳米颗粒组装、酶的固定化、稳定性、封装、多参数检测方法以及多参数传感器与检测电路系统集成等关键技术，利用本发明将微机械制造技术，电化学技术、多通道微弱信号检测技术、数字化和智能化技术应用于微量全血样品的生化多参数检测分析。微系统具有工艺流程短、制造成本低、使用简便、检测迅速、重复性好等优点，适合于家庭、临床快速低创生化检测，对糖尿病患者及大众医疗保健具有重要的意义，因此，具有良好的商业化前景。对社会经济发展，国家人类健康和科技自身发展具有重要的意义。
本发明与目前国内外产品比较具有许多优势，首先在应用上可以检测全血中多个生化指标，再次由于一次性试条的生产工艺采用先进的微机电系统(MEMES)工艺，既保证了检测的可靠性和一致性，又降低了试条的生产成本，采用简单有效的酶的固定方法，使得试条的生产更为简便，而且系统的响应快，灵敏度高等优点。
附图说明
图1本发明多参数微传感器设计图；
图2本发明多参数微传感器微机电系统(MEMS)工艺流程图；
图3本发明多参数微传感器电极上铂黑颗粒SEM图；
图4本发明多参数微传感器不同活性电极表面循环伏安图；
图5本发明多参数微传感器对葡萄糖溶液的响应图；
图6本发明多参数微传感器对乳酸溶液的响应图；
图7本发明多参数微传感器葡萄糖和乳酸溶液的响应的线性关系图。
具体实施方式
下面根据附图结合实例详细描述本发明的实现方式：
实施例1：
图1表示本发明实施例的多参数微传感器设计图，主要包括以下部分：电极制作采用微机电系统(MEMS)工艺，其中工作电极和对电极采用相同的贵金属金或铂溅射或者蒸发在玻璃或PET材料基质上(10.0×26.0×1.0mm3)，在薄膜工作电极1(0.8×0.6mm2)和对电极2(1.0×8mm2)上制作SU8胶绝缘层6(10×10×0.2mm3)，经曝光后，即可得到反应沟道4(10×1.5×0.2mm3)，在露出的工作电极周围制作SU8反应室3(0.8×0.6×0.02mm3)，在反应沟道4上面粘贴一层聚合物作为封装层5(10×4.0×0.2mm3)，形成进样微腔，加上电极引线7组成了一个完整的传感器试条。测试时将带有引线的一端插入微型仪表，构成便携式多参数全血生化检测微系统。
该微系统的检测原理是在修饰了多孔的铂黑微电极阵列上，不同微电极同时吸附了不同的生物酶和电子媒介体，当固定在各自的工作电极上的氧化酶分别将各自底物进行氧化作用时，电子媒介体将还原酶氧化成氧化酶，氧化酶再进一步对其底物进行氧化，并使电子媒介体变成还原态，累积的还原态电子媒介体在工作电极上较低电压下氧化，其氧化电流与待测底物成正比。
该微型仪表为便携式检测仪表，设有独特的微弱信号的检测电路。
实施例2：
图2为本发明采用微机电系统(MEMS)工艺的制作薄膜电极阵列主要工艺流程图，包括以下几个步骤：
(1)预清洗：首先将载体材料玻璃片9放在浓硫酸和重铬酸钾(25∶1)混合溶液中浸泡6小时以上然后取出，用去离子水冲洗，直到玻璃片表面亲水为止，最后放在80℃烘箱里烘2小时。
(2)薄膜制备：在真空度为10-3Pa、温度为180℃时，采用真空镀膜法沉积200埃铬(Cr)8，取出再沉积3000埃金(Au)11。
(3)甩胶、光刻、显影：在匀胶机上沉积1.5μ负性光刻胶10，在80℃烘箱里烘30分钟。然后在光刻机上曝光1.5秒，在负胶显影液中显影1分钟，接着用负胶清洗液冲洗1分钟，最后在180℃烘箱里烘40分钟。
(4)腐蚀金(Au)11：在碘和碘化钾(1∶4)混合溶液中浸泡，直到除电极以外部分的金(Au)11完全腐蚀为止。
(5)腐蚀铬(Cr)8：在氢氧化钠和高锰酸钾溶液中浸泡，直到除电极以外部分的铬(Cr)8完全腐蚀为止。
(6)去胶：采用干刻或湿刻方法去除表面胶膜，干刻法采用反应离子刻蚀机腐蚀，其工艺条件为：RF功率为50Watt，刻蚀气体为30ml/min的氧气，工作气压为4Pa，自偏压为50Volt，刻蚀时间为10min。湿刻法就是把电极阵列放在发烟HNO3中浸泡10分钟左右，取出，用去离子水冲洗，直到在显微镜下观察到电极阵列表面的胶已去除为止。
实施例3：
图3是根据本发明，采用电化学沉积的方法在微电极上沉积一层铂黑颗粒从而获取多孔疏松状的高比表率电极表面的SEM照片。其方法是首先将被沉积铂黑的微电极与CHI 660A电化学工作站工作电极的引线连接，用粗铂丝电极与工作站的对电极引线和参比电极引线同时连接，在24mMH2PtCl6，2mM PbAC组成的电解质溶液中，采用恒电流(100μA/cm2)通电120s。
在微电极阵列上为了获取多孔的活性电极表面而采用不同的电化学沉积条件组装不同比表面积的金属纳米颗粒，金属纳米颗粒层可以牢固吸附基体溶液和酶的混合溶液。
图4为镀铂黑前后以及加酶与不加酶微电极的循环伏安图的比较中可以看出在电极的表面沉积铂黑可以有效地增加电极的比表面积，使响应电流明显增大，即使在吸附固定一定量的生物酶后，电流也基本不变，说明生物大分子固定在多孔的铂黑颗粒中不会对铁氰化钾等小分子的电子媒介体的电子转移有影响。
图4中的循环伏安图的测试液均为1mM铁氰化钾，基相溶液为pH7.4的10mM磷酸盐缓冲液；扫描速度为100mV/sec。参比电极与工作电极为同一种电极材料。
实施例4：
采用微操作仪，对实施例3所得微电极上的反应室里分别滴加葡萄糖氧化酶、铁氰化钾和基相溶液的混合溶液，乳酸氧化酶、铁氰化钾和基相溶液混合溶液，这些溶液直接吸附在多孔疏松状的微电极上。
采用安培法测试对不同浓度的葡萄糖和乳酸检测所得响应曲线分别如图5，6。图中表明在传感器试条上加入底物时，电流迅速增大，并在小于60秒的时间内达到稳态，因此，可以用于全血的快速检测。图7是系统对两种底物标定曲线，结果表明在一定的浓度范围内两种底物的线性关系相当好，且响应电流的灵敏度好，能够满足全血快速检测的基本要求。
微型反应室的功能是为了减小反应产物的瞬间扩散和酶的流失，微腔由两端通的毛细管构成使得样品在毛细管力的作用下可瞬间充满整个微型反应室。
本系统的操作方法可简要概述如下：
首先关闭微型仪表电源，将新的密码牌放入插槽。每次使用新的一盒多参数微传感器检测试条，必须换上新的密码牌。待插入本发明所制成的多参数微传感器检测试条，微型仪表自动开启(也可以按钮开启)，当滴血符号闪烁时，将血液样本紧贴试条边缘，血液自动在毛细管力的作用下通过反应沟道4并迅速充满整个微型反应室3，当听到“B”的一声时，测试开始。一定时间后，结果按一定的顺序轮次显示在微型仪表的显示屏上。

Claims (16)

1、一种多参数微传感器，由载体材料、薄膜微电极阵列、微型反应室和进样微腔组成，其特征在于，在载体材料表面固设有薄膜微电极阵列；薄膜微电极阵列由工作电极和对电极组成，各工作电极和对电极都有引出端，引出端上连有导电引线；在工作电极和对电极之间有微型反应室，微型反应室连有进样微腔。
2、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，所述工作电极和对电极表面有一层金属纳米颗粒。
3、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作，包括以下步骤：
(1)预清洗：首先将载体材料放在浓硫酸和重铬酸钾混合溶液中浸泡，再用去离子水冲洗，直到载体材料表面亲水为止，最后放在烘箱里烘干；
(2)薄膜制备：采用真空镀膜法先沉积铬，取出，再沉积金；
(3)甩胶、光刻、显影：在匀胶机上沉积负性光刻胶，经烘箱里烘干，然后在光刻机上曝光，再在负胶显影液中显影，接着用负胶清洗液冲洗，最后在烘箱里再烘干；
(4)腐蚀金：在碘和碘化钾混合溶液中浸泡，直到除电极以外部分的金完全腐蚀为止；
(5)腐蚀铬：在氢氧化钠和高锰酸钾溶液中浸泡，直到除电极以外部分的铬完全腐蚀为止；
(6)去胶：采用干刻或湿刻方法去除表面胶膜；
(7)完成：得到产品。
4、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(1)中，浓硫酸和重铬酸钾混合溶液的配比是：25∶1，载体材料在浓硫酸和重铬酸钾混合溶液中浸泡时间≥6小时；在80℃烘箱里烘烤1.5～2.5小时。
5、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(2)中，真空镀膜条件为：真空度10-3Pa，温度180℃；铬沉积190～210埃，金沉积2980～3020埃。
6、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(3)中，负性光刻胶沉积1.4～1.6μ，在80℃烘箱里烘25～35分钟，然后在光刻机上曝光1～2秒，再在负胶显影液中显影1～2分钟，接着用负胶清洗液冲洗1～2分钟，最后在180℃烘箱里再烘35～45分钟。
7、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(4)中，碘和碘化钾混合溶液的配比是1∶4。
8、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(6)中，干刻法采用反应离子刻蚀机腐蚀，其工艺条件为：RF功率为50Watt，刻蚀气体为30ml/分钟的氧气，工作气压为4Pa，自偏压为50Volt，刻蚀时间为10～15分钟。
9、如权利要求3所述的多参数微传感器，其特征在于，所述薄膜微电极阵列的工艺制作步骤(6)中，湿刻法就是把电极阵列放在发烟HNO3中浸泡10～15分钟左右，取出，用去离子水冲洗，直到在显微镜下观察到电极阵列表面的胶已去除为止。
10、如权利要求2所述的多参数微传感器，其特征在于，所述微电极表面有一层金属纳米颗粒，是采用电化学沉积的方法在微电极上沉积一层铂黑颗粒；可采用不同的电化学沉积条件组装不同比表面积的金属纳米颗粒。
11、如权利要求2或10所述的多参数微传感器，其特征在于，所述表面有一层金属纳米颗粒的微电极，可将含有基体溶液和酶的混合溶液直接吸附在多孔疏松状的金属纳米颗粒层内。
12、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，微系统的检测原理是在修饰了多孔的铂黑微电极阵列上，不同微电极同时吸附了不同的生物酶和电子媒介体，当固定在各自的工作电极上的氧化酶分别将各自底物进行氧化作用时，电子媒介体将还原酶氧化成氧化酶，氧化酶再进一步对其底物进行氧化，并使电子媒介体变成还原态，累积的还原态电子媒介体在工作电极上较低电压下氧化，其氧化电流与待测底物成正比。
13、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，所述载体材料包括玻璃、玻璃纤维和高分子绝缘材料。
14、如权利要求13所述的多参数微传感器，其特征在于，所述高分子绝缘材料为环氧树脂、聚亚酰氨酯(PEO)、乙烯-对二苯酸酯(PET)。
15、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，所述微型反应室，其功能是为了减小反应产物的瞬间扩散和酶的流失，微腔由两端通的毛细管构成使得样品在毛细管力的作用下可瞬间充满整个微型反应室。
16、如权利要求1所述的多参数微传感器，其特征在于，通过薄膜微电极阵列引出端上的导电引线与微型仪表相连，构成便携式多参数全血生化检测微系统。
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