CN1947015A - 基于应力的化学反应的静电监测 - Google Patents

Abstract

静电电容测量被用于高灵敏度地检测化学或生物学的分析物或化学相互作用。膜片涂有可选择性地与所关心的分析物相互作用的材料，且该分析物与涂层的相互作用施加沿膜片表面切向的应力。这些应力引起可作为可变电容被感测的膜片位移。

Description

基于应力的化学反应的静电监测

相关申请

本申请要求2004年3月2日提交的美国专利申请10/791108的权益和优先权，通过引用将其全部公开内容结合在此。

技术领域

本发明涉及测量仪器，尤其涉及用于测量分析物结合和化学反应进程的仪器。

背景技术

分析物的存在和浓度以及化学反应的进程和效率通常被直接(如通过光监测，如果反应在光吸收特性上产生可观测的变化)或间接(如通过质量或体积的变化)测量。通常采用的方法中，许多需要加入一种标记化合物，这种标记化合物的属性(如荧光性、放射性、化学发光性或吸收率)能被灵敏地检测。然而，这些方法需要研发标记试剂、给检测过程增加步骤、以及改变分析物。如果没有标记化合物，传统的测量要在总体规模上进行，结果就需要分析物的真实量。

最近，在微观尺度采用小的微机械悬臂和挠性板波(FPW)传感器以帮助监测化学反应和相互作用，可以获得增强的灵敏度。在悬臂中，反应被转换成机械应力。这些应力被高灵敏度地检测。然而，由于指针是小尺寸和脆弱的，而同时需要将分析物从读出器件中分离，因此难以安装和操作悬臂器件。因为悬臂是很精致的，所以应用选择性涂层会很困难。为了将分析物从读出电子设备中分离，可以采用通常借助反射作用的光读出。

FPW系统可以利用膜片，该膜片通过相互交叉的指针声学受激以建立驻波图案。该膜片涂有选择性材料，而分析物与该涂层的相互作用会增加该膜片的有效厚度，从而影响驻波的频率，以指示相互作用度。因为这些器件由传导、机械以及压电层构成，因此双金属效应会产生不希望的温度敏感性。为了减小热变形，FPW传感器通常运行在高的共振频率上。不幸的是，高的共振频率本身限制灵敏度(此外需要更复杂的电子设备)。

发明内容

本发明通过采用静电电容测量以高灵敏度检测所需的化学或生物学分析物或化学相互作用克服了这些问题。膜片涂有可选择性地与所关心的分析物进行相互作用的材料，而分析物与涂层的相互作用会施加沿膜片表面切线方向的应力。这些应力产生膜片位移，该膜片位移作为膜片和安装在与膜片相对位置的极板之间的可变电容而被感测，该膜片包括或由导电材料组成，从而起电极的作用。膜片优选为单一材料，诸如掺硼硅，以减小或消除热导致的偏转。结合导致应力，该应力使膜片偏转并改变膜片和极板间的间隙的大小。

涂层例如可以包括多肽(如抗体)、核酸或其它与所关心的自由分析物相互作用的生物分子。然而，更一般地，本发明适合于与如下所述的易于捕获和结合的任何分子种类结合使用。

因此，在第一方面中，本发明的特征在于传感器，该传感器包括膜片和与膜片间隔并相对的极板，该膜片在一面上包括导电部分和选择性涂层。选择性涂层与分析物的相互作用使膜片变形，从而改变传感器的电容，以指示相互作用(如结合和/或化学反应)的度。

不像基于悬臂的方法，本发明的膜片可以配置为将电极间隙与分析物流分开以保护电极间隙。极板通过微机械加工置于晶片层级，从而产生更紧凑、便宜和坚固的设计。相对通常的FPW器件，单一材料膜片提供增强的灵敏度以及减小的热易感性。

为了使灵敏度最大，选择性涂层可以只覆盖膜片表面的一部分，例如，它的中心半区或外部。因为膜片的偏转对压力差是敏感的，所以在膜片两侧的压力需要相等。例如，通过采用穿过极板的穿孔和/或在膜片的相对面间的压力释放通道或孔，可以使压力相等。

在一些实施例中，整个膜片是导电的(如硅)，然而，在其它实施例中，膜片包括导电保护膜。选择性涂层例如可以包括多肽(如抗体或酶)或抗原。

在第二方面中，本发明的特征在于检测与选择性材料结合或反应的方法。该方法采用传感器，该传感器包括具有导电部分的膜片、在膜片一面上的选择性涂层、以及与膜片间隔并相对的极板。选择性涂层与分析物的相互作用使膜片变形，从而改变传感器的电容。因此，该方法包括测量传感器的电容，以确定分析物和选择性涂层间的相互作用的度。

在一些实施例中，测量步骤包括将传感器电容与参考电容进行比较。例如，参考电容可以等于没有与选择性涂层作用时传感器的电容。

该方法可以进一步包括至少将选择性涂层暴露于流体的步骤；测量步骤指示与涂层结合的分析物是否存在于流体中。流体可包括气体或液体。变形可与结合能量成比例，其指示结合的度。

因为本发明适合硅微机械加工且由于可以获得小的器件尺寸，所以阵列中的调配不仅是可行的也是所期望的。阵列提供冗余度和采用大量选择性涂层的可能性，以加强鉴别和进行定量测量。

附图说明

以下参阅附图，通过对本发明作更详细的说明，将使上述讨论更容易被理解，其中：

图1示出本发明传感器的透视截面图；

图2示出本发明涂敷的膜片的平面图；

图3图示出图2中所示膜片的弯曲行为；以及

图4图示出分析物分子层的可溶解分数对膜片长度和厚度；

图5图示出由在膜片上1大气压产生的距离基准线的最大偏转对膜片长度和厚度的关系；

图6图示出由快速下降限制的激励电压对膜片长度和厚度；

图7图示出由单个分析物层产生的偏转对膜片长度和厚度；

图8示意示出与本发明相关的有用的检测电路。

各个元件可能未按比例制作。

具体实施方式

参考图1，本发明的典型测量器件100包括固定装置或基底105，它会保护导电膜片110的边缘。膜片可以是圆形、矩形(如图所示)或其它形状。(如本文中所采用的，术语“导电”意思是可导电的或半导电的，和那些术语在技术中所表示的意思相同。)以下将会更详细描述的选择性涂层115被加在膜片110的底面。因为膜片110和由基底105提供的支撑是连续的，所以涂层115位于由基底形成的空腔中。

绝缘层120(如橡胶或塑料涂层，或是氧化物)被设置于基底105的上表面。极板125被固定到与膜片110相对的绝缘层120上，从而形成膜片和极板间的间隙。

通常在运行期间，在膜片110的两侧保持相等的压力是重要的。为此目的可以采用几种方法中的一种或多种。如图1所示，可将极板125穿孔。此外，基底105可以包括一个或多个孔径或阀门；期望的是，这些孔径或阀门被置于涂层和膜片区域的外侧，在这些地方它们不会干扰偏转。备选地，膜片110可以不是各面都与基底相接。在基底105和膜片110的一部分间产生的间隙起到使膜片两侧的压力相等的作用。

膜片110可由任何导电材料(如金属、装载色素的聚合体或半导体)构成，但这种材料在足够小的厚度级上必须能经受住反复的应力，以承受作为分析物与涂层115相互作用结果的可测量的变形。此外，优选地，膜片110在其广度上的成分是均匀的，因为例如具有不同热响应特性的多个层的膜片会产生热变形。结构100能以多种方式制备，如通过微机械加工或通过传统的硅工艺技术。例如，膜片110和基底115可以采用掩模和反应离子刻蚀技术由标准六英寸硅晶片制造。传统的氧化和掩模可用于形成绝缘层120。典型的器件例如可以是500μm长、1000μm宽以及1.5μm厚。

选择性涂层115可包括与所关心的分析物结合的化学成分。该成分可以在或位于聚合体、核酸、多肽、蛋白质核酸、与多肽(如酶)相互作用的基底、与基底相互作用的酶、与抗原相互作用的抗体、与一个或多个抗体相互作用的抗原或其它生物分子上。

最简单地，测量器件100可用于检测选择性涂层115暴露于其中的候选溶液中所关心的分析物的存在。如果观察到在噪声阈值之上的应力，那么在候选溶液中的分析物的存在就得以确认。更精细的测量可提供进一步的信息，如对分析物浓度的估计。这可以通过监测结合随时间变化的程度得以完成，且通常需要浓度和结合行为间一些经验的预定的关系。例如，如由在全饱和状态下低于可取得的最大值的最终读出所反映的，小于涂层115的完全平衡饱和度可以直接指示浓度。如果达到饱和，达到该条件的时间或时间应力分布(如观察得到的应力随时间的变化)可以指示浓度(再次，通常通过与先前观测的已知浓度的参考分布进行比较)。

同时，膜片行为的动力学知识可以在没有参考数据的时候使预先的测量更容易。这些知识也可指示器件的设计。参考图2，示例方法采用矩形膜片200，该矩形膜片的长L_D小于它的宽b的一半(即b＞2L_D)，且沿所有边缘被固定。因为宽度远大于长度，所以该配置可被精确地模型化为简支梁。假定膜片由诸如厚度为h_si的硅等弹性材料制成。涂层115具有统一的厚度h_c，覆盖50％的膜片200的面积且从L_D/4延伸到3L_D/4。分析物与涂层115的结合在硅膜片200上施加压缩或拉伸的应力。尽管应力可能是双轴的，但是随后的梁分析只考虑使膜片偏转的纵向应力。

涂层115的杨氏模量的合理估计是硅的杨氏模量(以下记作Y_si)1％，这代表多种聚合体的值。作为应力上限，假定如果没有限制，薄膜可以收缩1％，从而可用于使膜片变形的应力为10^-4Y_si。

轴向的支撑轴向力被模型化为加在x＝L_D/4和x＝3L_D/4处的扭矩耦。扭矩大小为：

M＝ε_cY_cbh_c(y_c-y_om)                    Eq.1

其中，Y_c＝涂层杨氏模量(1.68×10^-9N/m²)；ε_c＝未限制的应变(0.01)；b＝膜片200的宽度(涂层115横跨整个宽度b)；h_c＝涂层加上分析物的厚度(10^-9m，一个单层涂层和一个分析物)；以及y_c-y_om＝当施加纯扭矩时，涂层中心与扭矩输出的中轴线间的垂直距离。

覆盖板(图2中L₁＝L₂)的中部的涂层时，最大偏转是：

$y_{\mathrm{cen}}=\frac{{\mathrm{ML}}_D^2}{8R_M}---\mathrm{Eq}.2$

其中，L_D＝膜片长度(假定小于50％b)，R_M＝单位扭矩的曲率半径(YI项的和，惯性量I是相对扭矩中轴线计算的)。这在图3中示出。用以偏转膜片中心所需的点力由下式给出：

$F_{\mathrm{cen}}=k_{\mathrm{cen}}{y}_{\mathrm{cen}}=\frac{192R_M}{L_D^3}{y}_{\mathrm{cen}}---\mathrm{Eq}.3$

相应于不同负荷，膜片110的偏转和应变被直接确定(当然，可以采用已出版的表格，见如R.J.Roark和W.Young，Formulas for Stressand Strain，McGraw-hill(5th ed.1975)，408页)。在几种情形中，对较大尺寸是较小尺寸1.5倍的支持的和固定的边缘，各种值可以进行列表。对此情形，板可以被模型化为非常宽(平面应变假定)，使得低压结果可以与列表的封闭形式的解进行比较。

适用于本发明并提供精确的电容测量的代表电路800如图8所示。电路包括两个测量器件100，每个具有相同的基准电容并记作C₁、C₂。单个测量器件100的电容由下式给出：

$C_s=\frac{\mathrm{\ϵb}{L}_D{F}_{\mathrm{sd}}}{g_s}---\mathrm{Eq}.4$

其中，ε＝自由空间的介电常数(8.85×10^-12F/m)，g_s＝电容器空气间隙(3μm)，以及F_sd＝桥接因子(50％)。对于高效的设计，极板不应该建在不能垂直偏转的膜片部分上。

在运行中，测量器件C₁、C₁是相同的，但只有一个(如C₁)被暴露在候选流体中。另一个(C₂)被用作基准参考，并按需要处于与C₁相同的热环境中。备选地，参考器件可以没有选择性涂层，在此情形中，它也可被暴露在候选流体中。测量器件C₁的一个“板”(即膜片)从AC源802接收随时间变化的电压信号Vsinωt，而测量器件C₂的相同板通过反相器805接收相同信号的反相形式。测量器件C₁、C₂的其它板(即极板)连接在一起，并连接运放807的反相输入端。相应地，如果C₁、C₂的电容相同，那么由于反相器805，所得的电压将是0。

运放807与负反馈电路相连。因为未反相端为地电势，所以输出电压与电压差ΔC＝C₁-C₂成比例。反馈电阻器R_f和反馈电容器C_f桥接放大器807的反相输入端和输出端。放大器807的输入被反馈到电压倍增器810的输入端。倍增器810的另一输入端接收诸如施密特触发器的器件815的输出，该器件815通过由反相器805提供的正弦信号产生矩形波信号。当以此方式配置时，倍增器810用作对来自放大器807的信号进行解调，低通滤波器820从解调信号吸收直流分量。因此由数字电压计(DVM)825读出的电压为：

$V_O=V_{\mathrm{rms}}\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_f}.$

DVM 825通常包括显示器并期望是可编程的，使得所接收的电压可以转换成有意义的读数。最简单地说，DVM 825允许用户设置阈值，如果感测到的电压超过阈值，DVM 825指示所关心的分析物与涂层115的结合。更精巧得是，DVM 825监测并存储随时间变化的电压，且包括可报告的将电压级和它们的时间改变与浓度级相关联的数据库。

要注意到，有源和参考电容器都与放大器输出相连，最小的可检测膜片rms位置信号由下式确定：

$g_{\mathrm{res}}=g_s\frac{V_N}{V_x}\frac{(2C_s+C_N+C_{\mathrm{fb}})}{C_s}\sqrt{2f_{\mathrm{band}}}---\mathrm{Eq}.5$

其中，V_N＝前置放大器输入电压噪声 Vx＝设置为0到峰值的激励电压，f_band＝测量进行的频宽(1Hz)，C_fb＝反馈电容(2pF)，以及C_N＝与前置放大器输入节点相连的附加电容(3pF)。平方根下的因子2包含了0到峰值电压转换为rms时的不确定性。将g_res除以单层的偏转确定可溶解的层的比例。0-p的激励电压理想地设为膜片DC快速下降电压的50％。为了便于计算，极板被假定为刚性的。激励电压使膜片向极板移动一定的电容间隙百分比。DC的快速下降电压根据下式计算：

$V_{\mathrm{snap}}=\sqrt{\frac{8k_{\mathrm{cen}}{g}_s^3}{27L_{D}b{F}_{\mathrm{sd}}\mathrm{\ϵ}}}---\mathrm{Eq}.6$

与假定未受限的涂层加分析物的0.01应变/层相比较的聚合体，聚合体的热膨胀系数通常是20×10^-6/℃。这些数表明热敏感度为0.002层/℃。

膜片长度和厚度与(i)分析物分子层的可溶解分数、(ii)由于在膜片110上1大气压导致的与基准的最大偏转、(iii)对基准情况(见以下)由快速下降限制的激励电压、以及(iv)分析物导致的偏转之间的关系，分别如图4到图7所示。因为膜片被做的较薄或较长，所以快速下降电压减小，使得溶液中的变化很小且粗略地与该量

成比例。如图6所示，快速下降电压与L_D ²h_si ^3/2(膜片长度和厚度)成比例，使得激励电压变化很大。在选择膜片尺寸时，激励电压是首要的考虑。

尽管参考具体细节对本发明做了说明，但是这样的细节不应该作为对本发明的范围的限制，除了所附的权利要求所包括的或者到所附的权利要求所包括的程度。

Claims (21)

1.一种检测与选择性材料结合或反应的方法，所述方法包括步骤：

a提供传感器，包括：

i.包括导电部分的膜片；

ii.位于所述膜片的第一面上的选择性涂层；以及

iii.与所述膜片间隔并与所述膜片相对的极板，所述选择性涂层与分析物的相互作用使所述膜片发生变形并从而改变所述传感器的电容；以及

b测量所述传感器的电容，以确定所述分析物和所述选择性涂层间的相互作用的度。

2.如权利要求1所述的方法，其中整个所述膜片是导电的。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述膜片成分是均匀的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述测量步骤包括将所述传感器电容与参考电容进行比较。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述参考电容等于没有与所述选择性涂层相互作用时所述传感器的电容。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述选择性涂层包括多肽。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述选择性涂层包括抗体。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述选择性涂层包括抗原。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括至少将所述选择性涂层暴露于流体中的步骤，以及用以指示与所述涂层结合的分析物是否存在于流体中的测量步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述流体包括气体。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述流体包括液体。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述变形与结合能量成比例，其指示结合的度。

13.一种传感器包括：

a包括导电部分的膜片；

b位于所述膜片的第一面上的选择性涂层；以及

c与所述膜片间隔并与所述膜片相对的极板，所述选择性涂层与分析物的相互作用使所述膜片发生变形并从而改变所述传感器的电容以指示相互作用的度。

14.如权利要求13所述的传感器，其中整个所述膜片是导电的。

15.如权利要求13所述的传感器，其中所述膜片成分是均匀的。

16.如权利要求13所述的传感器，其中所述选择性涂层只覆盖所述膜片的第一面的一部分。

17.如权利要求13所述的传感器，进一步包括使所述膜片每面的压力相等的机构。

18.如权利要求17所述的传感器，其中使压力相等的机构包括穿过所述极板的穿孔。

19.如权利要求13所述的传感器，其中所述涂层覆盖所述膜片第一面的中心半区。

20.如权利要求13所述的传感器，进一步包括用于报告所述分析物的存在的电路。

21.如权利要求13所述的传感器，进一步包括用于报告所述分析物的浓度的电路。

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