專利名稱：一種用于電化學(xué)免疫檢測(cè)的微電極陳列芯片傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于電化學(xué)生物免疫檢測(cè)的微電極集成陣 列芯片傳感器。
背景技術(shù)：
電化學(xué)檢測(cè)方法是利用電極將不同物質(zhì)發(fā)生的生化反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從 而確定物質(zhì)間進(jìn)行反映的微觀過程，物質(zhì)含量等。根據(jù)電化學(xué)檢測(cè)原理的不同可以分為電 流法、電位法、電導(dǎo)法等。自電化學(xué)的方法發(fā)明以來，經(jīng)過不斷地發(fā)展，對(duì)電極與溶液界 面的特性研究己經(jīng)具有了非常好的理論基礎(chǔ)，電化學(xué)檢測(cè)可以應(yīng)用于無機(jī)離子、有機(jī)離子、 蛋白質(zhì)、氨基酸、DNA等分析物。這也是此方法可以廣泛用于生物傳感器的原因。
生物傳感器是在化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是由產(chǎn)生信號(hào)的敏感元件(分子識(shí) 別元件)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器件組成。生物傳感器的發(fā)展始于1962年，當(dāng)時(shí)L.c.clark將電極與含 有葡萄糖氧化酶的膜結(jié)合應(yīng)用于葡萄糖檢測(cè)。隨后其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，檢測(cè)方法也不斷 改進(jìn)。根據(jù)檢測(cè)物質(zhì)的不同，可分為免疫傳感器、DNA傳感器、酶傳感器、細(xì)胞傳感器等 幾類。
最近二三十年里，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)的發(fā)展使生物傳感器及其生化分析儀器 進(jìn)一步向小型化、數(shù)字化和高可靠性的方向發(fā)展。隨著生物技術(shù)的日臻完善、微電子學(xué)技 術(shù)的迅速發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的迫切要求，作為一種多學(xué)科交叉的高技術(shù)、作為一種強(qiáng) 有力的分析工具，生物傳感器己成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、國防、環(huán)境、食品工業(yè)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)對(duì)電化學(xué)生物傳感器的最主要影響是電極的改進(jìn)，電極的尺寸 有原來的常規(guī)電極發(fā)展到了微電極。傳統(tǒng)分別使用的三電極系統(tǒng)電極(參比電極、輔助電 極、工作電極)可以集成于一個(gè)芯片上； 一個(gè)傳感器器件上就可以集成多個(gè)具有獨(dú)立檢測(cè) 功能的電極，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)器件可以同時(shí)檢測(cè)多種生物樣品。微電極不僅僅具有小型化 的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它與常規(guī)電極相比具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，即極高的穩(wěn)態(tài)電流密度、極 短的響應(yīng)時(shí)間、極化電流小、傳質(zhì)速率高、信噪比大等特點(diǎn)。
目前對(duì)微電極的研究方向是制造一種具有高穩(wěn)定性，高響應(yīng)特性，可重復(fù)性高的電極。 用于電化學(xué)檢測(cè)的三個(gè)電極全部集成制造于一個(gè)芯片上，對(duì)于檢測(cè)的穩(wěn)定性具有非常重要 的意義。減小工作電極與輔助電極的距離也成為了一種增加響應(yīng)特性的主要趨勢(shì)。使用 Ag/AgCl作為參比電極，利用MEMS工藝集成于同一個(gè)器件之中，提高穩(wěn)定性、可重復(fù)性
3非常關(guān)鍵。同時(shí)制造多個(gè)電極，并且以某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列分布對(duì)于檢測(cè)相應(yīng)特性的提高有 著許多報(bào)道和嘗試。另外對(duì)于電極形狀的探討一直在進(jìn)行。
由于集成電化學(xué)傳感器參比電極和輔助電極引入，必然要考慮其形狀，面積的影響。 在電化學(xué)基本理論中，介紹到當(dāng)工作電極和輔助電極在彼此分開的電解池時(shí)，輔助電極一 側(cè)的反應(yīng)基本可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)工作電極和輔助電極同處一個(gè)電解池時(shí)，輔助電極 一側(cè)的反應(yīng)生成物將嚴(yán)重影響工作電極的反應(yīng)。并指出，不用恒電位的電解反應(yīng)中，希望 輔助電極面積比工作電極面積大很多，外部加的極化作用主要作用于工作電極上。 F丄isdat.D.sch&fer在{Analytical and Bioanalytical Chemistry》雜志發(fā)表的《The use of electrochemical impedance spectroscopy for biosensing》(2008年4月16曰)也指出輔助電 極面積要遠(yuǎn)大于工作電極的面積。張祖訓(xùn)在雜志《電分析化學(xué)進(jìn)展》發(fā)表的《微電極電化 學(xué)模擬新方法有限分析法》通過模擬的方法指出微環(huán)電極的電流密度高于圓盤電極。
于是，在目前MEMS工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造一種具有如下特點(diǎn)的生物芯片將具有非 常大的意義。工作電極，輔助電極，參比電極集成于一個(gè)芯片；增加輔助電極相對(duì)于工作 電極的面積；輔助電極與工作電極結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種響應(yīng)特征明顯，電化學(xué)特性穩(wěn)定，生物匹配性良好的用于 電化學(xué)免疫檢測(cè)的微電極芯片傳感器。
本發(fā)明提出的用于電化學(xué)免疫檢測(cè)的微電極芯片傳感器，是利用現(xiàn)有MEMS工藝技術(shù) 的制備條件，設(shè)計(jì)了一種新的電極結(jié)構(gòu)。該芯片集成了電化學(xué)檢測(cè)使用的三種電極，即工 作電極、輔助電極和參比電極。這三種電極通過MEMS工藝制作于同一個(gè)芯片上，其結(jié)構(gòu) 如圖1所示。工作電極為目前使用最為成熟的圓盤電極，工作電極由具有良好生物相容性 的Au材料制作。芯片中制作了多個(gè)工作電極，按照一定規(guī)則成陣列分布。輔助電極為與 工作電極同心的幾端環(huán)弧相連構(gòu)成，輔助電極的面積對(duì)于整個(gè)芯片的響應(yīng)特性產(chǎn)生影響， 相對(duì)于工作電極而言面積較大的輔助電極可以使芯片工作更加穩(wěn)定，但是對(duì)于同一個(gè)芯片 而言，輔助電極面積的增大必然會(huì)使工作電極的面積減小，可能會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)變?nèi)醯膯?題。因此，輔助電極面積應(yīng)根據(jù)工作電極的大小和檢測(cè)的樣品特性來確定。輔助電極的材 料可以使用Au或者Pt。參比電極位于整個(gè)芯片的屮心位置，參比電極為星形，其邊界有 多端弧形邊界組成，并且參比電極的邊界與輔助電極的邊界平行(即兩邊界在各點(diǎn)的法線 方向上的距離相等)，參比電極的邊界與輔助電極的邊界距離為100um 200um，參比電 極使用Ag/AgCl制作完成。
本發(fā)明中，工作電極在芯片中成陣列分布，所有工作電極的圓心在以芯片中心為圓心的圓的邊界上；根據(jù)測(cè)試的不同可以決定工作電極的數(shù)目，工作電極按一定角度在芯片上 均勻分布，電極的數(shù)目可以為3 5個(gè)。工作電極的大小根據(jù)不同測(cè)試的需要、不同的工藝 條件，以及芯片的大小等進(jìn)行確定，本發(fā)明的工作電極半徑在200um 600ym范圍內(nèi)選 擇。
輔助電極在一個(gè)芯片中僅為一個(gè)，由多個(gè)以工作電極為圓心的環(huán)弧相連構(gòu)成，且包圍 了工作電極。在設(shè)計(jì)中，為了有效利用芯片面積，使得相鄰間的環(huán)弧有重疊部分，這些重 疊部分使得輔助電極構(gòu)成了一個(gè)整體，輔助電極的面積大小的控制主要通過改變環(huán)弧半徑 的大小來實(shí)現(xiàn)，使用100"m 500ixm的環(huán)弧半徑對(duì)于芯片的穩(wěn)定工作具有很好的作用。
輔助電極環(huán)弧內(nèi)側(cè)與對(duì)應(yīng)的工作電極圓盤邊緣間的距離對(duì)于電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度具有 重要的影響，距離越小，靈敏度越高。但是加工工藝要求越高。本發(fā)明采用的距離為50 u m ~200 ti m。
芯片上的三種電極由各自的電極導(dǎo)線引出。芯片通過封裝，與陶瓷底座一起構(gòu)成傳感 器，通過硅膠封裝導(dǎo)線，同時(shí)硅膠沿著芯片邊緣封裝與底部的陣列芯片構(gòu)成凹槽，作為微 電極芯片傳感器的檢測(cè)池(電解池)。該發(fā)明使用了集成芯片，不需要外加電極，保證了 測(cè)量的穩(wěn)定性。
上述微電極陣列芯片傳感器制作采用微電子機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)， 本發(fā)明通過 以下具體步驟來實(shí)現(xiàn)-
1. 在P型硅襯底上熱氧化生長二氧化硅，作為絕緣層。
2. 使用piranha溶液(H2S04: H202=3: 1)清洗二氧化硅表面，去離子水清洗去除 雜質(zhì)，烘干硅片；光刻，使用正膠形成工作電極圖形。氧等離子體濺射打底膜。
3. 濺射PVDTi作為電極的粘附層，濺射Au作為工作電極；采用lift-off工藝去除光 刻膠形成工作電極圖形。
4. 光刻，使用正膠形成輔助電極圖形，氧等離子體濺射打底膜，濺射PVDTi作為電 極粘附層，濺射PVDAu或者Pt作為輔助電極，lift-off工藝去除光刻膠，形成輔助電極圖 形。
5. 光刻，使用正膠形成參比電極圖形，氧等離子體濺射打底膜，濺射PVDTi作為粘 附層，濺射PVDAg作為參比電極，lift-off工藝去除光刻膠，形成參比電極圖形。
6. 劃片，打線，硅膠封裝。待硅膠凝固后，電解池加鹽酸，參比電極加正電壓，電 解液加負(fù)電壓構(gòu)成直流通路，通過電化學(xué)反應(yīng)在Ag表面形成AgCl，參比電極制作完成， 傳感器制作完成。
本發(fā)明的制得的電化學(xué)三電極集成芯片集成了電化學(xué)使用的三種電極于一體，避免了外加電極帶來的干擾，極大的提高了電化學(xué)檢測(cè)的信噪比，增強(qiáng)了電化學(xué)檢測(cè)的穩(wěn)定性。 對(duì)于器件的使用操作進(jìn)行了很大的簡化，提高了器件的便攜性，有利于器件的產(chǎn)品化。
本發(fā)明工作電極可以根據(jù)檢測(cè)的需要進(jìn)行多通道檢測(cè)，可以對(duì)多種樣品同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)， 極大地提高了檢測(cè)的效率。
本發(fā)明制作的環(huán)形輔助電極相比傳統(tǒng)的圓形電極具有更高的響應(yīng)電流，輔助電極的面 積增加，對(duì)于提高器件的穩(wěn)定性具有非常重要的幫助。環(huán)形電極的設(shè)計(jì)也使得芯片的有效 利用面積得到了增強(qiáng)。
本發(fā)明在工藝條件內(nèi)，對(duì)輔助電極和工作電極的距離進(jìn)行減小，提高了電化學(xué)檢測(cè)的 精度。
本發(fā)明使用陶瓷底座進(jìn)行封裝，使用絕緣硅膠進(jìn)行封裝， 一方面保證了封裝的絕緣性 能，另一方面硅膠與電化學(xué)三電極集成芯片構(gòu)成電解池，為檢測(cè)工作帶來了很大的方便。


圖1為電極形狀圖形 圖2為傳感器器件結(jié)構(gòu)
圖中標(biāo)號(hào)1是工作電極，2是輔助電極，3是參比電極，4是陶瓷底座，5是封裝硅 膠，6為芯片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例在以本發(fā)明方案為技術(shù)前提下， 給出了詳細(xì)的實(shí)施方案和具體操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于實(shí)施例。
1. 在P型硅襯底上熱氧化生長600nm的二氧化硅，作為絕緣層。
2. 使用piranha溶液(H2S04: H202=3: 1)清洗二氧化硅表面，去離子水清洗去除 雜質(zhì)，烘干硅片；光刻，使用正膠形成工作電極圖形，工作電極半徑為500um。氧等離 子體濺射打底膜。
3. 濺射PVD 20nm的Ti, 300nm的Au;采用lift-off工藝去除光刻膠形成工作電極 圖形，工作電極半徑為500um。
4. 光亥ij，使用正膠形成輔助電極圖形，氧等離子體濺射打底膜，濺射PVD20腿Ti， 300nmPt， lift-off工藝去除光刻膠，形成輔助電極圖，形輔助電極的環(huán)徑為200 w m，輔助 電極與工作電極的距離為100 um。
5. 光刻，使用正膠形成參比電極圖形，氧等離子體濺射打底膜，濺射PVD20nmTi， 400nmAg， lift-off工藝去除光刻膠，形成參比電極圖形，參比電極的邊界與輔助電極邊界的距離為100 um。
6.劃片，打線，硅膠封裝。待硅膠凝固后，電解池加鹽酸，參電極加正電壓0.5V， 電解液加負(fù)電壓構(gòu)成直流通路，通電5s，通過電化學(xué)反應(yīng)在Ag表面形成AgCl，參電極制 作完成，傳感器制作完成。
傳感器制作完成后，使用電化學(xué)分析儀，采用循環(huán)伏安法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)封裝完成的芯 片進(jìn)行裸電極的測(cè)試。電化學(xué)分析儀輔助電極和工作電極連線分別與傳感器芯片的輔助電 極和工作電極相連構(gòu)成通路，參比電極導(dǎo)線與連接芯片參比電極提供基準(zhǔn)電壓。在傳感器 的電解池中加入lOmMPBS溶液和lOmM二茂鐵甲醇的混合溶液，PBS為支持電介質(zhì)，二 茂鐵甲醇為探針。以0.1V/s，在-0.5V 0.5V進(jìn)行掃描，測(cè)得循環(huán)伏安曲線。對(duì)本發(fā)明的傳 感器進(jìn)行測(cè)試，得到氧化峰的峰值為3.43wA，還原峰的峰值為3.34iiA，通過計(jì)算可以得 到其峰值電流密度分別為0.437mA/cn^和0.425mA/cm2。說明該傳感器具有較高的靈敏度。
本發(fā)明可以用于生物醫(yī)藥等多領(lǐng)域的各種樣品的檢測(cè)。本發(fā)明可以通過電化學(xué)原位共 沉積的的方法將抗體包埋于電聚合的膜中，從而可以用于不同目標(biāo)檢測(cè)的芯片傳感器。也 可以制備聚鄰苯二胺絕緣膜包埋的抗體部分絕緣膜進(jìn)行電化學(xué)分析?；蛘卟捎米越M裝分子 的方法將抗體固定到工作電極，從而構(gòu)成具有不同檢測(cè)目的的生物傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用于電化學(xué)免疫檢測(cè)的微電極陣列芯片傳感器，該傳感器的芯片由MEMS加工技術(shù)集成了電化學(xué)檢測(cè)使用的三電極工作電極、輔助電極、參比電極，其特征在于所述工作電極有3～5個(gè)，每個(gè)工作電極為圓盤形，圓盤半徑為200μm-600μm，工作電極的圓心位于以芯片中心為圓心的一個(gè)圓上，均勻分布；所述的輔助電極由與工作電極同心的幾段環(huán)弧相連構(gòu)成，包圍了工作電極，且為一個(gè)整體，各段環(huán)弧的半徑為100μm～500μm；所述的參比電極位于芯片的中心位置，參比電極的邊界由多段弧形組成，并且，參比電極的邊界與輔助電極的邊界平行，兩電極邊界之間的距離為100μm～200μm；三種電極由導(dǎo)線引出；芯片封裝于陶瓷底座上，通過硅膠封裝絕緣導(dǎo)線，同時(shí)硅膠沿著芯片邊緣封裝，形成凹槽構(gòu)成電解池，微電極陣列芯片是電解池的底。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極陣列芯片傳感器，其特征在于輔助電極的各個(gè)環(huán)弧 內(nèi)側(cè)與對(duì)應(yīng)的工作電極圓盤邊緣間的距離為50 u m -200 p m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極陣列芯片傳感器，其特征在于所述的工組電極采用 Au,所述的輔助電極采用Au或Pt，所屬的參比電極采用Ag/AgCl。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于電化學(xué)檢測(cè)的微電極陣列芯片傳感器。本發(fā)明使用硅基材料進(jìn)行制造，芯片集成了電化學(xué)檢測(cè)的工作電極、輔助電極和參比電極，具有很好的信噪比。輔助電極和工作電極構(gòu)成環(huán)盤結(jié)構(gòu)，輔助電極與工作電極間的距離小，提高了電極的靈敏度。多個(gè)工作電極成陣列分布，可以用于多通道檢測(cè)。本發(fā)明可以廣泛用于生物醫(yī)藥等多領(lǐng)域的檢測(cè)。本發(fā)明采用MEMS工藝進(jìn)行制造，工藝簡單，成本低。
文檔編號(hào)G01N33/53GK101609063SQ20091005488
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者嘉 周, 春 徐, 柴曉森 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)