（微电子学与固体电子学专业论文）基于多孔硅生物传感器原理性研究.pdf

摘要 摘要 自1 9 9 0 年发现多孔硅具有室温下高效率发射可见光的特性以来，己逐渐成 为国际研究热点之一。其中包括基础理论、工艺技术、开发应用等。人们发现 它具有若干独特的性能，如极大的比表面、高电阻率、高化学活性等。被誉为 “量子海绵”。随着研究的深入，多孔硅已在许多领域获得了广泛的应用，如 光电子、微波射频微电子学、传感器和生物医学等。本硕士论文工作把重点放 在多孔硅应用于基因芯片、k 十离子选择性微电极和羟基磷酸钙涂布方面的研 究，并取得了如下主要结果： 成功地实现了多孔硅的选择性生长。通过在硅片上淀积2 0 0 0 a 的a u c r 膜，或用能量为5 0 k e v 的氢离子注入低阻p 型硅衬底，形成厚约l p m 的高阻层 做掩蔽膜，腐蚀生成多孔硅微阵列，该微阵列的有序性和完整性良好。 首次提出了多孔硅在基因芯片中的应用，获得了初步实验结果并申请了中 国发明专利。多孔硅对寡核苷酸的固定效率随着孔径的增加而提高，多孔硅芯 片的检测灵敏度高于玻片。经4 种贮存条件考察，可知多孔硅芯片的稳定性良 好。 首次研制成功以多孔硅为衬底的钾离子选择性微电极( k + i s m e ) ，校正曲线 在p k = 1 0 ，4 0 的范围内线性，其斜率为5 6m v ，接近于能斯特响应。 k + i s m e 的长期稳定性较好。2 个月内响应的偏差在2 m v 之内。 以溶胶凝胶法成功制得羟基磷酸钙( h a p ) ，并实现了厚度约2 0 肛mh a p 溶 胶在多孔硅衬底上的涂布。发现热处理可提高h a p 的晶格完整性。1 0 0 0 。c 热处 理大大提高了h a p 与多孔硅之间的粘附性。为传感器及集成电路植入人体、减 少甚至完全避免生物排异奠定了基础。 关键词：多孑l 硅，多孔硅微阵列，基因芯片，羟基磷酸钙，钾离子选择性微电极 华东师范戈学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c ec a n h a md i s c o v e r e dt h er o o m - t e m p e r a t u r eh i g h l y e f f i c i e n tl u m i n e s c e n c eo f v i s i b l el i g h tf r o mp o r o u ss i l i c o n ( p s ) i n19 9 0 ，al a r g en u m b e ro fs t u d i e sh a v eb e e n d e v o t e dt ou n d e r s t a n da l la s p e c t so fp s ，i n c l u d i n gb a s i ct h e o r y ，p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， a p p l i c a t i o n sw i d e n i n g ，e t c p sh a sm a n yu n i q u ep r o p e r t i e ss u c ha se n o r m o u si n t e m a l s u r f a c e ，h i g hr e s i s t a n c er a t i o ，h i g hc h e m i c a la c t i v i t y ，e t e ，p r a i s e da s “q u a n t u m s p o n g e ”p sh a sb e e nd e v e l o p e di nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d si n c l u d i n go p t o e l e c t r o n i c s ， m i c r o w a v e r a d i o f r e q u e n c ym i c r o e l e c t r o n i c s ，s e n s o r ，b i o m e d i c i n e ，e t c t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e do ns t u d i n ga p p l i c a t i o n so fp si nd n ac h i p ，p o t a s s i u mi o n s e l e c t i v em i c r o e l e c t r o d e 噼+ i s m e ) a n dh y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) c o a t i n ga n da l s os o m e r e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e da sf o l l o w s ： s e l e c t i v ep sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yo b t a i n e d b o t ha u c rf i l m ( 2 0 0 0 a ) d e p o s i t e d o ns i l i c o nw a f e ra n dh i g h l yr e s i s t i v es i l i c o nf i l m ( 1r t m ) f o r m e db yh y d r o g e ni o n i m p l a n t a t i o n ( 5 0 k e v ) c a nb eu s e da sm a s k st op r o d u c ep sm i c r o a r r a y sw i t hg o o d i n t e g r i t ya n dd i s t r i b u t i o nb ys e l e c t i v ee l e c t r o c h e m i c a le t c h i n gp r o c e s s p sw a sf i r s tu s e da st h es u b s t r a t et of a b r i c a t ed n ac h i p s o m ep r i m a r y e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d o n ec h i n a i n v e n t i o np a t e n th a sb e e na p p l i e d t h ea r a c h m e n tr a t eo fo l i g o n u c l e o t i d eo np si si n c r e a s e dw i t ht h ep o r ed i a m e t e r d e t e c t i o ns e n s i t i v i t yo fd n ac h i pb a s e do np si sh i g h e rt h a nt h a tb a s e do ng l a s s a l s od n a c h i pb a s e do np si ss t a b l eu n d e r4s t o r a g ec o n d i t i o n s ， ap s b a s e dk + i s m ew i t hag o o dp e r f o r m a n c eh a sb e e nf i r s t l yf a b r i c a t e d t h e c a l i b r a t i o nc u r v ef o rt h ek + i s m ei sl i n e a rw i t h i naw i d er a n g eo f p k = 1 0 4 0 i t s s l o p ei s5 6m vp e rd e c a d e ，w h i c hi sn e a rn e m s tr e s p o n s e t h el o n g - t e r ms t a b i l i t yo f t h ek + i s m ei sg o o d t h ev a r i a t i o no f t h er e s p o n s ei sw i t h i n 2m vd u r i n g2m o n t h s h a ph a sb e e ns u c c e s s f u l l yp r e p a r e db ys o l g e lm e t h o d h a p ( 2 0 p , m ) w a s s u c c e s s f u l l yc o a t e do np ss u b s t r a t e i tw a s f o u n dt h a tr a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ( r t a ) p r o c e s si sa b l et oe n h a n c ec r y s t a l l i n i t yo fh a p a n dt h et h e r m a l t r e a t m e n ta ti0 0 0 * c c o n g l u t i n a t e st h eh a pl a y e rt i g h t l y w i t ht h ep ss u b s t r a t e t h a tw i l lb e n e f i t i m p l a n t a t i o no fs e n s o r sa n di ci nh u m a n b o d i e ss o a st or e d u c ea n de v e ne n t i r e l y a v o i db i o l o g i c a lr e j e c t i o n k e y w o r d s ：p o r o u ss i l i c o n ( p s ) ，p sm i c r o a r r a y s ，d n a c h i p ， h y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) ，p o t a s s i u mi o n s e l e c t i v em i c r o e l e c t r o d e ( k + i s m e ) 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 2 学位论支独创性声明 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：盈垒盈日期：坳6 ，l 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名那菊 日期：湖中6 ) 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 导师签名：笃洲2 f i - i 日期：庐垆 第一章绪论 第一章绪论 本章阐明了本论文研究的目标、内容及其科学意义；介绍了多孔硅技术、 基因芯片、k 十离子选择电极及羟基磷酸钙的研究现状。 1 1 概述 多孔硅是一种纳米晶体硅，它具有量子海绵形貌。自1 9 9 0 年英国科学家 l t c a n h a m i 1 发现多孔硅具有室温下高效率发射可见光的特性并提出发光机制 的量子限制效应模型以来，多孔硅引起了人们的广泛关注。在光电子学、微波， 射频微电子学、传感器和生物医药等领域都有潜在的重要应用，并取得了十分 诱人的成果【2 】。本论文在多孔硅应用于基因芯片、k + 离子选择电极和羟基磷酸 钙涂布三方面开展了研究。 “人类基因组计划”是近几年在国际上的高科技领域内出现的最具时代特 征的重大进展，形成了世界范围的研究热潮。世界各国均投入巨资进行研究和 开发。我国已完成“人类基因组计划( h u m a ng e n o m ep r o e c t ，h g p ) ”所规定 的任务，标志着我国基因研究已步入世界先进行列【3 】。基因芯片是生命现象研 究的一种有效手段。多孔硅在基因芯片方面的应用未曾有报道。本论文首次提 出用多孔硅，羟基磷酸钙来作为基因芯片的基片。其依据是：多孔硅具有极大 的比表面( 约5 0 0m 2 c m 3 ) ，吸附能力较强，将多孔硅表面经一定修饰后可很 好地固定d n a 分子。针对现有玻璃载波片对d n a 的固定效率不高，影响检测 灵敏度的缺点，采用多孔硅作为d n a 的固定化材料，可提高固定效率、提高检 测灵敏度，进一步微型化、提高d n a 微阵列的阵列密度，从而促进d n a 芯片 的商品化。 k + 是天然水中的重要组分，同时血清k + 是具有重要意义的常规检测项目 4 1 ，因此k + 的准确测定非常重要。在诸多测试方法中，离子选择电极法避免了 加样误差、稀释误差、比色测定等因素影响，结果准确可靠，操作简易，越来 越引起人们的广泛关注【5 。在离子选择电极技术中衬底上的敏感应物质的固定 率是一个关键，因为它直接关系到传感器的寿命和实验结果的重复性。本论文 华东师范太学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第一章绪论 首次提出用多孔硅铂电极缬氨霉素的p v c 膜来作为钾离子选择电极感应膜， 可阻大大提高感应面积，从而大大提高检测灵敏度。 羟基磷酸钙( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a p ) 是哺乳动物体内硬组织的主要无 机成份。许多研究结果表明，人工合成的羟基磷酸钙是一种无毒、无致癌、无 副作用和具有良好生物相容性的生物活性材料，能与骨组织紧密接触，具有良好 的骨传导性，并对新骨生长有一定的诱导作用蜊。h a p 具备极佳的生物相容性 及良好的机械强度引起了人们的广泛关注 8 , 9 1 。若能实现将具有极佳生物相容性 的h a p 涂布于多孔硅表面，则可以为多孔硅传感器及集成电路植入人体、减少 甚至完全避免生物排异提供一种途径。本论文对将h a p 涂布于多孔硅表面做 了相应研究。 1 2 多孔硅技术的研究现状 多孔硅，即多孔的材料。当单晶硅在氢氟酸溶液中进行电化学阳极氧化， 一定条件下硅被局部溶解，形成一层多孔硅膜。1 9 5 6 年u h l i r t lo 】在研究半导体 材料抛光时首次发现多孑l 硅。1 9 5 8 年t u r n e r 【1 ”，开始研究多孔硅的形成机制。 1 9 9 0 年英国科学家l t c a n h a m l l 】发现多孔硅具有室温下高效率发射可见光的特 性并提出发光机制的量子限制效应模型。从此，多孔硅引起了人们的广泛关 注。 基础研究方面对多孔硅的基本特性进行了理论和实验研究，观测到了多孔 硅的“量子海绵”的微结构，提出了以空穴耗尽为基础的多孔硅形成机制，证 实了以量子限制效应为基础的多孔硅发光机制，也提出了以“渗流”为基础的 多孔硅载流子传输机制1 2 1 等；在器件应用方面已获得接近实际应用的多孔硅光 发射二极管，并制备了全硅基光电子集成器件，另外还开辟了多孔硅广泛的应 用领域，主要有：一是光电子器件，如光发射二极管，光探测器，太阳能电池 等，二是光子器件，如光波导，b r a g g 反射镜，滤色片等，三是在集成电路中 的应用，如作异质结中的缓冲层，s o i 结构，s o c 结构等，四是利用多孔硅高 密度的孔( 或大的比表面) 作为其它材料的载体，即作生物或气体传感器 2 , 1 3 , 1 4 o 同时，多孔硅还存在着一些问题 2 】：( 1 ) 多孔硅中的激子寿命很长( p s ) ，使 得其器件的调制频率或响应速度很慢，仅在m h z 量级，限制了其在高频器件中 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第一章绪论 的应用；( 2 ) 多孔硅的无序结构限制了其在产业化方面的应用，人们仅能使其晶 粒尺寸在一定范围内分布，并不能精确控制；( 3 ) 多孔硅的主要制备方法是h f 为电解溶液的阳极腐蚀方法，但湿法制备在工业生产上有其局限性，等等。因 此，多孔硅还有很多工作有待开展。 由于多孔硅有着较大的比表面( 5 0 0 m 2 c m 3 ) ，其孔的径向和纵向尺寸可 以通过电化学反应的条件来加以控制，因此在生物传感器领域有着广泛的应 用。不仅可以提高生物传感器的灵敏度，而且还有利于生物传感器的微型化以 及工艺的简化。近年来国外已开展了多孔硅在生物传感器方面的应用研究，但 发表的论文为数不多，且基于多孔硅的生物传感器还存在着长期存放的稳定性 等问题，有待进一步解决【1 5 】。目前对基于多孔硅的生物传感器的研究主要有： ( 1 ) p s ，s i 0 2 s i 3 n 4p h 值传感器和青霉素传感器f 1 6 ，1 卫 m i c h a e lj s c h 6 n i n g 等提出将宏孔硅作为衬底材料，制成电容型的p h 值传 感器，在口h 值传感器上固定青霉素酶，形成青霉素传感器，提高了检测灵敏 度和稳定性。 ( 2 ) t r i g l y c e r i d e ( 三酸甘油脂) 传感器【1 8 】 目前市面上的商用t r i g l y c e r i d e 传感器需要复杂冗长的程序，因此提高灵敏 度和简化程序成为此类传感器发展中的一个重要问题。而选用多孔硅作为吸收 固定酶分子的材料，则可以大大地提高检测的灵敏度。 ( 3 ) 人体血清蛋白( h s a ) 在多孔硅层中的吸收【1 9 j 血清蛋白控制了人体血液渗透压，其测定具有重要意义。l m k a r l s s o n 等， 研究发现，相比于平面硅而言，在h s a 浓度高达1 0m g m l 时，多孔硅样品中可以 多吸收7 0 倍的蛋白量，充分显示了多孔硅的优越性。 ( 4 ) d n a 分隔装置的微柱结构2 0 】 多孔硅通过基于宏孔硅的微加工技术实现亚微米尺寸间隔的微柱结构，可 用做d n a 分隔装置。d n a 分隔装置当前主要采用胶体，其间距小于l o o m n ， 需要用电子束光刻技术制备，因此其成本非常昂贵。通过宏孔硅微加工技术得 到的微柱结构有着低成本的优势，同时微柱间隙大约2 0 0 n m 左右，低于光刻分 辨率。这对于基因芯片的微型化以及集成具有重要意义【2 0 】。 综上所述，多孔硅具有工艺简单且比表面大的优点，生物传感器相关的初 步研究已充分显示出其相比于平面传感器的优越性。 华东师范大学信息科学技术擘院电子乐硕士学位论文 第一章绪论 1 3 基因芯片的研究现状 基因芯片的设想最早起始于1 9 8 0 年中期，1 9 9 0 年美 a f f y m e t r i x 公司实现 了d n a 探针分子的高密度集成。基因芯片技术的出现是生命科学领域中的一次 革命，它涉及到物理学、微电子信息、生化技术等众多学科领域。基因芯片技 术可以对大量的生物样品平行、快速、敏感、高效地进行基因分析，因而在 d n a 序列测定、基因表达分析、基因组研究、基因诊断、药物研究与开发( 药 物筛选，合理用药，中草药鉴定等) 等领域得到广泛应用，基因芯片技术还可 用于人口健康普查、优生、法医鉴定等领域，而且在工农业、林业、毒理学以 及食品与环境监测等方面具有极大的潜力1 。 美国政府和产业界在过去l o 年共投入近2 0 亿美元用于以基因芯片为主的生 物芯片研究开发与产业化。许多国际著名跨国公司都在开发基因芯片技术。美 国于1 9 9 8 年正式启动基因芯片计划，美国国立卫生研究院( n i h ) 、美国能源部 ( d o e ) 等研究机构，还有商业部、司法部、国防部、中央情报局等都参与了此 项目。同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国家重点实验室也参与了该项目 的开发和研究。此外，英国剑桥大学、欧亚公司也正在从事该领域的研究。目 前，世界参与研制生物芯片的主要公司已经有1 0 0 多家，其中以开发基因芯片技 术为主的公司有几十家，其中a f 母m e 仃i x 公司是世界上最有影响的基因芯片开发 制造商1 2 1 1 。 中国科学家是从1 9 9 7 年才开始对生物芯片有所了解，而国外从1 9 8 0 年代起 就开始研制生物芯片。生物芯片技术的飞速发展也引起了中国政府和科学家的 关注。2 0 0 0 年中国工程院举办了专题为“生物芯片技术”的科技论坛，2 0 0 2 年 科技部在“8 6 3 ”项目中启动了功能基因组和生物芯片重大专项。尽管中国在生 物芯片这一高新技术领域起步比较晚，与美国、欧洲、日本相比，在实际制作 的能力方面还有相当差距，但在某些想法和构思方面已走到国际前沿。北京、 上海、南京、西安、成都、广州和香港等地区的多家科研机构和院校，以及几 十家公司都在进行基因芯片的研究和设计。目前以生物芯片为核心的相关产业 正在全球崛起，基因研究正在走向市场形成产业。我们必须大力发展人类基因 组计划，采用先进的实验技术，从战略角度重视基因芯片的研究和开发。“十 五”期间我国主要开展了重要生理功能相关功能基因、中华民族单核苷酸多态 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学住论文 9 第一章绪论 性的开发应用等研究与开发，同时获得一批具有重要价值的功能基因的自主知 识产权，提高我国在基因组研究领域中应享有的地位，为我国的“基因产业” 提供持续的源泉和动力 2 1 , 2 2 1 。 近年来，基于生物芯片的研究论文成倍增长，显示出这一技术正在趋向成 熟；另一方面，很多公司已开发出大量有竞争性的基因芯片产品。美国f o r t u n e 杂志预测“在2 0 0 5 年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将会达到5 0 亿 美元，2 0 1 0 年有可能上升为4 0 0 亿美元”。基因芯片以及相关产品的产值有可 能与微电子一样，成为本世纪最大的高技术产业之一【2 引。 尽管基因芯片技术已经在一些科学研究和医学l 临床实践中得到了一些应 用，但是还处于初步探索发展阶段，仍存在许多问题，主要有：( 1 ) 大量已知序 列的基因或基因片段是制各基因芯片的建材，很显然这个资源库还不是很丰 富；( 2 ) 上海生化细胞研究所的胡庚熙先生等成功建立了有8 0 0 0 个不同基因的 c d n a 芯片，已经应用于人的肝癌的研究。而a f f y m e t r i x 己能制造包含4 0 ，0 0 0 个人类基因的芯片用于基因表达研究。进一步简化基因芯片的制作，制作高密 度探针的芯片，并降低其成本，是基因芯片从实验室研究走向实际应用的重要 一步；( 3 ) 对基因芯片技术的一些基本问题，如探针对杂交体的稳定性影响、靶 分子浓度、探针浓度、杂交双方的序列组成、盐浓度及温度等对杂交的动力学 影响还不是很清楚。这些都需要进一步研究掌握其生物物理学和生物化学的性 质；( 4 ) 需进一步提高检测的灵敏度和分析软件的开发，这要求不同领域科技工 作者的共同努力；( 5 ) 在杂交反应中存在着探针与靶分子的错配、未配问题， 基因芯片的特异性还有待进一步提高；( 6 ) 简化样品的制备及标记过程：( 7 ) 从样品制备、标记、杂交反应直至检测全过程的集成化，进一步研究建立缩微 芯片实验室；( 8 ) 如何确立一个统一标准来比较不同实验室的结果，以及如何 实现实验室问的数据共享 2 4 , 2 5 1 。 上述问题不仅是当前和今后一段时期内国内外基因芯片技术研究的焦点， 同时也是基因芯片能否从实验室研究推向临床应用的关键问题。 为了解决基因芯片固定效率不高的问题，我们提出用多孔硅材料代替玻片 作为基因固定的载体。 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第一章绪论 1 4 钾离子选择电极的研究现状 k + 是天然水及人体血清中的重要组分，因此k + 的准确测定非常重要。心 测定有化学比浊法、滴定法、火焰光度法、离子选择电极法等，其中离子选择 电极法避免了加样误差、稀释误差、比色测定等因素影响，结果准确可靠，操 作可靠【2 6 1 。 离子选择电极法是利用电极电位和浓度之间的关系来确定物质含量，是电 化学分析的重要分支，它具有快速、准确、精密度高、仪器体积小、操作简 单、适于连续操作等特点，并且电极不受样品溶液颜色、浊度、悬浮物或粘度 的干扰，现在被广泛应用于实验室痕量分析、常规离子分析以及环境监测。汪 世花等人口7 1 采用离子选择电极示踪技术克服了采用放射性物质及有机染料等作 示踪剂的局限性，且准确度高，成本低，操作简便，将其应用到地下水示踪试 验能取得理想效果。此外，已有研究将钾离子选择电极与葡萄糖传感器集成在 同一芯片上，用于人体血清中血糖的测定，测定结果与常规分光光度法的测定 结果相吻合，为化学传感器和生物传感器的微型化、集成化和多功能化开辟了 一种新的途径】。 离子选择电极技术不仅应用在矿井生产中，而且可以将其引用到水文地质 勘察中，用来确定地下水流速、含水层间水力联系；引用到城市供水中，用来 示踪漏水管道等，均会取得理想效果，当然这还有待进一步探索田1 。另外如何 准确迅速地测定离子浓度，对未知浓度试样如何处理，如何消除试验中碘解磷 定对血清k + 测定的影响等问题，还有待进一步研究雎9 1 。 1 5 羟基磷酸钙的研究现状 羟基磷酸钙( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a p ) 是哺乳动物体内硬组织的主要无 机成份，分子式为c a 】o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 。自从7 0 年代初日本的青木秀希和美国的 j a r c h o 成功地人工合成羟基磷酸钙以来，以人工合成的羟基磷酸钙材料作为硬 组织的修复体或置换材料成了近三十年来生物材料研究领域的热门课题川。 从h a p 问世以来，人们对这种材料的研究进展很快。在医学方面，目前 h a p 颗粒材料已用于骨缺损修复和口腔外科，h a p 陶瓷作为人工牙齿植入后， 能与骨组织形成牢固结合。块状的h a p 鼻骨、锁骨和骸骨等各种形状的人工骨 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学住论文 第一章绪论 也已在临床中使用 3 1 , 3 2 , 3 3 】。由于h a p 具有良好的化学亲和性和生物相容性，因 此可作为一种有效的药物牙膏 3 4 , 3 5 ，有效地防治牙槽脓肿和牙龈出血等多种牙 病。同时h a p 又是一种良好的摩擦洁齿剂，由于h a p 硬度为5 ，低于牙釉的 硬度7 ，因而h a p 不会对牙齿造成机械磨损。另外，人们用h a p 制作陶瓷基 片1 3 6 1 ，开发灵敏、可靠及耐用的陶瓷湿度敏感器已取得了成功。武汉理工大学 生物中心研究发现纳米h a p 能抑制癌细胞的生长，而对正常的细胞没有副作 用，为制备新一代抗癌药物提供了新的途径【3 ”。 然而，纯羟磷石用于硬组织置换还存在一些不足，比如物理机械性能不理 想、脆性大、骨诱导作用弱等，从而限制了它的应用范围。针对纯羟基磷酸钙 的不足，从8 0 年代开始许多学者从羟基磷酸钙分子结构及仿生学等角度出发， 以人工合成的羟基磷酸钙为基础，采用离子置换法或有机、无机材料掺杂、复 合等方法，改进材料的物理机械性能及表面、整体生物活性，探索更适合于临 床应用的骨修复及骨置换材料。通过各种方法进行改性，使羟基磷酸钙类材料 更适合于骨科、口腔科、整复外科等临床应用，是当今羟基磷酸钙类材料研究 领域里最为活跃的研究内容，也是今后寻找理想骨修复、置换材料的主要方向 【3 0 1 。 近年来，出现了很多羟基磷酸钙的制备方法，如等离子喷涂3 8 m 】，电泳沉 积技术m4 6 1 ，溶胶一凝胶法【4 7 州l ，等等。由于不需要复杂的真空系统和设备， 溶胶一凝胶法以其低成本和易操作引起人们的广泛兴趣。但羟基磷酸钙的制各 还存在以下一些问题：( 1 ) 制备出的h a p 纯度低；( 2 ) 纳米尺度难以控制；( 3 ) s 1 2 艺不成熟，缺乏规模化生产：( 4 ) 材料强度及力学性能有所提高，但临床应用效 果不佳。这些问题还有待于进一步解决。 1 6 本论文的研究内容和技术路线 本论文旨在拓展多孔硅的应用研究领域，对多孔硅应用于基因芯片、k + 离 子选择电极和羟基磷酸钙涂布三方面做了探索性研究。在多孔硅的制各与表征 研究的基础上，本研究的技术路线为： 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第一章绪论 l 、进行了大量资料调研，充分了解多孔硅技术原理及制备，基因芯片技术的 原理及应用，k _ 离子选择电极的研究现状以及羟基磷酸钙的制备技术研究 进展： 2 、多孔硅制各工艺的研究，其中包括p 型硅衬底，n 型硅衬底电化学阳极腐 蚀工艺的研究以及多孔硅制备后的表面处理，尝试制备孔径可控多孔硅。 3 、多孔硅微阵列的制备研究，包括在硅片上淀积a u c r 作掩模，和在低阻p 型硅衬底上用氢离子注入形成局部高阻硅掩模两种方法，以实现选择性腐 蚀多孔硅； 4 、研究多孔硅表面修饰与未修饰对寡核苷酸固定的影响，对多孔硅衬底经醛 基修饰后制备寡核苷酸芯片进行了探索，以激光共聚焦扫描和膜片转色两 种检测方法检测分析芯片的固定效率和检测灵敏度； 5 、研究分析了多孔硅的孔径、厚度对寡核苷酸固定的影响，考察了4 种不同 贮存条件下基于多孔硅的寡核苷酸芯片的稳定性： 6 、采用微电子平面工艺建立一种基于多孔硅的钾离子选择性微电极 f k + i s m e ) ，根据离子选择电极的线性范围，配制一系列标准溶液，依次测 得各标准溶液的电极电位值e ，作出e l g 瞰十 关系曲线，并研究此微电极 在两个月内的稳定性； 7 、羟基磷酸钙溶胶的制备、在多孔硅表面的涂布及涂布厚度的控制、不同温 度下退火工艺的研究，并在羟基磷酸钙溶胶涂布前后对多孔硅表面分别进 行了x 射线衍射( x r d ) 、原子力显微镜( a f m ) 及扫描电子显微镜( s e m ) 观测 和研究。 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第：章多孔硅膜的制备及表征 第二章多孔硅膜的制备及表征 本章概述了多孔硅的形成机制等基本理论；介绍了采用电化学阳极腐蚀法 制备p 型、n 型多孔硅及纳米单晶硅的方法，对多孔硅表面进行了后处理，保 持了多孔硅表面的光洁和稳定：研究了a u c r 膜以及氢离子注入形成局部高阻 硅两种掩蔽方法选择性形成多孔硅的工艺。 2 。1 多子l 硅的基本理论 1 多孔硅的形成机制 电化学阳极腐蚀法是制备多孔硅最常用的方法，即以单晶硅片作阳极，铂 片作阴极，以适当的电流密度在氢氟酸电解液中进行恒电流密度阳极氧化，在 硅片表面即可形成多孔硅。对n 型硅片而言，空穴为少子，而生成多孔硅需要 有大量空穴参与反应，因此需要给n 型硅片提供光照来产生电子空穴对，从而 使得阳极氧化顺利进行。其化学反应原理如下： s i + 2 h f + 2 h + 一s i f 2 + 2 h + s i f 2+ 2 h f_ s i f 4 + h 2 t s i f 4+ 2 h f_ h 2 s i f 6 关于硅原子被溶解形成孔洞的化学反应，目前普遍认为大量空穴的存在才 使得刻蚀反应持续进行。对p 型硅而言，其形成机理是由于p 型硅中的空穴有 助于氟离子打破硅氢键形成硅氟键，同时复合掉产生的电子，由反应方程可以 看出每腐蚀掉个硅原子，要有两个空穴参加反应，同时将产生一个氢分子。 而对n 型硅而言，通常是提供背面光照，在硅片背面产生电予空穴对，其中空 穴在电场的作用下从体硅移到硅片的表面，参与溶解硅的化学反应2 l 。 有关多孔硅的形成机制，在提出的模型中，主要有b e a l e 耗尽模型【5 3 l 、扩 散限制模型5 4 1 、量子限制模型 5 5 1 。 b e a l e 耗尽模型认为，硅和h f 酸溶液以肖特基形式接触，其界面处形成一 耗尽层。硅原子的溶解仅发生在阳极氧化电流流过的区域。随着反应的继续， 当孔与孔之间的壁层厚度减d , n d , 于耗尽层厚度时，壁层空穴耗尽使得壁层硅 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 4 第= 章多孔硅膜的制备及表征 溶解停止。而扩散限制模型则认为，体硅中的空穴通过扩散到达硅表面并参与 表层硅原子的溶解反应。 l e h m a n 的量子限制模型认为，随着孔的生长，孔壁尺寸变小，生成了纳 米量级的硅量子线。由于量子限制效应，使硅量子线中的带隙展宽，对空穴来 说造成了一个附加的势垒e q ，不利于空穴到达多孔层( 体硅中空穴的能量需要 大于e q 才能进入硅量子线) ，导致多孔层空穴耗尽，从而硅量子线的溶解停 止。此时只有孔底优先生长，从而形成“海绵”状的多孔结构。这是一个由量 子尺寸效应导致的自限制过程。 量子限制模型认为，在小的腐蚀电流密度下，在硅片内部形成多孔硅，其 阳极氧化反应式如下： s i + 6 h f h 2 s i f 6 + h 2 + 2 h + + 2 e ( 式2 1 ) 而当腐蚀电流密度大于临界电流密度时，硅将溶解到腐蚀液中，发生电抛 光现象，在其表面形成非常光滑的表面，其化学反应式如下： s i + 6 h f h 2 s i f 6 + 4 h + + 4 e ( 式2 - 2 ) 尽管有关多孔硅的形成机制还没有完全搞清。但量子限制效应模型比较成 功地解释多孔硅可见光发射的问题。对n 型硅衬底而言，多孔硅的形成机制可概 括为耗尽模型，但量子限制在扩散过程中起着重要作用，而p 型硅衬底氧化生成 多孔硅则可概括为耗尽模型 5 6 , 5 7 1 。 上述三种模型解释了多孔硅的形成机制，普遍认为多孔硅形成之初时，在 硅片的表面存在凹凸不平整的缺陷或表面不光滑是多孔硅形成的必要条件之 一。采用电化学阳极氧化腐蚀生成成多孔硅，应该同时具备以下一些基本要求 【5 8 】 ： ( 1 ) 体硅必须能够提供空穴，并使其到达硅与电解液的界面上。 ( 2 ) 腐蚀电流密度应该小于电抛光临界电流密度。 0 1 多孔硅的形成与硅片的类型和掺杂浓度有很大的关系，易形成多孔硅的 【5 9 1 次序为：n + p 十 p ( 光照) ，n ( 光照) p ( 无光照) n ( 无光照) 。 n + 型硅片最容易通过电化学腐蚀得到多孔硅，而n 型硅片在不提供光照时 不发生电化学腐蚀反应，因此无多孔硅形成。 2 多孔硅的特征参数 华东师范走学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第= 章多孔硅膜的制备厦表征 ( 1 ) 多孔度 多孔硅的多孔度定义为被腐蚀溶解的硅与体硅的比值。可通过测量硅片腐 蚀前后的质量来测定多孔硅的多孔度。多孔硅的多孔度p 可以用下列公式给出： p ( ) ：! 竺! 二竺! ! ( 式2 - 3 ) ( 优】一m3 ) 多孔硅的厚度d 可以表示为： j 一州l m 3( 式2 4 ) p s 其中m 1 为硅片的质量，m 2 为形成多孔硅后硅片的质量，1 1 3 3 为腐蚀掉多孔硅 后余下的硅片的质量，p 为硅的密度，s 为硅片被腐蚀的面积。 由式2 3 和式2 4 ，通过称重法，代入公式计算后可以分别得到多孔硅的多 孔度p * d 厚度d 。 ( 2 ) 孔径和孔距 多孔硅具有海绵状的多孔网络结构，其孔径和孔距受硅片的类型以及电化 学腐蚀条件的不同而变化。按多孔硅内部所形成的孔径和孔距的大d 、 2 1 分 为：( 1 ) 宏孑l ( m a c r o ) ： 5 0n n l ；( 2 ) 中孔( m e c r o ) ：2 - 5 0r i m ；( 3 ) 微孔 ( m i c r o ) ： p + p n 5 9 , 6 6 。多孔硅的形成主要取决于电解液里 氟离子进入到硅衬底表面反应消耗掉的空穴数。每刻蚀一个硅原子都要消耗两 个空穴，通过改变空穴浓度可以控制刻蚀的速率。硅衬底局部区域经过氢离子 注入后，降低了注入区的空穴浓度和该区剩余空穴的迁移率。热退火后硼原子 被氢中和，因此可将注入的氢离子固定在注入区，形成一个稳定的区域高阻阻 挡层，高阻区域电阻率可高达1 0 5q c m ，从而大大降低了该区硅原子反应刻蚀 的几率，在没有光照的条件下基本上不会被刻蚀m 7 , 6 8 。本论文就是利用这个原 理，在重掺杂的p 型硅衬底上进行局部氢离子注入，经热退火处理后形成一个区 域高阻的硅掩模。 实验采用硅片的类型为p ( 1 0 0 ) ，b 掺杂单抛面，电阻率为o 0 1 0 0 2 o 。 c m ，具体工艺过程如下： f 1 ) 标准清洗法清洗硅片：洗液依次为s c 3 ，s c - l ，s c - 2 ，去离子水冲洗 干净，烘干； ( 2 ) 制备高阻硅掩模： a 硅片涂负胶，烘干，光刻，将掩模板上的微阵列图案转移到硅片 上。本实验设计的掩模版的微阵列单元为l o o 岫1 0 0 u m ： 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第= 章多孔硅膜的制备及表征 b 硅片经过坚膜处理后进行氢离子注入，注入的剂量大小决定了掩模 效果。为方便研究，本论文采用了三种注入剂量：5 x l o e m - 2 ， l 1 0 1 6c m 2 ，1 , 2 x 1 0 1 6c m ，注入能量均为5 0 k e v ； c 硅片去胶，烘干，5 0 0 退火1 h ，形成一个稳定的高阻掩蔽层： ( 3 ) 电化学腐蚀：电解液为h f 酸( 4 0 ) ：无水乙醇= 1 ：1 ( 体积比) ，电流密 度为1 0 m a ，c m 2 ，通电1 5 m i n 后取出硅片，去离子水冲洗干净。 多孔硅形成后，为保持其稳定性，将多孔硅在3 0 0 下预处理1 h ，在多孔 硅表面生成一薄层氧化硅，再在1 0 0 04 c 的条件下进行高温干氧1 h ，形成稳定的 多孔氧化硅微阵列。对得到的多孑l 硅阵列进行了相关测试。 图2 1 5 氢离子注入浓度对选择性多孔硅形成的影响( 左上角：注入区；右 下角：未注入区) ( a ) 5 1 0 1 5c r f l - 2 ，( b ) l x l 0 1 6 c m - 2 ，( c ) 1 2 x 1 0 1 6 c m 2 ( a ) 图2 1 6 ( a 】和( b ) 为多孔硅阵列的显微照片及单元格的边沿图 从图2 1 5 的对比中可以看出，随着氢离子注入剂量的增加，掩蔽效果也随 之增强，当注入剂量与衬底表层杂质浓度相近或使衬底表面接近耗尽时，掩蔽 效果最为理想。为此，选定注入剂量1 2 1 0 m c m 户，在相同电解液浓度和相同电 流密度的条件下，进行4 0 m i n 的电化学腐蚀，并测试其掩蔽效果如图2 1 6 所 示。阵列内多孔硅的表面形貌及三维立体形貌分别如图2 1 7 及图2 1 8 所示。 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第= 章多孔硅膜的制备厦表征 图2 1 7 多孔硅s e m 图图2 1 8 多孔硅a f m 图 由图2 1 6 ( b ) 可以看出，用高阻硅做掩模，经过4 0 r a i n 刻蚀后多孔硅表面已 明显低于周边高阻硅表面，得到的多孔硅微阵列具有完整清晰的边界，取得了 很好的掩蔽效果。对形成的多孔硅进行s e m 和a f m 测试，证明得到的多孔硅 形貌完好，氢离子注入没有对其造成不良影响。另外，高阻硅层的厚度影响了 其掩蔽效果，较厚的掩蔽层可以制得较厚的多孔硅层，而掩蔽层的厚度可以通 过离子注入能量来控制，提高离子注入能量可增加掩蔽层的厚度，但同时提高 了对仪器的要求。本论文采用5 0 k e v 的注入能量形成厚约1 p m 的高阻层，经电 化学腐蚀后形成约6 1 x m 厚的多孔硅。延长腐蚀时间可增加多孔硅的厚度，但随 着腐蚀时问的延长，高阻硅膜的掩蔽效果也会下降，因此在实际应用中应根据 需要适当选择离子注入的能量和剂量以及电化学腐蚀的时间。 采用高阻硅作掩模选择性生长多孔硅阵列，工艺简单易于操作，且具有很 好的掩蔽效果，生成的多孔硅阵列的有序性和完整性良好。避免了c v d 技术上 的缺陷，制各的多孔硅没有受到氢离子注入的影响，具有很好的完整性和选择 性，而且基本上无横向刻蚀，有助于生物传感器的微型化和集成化。 2 5 本章小结 本章研究了p 型低阻硅和n 型中阻硅的电化学阳极腐蚀工艺，提出了多孔 硅表面后处理方法，保持了多孔硅表面的光洁与稳定。通过硅片上淀积a u c r 膜、氢离子注入形成局部高阻硅两种掩蔽方法成功地实现了多孔硅的选择性生 长。两种方法工艺简单且具有很好的掩蔽效果，生成的多孔硅阵列的有序性和 完整性良好。 华东师范大学信息科学技术学院电子系硕士学位论文 第三章基于多孔硅膜的基因芯片 第三章基于多孔硅膜的基因芯片 本章介绍了基因芯片的基本原理，基片表面修饰的重要性；考察了基于多 孔硅的基因芯片的固定效率、检测灵敏度和芯片在四种贮存条件下的稳定性。 3 1 基因芯片的基本原理 基因芯片的概念是来自计算机芯片，又叫d n a 芯片、寡核苷酸芯片。其 主要原理是：将大量的探针分子固定在支持物上，根据碱基互补配对原理，与 标记的样品分子杂交，检测杂交信号的强度及分布，获取样品分子的数量和序 列分析信息1 6 9 , 7 0 。它综合了分子生物技术、微加工技术、免疫学、计算机等多 项技术，使生命科学研究中不连续的分析过程，集成在芯片上完成，实现样品 检测分析过程的连续化、集成化、微型化和信息化 7 1 1 ，影响着生物学研究的方 法和途径，被誉为2 l 世纪生命支撑平台。 根据基因芯片上固定的探针不同，可以将基因芯片分为寡核营酸芯片及 c d n a 芯片两种类型p 2 1 。基因芯片分析的过程一般来说包括图3 1 中的各步骤。 样品处理一目标分子富集一c 莩# 嚣裂备二卜 1 分子问反应 芯片制作 配体点阵及固定化叶i或杂交 放射显影i 洗涤 光化学 f 警茬卜橙p 酶促反应j + 数据处理 4 掠台信息分析 图3 1 基因芯片分析步骤示意图【7 3 】 基因芯片的制作首先都要选择合适的载体，也称支持