（生物医学工程专业论文）应用于生物医学检测的mems器件的制造.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sm e m s ( m i c r oe l e e t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) t e c h n o l o g yp r o g r e s s e sr a p i d l y , t h es y n e r g i s m b e t w e e nm e m sa n db i o m e d i c a lt e c h n o l o g yb e c o m e sc l o s e rt h a ne v f f l b e f o r e 。w h e nt h eh 弘s ( m i c r ot o l a l a n a l y s i ss y s t e m ) w a si n t r o d u c e di nt h el a s tt w od e c o d e s ，m a n ym i c r o f l u i d i cc h i p s , m i c r o e l e c t r o d e s ，a n d m i c r o r e a c t o r s 骶b e i n gs t u d i e df o rd r u gd e t e c t i o n , e n v i r o n m e n td e t e c t i o n , g e n ea n a l y s i se t e d u et oi t s s m a l lv o l u m e 1 0 wp o l l u t i o n , l o wc o n s u m a b l ea n dg o o dp o r t a b i l i t y , u 1 a sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n b i o m e d i c a l ，b i o c h e m i c a l , e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , m i c r o f l u i d i cc h i p su s e di nc h e m i l u m i n e s c e n c ea n df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n , m i c r o e l e e t r o d e su s e di ne l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n a n db l o o ds e p a r a t i o nc h i p sb a s e do nl t c cl a y e r sw e 梯 f a b r i c a t e du s i n gm e m sf a b r i c a t i o np r o c 2 9 t h e s em i c r o c h i p sa r cu s e f u lf o rm a n yb i o m e d i c a la n d b i o c h e m i c a ld e t e c t i o n sa n d a b l em a l t i m el a b - o n - a - c h i pa p p l i c a t i o n s m i c m f l u i d i cc h i p sw e r ef a b r i c a t e do ns o d a - l i m eg l a s s a f t e rp h o t o r e s i s ta p p l i c a t i o n , u vl i g h t e x p o s u r e d e v e l o p e ra n dw e tc h e m i c a le t c h i n g , t h em i c r o - c h a n n e l sa r cf a b r i c a t e do nt h eg l a s ss u b s t r a t e a f t e ra no x y g e np l a s m at r e a t m e n to nt h ep d m sa n dg l a s ss u b s t r a t e ，t h ep d m sl a y e rc a l lf o r mag o o ds e a l o l lt h em i c r o - c h a n n e l s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ep r o c e s sp a r a m e t e r si nd e t a i la n dc o m p a r e dt ot h ep r o c e s s s u c ha sa n o d i c - b o n d i n ga n ds o f t - e t c hp r o c e s s t h et e s t 螂u i t ss h o wt h a tt h ep d m sc a n a lt h eg l a s s s u b s t r a t e sw i t ht h em i c r o - c h a n n e l st i g h f l ya r e rt h eo x y g e np l a s m ap r o c e s s t h e r ei sn of l u i dl e a k a g ew h e n ah i g h - p r e s s u r i z e df l u i df l o w st h r o u g ht h e 辩m i c r o - c h a a n e i s m i c r c e l e c t r o d e sw e r ef a b r i c a t e do n * h es o d a - l i m eg i a s s t h ee l e c t r o d e sa r r a y sw f r ef a b r i c a t e du s i n ga p r o c e s ss e q u e n c eo fp h o t o r e s i s ta p p l i c a t i o n s 。u vl i g h te x p o s u r e ，d e v e l o p i n g , g o l ds p u t t e r i n g , p a ：【t e r n i n g , a n de t c h i n g t w ot y p e so f m i c r c 吧l e e t r o d e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sw e r ef a b r i c a t e du s i n gt h i sp r o c e s s i n t h i st h e s i s t h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s e s a r cd i s e l l s s c d n - a c e t y l c y s t e i n ew a sf i r s ta s s e m b l e do n m i c r o e l e c t r e d e s s u r f a c et of o r mas e l f - a s s e m b l em o n o l a y e r , a n dt h e nt h em o d i f i e dm i c r o e l e e t r o d e sw e r e a c t i v a t e db ye d ca n dn t i s ，m o n o c l o n a la n t i b o d ye n t e r o t o x i ncw a si m m o b i l i z e do nt h es e l f - a s s e m b l e m o n o l a y e rt of o r mt h ea m p s m m e ：a i ci m i l l b n 曲i o s e r l s o r si nt h ee n dt ot od e t e c t 由ee n t e r o t o x i nca n t i g e n c y c l i cv o l t a m m e l r yi su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so ff e ( c n ) 6 o nt h es a m m o d i f i e dm i c r o e l e c u o d c sa n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r sb e t w e c f lt h ea n t i g e na n da n t i b o d y f r o mt h e t e s tr e s u l t s ，w ec i ms e et h em i c r o e l e c t r o d e sa r r a y sh a v es o m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wd e t e c t i o n t i m e h i g hs e n s i t i v i t ya n de a s i e ro p e r a t i o nw a y s t h e yc a n b eu s e dt od ot h e e l e c t r o c h e m i c a lr e s e a r c ho f t h e s e l f - a s s e m b l em o n o l a y e ra n dt h e yc a r la l s ob eu s e dt od ot h eq u a l i t a t i v ea s s a ya b o u tt h er e a c t i o nw i m a n t i g e nw i t ha n t i b o d y t h eb l o o dm i c r o - s e p a r a t o r sw e r ef a b r i c a t e du s i n gal o w - t e m p e r a t o r ec o - f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) t e c h n o l o g y t h es e p a r a t o ri n c l u d e ss e v e r a lv e r t i c a lm i c r o - j e t sa n d h o r i z o n t a ld i s t r i b u t o r s s e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo f d i f f e r e n tb l o o dc e l l sd e p e n d so nt h ec 锄哦f h g a lf o r c ec r e a t e dw h e nt h eb l o o dp a s s e st h r o u g h t h eb e n tm i c r o - c h a n n e l s a n s y ss o f t w a r ew a su s e dt os i m a l a t et h ef l o w i n go f b l o o di ut h es e p a r a t o r t h e l t c cf a b r i c a t i o np r o c e s si n v o l v e sp u n c h i n g , l a m i n a t i o np r o c e s s ，c u t t i n ga n ds i m e r i n gp r o c e s s e s t h e s e p r o c e s s e sa r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s t h et e s t ss h o wt h a tt h el t c cb l o o ds e p a r a t i o nc a ns e p a r a t et h ew h i t e b l o o dc e l l sb c l 把rn 啪t h er e db l o o dc e l l sa n dt h em i c r os e p a r - a o tt e nb eu s e dt om a k et h ep r e l i m i n a r y s e p a r a t i o n k e yw o r d s ：m e m s ，m i c r o f l u i d i c ，p d m s ，m i c r o e l e c t r o d e s ，l t c c ，b l o o ds e p a r a t i o n n 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1m e m s 技术 第一章绪论 1 1 1m e m s 技术概论 m e m s ( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m s ，微机电系统) 技术是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初在 微电子、微机械基础上发展起来的，集微传感器、微执行器、微光学器件于一体的一项新兴学科d - i o 】 m e m s 技术并不是机械电子器件的直接微型化。其在物质结构、尺寸、材料、制作工艺以及工艺原 理等方面已经远远超出了传统意义上的机械电子器件的概念和范畴，可以说m e m s 技术是微电子技 术与微细加工技术的拓宽与延伸，并将微电子技术，微细加工技术与新材料技术，生物医学技术等 多种技术相融合，形成了一个全新的技术领域。该技术不仅可以大大降低传统的宏观机械系统的成 本，降低能源的消耗，同时也可以完成许多宏观机械系统无法完成的任务 m e m s 技术的特点是： ( 1 ) 微型化：m e m s 器件的尺寸大多在微米至毫米范围之问，体积小、质量轻、响应时间短、 惯性小，能够在微环境中进行各类操作；同时由于基于硅材料为基底的m e m s 器件制作工艺与集成 电路制作工艺完全兼容，因此可在晶圆上一次性制造出效百个器件。降低了生产成本。提高了性价 比。 ( 2 ) 加工工艺多样化：m e m s 技术主要以硅微加工为主体，主要包括了体微加工技术、表面微 加工技术以及键合技术。但随着制作材料的多样化，同样存在着微电铸、微铸塑、微细电火花、激 光加工、超声波加工等制造技术。 ( 3 ) 器件功能多样化，集成化：由于硅材料具有光电效应、压阻效应等特点，因此可用于制备 光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器等，并且现在往往把微型传感器和信号处理 器件与转换电路集成在一起，极大的提高了微器件的信噪比、灵敏度与响应速度，实现了微型条件 下的快速检铡功能。 ( 4 ) 设计与制作的统一考虑；与传统机械设计所采用的先制造零部件进而进行总体装配不同， m e m s 器件的制作采用了半导体制造工艺技术，所有的零件和系统是紧密结合在一起，几乎同时制 造出来的，器件的样片只是用来证实设计，而无法对某个部件进行特定修改。因此m e m s 器件的设 计和制作必须统一进行考虑，在实际制作之前不断对器件参数进行优化，不断改进设计，制作出符 合性能要求的器件 1 1 2 m e m s 技术的应用范围 m e m s 器件以其独有的特点，以在各领域中发挥着越来越重要的作用。 ( 1 ) 生物医学中的应用l i t - 1 6 】：利用m e m s 技术可以制造出智能型外科手术器械，用于诸如肿瘤， 神经，牙科以及心脏手术等多种场合，为人类医疗水平的提高作出了重要贡献。美国斯坦福大学研 究所研制的微型温度传感器可注射到肿瘤中去，将传感器在肿瘤组织内进行加热，利用高温来杀死 肿瘤组织，并且只在加热时停留在肿瘤组织内，避免伤害其它正常细胞；在血管手术中，可用注射 法将用微机械加工的微型压力传感器放在清除血管壁淤块的小球后面，利用传感器所返回的信号来 判断血管中淤块清除的情况。在药物注入领域，将微泵植入人体内。用微推进的方式可按照规定的 剂量给出类似胰岛素那样的药物，满足某种特殊疾病治疗的需要。将微泵、徽通道、微阀以及后续 控制与处理电路相结合即成为微流控分析系统，由于其具有精确控制微量流体的能力，具有较高的 响应灵敏度，同时其还具有在线的分析与检测功能，因此极大的降低了检测成本，成为目前v l e m s 研究领域内的热点之一。 1 2 ) 军事领域中的应用 1 。7 1 9 1 ：大量采用微器件来改进武器的性能已经成为发展新型高科技武器装 东南大学硕士学位论文 备的方向，如基于硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的m e m s 惯性测量装置，具有较高的隐蔽性、 强干扰性、信息连续性等军用特点，因此被大量运用在近程导弹研制中。近年来发展起来的能在硅 平面内作大范围的旋转与移动的新微型机械，标志着微机械加工技术已经能够解决诸如机器人运动 关节等重要部件的制造，为成功设计制造出单片式微型机器人系统迈出了关键的一步。 ( 3 ) 信息技术领域中的应用口”q ：现代计算机所用到的内置摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机、 微扬声器、高密度海量数据存储器中广泛应用了微机电系统技术，同时，作为信息产业的新方向， 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展，包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正 在研究全光通信网用的微系统以及无线通信用的射频微系统。 1 1 3m e m s 技术的发展现状与趋势 1 1 3 1 国外发展现状 基于m e m s 技术的重要性，美、日、欧等发达国家都高度重视发展m e m s 技术。把m e m s 研究列为影响未来世界的关键技术，并以较大的投入进行m e m s 的研究与开发 由于有军事应用的牵引，美国国家自然科学基金、先进研究计划、国防部等投资1 4 亿美金进 行m e m s 系统的研究，并且已经确定了利用m e m s 技术改善武器性能的研究方向美国的大学， 国家实验室和公司已有大量的m e m s 系统研究小组，并已经有多种实用化的产品进入市场。如1 9 9 3 年轰动一时的t e x a s 公司的数字微镜面阵列( d i v i d ) ，一片d m d 中有7 6 8 5 7 6 个微反光镜以及 相应的处理电路。通过控制每个微反光镜的倾角可以实现光点在投影屏幕上的点亮或者消隐，用于 在彩色投影屏幕上实现动态画面田1 。p a r k 公司则开发出了用于扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显 微镜( a f i v l ) 的微型传感器，由悬臂梁，微针尖以及信号检测和放大的集成电路组成阱j 日本制定了纳米制造计划( 1 9 8 5 1 9 9 0 ) 、埃技术计划( 1 9 9 2 - - 2 0 0 1 ) 、微型机器人计划，侧 重于利用m e m s 技术在微米量级的体积内制造复杂的机器目前日本共有以企业为中心的6 0 多个 微机电系统研究组，每年举行一次微机电系统国际研讨会，同时1 9 9 0 年成立的微机械中心( m m c ) 和微机械学会( m s t ) ，每年举行一次微机械展览会 欧洲国家为了加强各国之问的组织与合作，成立了n e x u s ( t h en e t w o r ko fe x c e l l e n c ei n m u r i f u n c t i o n a lm i c r o s y s t e m s ，多功能徽系统研究合作机构) 。德国在2 0 世纪8 0 年代中期发展l i g a 工艺p 州( l i g a 是德文l i g h t g r a p i e ( 光刻) ，g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 和a b f o r m u n g ( 塑铸) 三词 的缩写) ，制造出了高宽比大于2 0 0 的三维立体结构，并实现了大批量生产。目前德国的l 1 g a 技 术处于国际领先水平，其中有代表性的是k a r l s r u h e 核研究中心、微技术研究所( i m m ) 和m i c r o p a r t s 公司，研究人员已经在实验室里制造出了微传感器、微电极，微执行器、微光学器件、微型流量计 等各类微型器件。 1 1 3 2 国内发展现状 相比于国外，我国的m e m s 系统研究起步并不算晚，在基础研究和相关技术方面都取得了一 些成果，目前我国从事微机电系统研究的单位已经有6 0 多个左右，主要集中在高校，中科院以及信 息产业部的研究所等。在新原理微器件、通用微器件，以及器件的初步应用等方面均取得了较大的 进展。北京大学微电子所建立了五套比较成熟的硅基微机械加工工艺，在i c pl a g 效应控制，金属 剥离技术及硅化物在表面微机械系统中的应用取得了很大的进展 2 9 1 。由上海交通大学和北京大学开 发的d e m ( d e e p e t c h i n g ，e l e c t r o f o r m i n ga n dm i c r o r e p l i e a t i o n ) 技术克服了l i g a 技术加工周期长， 价格昂贵等缺点，在利用感应耦合等离子体刻蚀设备进行高深宽比硅片刻蚀后，从硅片上直接进行 微电铸，得到金属模具之后再进行微复制工艺，便可以实现微机械的大批量生产，减少了工艺周期， 降低了生产成本i j ”“。清华大学研制的振动轮式陀螺，利用熔硅工艺加工，具有机械耦合小，对外 界加速度灵敏度低等优点，采用的“余弦”型弹性梁可以减小振动时的非线性。中科院上海微系统 与信息技术研究所研制的电容式振动陀螺可以在空气环境下取得较高的o 值，不需要真空封装就可 以很好的工作【】2 。j 清华大学精仪系研究的“电阻电热式微推进器”，分别用精密加工和硅微加工 2 苎二兰堑堡 方法研制出两种微推进器，推力为m n 级，同时还开展了不同尺寸，形状和截面的微管道过流特性 的实验研究。上海交通大学信息存储研究中心研制的“直径l m m 电磁型微马达”，输出力矩为 1 5 u n m ，转速达2 0 0 0 r p m ，重量为1 2 5 m g ，可连续工作1 小时，寿命时间为半年，目前已用该电磁 微马达制作出直肠内窥镜和微泵p 珂。 1 1 3 3 m e m s 技术发展趋势 一个完整的m e m $ 系统应该包含微实体结构、微控制器、微动力源、徽传感器、微致动器等 五部分，利用这五部分之间的协同工作来完成某种特定的功能。但是到目前为止包含这五部分的完 整的m e m s 系统仍旧处在概念的研究阶段。真正进入实用阶段的只是微传感器、微致动器等零散部 件【州，如喷墨打印机的高分辨率喷墨头。因此，对m e m s 体系的研究必须站在系统的高度上，综 合上述五个部分统一考虑，而不是孤立的对某一部分进行分析j 目前，制约微系统发展的主要因素集中在微系统与外界的接口技术上，由于微系统本身较小的 体积在一定程度上体现了它的脆弱性，因此在很大程度上限制了其与外界进行能量交换的能力，使 其无法对外界提供足够的驱动能力或是接受来自外界的超负荷的能量因此，无论对微器件的设计 还是对它的应用都需要做进一步的探讨与研究。 针对m e m s 系统的几个特点，m e m s 未来的发展方向将主要集中在以下几点： ( 1 ) m e m 技术的工艺标准：与集成电路器件不同，在m e m s 器件上常集成有各类功能的器件， 且常带有各类活动的部件，如微机械手臂等。这对于器件的制造与封装就提出了更高的要求；同时 由于m e m s 器件在工业、国防，生物医学、信息科学等领域具有非常广泛的应用，各大公司在不同 领域均推出了自己的产品，但由于度采用的制造工艺备不相同。影响了器件的通用性，对使用者提 出了较高的要求，因此制定一套完善的工艺标准成为目前的研究热点 3 8 - 4 0 ) ( 2 ) m e m s 系统与c a d 软件：由于m e m s 器件所有部件的制造几乎是同时完成，且制造完成 之后无法对器件进行修改，只能用来验证设计。因此在设计之前对器件的建模与仿真就显得尤其重 要，必须反复优化设计参数，使器件达到最佳性能1 4 1 4 j 本章将对利用m e m s 技术制造的微流控芯片、微电极阵列以及血液微分离器做一概述 1 2 徽流控芯片技术 1 2 1 微流控芯片的特点与发展现状 微流控芯片是m e m s 技术中的一个重要分支，属于b i o m e m s 领域，它以分析化学为基础， 以微电子制造技术为依托，以微通道为结构特征，以分析化学、生物医学为主要的研究对象，其目 标就是把整个实验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在徼流控分析芯片 上，并且根据反应以及功能的不同，多次加以利用。微流控芯片不仅可以大大减少贵重试剂的消耗， 降低研究成本，同时也极大的减少了有毒试剂的排放量，降低了对环境的污染，另外在降低试剂消 耗的同时，分析速度却得到了极大的提高，从而为实现分析检测的微型化、便携化，创造了十分有 利的条件 o - 4 5 1 提出微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m , u t a s ) 的m a n z 和w i d m e r 等人一开始就把当 时在微电子领域已经发展成熟的m e m s 作为加工平台来实现全部分析功能在芯片上的微型化f 4 “， 但最初采用单晶硅加工形成的多层芯片u t a s 装置结构复杂，前景并不明朗。1 9 9 2 年，m a n z 与加 拿大a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 发表了首篇在以玻璃为基底的微流控芯片上实现毛细管电泳分离的论文 4 7 1 。展示了微流控芯片的巨大潜力。1 9 9 5 年，美国加州大学b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 研究组在微流 控芯片上实现了高速d n a 测序1 4 9 】。1 9 9 7 年同样是m a t h i e s 研究组，在微流控芯片上实现了多通道 毛细管电泳d n a 的测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要的基础。 我国近年来在微流控芯片的研究中也取得了比较重要的进展。2 0 0 2 年7 月1 5 日一1 8 日在北京 举行了首届全国微全分析( u t a s ) 会议，会议对我国在微全分析领域的新技术、新方法、新理论、 新系统等各方面研究成果进行了广泛交流，并共同探讨了新世纪我国微全分析的发展方向和应用前 东南大学硕士学位论文 景。方肇伦院士等研究人员以血红蛋白为对象，研究了在微流控芯片上利用液压结合电控技术进行 单个细胞引入和细胞在微通道中停留、贴壁的现象，用电泳缓冲液结合高电场实现了细胞快速溶膜， 为在微流控芯片上进行单个细胞分析提供了一个新的进样和溶膜技术平台l 刈。中科院大连物化所的 林炳承研究员领导的研究小组提出了以微流控芯片为基础的d n a 计算机的基本构想，将计算机的 基本功能单元如输入、输出、控制单元，尤其是存储单元集成于微流控芯片上，解决了数学中等腰 三角形识别的问题，并尝试将微流控芯片d n a 计算机用于疾病诊断和药物筛选” 1 2 2 徽流控芯片的基底材料 随着加工工艺的不断成熟，越来越多的材料被应用于微流控芯片的制作中，其中最常用的是晶 体硅和玻璃f s 2 - 5 ”。晶体硅具有散热性好、硬度高、耐腐蚀等优点，在微流控芯片的发展过程中起了 重要的作用，但是其也有很明显的缺点，如透光性差，不便于在光学检测中作为掩体，同时其深度 刻蚀困难，不便于制作高通量的微流控芯片。玻璃与晶体硅具有相同的散热性好，硬度高等优点， 同时玻璃又具有绝缘性好、透光性好等晶体硅所不具有的优点。因此成为目前微流控芯片领域中最 常使用的一种基底材料。但其同样存在着深度刻蚀困难，以及键合温度高等缺点。高聚物材料如 p d m s ( 聚二甲基硅烷) 州，p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲脂) i s 7 , p c ( 聚碳酸酯) 1 5 1 p s ( 聚苯乙烯) 印1 等凭借其加工制作简单、成本较低，同时容易获得高深宽比结构等优点，越来越广泛的应用于微 流控芯片的制作中但是，高聚物的热稳定性不如玻璃和硅好，因而容易导致以高聚物为基底的微 流控芯片产生溶胀，变形等缺点，使用范围受到了一定程度的限制。因此，需根据微流控芯片的不 同用途，考虑到各种材料的自身特点，制作出符合要求的微流控芯片 1 2 3 微流控芯片的应用 聚合酶链反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n , p c r ) 是一种对核酸分子进行体外增的方法，反应的 主要操作过程在三个温度区间重复循环。经过酶促反应扩增特定的d n a 片断，利用扩增后的反应 产物诊断疾病，检验组织以及血样中的特殊细菌或者病毒。但是常规的p c r 方法存在着耗时长，操 作烦琐，试剂消耗量大等缺点，因此寻求快速简便的方法一直是研究的重点。徽流控芯片凭借着其 较快的热循环速度为p c r 微型化操作提供了一条可行的途径。美国加州b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 等 人领导的研究小组开发出了集采样，分离与检测于一体的基于玻璃基底的p c r 微反应系统1 6 0 。国内 浙江大学化学系微分析系统研究所的刘金华等人组装了由注射泵进样系统，微流控芯片和三温区加 热器组成的流动型p c r 扩增系统，在4 9 分钟内经2 4 个循环成功的扩增了浓度为i n g n o o l l l 的 毛细管电泳( c a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s , c e ) 是微流控芯片在生物医学领域中的另一个重要应用。 在微通道条件下，施加电场产生的焦耳热效应较低、注入的试剂量少、分子扩散程度低。因此微流 控c e 分析在核酸诊断分离中的分辨能力远远高于平板凝胶电泳。微流控芯片快速高质量的分离效 率在寡核苷酸、d n a 、r n a 片段分析以及基因表型和测序应用中得到了充分的反映。其中e f f e n h a u s e r 等人最早在微流控芯片上进行d n a 分离测试，分离了长度为l o - - 5 0 b p 的d n a 低聚物的混合物1 6 “。 国内杜晓光等研究人员利用p m m a 毛细管电泳芯片成功分离了c y 5 荧光染料及其副产物1 和2 ，实 现了c y 5 与两种副产物的基线分离岬j 。 微流控芯片在蛋白质分析中的作用是通过在基底材料上设置各种微泵、微阀、微电泳以及微流 路，将生化实验室的分析功能浓缩固化在蛋白质芯片上，然后在电场的作用下，样品中的蛋白质通 过芯片上的孔道分离开来，直接进入质谱分析仪中进行检测，以确定蛋白质的分子量及种类 h o f m a n n 等人首次将毛细管电泳用于微流控玻璃芯片上的蛋白质分析，5 分钟内分离检测全部8 - - 1 0 个多肽岬】。中科院上海微系统与信息技术研究所的刘菁等研究人员采用自控接口模板对进样及分 离电压进行了系统的程序化控制，从而准确的控制了整个电泳检测流程，提高了徼流控芯片的分离 效率与检测灵敏度”。 微流控芯片在其它领域也发挥着重要的作用，凭借着快速分析筛选的特点，在新一代药物的研 4 苎二苎堑堡 发过程中将起到重要的作用，同时在其它行业如食品卫生、环境监测、军事，航天科学中、微流控 芯片凭借着其自身的诸多优点，展示出了良好的发展前景。 1 2 4 微流控芯片的发展趋势与挑战 ( 1 ) 检测仪器的微型化与智能化：由于微流控芯片本身所具有的大小在平方厘米范围内，厚度 一般也不超过几个毫米，因此具有使检测仪器进一步小型化。便携式的潜力，方便家庭用户的使用， 同时可以使仪器具有网络通信功能，将检测数据实时反馈给医院，得到医生在线的诊断与服务。 ( 2 ) 检测系统的集成化：传统的微流控芯片一般能够满足的单通道的快速检测，但对于大量的 样品则无能为力，这无疑会延误检澳4 时间，因此采用阵列式多通道检测成为目前的研究重点。m a t h i e s 等人实现了在晶圆上制造出通道微流控阵列的毛细管芯片，在2 分钟的时间内便完成了9 6 个 d n a 试样的测定”j 。 微流控芯片集成化的另一个重要特点就是各种功能器件在微小空间上的集合，通过各器件之间 的相互配合，实现某种特定的检测功能。如把血样固相萃取、膜分离、核酸提取、核酸p c r 反应、 扩增产物分离、产物检测等功能集成在一块芯片上，用泵和阀控制整个流路，只需采一滴血，样品 自动运行后即能得到最终体内某种d n a 的分布结果。日本的h i s a m o t o 等研究人员将方形毛细管镶 嵌到p d m s 微通道网格中，在同一块芯片上实现了进样、化学修饰、混合、反应等一系列的功能， 提高了检测效率j 。 ( 3 ) 制作材料的多样性：由于微流控芯片是从微电子领域中延伸出来的一个分支，因此早期的 芯片材料完全采用硅与玻璃。随着技术的不断成熟，多学科的不断交叉，各种高聚物材料被广泛的 用于微流控芯片的制作中，产生了玻璃与高聚物并重的局面。相信随着检测需求的多样性，必将有 更多的材料运用于微流控芯片的制作中。设计并制造出性能更为优良的微流控芯片州。 ( 4 ) 虽然微流控芯片的发展前景非常广阔，但是目前微流控芯片的研究进展与人们的预期所要 达到的水平还有一定的差距，研究难点主要表现在以下几个方面：首先是微量样品与检测准确度的 矛盾，微流控芯片体积较小、需要的样品量少、反应速度快，这给检测的准确度和精密度都带来了 难度；其次，由于微流控芯片经常需要预留与测试仪器的接口，而往往检测仪器又比较巨大，这就 使设计者必须设计出符合仪器要求大小的芯片，无疑增加了微流控芯片的体积，限制了其微型化， 便携式的特点 1 3 微电极技术 1 3 1 微电极的特点与发展现状 伴随着半导体制造工艺的不断提高，微电极制造技术以前所未有的速度发展着，广泛应用在生 物医学、分析化学、环境监测等领域中。尤其在近几年发展起来的基因工程和纳米技术中，微电极 既可以对d n a 等有机大分子进行测定。也可以对痕量金属离子等进行测定，因此对微电极的研究 成为当前的前沿课题之_ i t s - h i 。r i c h a r da n o r m a n n 等人制作了以单晶硅为基底，在4 m m * 4 m m 的 面积上包含了1 0 0 根针式电极的电极阵列，用于刺激中枢神经系统的神经细胞i ”j 。s t e p h e nm r a d l k e 等人制作了基于硅基底的金电极阵列，用于检测食物中的0 1 5 7 ：h 7 病毒 7 4 1 。k d i l l 等人则将高密度 电极阵列应用于电化学免疫检测中删伴随着微电极技术的不断发展。各种适用于微电极检测的便 携式移动检测平台也相继推出，j o s e p hj p a n c r a z i o 等人研制成功了包含温控、信号放大、信号滤波 功能的3 6 通道微电极阵列电化学检测仪【，国内外的许多大公司也先后推出了各自的电化学工作 站，如美国c hi n s t r u m e n t s 公司p7 j 和德国z a h n e r p 8 i 公司分别推出的电化学检测平台 我国在微电极研究与制作方面也取得了长足的进步，中科院应用化学研究所的张君等人利用丝 网印刷技术制备了薄膜微电极，对制作过程中的各步骤做了详细的研究和分析1 7 9 1 。中科院电子学研 究所的刘敬伟等人则利用体硅加工工艺，采用各向异性硅腐蚀及s u 8 微反应池方法制成了新型的 体硅加工电极i 舯j 。山东科技大学苏学成教授研制成功“动物机器人”，将微电极植入实验鼠大脑， 将特定的电信号施加到鼠脑中特定的神经基团，从而使实验鼠按照电信号的控制进行运动1 5 l j 。 5 东南大学硕士学位论文 由于微电极具有非常小的电极尺寸( 微米级) ，因此具有常规电极所没有的电极特性1 8 2 3 】： ( 1 ) 微电极的极化电流一般在l 旷数量级，甚至可达l o “2 数量级，小的极化电流降低了系统的 m 降。使之可以用于高电阻的体系中，包括低电解质溶液甚至无电解质溶液、气相体系、半固态和 全固态体系。 ( 2 ) 微电极固有的很小的r c 时间常数可以用来对快速、暂态电化学反应进行研究 ( 3 ) 微电极上的峰电流k 与电极半径的倒数l ，r 呈一定的线性关系，而充电电流密度j c 只与扫 描速度呈正比，与电极半径无关，因此电极半径减小时，电极信噪比增大。 1 3 2 微电极的分类与制作 ( 1 ) 按电极材料分类：微电极材料可从导体和半导体材料中分别选取，最常用的电极材料主要 有金、铂、碳和一些导电的高分子化合物，另外还包括一些化学修饰电极，如在微电极表面修饰n a t i o n 膜i s 4 以及酶修饰电极等m j ( 2 ) 按电极形状分类：微电极按照几何形状不同可以分为微圆盘电极、微圆环电极、微圆柱电 极、微球形电极、微半扁球电极、微带状电极、微电极阵列以及微叉指形电极。 微电极的制作是微电极技术发展的关键问题之一。近年来，由于微电子技术的快速发展。给微 电极的研制提供了非常有利的条件，各种制造方法不断涌现，微电极的尺寸也不断的从微米级向纳 米级转变。 ( 1 ) 对于传统单管微电极的制各，比较常用的方法是将微细金属丝插入事先准备好的毛细玻璃 管中。用环氧树脂填充毛细管的前端，在环氧树脂固化之后，对毛细管前端进行研磨。使电极表面 平滑，提高精确度。金属丝后端则通过导电胶与铜导线相连引出，方便与电化学检测平台的连接。 ( 2 ) 对于平面微电极及电极阵列的制造，通常采用光刻法和丝网印刷法 6 9 - 7 0 l 。其中以硅材料或 玻璃材料为基底的平面微电极常采用光刻法进行制造，通过紫外曝光、显影、溅射金属、离子刻蚀 等一系列工序完成平面电极以及电极阵列的制作。对于在柔软基底( 例如p d m s 、u c c ) 上制作的 平面电极或电极阵列而言i s 6 1 ，通常采用丝网印刷法实现，将掩膜精确的放置在基底之上，掩膜的一 侧涂上导电浆料，通过丝网印刷机将浆料均匀的涂敷在基底表面，浆料干燥之后电极阵列即可使用 对于结构简单的平面电极而言，丝网印刷法能够提高电极生产效率，但是对于复杂结构或者是三维 结构的电极阵列而言，丝网印刷技术则无能为力，因此目前复杂微电极的制造已呈现出将丝网印刷技 术与光刻技术相结合的一种趋势 1 3 3 微电极的应用 微电极以其快速的时间响应常数，较小的极化电流。较高的传质速度等优点在电化学即】、生物 医学州、分析化学1 7 等领域引起越来越多的重视。 ( 1 ) 微电极凭借其具体积小的特点，可以在不破坏生物体原有平衡的基础上方便的测定生物运 动时体内所产生的理化变化，因此在生物电化学中具有广阔的应用前景。s i m o ns a n g 等人研制成 功了基于硅基底的针式微电极阵列，用于检测人脑中多巴胺的检测1 7 q y o s h i h i k o k u w a n a 等人研制 成功了基于s o - 8 柔性基底的微电极阵列，用来测定蛾子背部肌肉运动时所产生的压力变化【叫另 外，利用微电极具有快速响应等特点，j m u t h u s w a m y 等人研制了能够植入人脑用于精确测定脑中神 经元细胞的电位变化的微电极1 9 0 1 ( 2 ) 由于微电极具有很强的边缘效应，因此具有极高的传质速率，可在弱电解质甚至无电解质 的环境下进行检测，非常适合电位溶出法口s a ) 的分析研究 9 1 - 9 2 1 。微电极较高传质速率的另一个应 用是溶出伏安分析，利用此法能够测定周期表中的大多数元素，既可以连续测定几种离子，也可以 测定元素的不同存在形式，可用阳极溶出伏安法测定的元素有3 0 多种，用阴极溶出伏安法测定的元 素也有2 0 多种，另外某些有机化合物也可以用溶出伏安法测定。目前此法已经广泛应用于环境科学、 卫生检验、临床化学、生物化学、生物医学以及食品分析等领域中痕量组分测定1 9 ” ( 3 ) 由于微电极的欧姆压降和电解池时间常数很小，有利于获得快速反应、中间体反应的动力 学信息，因此微电极也常用于快速电子转移、电子转移中的化合偶联、扩散系数的测定等领域【叫。 6 第一章绪论 k a o r u 等利用循环伏安法、计时电流法和阻抗光谱扫描电化学方法研究l i 离子引出及插入单个 l i m n 2 0 4 粒子微电极的动力学过程，测得了l i 离子在电极微粒上的最大迁移电阻和表观扩散系数i ”1 ( 4 ) 化学修饰电极是微电极应用研究领域的另一个重要方面，化学修