导读: 近几年,基于电化学原理的安培酶免疫检测发展迅速,在食品工业、环境监测与处理、生物技术及临床诊断等领域都有着广泛的应用 。
1 引 言
近几年,基于电化学原理的安培酶免疫检测发展迅速,在食品工业、环境监测与处理、生物技术及临床诊断等领域都有着广泛的应用
利用抗原抗体之间的特异性亲和作用以及酶的催化放大作用,通过检测与待测物浓度相关的电流信号实现生物分子的检测和识别,相对于传统的光谱免疫检测具有响应快、灵敏度高、成本低、体积小等特点
基于MEMS工艺在硅衬底上制备微电极结构实现免疫检测,能够实现免疫传感器器件的微型化、检测试剂的微量化以及生产的批量化
影响微型免疫传感器稳定性和一致性的因素较多,包括生物敏感膜的质量以及免疫检测过程中的可控性等
其次,根据电流型免疫传感器检测的原理和特点,在免疫检测的过程中需要依次在传感器表面加入待测抗原、酶标抗体以及反应底物,并要在这些过程中对电极表面进行反复清洗
基于以上考虑,本文在MEMS工艺制备的电极型免疫微传感芯片的基础上,设计和制备微反应室以及微进出样沟道,利用SU-8胶和PDMS等材料搭建微流体系统,用以结合蠕动泵完成敏感膜固定化及进样和清洗等免疫检测操作过程,消除人为干扰,改善生物敏感膜制备以及免疫反应环境,探索提高生物敏感膜固化的稳定性和一致性,为提高免疫微传感器检测一致性的研究积累方法和经验
2 系统设计和制作
根据免疫传感器检测的原理及特点,并针对提高微型免疫生物传感器稳定性和一致性的需要,进行微流体系统的设汁和研究
2.1 微流体系统的结构设计
基于MEMS工艺制备的电极型免疫微传感器结构如图1所示,包括圆形的工作电极和环形的对电极,工作电极敏感面积为
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在微小空间内进行液体样品的进出样品操作,肯定会对微反应室壁和电极表面产生一定压力
根据以上考虑,实验中设计了4种不同结构,如图3所示,中心圆柱体是微反应室腔,顶部的小圆柱体为进液沟道,底部的方形结构为设计的出液沟道,进液口位置有中心和边缘位置两种,出液沟道数量有4种
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2.2 微流体结构制备材料的研究
PDMS具有无毒、用浇铸法能复制微通道、加工简便快速和成本低等特点,所以选择将PDMS覆于模具上,固化成膜后揭下来压于电极片表面上密封构成微反应室,这样PDMS具有良好的化学惰性,可以避免微沟道对反应试剂的污染
在MEMS工艺中,500 μm的反应室高度较厚,如用深刻蚀等工艺在硅片上实现如此深的结构较为困难
3 仿真结果
对于电流型免疫传感器,其免疫反应和电化学反应主要发生于中心圆形工作电极区域
根据设计的4种微流体结构,实验采用fluent软件进行微流体模拟,验证不同结构的可行性,通过性能上的一些比对,选择合适的微反应室和进出样沟道结构
3.1 流速与密度分布仿真
如图4所示,对试剂在进出样、清洗等操作过程中的流动情况进行仿真
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3.2 压力分布仿真
检测过程中应考虑液体输入微反应室时对工作电极表面敏感膜及室壁产生的力的作用,因为力的作用不当会产生敏感膜脱落的现象
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综合以上模拟分析,从微流体在微反应室内的密度、速度及压力的分布模拟展开讨论和比较,论证了设计结构的可行性,并得到了在边缘处设置进液口的结构较在中心处设置进液口的结构更为合适的结论
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4 结束语
本文在MEMS工艺制备的电流型免疫传感器基础上,利用SU-8胶和PDMS等材料搭建微流体系统,设计和制备了微反应室以及微进出样沟道,进行了生物敏感膜固化过程的可控性技术及方法研究方面的探索,是提高免疫微传感器检测一致性及稳定性方法研究的关键内容之一,对日益微型化的免疫生物传感器的研制有着重要的研究意义和实用价值