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光纤分导微梁阵列生化传感装置研制及检测应用

更新时间：2019-12-25 16:25:32 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：生化传感装置 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

研制了一套基于光杠杆原理的微悬臂梁阵列传感器平台,并通过使用设计制作的微悬臂梁阵列芯片展示其在生物化学方面的检测应用。传感器平台使用光导纤维束分别与激光器耦合作为悬臂梁阵列的扫描光源,具有良好的检测稳定性,检测信号噪声水平约为2 nm;设计制作的微悬臂梁阵列芯片具有良好的平直度,温度响应均匀一致,各梁温度改变响应灵敏度偏差不超过5.0%。将整套传感系统被用于检测水溶液中的Hg2+,检测浓度范围为1~200 ng/m L;同一浓度下微悬臂梁阵列检测结果曲线一致性良好,平均偏差小于15%。在研制仪器平台上,分别实现了自制和国外商品化芯片对1.0和0.2 ng/m L样品的检测,结果表明,制作的微悬臂梁阵列芯片的检测灵敏度相对较低,需进一步改进悬臂梁阵列制作工艺。


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45  
( FENXI HUAXUE)  
1
第 期  
第
卷
分析化学  
研究报告  
2017  
1
Chinese Journal of Analytical Chemistry  
42～47  
年
月
DOI: 10．11895/j．issn．0253-3820．160629  
光纤分导微梁阵列生化传感装置研制及检测应用  
1
1
2
* 1  
* 1  
张广平 李 潮 马 薇 吴尚犬  
张青川  
1
(
， ，  
中国科学院材料力学行为和设计重点实验室 中国科学技术大学近代力学系 合肥  
230027)  
2
(
，
美奥微系统有限公司 香港  
999077)  
，
研制了一套基于光杠杆原理的微悬臂梁阵列传感器平台 并通过使用设计制作的微悬臂梁阵列芯  
摘
要
。
片展示其在生物化学方面的检测应用 传感器平台使用光导纤维束分别与激光器耦合作为悬臂梁阵列的扫  
， ，  
描光源 具有良好的检测稳定性 检测信号噪声水平约为  
2 nm;  
设计制作的微悬臂梁阵列芯片具有良好的平  
5．0%。  
将整套传感系统被用于检测水溶液中  
， ，  
直度 温度响应均匀一致 各梁温度改变响应灵敏度偏差不超过  
+
2
Hg  
，
1～200 ng/mL; ，  
同一浓度下微悬臂梁阵列检测结果曲线一致性良好 平均偏差小于  
的
检测浓度范围为  
15%。  
，
在研制仪器平台上 分别实现了自制和国外商品化芯片对  
1．0  
0．2 ng/mL  
， ，  
样品的检测 结果表明 制  
和
，
作的微悬臂梁阵列芯片的检测灵敏度相对较低 需进一步改进悬臂梁阵列制作工艺  
。
; ; ; ;  
关键词 生物化学传感器 光导纤维 悬臂梁阵列 汞离子 定量检测  
1
引 言  
。
微悬臂梁传感技术是目前在生物化学检测领域具有广泛发展前景的传感技术手段 微悬臂梁传感  
［1］  
，
器的设计使用起源于原子力显微镜探针技术  
该传感技术将分子识别结合过程转化为可识别记录的  
。 、 、 ，  
机械信号 这项传感技术具有无需标记 高灵敏度 可实时原位检测等优点 已用于检测各类化学分子  
、
［2～4］  
［5］  
［6］  
［7，8］  
［9］  
，
、
。
及微生物 的生长过程  
离子  
识别生物分子如蛋白质  
核酸 以及监测细胞  
， ， ，  
近年来 随着微制造工艺的发展 微悬臂梁芯片的制造技术越来越成熟 已经可以制作出包含多个  
， 。  
微悬臂梁的阵列芯片 可轻松实现高通量检测以及设置平行对照实验 制作机械性能良好且一致的微  
， 。  
悬臂梁阵列芯片以及稳定可靠的传感检测平台 是悬臂梁传感器检测应用的工作基础和重点 目前已  
。 ，  
经有很多实现微悬臂梁阵列检测的报道 最初 垂直腔面发射激光器阵列被用于时序扫描检测阵列  
［10］  
［11］  
， ， 。Martinez  
但不方便进行温度控制 激光器输出不稳定引入噪声 等  
梁
使用扫描的激光实现检测  
［12］  
， 。  
二维排布的微悬臂梁阵列 但这种方法无法避免移动误差带来的噪声 邬林等 使用压电陶瓷管带动  
， 2 ，  
透镜移动使激光照射位置产生变化的方法 实现了对包含 根悬臂梁的芯片的检测 这种方法一方面  
， ，  
会有移动位移误差噪声 另一方面透镜的移动也会影响汇聚的激光光斑形状 造成不同梁检测信号噪声  
，
不同 影响检测精度  
。
8 ，  
本研究利用八束光导纤维分别耦合至 个激光器作为阵列梁探测光源 搭建基于光杠杆原理的阵  
， 8 。  
列悬臂梁传感平台 设计制作包含 个悬臂梁的微悬臂梁阵列芯片 初步分析制作的悬臂梁阵列的平  
，
直度以及在改变温度时各悬臂梁的响应 利用传感检测系统平台和制作的微悬臂梁阵列芯片定量检测  
+
+
2
2
Hg ，  
比较不同微悬臂梁阵列芯片对极低浓度的  
Hg  
。
检测的差异  
水溶液中  
2
实验部分  
2．1  
微悬臂梁阵列芯片制作  
， ，  
悬臂梁阵列芯片是检测过程最重要的消耗部件 而且容易损坏 制作的目的是希望制作出价格经  
［13］  
、 。  
济 具有高灵敏度且悬臂梁性能一致的芯片 微梁阵列主要制作步骤如下  
: ( 1)  
在清洗后的硅片  
( Nanoshift LLC． USA)  
1
m
μ
; ( 2)  
，
利用光刻得到掩膜  
上经低压化学气相沉积过程两面沉积  
厚氮化硅膜  
2016-08-24  
; 2016-11-22  
收稿  
接受  
( Nos． 11627803，11502265，11472266)  
( B ) ( No．XDB22040502)  
类 资  
本文系国家自然科学基金项目  
及中国科学院战略性先导科技专项  
助
*
E-mail: wushq@ ustc．edu．cn; zhangqc@ ustc．edu．cn  
1
:
张广平等 光纤分导微梁阵列生化传感装置研制及检测应用  
第
期
43  
; ( 3)  
对氮化硅层的反应离子刻蚀过程在硅片正面形成微梁阵列的图形  
经等离子体增强化学气相沉积  
3
m
μ
; ( 4)  
厚氧化层形成保护层 该过程刻蚀出微梁芯片的侧壁以及芯片与硅片框  
法在硅片正面沉积  
: ，  
架间的连接部分 首先通过光刻及对氧化层的反应离子刻蚀过程在硅片正面形成需要刻蚀的轮廓 经  
，
300 m， ; ( 5)  
最后湿法刻蚀去除表面剩余氧化层 硅片正面热  
深反应等离子刻蚀过程 刻蚀硅片深度为  
; ( 6)  
通过光刻及对氮化硅层的反应离子刻蚀过程在硅片的背面形成微梁阵列腐  
μ
1
m
μ
生长  
厚氧化层  
; ( 7)  
，
各向异性腐蚀释放微悬臂梁阵列芯片 然后使用缓冲氧化物刻蚀去除正面氧化层  
;
蚀图形  
( 8)  
， Ti  
蒸发过程 在悬臂梁表面依次沉积 层和  
Au  
，
层 厚度依次为  
3
20 nm。  
和
×
m
μ
1( B)  
。 8 ，  
展示制作的微悬臂梁阵列芯片 每个芯片包含 个微悬臂梁 悬臂梁梁尺寸为  
: 500  
图
×
100  
m
μ
1
m， 250 m。  
μ 梁间距 μ  
(A)  
ꢁB)  
生长氮化硅膜  
(1)  
刻蚀正面ꢀ化硅图形  
(2)%  
SiNx growth  
Front-side%SiNx%pattern%ecthing  
（
）
１
沉积氧化层  
(3ꢀ  
刻蚀侧壁及框架  
ꢁ4)  
Oxide layer deposition  
Sidewall and frame etching  
（
）
2
刻蚀背面ꢀ化硅图形  
ꢁ6ꢀ  
生长氧化膜  
ꢁ5ꢀ  
Back-side SiNx pattern etching  
Oxide filem growth  
沉积  
、
Ti Au  
层
腐蚀释放芯片  
ꢁ8ꢀ  
(7ꢀ  
、
Ti Au layer deposition  
Chip etching  
1
( A)  
，( B)  
、 ( 1)  
制作的微悬臂梁阵列照片 局部放大照片 和一  
图
微梁阵列制作工艺流程图及芯片照片  
( 2)  
个芯片显微照片  
Fig．1 ( A) Fabrication process flow diagram of cantilever array，and( B) photograph of fabricated cantilever  
arrays，partial enlarged drawing ( 1) and micrograph of one chip ( 2)  
2．2  
微梁阵列传感系统设计  
2 。  
传感系统设计原理图如图 所示 悬臂梁阵列的偏转信号利用光杠杆方法由光电位置敏感探测器  
( Position Sensitive Detector，PSD)  
， 8  
接收 微梁阵列的探测光源为与 个激光器  
( 650 nm，  
北京华源世达激  
) 8 ，  
光技术有限公司 分别耦合的 束光导纤维 各光导纤维束末端汇集在间隔为  
250  
m
μ
8
的
个硅刻蚀制  
V
， 。  
型槽结构内 使得光纤末端发出光束与各悬臂梁一一对应 通过对各激光器进行时序控制实现对  
作
。 ，  
微梁阵列芯片中各悬臂梁偏转的探测 每个激光器都被分别安置在半导体温控器上 温度设定为  
25．0℃  
， 。  
以确保各激光器工作温度恒定 为激光器稳定输出提供保证 微梁阵列芯片被固定在体积为  
200  
L ， 1 L/s。 2 mm  
μ 的反应池内 实验过程中溶液流动速度设定为 μ 反应池底部距离悬臂梁芯片  
的位  
( MAP6A，SHIMAX) ，  
±0．05℃;  
，
整个仪器安置在光学隔震台上 放置于温度  
置安装有温控器  
温控精度达  
。
稳定的室内  
3
结果与讨论  
3．1  
微悬臂梁阵列性能分析  
， ， ，  
微悬臂梁阵列芯片满足检测实验要求 一方面要保证具有较高的平直度 即较大的曲率半径 可以  
［14］  
PSD  
， 。  
避免因此降低检测灵敏度 根据购买的商品化微阵列  
确保反射至  
靶面的光斑不会过于弥散  
( Micromotive，Germany) ，  
通常悬臂梁曲率半径在  
20 mm  
。
左右完全满足该要求 使用三  
悬臂梁芯片参数  
( Wyko NT9100)  
15 mm，  
测得的制作的阵列梁芯片各悬臂梁曲率半径均约为 在实验过程中初  
维轮廓仪  
。
步满足对曲率半径的要求  
，
另一方面 微悬臂梁阵列的使用意义之一是在实验过程中对芯片中不同悬臂梁间的偏转信号结果  
， ，  
进行比较 因此必须保证实验中使用的各悬臂梁性能一致或相近 即各悬臂梁在相同的激励下产生的响  
， 。 ，  
应一致 这里利用悬臂梁阵列对温度变化的响应进行验证 微悬臂梁阵列芯片安置在反应池中 池中充  
，
满水 反应池最初温度设定为  
28．0℃，  
， 15 min  
2．00℃。 3A，  
检测结果见图 由于双材  
温度稳定后 每  
升高  

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