中心議題：

• 基於免疫微傳感器的微流體係統
• 係統設計和製作

解決方案：

• 采用將微反應室和反應電極分別製作的方法
• 選擇將PDMS覆於模具上

• 利用SU-8膠和PDMS等材料搭建微流體係統

1引言

近幾年，基於電化學原理的安培酶免疫檢測發展迅速，在食品工業、環境監測與處理、生物技術及臨床診斷等領域都有著廣泛的應用。

liyongkangyuankangtizhijiandeteyixingqinhezuoyongyijimeidecuihuafangdazuoyong，tongguojianceyudaicewunongduxiangguandedianliuxinhaoshixianshengwufenzidejianceheshibie
，xiangduiyuchuantongdeguangpumianyijiancejuyouxiangyingkuai、靈敏度高、成本低
、體積小等特點。

基於MEMS工藝在矽襯底上製備微電極結構實現免疫檢測，能夠實現免疫傳感器器件的微型化、檢(jian)測(ce)試(shi)劑(ji)的(de)微(wei)量(liang)化(hua)以(yi)及(ji)生(sheng)產(chan)的(de)批(pi)量(liang)化(hua)。但(dan)這(zhe)類(lei)免(mian)疫(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)仍(reng)處(chu)於(yu)實(shi)驗(yan)室(shi)研(yan)究(jiu)階(jie)段(duan)，很(hen)多(duo)性(xing)能(neng)還(hai)有(you)待(dai)改(gai)善(shan)，例(li)如(ru)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)一(yi)致(zhi)性(xing)較(jiao)差(cha)
，這(zhe)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)阻(zu)礙(ai)了(le)其(qi)向(xiang)實(shi)用(yong)化(hua)、市場化方向的發展。

影(ying)響(xiang)微(wei)型(xing)免(mian)疫(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)一(yi)致(zhi)性(xing)的(de)因(yin)素(su)較(jiao)多(duo)
，包(bao)括(kuo)生(sheng)物(wu)敏(min)感(gan)膜(mo)的(de)質(zhi)量(liang)以(yi)及(ji)免(mian)疫(yi)檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)可(ke)控(kong)性(xing)等(deng)。首(shou)先(xian)生(sheng)物(wu)敏(min)感(gan)膜(mo)是(shi)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)識(shi)別(bie)元(yuan)件(jian)，是(shi)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)核(he)心(xin)。對(dui)於(yu)日(ri)益(yi)微(wei)型(xing)化(hua)的(de)免(mian)疫(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，既(ji)需(xu)要(yao)在(zai)微(wei)尺(chi)度(du)下(xia)行(xing)免(mian)疫(yi)分(fen)子(zi)的(de)固(gu)相(xiang)化(hua)，又(you)要(yao)保(bao)證(zheng)固(gu)相(xiang)免(mian)疫(yi)分(fen)子(zi)的(de)數(shu)量(liang)和(he)活(huo)性(xing)，同(tong)時(shi)又(you)要(yao)保(bao)證(zheng)不(bu)同(tong)免(mian)疫(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)物(wu)敏(min)感(gan)膜(mo)固(gu)化(hua)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)
，具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)難(nan)度(du)。常(chang)規(gui)對(dui)微(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)敏(min)感(gan)表(biao)麵(mian)進(jin)行(xing)修(xiu)飾(shi)的(de)方(fang)法(fa)
，無(wu)論(lun)在(zai)同(tong)化(hua)機(ji)理(li)上(shang)是(shi)采(cai)用(yong)共(gong)價(jia)結(jie)合(he)還(hai)是(shi)物(wu)理(li)吸(xi)附(fu)，多(duo)采(cai)用(yong)浸(jin)泡(pao)

、滴di塗tu等deng方fang法fa來lai實shi現xian。每mei次ci對dui樣yang品pin的de處chu理li時shi間jian以yi及ji試shi劑ji添tian加jia量liang的de多duo少shao，往wang往wang因yin人ren而er異yi
，同tong時shi也ye受shou環huan境jing條tiao件jian的de影ying響xiang
，使shi製zhi備bei的de生sheng物wu敏min感gan膜mo的de穩wen定ding性xing和he一yi致zhi性xing難nan以yi保bao證zheng。因yin此ci需xu要yao進jin行xing生sheng物wu敏min感gan膜mo固gu化hua過guo程cheng的de可ke控kong性xing技ji術shu和he方fang法fa研yan究jiu，以yi提ti高gao傳chuan感gan器qi的de一yi致zhi性xing和he穩wen定ding性xing。

其次
，根據電流型免疫傳感器檢測的原理和特點，在免疫檢測的過程中需要依次在傳感器表麵加入待測抗原、酶mei標biao抗kang體ti以yi及ji反fan應ying底di物wu，並bing要yao在zai這zhe些xie過guo程cheng中zhong對dui電dian極ji表biao麵mian進jin行xing反fan複fu清qing洗xi。如ru此ci繁fan瑣suo的de試shi劑ji添tian加jia過guo程cheng目mu前qian在zai實shi驗yan室shi階jie段duan多duo采cai用yong人ren工gong滴di加jia的de方fang法fa來lai完wan成cheng
，帶dai來lai的de不bu穩wen定ding因yin素su眾zhong多duo，很hen難nan保bao證zheng傳chuan感gan器qi工gong作zuo環huan境jing的de穩wen定ding和he標biao準zhun，從cong而er影ying響xiang傳chuan感gan器qi檢jian測ce結jie果guo的de穩wen定ding性xing和he可ke靠kao性xing。

基於以上考慮
，本文在MEMS工藝製備的電極型免疫微傳感芯片的基礎上，設計和製備微反應室以及微進出樣溝道，利用SU-8膠和PDMSdengcailiaodajianweiliutixitong，yongyijieherudongbengwanchengminganmogudinghuajijinyangheqingxidengmianyijiancecaozuoguocheng，xiaochurenweiganrao
，gaishanshengwuminganmozhibeiyijimianyifanyinghuanjing，tansuotigaoshengwuminganmoguhuadewendingxingheyizhixing，weitigaomianyiweichuanganqijianceyizhixingdeyanjiujileifangfahejingyan。

2 係統設計和製作

根gen據ju免mian疫yi傳chuan感gan器qi檢jian測ce的de原yuan理li及ji特te點dian
，並bing針zhen對dui提ti高gao微wei型xing免mian疫yi生sheng物wu傳chuan感gan器qi穩wen定ding性xing和he一yi致zhi性xing的de需xu要yao，進jin行xing微wei流liu體ti係xi統tong的de設she汁zhi和he研yan究jiu。設she計ji麵mian向xiang應ying用yong化hua和he穩wen定ding的de免mian疫yi檢jian測ce係xi統tong

，考kao慮lv到dao低di成cheng本ben和he易yi操cao作zuo等deng因yin素su，采cai用yong將jiang微wei反fan應ying室shi和he反fan應ying電dian極ji分fen別bie製zhi作zuo的de方fang法fa。實shi驗yan時shi在zai電dian極ji片pian表biao麵mian粘zhan附fu微wei結jie構gou形xing成cheng微wei反fan應ying係xi統tong進jin行xing免mian疫yi檢jian測ce，反fan應ying結jie束shu後hou可ke以yi將jiang反fan應ying室shi與yu電dian極ji分fen開kai
，相xiang對dui於yu一yi次ci性xing的de反fan應ying電dian極ji，微wei反fan應ying窒zhi可ke以yi經jing處chu理li後hou實shi現xian重zhong複fu使shi用yong。

2.1 微流體係統的結構設計

基於MEMS工藝製備的電極型免疫微傳感器結構如圖1所示

，包括圓形的工作電極和環形的對電極，工作電極敏感麵積為1 mm2，該免疫傳感器具有微型化

、shijiyongliangshaodetedian。genjumianyichuanganqidegongzuoyuanli
，shejibaokuoweixingfanyingshihejinchuyanggoudaodeweiliutixitong
，peiherudongbengshixianzidongjiayangxitongyishixianmianyijianceguocheng。weiliutijiegourutu2所示，微反應室搭建在由工作電極和對電極所組成的敏感反應區域上。通過計算檢測時電極表麵所需樣品的體積，設計高為500 μm、直徑為5 mm的圓柱形微反應室，將微型免疫電極置於其中心。
 
在(zai)微(wei)小(xiao)空(kong)間(jian)內(nei)進(jin)行(xing)液(ye)體(ti)樣(yang)品(pin)的(de)進(jin)出(chu)樣(yang)品(pin)操(cao)作(zuo)
，肯(ken)定(ding)會(hui)對(dui)微(wei)反(fan)應(ying)室(shi)壁(bi)和(he)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)一(yi)定(ding)壓(ya)力(li)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)整(zheng)個(ge)反(fan)應(ying)室(shi)的(de)密(mi)封(feng)性(xing)和(he)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)敏(min)感(gan)區(qu)域(yu)免(mian)受(shou)流(liu)體(ti)衝(chong)擊(ji)而(er)保(bao)持(chi)敏(min)感(gan)膜(mo)的(de)完(wan)好(hao)無(wu)損(sun)，同(tong)時(shi)為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)敏(min)感(gan)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)免(mian)疫(yi)反(fan)應(ying)和(he)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)的(de)均(jun)一(yi)性(xing)，綜(zong)合(he)進(jin)出(chu)樣(yang)流(liu)速(su)及(ji)保(bao)證(zheng)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)樣(yang)品(pin)均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)等(deng)因(yin)素(su)，合(he)理(li)設(she)計(ji)微(wei)室(shi)結(jie)構(gou)以(yi)及(ji)進(jin)液(ye)口(kou)和(he)出(chu)液(ye)口(kou)的(de)數(shu)量(liang)和(he)尺(chi)寸(cun)
，使(shi)得(de)在(zai)沒(mei)有(you)微(wei)閥(fa)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，實(shi)驗(yan)試(shi)劑(ji)在(zai)進(jin)入(ru)微(wei)室(shi)後(hou)能(neng)夠(gou)良(liang)好(hao)地(di)分(fen)布(bu)於(yu)反(fan)應(ying)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)區(qu)域(yu)，並(bing)能(neng)被(bei)順(shun)利(li)排(pai)出(chu)不(bu)會(hui)殘(can)留(liu)在(zai)微(wei)室(shi)內(nei)。
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根據以上考慮
，實驗中設計了4種不同結構，如圖3suoshi，zhongxinyuanzhutishiweifanyingshiqiang
，dingbudexiaoyuanzhutiweijinyegoudao

，dibudefangxingjiegouweishejidechuyegoudao
，jinyekouweizhiyouzhongxinhebianyuanweizhiliangzhong，chuyegoudaoshuliangyou4種。
 
2.2 微流體結構製備材料的研究

2.2.1 微流體結構材料的選擇

PDMS具有無毒
、用澆鑄法能複製微通道、加工簡便快速和成本低等特點，所以選擇將PDMS覆於模具上，固化成膜後揭下來壓於電極片表麵上密封構成微反應室，這樣PDMS具有良好的化學惰性
，可以避免微溝道對反應試劑的汙染。而且PDMS固化後的彈性可以緩衝微流帶來的對微反應室的力的作用
，允許外力均勻地施加在電極表麵的周圍。

2.2.2 微流體結構模具材料的選擇

在MEMS工藝中，500 μm的反應室高度較厚，如用深刻蝕等工藝在矽片上實現如此深的結構較為困難。SU-8膠是MEMS工藝中的一種厚膠材料
，常用於深結構的製備，故實驗采用SU-8膠製作微流體結構模具。而如此厚的SU-8膠所帶來的應力和表麵張力在製作過程中嚴重影響到矽片的形狀
，故采用玻璃圓片為材料，這樣也降低了成本。

3 仿真結果

對於電流型免疫傳感器，其免疫反應和電化學反應主要發生於中心圓形工作電極區域。在微小的反應空間內
，如果修飾溶液
、待檢測樣品
、清qing洗xi液ye等deng試shi劑ji能neng夠gou以yi工gong作zuo電dian極ji圓yuan心xin為wei中zhong心xin，在zai圓yuan形xing電dian極ji表biao麵mian均jun勻yun和he對dui稱cheng的de流liu動dong和he分fen布bu來lai參can與yu反fan應ying，在zai敏min感gan膜mo固gu化hua的de過guo程cheng中zhong將jiang能neng夠gou提ti高gao生sheng物wu敏min感gan膜mo固gu化hua過guo程cheng的de一yi致zhi性xing，從cong而er保bao證zheng生sheng物wu敏min感gan膜mo的de質zhi量liang。在zai免mian疫yi反fan應ying過guo程cheng中zhong將jiang能neng夠gou促cu進jin敏min感gan膜mo表biao麵mian抗kang原yuan抗kang體ti之zhi間jian免mian疫yi反fan應ying的de均jun一yi性xing，同tong時shi促cu進jin敏min感gan表biao麵mian電dian化hua學xue反fan應ying發fa生sheng的de一yi致zhi性xing，從cong而er提ti高gao傳chuan感gan器qi的de響xiang應ying速su度du並bing增zeng大da信xin號hao響xiang應ying。在zai清qing洗xi的de過guo程cheng中zhong能neng夠gou增zeng加jia電dian極ji敏min感gan表biao麵mian清qing洗xi的de潔jie淨jing性xing和he一yi致zhi性xing，減jian少shao非fei特te異yi性xing信xin號hao幹gan擾rao給gei傳chuan感gan器qi檢jian測ce所suo帶dai來lai的de偏pian差cha，增zeng加jia檢jian測ce的de穩wen定ding性xing和he一yi致zhi性xing。同tong時shi可ke以yi避bi免mian因yin反fan應ying液ye局ju部bu密mi集ji所suo帶dai來lai的de電dian流liu生sheng成cheng不bu均jun，避bi免mian敏min感gan膜mo表biao麵mian受shou力li不bu均jun產chan生sheng的de局ju部bu脫tuo落luo等deng問wen題ti。

根據設計的4種微流體結構，實驗采用fluent軟件進行微流體模擬，驗證不同結構的可行性，通過性能上的一些比對，選擇合理的微反應室和進出樣溝道結構。

3.1 流速與密度分布仿真

如圖4所示，對試劑在進出樣、qingxidengcaozuoguochengzhongdeliudongqingkuangjinxingfangzhen。shijijinruweifanyingshihou，zaidianjibiaomianfujin，yetideliusuyidianjibiaomianduicheng。shijizaidianjibiaomianfenbujiaoweijunyun

，meiyouyetijubujizhong
、分布不對稱的情況出現。4種zhong結jie構gou下xia反fan應ying試shi劑ji能neng夠gou均jun等deng地di流liu入ru到dao敏min感gan反fan應ying區qu域yu參can加jia反fan應ying，到dao達da電dian極ji表biao麵mian後hou都dou能neng均jun勻yun分fen布bu於yu敏min感gan區qu域yu及ji其qi周zhou圍wei，較jiao好hao地di參can與yu反fan應ying，同tong時shi采cai用yongPBS緩衝液也能夠較好地完成清洗任務。 [page]
3.2 壓力分布仿真

jianceguochengzhongyingkaolvyetishuruweifanyingshishiduigongzuodianjibiaomianminganmojishibichanshengdelidezuoyong，yinweilidezuoyongbudanghuichanshengminganmotuoluodexianxiang。shiyanguochengzhongtongguohelidishejixuanzejinyekouweizhilaiyouhualidefenbu，jianshaoduiminganmobiaomianchanshengdechongji。zaishejide4種結構中，對進液口位置的選擇分成中心處和邊緣處兩種，兩種結構的壓力分布圖對比如圖5suoshi。zaijinyeguandaofujin，yetichanshengjiaodadelidezuoyong，erjiangjinyekoucongfanyingquyuzhengshangfangyizhibianyuanchu，qichanshengdelihuizaizhongxinminganquyuwaiweibeidianjizhoubianquyuhefuyoudanxingdePDMS室壁緩衝而減弱，不會影響到敏感膜生成區域，較好地解決了進出液對敏感膜可能造成的損害問題；erzaizhongxinkaikoudeliangzhongjiegouweiyuminganfanyingqushangfang，rutukejianshijishurenshihuiyoulizuoyongyuzhongxinchu，tebieshidangyetishurusudujiaogaoshi，huiduiminganmozaochengsunshang。
 
綜合以上模擬分析
，從微流體在微反應室內的密度
、速(su)度(du)及(ji)壓(ya)力(li)的(de)分(fen)布(bu)模(mo)擬(ni)展(zhan)開(kai)討(tao)論(lun)和(he)比(bi)較(jiao)，論(lun)證(zheng)了(le)設(she)計(ji)結(jie)構(gou)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，並(bing)得(de)到(dao)了(le)在(zai)邊(bian)緣(yuan)處(chu)設(she)置(zhi)進(jin)液(ye)口(kou)的(de)結(jie)構(gou)較(jiao)在(zai)中(zhong)心(xin)處(chu)設(she)置(zhi)進(jin)液(ye)口(kou)的(de)結(jie)構(gou)更(geng)為(wei)合(he)理(li)的(de)結(jie)論(lun)。當(dang)然(ran)反(fan)應(ying)操(cao)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)實(shi)際(ji)效(xiao)果(guo)還(hai)與(yu)進(jin)樣(yang)流(liu)速(su)和(he)所(suo)用(yong)試(shi)劑(ji)黏(nian)稠(chou)度(du)的(de)選(xuan)擇(ze)等(deng)因(yin)素(su)有(you)關(guan)

，因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)設(she)計(ji)，製(zhi)作(zuo)了(le)不(bu)同(tong)的(de)微(wei)室(shi)結(jie)構(gou)(包括進出液溝道位置、數量及尺寸的不同選擇)
，如圖6。下一步將結合實際檢測進一步優化結構和參數。  
4 結束語

本文在MEMS工藝製備的電流型免疫傳感器基礎上，利用SU-8膠和PDMSdengcailiaodajianweiliutixitong，shejihezhibeileweifanyingshiyijiweijinchuyanggoudao，jinxingleshengwuminganmoguhuaguochengdekekongxingjishujifangfayanjiufangmiandetansuo，shitigaomianyiweichuanganqijianceyizhixingjiwendingxingfangfayanjiudeguanjianneirongzhiyi，duiriyiweixinghuademianyishengwuchuanganqideyanzhiyouzhezhongyaodeyanjiuyiyiheshiyongjiazhi。tongguofluent軟件的模擬，對不同結構下微流體所產生的密度、suduheyalifenbugeiminganmoguhuahemianyijiancesuodailaideyingxiangjinxinglefenxihebijiao，bingzuochulejiegoushangdeyouhuahexuanze。weixiayibupeiherudongbengjinxingmianyijianceshiyan，xunqiuxiaochurenweiganrao
、改gai善shan微wei免mian疫yi檢jian測ce環huan境jing以yi及ji對dui微wei反fan應ying係xi統tong進jin一yi步bu的de改gai進jin打da下xia基ji礎chu

，也ye為wei提ti高gao電dian流liu型xing免mian疫yi微wei傳chuan感gan器qi的de穩wen定ding性xing和he一yi致zhi性xing研yan究jiu積ji累lei了le方fang法fa和he經jing驗yan。