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。

利li用yong抗kang原yuan抗kang體ti之zhi間jian的de特te異yi性xing親qin和he作zuo用yong以yi及ji酶mei的de催cui化hua放fang大da作zuo用yong

，通tong過guo檢jian測ce與yu待dai測ce物wu濃nong度du相xiang關guan的de電dian流liu信xin號hao實shi現xian生sheng物wu分fen子zi的de檢jian測ce和he識shi別bie，相xiang對dui於yu傳chuan統tong的de光guang譜pu免mian疫yi檢jian測ce具ju有you響xiang應ying快kuai、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
、jianceshijideweilianghuayijishengchandepilianghua。danzheleimianyichuanganqirengchuyushiyanshiyanjiujieduan，henduoxingnenghaiyoudaigaishan，liruchuanganqidewendingxingheyizhixingjiaocha
，zhezaihendachengdushangzuaileqixiangshiyonghua、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、ditudengfangfalaishixian。meiciduiyangpindechulishijianyijishijitianjialiangdeduoshao
，wangwangyinreneryi，tongshiyeshouhuanjingtiaojiandeyingxiang，shizhibeideshengwuminganmodewendingxingheyizhixingnanyibaozheng。yincixuyaojinxingshengwuminganmoguhuaguochengdekekongxingjishuhefangfayanjiu
，yitigaochuanganqideyizhixinghewendingxing。

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PDMS等deng材cai料liao搭da建jian微wei流liu體ti係xi統tong，用yong以yi結jie合he蠕ru動dong泵beng完wan成cheng敏min感gan膜mo固gu定ding化hua及ji進jin樣yang和he清qing洗xi等deng免mian疫yi檢jian測ce操cao作zuo過guo程cheng
，消xiao除chu人ren為wei幹gan擾rao
，改gai善shan生sheng物wu敏min感gan膜mo製zhi備bei以yi及ji免mian疫yi反fan應ying環huan境jing
，探tan索suo提ti高gao生sheng物wu敏min感gan膜mo固gu化hua的de穩wen定ding性xing和he一yi致zhi性xing，為wei提ti高gao免mian疫yi微wei傳chuan感gan器qi檢jian測ce一yi致zhi性xing的de研yan究jiu積ji累lei方fang法fa和he經jing驗yan。

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3所suo示shi，中zhong心xin圓yuan柱zhu體ti是shi微wei反fan應ying室shi腔qiang，頂ding部bu的de小xiao圓yuan柱zhu體ti為wei進jin液ye溝gou道dao，底di部bu的de方fang形xing結jie構gou為wei設she計ji的de出chu液ye溝gou道dao，進jin液ye口kou位wei置zhi有you中zhong心xin和he邊bian緣yuan位wei置zhi兩liang種zhong
，出chu液ye溝gou道dao數shu量liang有you4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、qingxiyedengshijinenggouyigongzuodianjiyuanxinweizhongxin

，zaiyuanxingdianjibiaomianjunyunheduichengdeliudonghefenbulaicanyufanying，zaiminganmoguhuadeguochengzhongjiangnenggoutigaoshengwuminganmoguhuaguochengdeyizhixing，congerbaozhengshengwuminganmodezhiliang。zaimianyifanyingguochengzhongjiangnenggoucujinminganmobiaomiankangyuankangtizhijianmianyifanyingdejunyixing
，tongshicujinminganbiaomiandianhuaxuefanyingfashengdeyizhixing，congertigaochuanganqidexiangyingsudubingzengdaxinhaoxiangying。zaiqingxideguochengzhongnenggouzengjiadianjiminganbiaomianqingxidejiejingxingheyizhixing，jianshaofeiteyixingxinhaoganraogeichuanganqijiancesuodailaidepiancha，zengjiajiancedewendingxingheyizhixing。tongshikeyibimianyinfanyingyejubumijisuodailaidedianliushengchengbujun，bimianminganmobiaomianshoulibujunchanshengdejubutuoluodengwenti。

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、清(qing)洗(xi)等(deng)操(cao)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)流(liu)動(dong)情(qing)況(kuang)進(jin)行(xing)仿(fang)真(zhen)。試(shi)劑(ji)進(jin)入(ru)微(wei)反(fan)應(ying)室(shi)後(hou)
，在(zai)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)附(fu)近(jin)
，液(ye)體(ti)的(de)流(liu)速(su)以(yi)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)對(dui)稱(cheng)。試(shi)劑(ji)在(zai)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)分(fen)布(bu)較(jiao)為(wei)均(jun)勻(yun)，沒(mei)有(you)液(ye)體(ti)局(ju)部(bu)集(ji)中(zhong)、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(yong)PBS緩衝液也能夠較好地完成清洗任務。 [page]
3.2 壓力分布仿真

檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)中(zhong)應(ying)考(kao)慮(lv)液(ye)體(ti)輸(shu)入(ru)微(wei)反(fan)應(ying)室(shi)時(shi)對(dui)工(gong)作(zuo)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)敏(min)感(gan)膜(mo)及(ji)室(shi)壁(bi)產(chan)生(sheng)的(de)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)，因(yin)為(wei)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)不(bu)當(dang)會(hui)產(chan)生(sheng)敏(min)感(gan)膜(mo)脫(tuo)落(luo)的(de)現(xian)象(xiang)。實(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)通(tong)過(guo)合(he)理(li)地(di)設(she)計(ji)選(xuan)擇(ze)進(jin)液(ye)口(kou)位(wei)置(zhi)來(lai)優(you)化(hua)力(li)的(de)分(fen)布(bu)，減(jian)少(shao)對(dui)敏(min)感(gan)膜(mo)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)的(de)衝(chong)擊(ji)。在(zai)設(she)計(ji)的(de)4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5所(suo)示(shi)。在(zai)進(jin)液(ye)管(guan)道(dao)附(fu)近(jin)，液(ye)體(ti)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)
，而(er)將(jiang)進(jin)液(ye)口(kou)從(cong)反(fan)應(ying)區(qu)域(yu)正(zheng)上(shang)方(fang)移(yi)至(zhi)邊(bian)緣(yuan)處(chu)

，其(qi)產(chan)生(sheng)的(de)力(li)會(hui)在(zai)中(zhong)心(xin)敏(min)感(gan)區(qu)域(yu)外(wai)圍(wei)被(bei)電(dian)極(ji)周(zhou)邊(bian)區(qu)域(yu)和(he)富(fu)有(you)彈(dan)性(xing)的(de)PDMS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PDMS等(deng)材(cai)料(liao)搭(da)建(jian)微(wei)流(liu)體(ti)係(xi)統(tong)，設(she)計(ji)和(he)製(zhi)備(bei)了(le)微(wei)反(fan)應(ying)室(shi)以(yi)及(ji)微(wei)進(jin)出(chu)樣(yang)溝(gou)道(dao)
，進(jin)行(xing)了(le)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)及(ji)方(fang)法(fa)研(yan)究(jiu)方(fang)麵(mian)的(de)探(tan)索(suo)，是(shi)提(ti)高(gao)免(mian)疫(yi)微(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)一(yi)致(zhi)性(xing)及(ji)穩(wen)定(ding)性(xing)方(fang)法(fa)研(yan)究(jiu)的(de)關(guan)鍵(jian)內(nei)容(rong)之(zhi)一(yi)，對(dui)日(ri)益(yi)微(wei)型(xing)化(hua)的(de)免(mian)疫(yi)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)研(yan)製(zhi)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)研(yan)究(jiu)意(yi)義(yi)和(he)實(shi)用(yong)價(jia)值(zhi)。通(tong)過(guo)fluent軟件的模擬，對不同結構下微流體所產生的密度、速(su)度(du)和(he)壓(ya)力(li)分(fen)布(bu)給(gei)敏(min)感(gan)膜(mo)固(gu)化(hua)和(he)免(mian)疫(yi)檢(jian)測(ce)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)析(xi)和(he)比(bi)較(jiao)
，並(bing)做(zuo)出(chu)了(le)結(jie)構(gou)上(shang)的(de)優(you)化(hua)和(he)選(xuan)擇(ze)。為(wei)下(xia)一(yi)步(bu)配(pei)合(he)蠕(ru)動(dong)泵(beng)進(jin)行(xing)免(mian)疫(yi)檢(jian)測(ce)實(shi)驗(yan)
，尋(xun)求(qiu)消(xiao)除(chu)人(ren)為(wei)幹(gan)擾(rao)

、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。