专利名称：一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器，具体是一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器。
背景技术：
生物传感器是指利用生物物质(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。表面应力生物传感器是生物传感器的一种，其广泛应用于临床医学诊断、生化探测、新药物发现等领域，主要用于细胞表面应力变化的探测，以实现细胞健康状态的监测。随着生物微机电技术的发展，越来越多的微结构在生化领域得到广泛应用。因此在现有技术条件下，表面应力生物传感器按结构主要分为微悬臂梁结构表面应力生物传感器和微薄膜结构表面应力生物传感器两种。其中，微悬臂梁结构表面应力生物传感器通常采用光学、压电或压阻的方式传感。微薄膜结构表面应力生物传感器通常采用电容信号的方式传感。微悬臂梁结构表面应力生物传感器具有灵敏度高的优点，但其在实际应用中容易受环境因素(如温度变化、湍流、层流等)的影响，因而其普遍存在信噪比低的问题。而微薄膜结构表面应力生物传感器虽能够有效避免环境因素(如温度变化、湍流、层流等)的影响，但其由于自身结构所限，普遍存在灵敏度低的问题。为此有必要发明一种全新的表面应力生物传感器，以解决现有表面应力生物传感器信噪比低、以及灵敏度低的问题。

发明内容
本发明为了解决现有表面应力生物传感器信噪比低、以及灵敏度低的问题，提供了一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器。本发明是采用如下技术方案实现的一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器，包括基底；基底的上表面分别固定有活性支撑薄膜和参照支撑薄膜；活性支撑薄膜的内腔设有第一底电极；第一底电极贴附固定于基底的上表面；活性支撑薄膜的外顶面贴附固定有第一顶电极；第一底电极与第一顶电极位置正对；参照支撑薄膜的内腔设有第二底电极；第二底电极贴附固定于基底的上表面；参照支撑薄膜的外顶面贴附固定有第二顶电极；第二底电极与第二顶电极位置正对；活性支撑薄膜的外顶面修饰有生化敏感层。工作时，将第一底电极、第一顶电极、第二底电极、第二顶电极分别与外部差分电路连接。第一底电极、第一顶电极、活性支撑薄膜的腔壁、活性支撑薄膜的内腔共同构成第一电容结构。第二底电极、第二顶电极、参照支撑薄膜的腔壁、参照支撑薄膜的内腔共同构成第二电容结构。具体工作过程包括一、向活性支撑薄膜的外顶面滴加含有待测物的溶液，溶液中的待测物与生化敏感层进行特异性结合，使得活性支撑薄膜的外顶面产生表面应力，活性支撑薄膜的外、内顶面之间产生表面应力差，导致活性支撑薄膜发生偏转。与此同时，在溶液的重力、溶液与薄膜的非特异性结合、环境因素(如温度变化、湍流、层流等)等因素影响下，活性支撑薄膜发生形变。在上述偏转和形变的共同作用下，活性支撑薄膜带动第一顶电极运动，使得第一底电极与第一顶电极之间的距离发生改变，导致第一电容结构的电容值发生变化，第一电容结构的电容值变化量继而通过第一底电极和第一顶电极输入外部差分电路，由此实现对待测物的表面应力的探测。二、向参照支撑薄膜的外顶面等量滴加不含待测物的同浓度溶液。在溶液的重力、溶液与薄膜的非特异性结合、环境因素(如温度变化、湍流、层流等)等因素影响下，参照支撑薄膜发生形变。在上述形变的作用下，参照支撑薄膜带动第二顶电极运动，使得第二底电极与第二顶电极之间的距离发生改变，导致第二电容结构的电容值发生变化，第二电容结构的电容值变化量继而通过第二底电极和第二顶电极输入外部差分电路，由此实现对环境因素(如温度变化、湍流、层流等)的探测。三、外部差分电路根据第一电容结构的电容值变化量和第二电容结构的电容值变化量计算出差分电容，并通过读取差分电容获取待测物的表面应力信号。基于上述过程，与微悬臂梁结构表面应力生物传感器相比，本发明所述的一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器采用双薄膜(活性支撑薄膜和参照支撑薄膜)的结构设计，通过读取差分电容获取待测物的表面应力信号，有效去除了传感器受环境因素(如温度变化、湍流、层流等)的影响，最大程度地实现了环境补偿，从而有效提高了信噪比，有效解决了现有表面应力生物传感器信噪比低的问题。进一步地，所述活性支撑薄膜、参照支撑薄膜均为圆形支撑薄膜；所述第一底电极、第一顶电极、第二底电极、第二顶电极均为圆形电极。与其它形状(如方形)的支撑薄膜和电极相比，圆形支撑薄膜和圆形电极能够使得传感器具有更高的灵敏度和更小的电容边缘效应。更进一步地，所述第一顶电极与活性支撑薄膜的面积比、第二顶电极与参照支撑薄膜的面积比均为0. 9。当第一顶电极与活性支撑薄膜的面积比为0. 9时，活性支撑薄膜能够实现最大偏转，第一电容结构的电容值能够实现最大变化。当第二顶电极与参照支撑薄膜的面积比为0.9时，参照支撑薄膜能够实现最大偏转，第二电容结构的电容值能够实现最大变化。此时传感器能够获得最大的灵敏度。另外，所述活性支撑薄膜、参照支撑薄膜均为采用聚二甲基硅氧烷制成的支撑薄膜；所述第一底电极、第一顶电极、第二底电极、第二顶电极均为采用金制成的电极。聚二甲基硅氧烷因其具有生物相容性好和杨氏模量低的优点，使得活性支撑薄膜和参照支撑薄膜均具有了生物相容性好和杨氏模量低的优点。金因其具有导电性优良和便于进行生化敏感修饰的优点，使得第一底电极、第一顶电极、第二底电极、第二顶电极均具有了导电性优良和便于进行生化敏感修饰的优点。通过下述实验，可进一步验证圆形支撑薄膜和圆形电极能够使得传感器具有更高的灵敏度和更小的电容边缘效应如图3、图4所示，利用ANSYS软件分别对同等面积、同参数(在10mJ/m2表面应力作用下)的方形支撑薄膜和圆形支撑薄膜进行有限元仿真。如图5所示，将同等面积、同参数(在10mJ/m2表面应力作用下)的方形支撑薄膜和圆形支撑薄膜的有限元仿真结果进行比较后得出同等面积、同参数(在10mJ/m2表面应力作用下)的圆形支撑薄膜的最大偏转能够比方形支撑薄膜的最大偏转提高20%。通过以下实验，可进一步验证当第一顶电极与活性支撑薄膜的面积比、第二顶电极与参照支撑薄膜的面积比均为0. 9时，传感器能够获得最大的灵敏度如图6、图7所示，利用ANSYS软件对不同面积比情况下的圆形支撑薄膜进行有限元仿真。根据图6可知，当圆形电极与圆形支撑薄膜的面积比为0. 9时,无论圆形支撑薄膜的半径为200 V- m还是250 u m,圆形支撑薄膜均能够实现最大偏转。根据图7可知，当圆形电极与圆形支撑薄膜的面积比为0. 9时，无论圆形支撑薄膜的半径为200iim还是250iim，电容的电容值均能够实现最大变化。因而此时传感器能够获得最大的灵敏度。上述有限元仿真中所用到的材料属性、结构参数、以及有限元模型见下表
权利要求
1.一种高灵敏环境补偿型电容式表面应カ生物传感器，其特征在于包括基底(I);基底(I)的上表面分别固定有活性支撑薄膜(2)和參照支撑薄膜(3);活性支撑薄膜(2)的内腔设有第一底电极(4);第一底电极(4)贴附固定于基底(I)的上表面；活性支撑薄膜(2)的外顶面贴附固定有第一顶电极(5);第一底电极(4)与第一顶电极(5)位置正对；參照支撑薄膜(3)的内腔设有第二底电极(6);第二底电极(6)贴附固定于基底(I)的上表面；參照支撑薄膜(3)的外顶面贴附固定有第二顶电极(7);第二底电极(6)与第二顶电极(7)位置正对；活性支撑薄膜(2)的外顶面修饰有生化敏感层(8)。
2.根据权利要求1所述的ー种高灵敏环境补偿型电容式表面应カ生物传感器，其特征在于所述活性支撑薄膜(2)、參照支撑薄膜(3)均为圆形支撑薄膜；所述第一底电极(4)、第一顶电极(5)、第二底电极(6)、第二顶电极(7)均为圆形电极。
3.根据权利要求1所述的ー种高灵敏环境补偿型电容式表面应カ生物传感器，其特征在于所述第一顶电极(5)与活性支撑薄膜(2)的面积比、第二顶电极(7)与參照支撑薄膜(3)的面积比均为0. 9。
4.根据权利要求1所述的ー种高灵敏环境补偿型电容式表面应カ生物传感器，其特征在于所述活性支撑薄膜(2)、參照支撑薄膜(3)均为采用聚ニ甲基硅氧烷制成的支撑薄膜；所述第一底电极(4)、第一顶电极(5)、第二底电极(6)、第二顶电极(7)均为采用金制成的电极。
全文摘要
本发明涉及生物传感器，具体是一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器。本发明解决了现有表面应力生物传感器信噪比低、以及灵敏度低的问题。一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器包括基底；基底的上表面分别固定有活性支撑薄膜和参照支撑薄膜；活性支撑薄膜的内腔设有第一底电极；第一底电极贴附固定于基底的上表面；活性支撑薄膜的外顶面贴附固定有第一顶电极；第一底电极与第一顶电极位置正对；参照支撑薄膜的内腔设有第二底电极；第二底电极贴附固定于基底的上表面；参照支撑薄膜的外顶面贴附固定有第二顶电极；第二底电极与第二顶电极位置正对。本发明适用于进行生命物质和化学物质的检测和监控。
文档编号G01N27/22GK103033542SQ201210405929
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者桑胜波, 张文栋, 奉辉, 李朋伟, 胡杰, 李刚, 石强, 杜少博 申请人:太原理工大学