专利名称：一种手性传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于手性识别研究的传感器，尤其涉及一种用于识别D型和L型 手性分子的微悬臂梁结构的手性传感器及其制备方法。
背景技术：
微悬臂梁结构是一种最简单的微机电系统(MEMS)，它易于进行微加工以及大量生 产。近年来，基于不同微悬臂梁结构的传感器广泛应用于化学和生物的实时探测。人们发现 少量的分子吸附在微悬臂梁的表面就会导致微悬臂梁弯曲偏转量和振荡频率的变化。由于 分子的吸附而导致的微悬臂梁弯曲偏转量的变化主要是由于分子吸附在微悬臂梁表面后， 在上下表面产生了不同的应力。分子吸附在悬臂梁表面之前，悬臂梁上表面和下表面的应 力处于平衡，产生一个沿着微悬臂梁中间平面的径向力，当分子吸附到微悬臂梁上下表面 后，它们对上下表面应力的影响不一样，例如可以把分子在微悬臂梁表面的吸附限定在一 个表面，上下表面不同的应力改变产生了一个附加的弯曲力，使微悬臂梁的尖端移动到新 的位置。一般来说，分子的吸附降低了表面能。对于微悬臂梁的小范围弯曲，表面应力的变 化等于表面自由能的变化。悬臂梁弯曲的程度和由于分子吸附引起的表面自由能的变化成 比例。因此，悬臂梁的弯曲取决于每个吸附分子对悬臂梁表面自由能的改变量以及吸附在 悬臂梁表面的所有分子的数量。悬臂梁弯曲的程度取决于悬臂梁的弹性系数。为了得到更 大的悬臂梁弯曲偏转，可以使用弹性系数小的悬臂梁。分子在悬臂梁表面的吸附改变了悬臂梁的振荡频率，主要是由于分子的吸附改变 了悬臂梁的总质量。悬臂梁振荡频率取决于悬臂梁的尺寸，弹性模量和密度。悬臂梁的振 荡频率对悬臂梁的质量负载很敏感，基于振荡频率偏移的方法有可能可以提供探测单个分 子的最终灵敏度。然而，液体介质的阻尼效应严重影响了悬臂梁器件的振荡响应，而基于悬 臂梁弯曲偏转的测量方法不会受到介质粘性的影响，因此，基于悬臂梁弯曲的测量方法在 生物和化学探测中更具有吸引力。目前，手性化合物在医药、农药、香料、食品添加剂、新材料等领域中的应用引起了 人们的广泛关注，手性化合物的合成、拆分及对映体纯度的测定成为当前化学的前沿领域 之一。为与之相适应，用于检测手性化合物成分、品质特性的手性传感器也成为了本领域技 术人员高度重视的研究重点。

发明内容
鉴于上述微悬臂梁结构的应用现状，本发明的目的是提供一种手性传感器，同时 提供一种该手性传感器的制法，以实现一种成本低廉、方便易行的用于手性识别研究的传 感器。本发明的上述第一个目的，是通过以下技术方案得以实现—种手性传感器，其特征在于所述传感器的感测探头为硅基底上的微悬臂梁结 构，并且所述微悬臂梁的变形梁上修饰有用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。进一步地，该用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大环 类化合物、吓啉类化合物。其中大环类化合物至少包括环糊精、杯芳烃、冠醚等。进一步地，该微悬臂梁包括硅的微悬臂梁结构、二氧化硅的微悬臂梁结构及氮化 硅的微悬臂梁结构，任一种微悬臂梁结构均包括变形梁及支撑底梁。本发明的上述另一个目的实现的技术解决方案可以是一种手性传感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蚀方法制作微悬臂梁； 再将用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物通过共价或非共价的方法修饰到微 悬臂梁的变形梁上，制成感测探头，并将所述感测探头与振荡频率检测仪搭接为一体化集 成的手性传感器。进一步地，前述一种手性传感器的制法，在刻蚀方法制作微悬臂梁之前，还包括在 硅基底上沉积制备二氧化硅层或氮化硅层，刻蚀的对象为后制备的二氧化硅层或氮化硅层。本发明的上述另一个目的实现的技术解决方案还可以是一种手性传感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蚀方法制作微悬臂梁； 再在微悬臂梁的支撑底梁上制备压电薄膜；最后将用于特异性吸附D型和L型手性分子的 手性化合物通过共价或非共价的方法修饰到微悬臂梁的变形梁上，制成带微悬臂梁结构感 测探头的手性传感器。进一步地，前述一种手性传感器的制法，在刻蚀方法制作微悬臂梁之前，还包括在 硅基底上沉积制备二氧化硅层或氮化硅层，刻蚀的对象为后制备的二氧化硅层或氮化硅层。本发明的该种手性传感器及其制法的问世并实施应用后，把对D型和L型手性分 子特异性吸引的手性化合物结合微悬臂梁传感技术，大大提高了检测手性分子的简便易行 性，同时传感器本身的制作成本低廉，适于规模化生产。


图1是本发明手性传感器一实施例的结构示意图；图2是本发明手性传感器另一实施例的结构示意图。
具体实施例方式本发明进一步发掘微机电系统(MEMS)的应用，创新地提供了一种基于微悬臂梁 的手性传感器及其制法。该手性传感器，构造简单，加工方便。微悬臂梁的选材价格低廉；可 以利用传统的微加工方法，制作悬臂梁结构，再将手性分子修饰到微悬臂梁之上，通过手性 分子在微悬臂梁表面的吸附过程中使悬臂梁发生静态弯曲，或者通过手性分子在微悬臂梁 表面吸附过程中使频率改变来实现传感，从而实现在空气中对手性分子的检测，可以方便、 快捷地识别手性分子。本发明设计的一种手性传感器，其感测探头为硅基底上的微悬臂梁结构，并且所 述微悬臂梁的变形梁上修饰有用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。其中该 用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大环类化合物、吓啉类化合
4物。进一步地，其中大环类化合物至少包括环糊精、杯芳烃、冠醚等。此外，该微悬臂梁包括硅的微悬臂梁结构、二氧化硅的微悬臂梁结构及氮化硅的 微悬臂梁结构，任一种微悬臂梁均包括变形梁及支撑底梁的基本结构。该种手性传感器通过共价或非共价的修饰方法，将氨基酸、大环芳烃类化合物、！卜 啉类化合物修饰到微悬臂梁的变形梁上，空气中存在的D型和L型手性分子便易于结合到 微悬臂梁上，使得变形梁发生弯曲或者频率发生变化。由此，籍由该种成本低廉、方便易行 的手性传感器，可实现检测空气中存在的D型和L型手性分子。以下结合附图，从两个实施例分别对该手性传感器的制备方法进行说明。需要说 明的是，以下对于实施例的详细说明仅作为实例提供，并非以此限制本发明多样化的实施 方式。实施例一该手性传感器具有硅的微悬臂梁结构，且该微悬臂梁结构为刻蚀形成竖直的支撑 底梁和水平的变形梁，且变形梁上化学修饰有氨基酸。其制法为先在硅基底1上利用刻蚀方法制作微悬臂梁2a ；再将用于特异性吸附 D型和L型手性分子的手性化合物3 (即氨基酸)通过共价或非共价的方法修饰到微悬臂梁 的变形梁上，制成感测探头，并将所述感测探头与振荡频率检测仪4搭接为一体化集成的 手性传感器。通过手性分子在微悬臂梁表面吸附过程中逐渐使频率改变来实现传感检测。实施例二该手性传感器具有二氧化硅的微悬臂梁结构，其该微悬臂梁结构为刻蚀形成竖直 的支撑底梁和水平的变形梁，且变形梁上化学修饰有杯芳烃。其制法为先在硅基底1上沉积制备二氧化硅层，利用刻蚀方法制作仅为二氧化 硅的微悬臂梁2b ；再在微悬臂梁的支撑底梁上制备压电薄膜5 ；最后将用于特异性吸附D 型和L型手性分子的手性化合物3 (即杯芳烃)通过共价或非共价的方法修饰到微悬臂梁 的变形梁上，制成带微悬臂梁结构感测探头的手性传感器。通过手性分子在微悬臂梁表面 的吸附过程中使悬臂梁发生静态弯曲，以压电薄膜体现的电压波动来实现传感检测。
权利要求
一种手性传感器，其特征在于所述传感器的感测探头为硅基底上的微悬臂梁结构，并且所述微悬臂梁的变形梁上修饰有用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物。
2.根据权利要求1所述的一种手性传感器，其特征在于所述用于特异性吸附D型和L 型手性分子的手性化合物包括氨基酸、大环类化合物、吓啉类化合物。
3.根据权利要求2所述的一种手性传感器，其特征在于所述大环类化合物至少包括 环糊精、杯芳烃、冠醚。
4.根据权利要求1所述的一种手性传感器，其特征在于所述微悬臂梁包括硅的微悬 臂梁结构、二氧化硅的微悬臂梁结构及氮化硅的微悬臂梁结构，任一种微悬臂梁结构均包 括变形梁及支撑底梁。
5.权利要求1所述一种手性传感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蚀方法 制作微悬臂梁；再将用于特异性吸附D型和L型手性分子的手性化合物通过共价或非共价 的方法修饰到微悬臂梁的变形梁上，制成感测探头，并将所述感测探头与振荡频率检测仪 搭接为一体化集成的手性传感器。
6.根据权利要求5所述的一种手性传感器的制法，其特征在于所述刻蚀方法制作微 悬臂梁之前，还包括在硅基底上沉积制备二氧化硅层或氮化硅层，刻蚀的对象为后制备的 二氧化硅层或氮化硅层。
7.权利要求1所述一种手性传感器的制法，其特征在于先在硅基底上利用刻蚀方法 制作微悬臂梁；再在微悬臂梁的支撑底梁上制备压电薄膜；最后将用于特异性吸附D型和L 型手性分子的手性化合物通过共价或非共价的方法修饰到微悬臂梁的变形梁上，制成带微 悬臂梁结构感测探头的手性传感器。
8.根据权利要求7所述的一种手性传感器的制法，其特征在于所述刻蚀方法制作微 悬臂梁之前，还包括在硅基底上沉积制备二氧化硅层或氮化硅层，刻蚀的对象为后制备的 二氧化硅层或氮化硅层。
全文摘要
本发明揭示了一种手性传感器及其制法。该手性传感器包括微悬臂梁结构，以及通过共价或非共价的方法单侧修饰在微悬臂梁的变形梁上的用于识别D型和L型手性分子的手性化合物。传感器置于含有待检测手性分子的空气中，随着手性分子吸附在悬臂梁上产生的质量变化，微悬臂梁发生静态弯曲或者频率变化，从而检测空气中存在的D型和L型手性分子。该手性传感器的应用，大大提高了检测手性分子的简便易行性，同时传感器本身的制作成本低廉，适于规模化生产。
文档编号G01N5/02GK101963564SQ20101025792
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者崔铮, 潘革波, 王亦 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所