基于免疫微傳感器的微流體系統(tǒng)

1 引 言

近幾年，基于電化學(xué)原理的安培酶免疫檢測(cè)發(fā)展迅速，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與處理、生物技術(shù)及臨床診斷等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

利用抗原抗體之間的特異性親和作用以及酶的催化放大作用，通過檢測(cè)與待測(cè)物濃度相關(guān)的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)生物分子的檢測(cè)和識(shí)別，相對(duì)于傳統(tǒng)的光譜免疫檢測(cè)具有響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、體積小等特點(diǎn)。

基于MEMS工藝在硅襯底上制備微電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)免疫檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)免疫傳感器器件的微型化、檢測(cè)試劑的微量化以及生產(chǎn)的批量化。但這類免疫傳感器仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，很多性能還有待改善，例如傳感器的穩(wěn)定性和一致性較差，這在很大程度上阻礙了其向?qū)嵱没?、市?chǎng)化方向的發(fā)展。

影響微型免疫傳感器穩(wěn)定性和一致性的因素較多，包括生物敏感膜的質(zhì)量以及免疫檢測(cè)過程中的可控性等。首先生物敏感膜是生物傳感器的識(shí)別元件，是生物傳感器的核心。對(duì)于日益微型化的免疫傳感器，既需要在微尺度下行免疫分子的固相化，又要保證固相免疫分子的數(shù)量和活性，同時(shí)又要保證不同免疫傳感器生物敏感膜固化的一致性，具有很大的難度。常規(guī)對(duì)微傳感器敏感表面進(jìn)行修飾的方法，無論在同化機(jī)理上是采用共價(jià)結(jié)合還是物理吸附，多采用浸泡、滴涂等方法來實(shí)現(xiàn)。每次對(duì)樣品的處理時(shí)間以及試劑添加量的多少，往往因人而異，同時(shí)也受環(huán)境條件的影響，使制備的生物敏感膜的穩(wěn)定性和一致性難以保證。因此需要進(jìn)行生物敏感膜固化過程的可控性技術(shù)和方法研究，以提高傳感器的一致性和穩(wěn)定性。

其次，根據(jù)電流型免疫傳感器檢測(cè)的原理和特點(diǎn)，在免疫檢測(cè)的過程中需要依次在傳感器表面加入待測(cè)抗原、酶標(biāo)抗體以及反應(yīng)底物，并要在這些過程中對(duì)電極表面進(jìn)行反復(fù)清洗。如此繁瑣的試劑添加過程目前在實(shí)驗(yàn)室階段多采用人工滴加的方法來完成，帶來的不穩(wěn)定因素眾多，很難保證傳感器工作環(huán)境的穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)，從而影響傳感器檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

基于以上考慮，本文在MEMS工藝制備的電極型免疫微傳感芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制備微反應(yīng)室以及微進(jìn)出樣溝道，利用SU-8膠和PDMS等材料搭建微流體系統(tǒng)，用以結(jié)合蠕動(dòng)泵完成敏感膜固定化及進(jìn)樣和清洗等免疫檢測(cè)操作過程，消除人為干擾，改善生物敏感膜制備以及免疫反應(yīng)環(huán)境，探索提高生物敏感膜固化的穩(wěn)定性和一致性，為提高免疫微傳感器檢測(cè)一致性的研究積累方法和經(jīng)驗(yàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作

根據(jù)免疫傳感器檢測(cè)的原理及特點(diǎn)，并針對(duì)提高微型免疫生物傳感器穩(wěn)定性和一致性的需要，進(jìn)行微流體系統(tǒng)的設(shè)汁和研究。設(shè)計(jì)面向應(yīng)用化和穩(wěn)定的免疫檢測(cè)系統(tǒng)，考慮到低成本和易操作等因素，采用將微反應(yīng)室和反應(yīng)電極分別制作的方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)在電極片表面粘附微結(jié)構(gòu)形成微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行免疫檢測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后可以將反應(yīng)室與電極分開，相對(duì)于一次性的反應(yīng)電極，微反應(yīng)窒可以經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

2.1 微流體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MEMS工藝制備的電極型免疫微傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括圓形的工作電極和環(huán)形的對(duì)電極，工作電極敏感面積為1 mm2，該免疫傳感器具有微型化、試劑用量少的特點(diǎn)。根據(jù)免疫傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)包括微型反應(yīng)室和進(jìn)出樣溝道的微流體系統(tǒng)，配合蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加樣系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)免疫檢測(cè)過程。微流體結(jié)構(gòu)如圖2所示，微反應(yīng)室搭建在由工作電極和對(duì)電極所組成的敏感反應(yīng)區(qū)域上。通過計(jì)算檢測(cè)時(shí)電極表面所需樣品的體積，設(shè)計(jì)高為500 μm、直徑為5 mm的圓柱形微反應(yīng)室，將微型免疫電極置于其中心。