[发明专利]一种高灵敏环境补偿型电容式表面应力生物传感器

说明书

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。