[发明专利]一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法

说明书

本发明公开了一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法，该方法提出的设计结构包括梁主体和用于生化反应的中空微流道。其中梁由硅或硅化合物基底以及柔性薄膜两种结构材料复合而成。在柔性薄膜层和硅或硅化合物基底层之间含有液体进样口、液体出样口、液体进样微通道、液体出样微通道和待测样品反应池，反应池位于梁的质量敏感区域。该方法提出“液态反应‑真空检测”的方式，将待测物吸附在微流道内部并将整个结构置于真空环境中，这种检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效隔离。通过检测待测物反应导致的频率变化，完成对生化分子的高灵敏度，原位实时的快速检测，可广泛应用于医学、化工等工程领域。

技术领域

本发明涉及MEMS领域、生物医学以及化学工程领域，尤其涉及一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法。

背景技术

随着电子信息科技与生物技术、微机电系统技术及纳米技术等高新技术交叉融合，近些年来各种新型微纳生物传感器不断涌现[1]。其中基于MEMS的质量敏感型梁结构的传感器由于尺寸小、结构简单、灵敏度高、易于阵列化、集成化等优点[2]，成为生化检测领域最具潜力的器件之一。它作为生化传感器有两种工作模式：静态模式和动态模式。即当待测物质特异性吸附在功能化的梁上时，会引起梁的挠度或谐振频率发生变化，通过光学或电学检测这种变化即可反映出梁吸附待测物的质量或数量。

对于液态生化分子检测，大多数研究都集中于以下两种方式，一种是液态反应完成后再进行干燥，这种方式无法实现在液态环境中的原位实时检测，并且干燥后会降低生物分子活性[3]，降低了检测的准确度。另一种是使微悬臂梁浸泡在液体流通池中进行反应，这种方式虽然能够实现对生化分子的原位实时测量，但是在流通池内检测样品时，微悬臂梁处于液态的检测环境，受阻尼影响较大，品质因子急剧下降(10²以下)，使得检测灵敏度大幅度降低[4]，限制了其高精度应用。剑桥大学在近期的研究中，利用PDMS制作的微流控芯片将待检测血清样品与氮气混合成气溶胶，并定量滴在微梁上进行检测，使得样品中的大部分水分迅速挥发，只留下待测分子与敏感层反应[5]，微悬臂梁与液态反应环境隔离，具有气体环境检测高灵敏度的优势，但是依旧没有做到原位实时性监测。基于以上检测方式的不足，急需提出一种与液态环境隔离且可以进行实时原位检测的梁结构。

参考文献

[1]P.Teerapanich，M.Pugnière，C.Henriquet，Y.L.Lin，C.F.Chou，and T.″Nanofluidic Fluorescence Microscopy(NFM)for real-time monitoring ofprotein binding kinetics and affinitystudies，″BiosensorsBioelectronics，vol.88，pp.25-33，2017.

[2]A.Boisen，S.Dohn，S.S.Keller，S.Schmid，and M.Tenje，″Cantilever-likemicromechanical sensors，″Reports on Progress in Physics，vol.74，pp.036101，2011.

[3]E.Timurdogan，B.E.Alaca，I.H.Kavakli，and H.Urey，″MEMS biosensor fordetection of Hepatitis A and C viruses in serum，″BiosensorsBioelectronics，vol.28，pp.189-194，2011.

[4]J.Tamayo，A.D.Humphris，A.M.Malloy，and M.J.Miles，″Chemical sensorsand biosensors in liquid environment based on microcantilevers with amplifiedquality factor，″Ultramicroscopy，vol.86，pp.167-173，2001.