基于MEMS的生物微传感技术.pdf

1、 2005年 第 24卷 第 2期 传 感 器 技 术 (Journal of Transducer Technology)基 于 MEMS的 生 物 微 传 感 技 术 3许 媛 媛 , 夏 善 红 , 边 超 , 刘 敬 伟 , 孙 红 光 , 陈 绍 凤(中 国 科 学 院 电 子 学 研 究 所 国 家 传 感 技 术 重 点 实 验 室 ,北 京 100080)摘 要 : 微 电 子 机 械 系 统 (MEMS)技 术 为 生 物 微 传 感 器 和 生 物 芯 片 的 研 制 以 及 实 现 小 型 化 、 便 携 式 、 低 成本 ,高 灵 敏 度 的 生 化 片 上 系 统 提

2、 供 了 有 力 的 技 术 支 持 。 综 述 了 基 于 MEMS的 生 物 微 传 感 技 术 ,介 绍 了 生物 微 传 感 器 和 生 物 芯 片 的 原 理 、 结 构 、 分 类 及 应 用 ,并 探 讨 了 其 发 展 和 应 用 前 景 。关 键 词 : 微 电 子 机 械 系 统 ; 生 物 微 传 感 器 ; 生 物 芯 片 ; 片 上 系 统中 图 分 类 号 : TP212. 2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1000 - 9787 (2005) 02 - 0005 - 03M icro2biosensing technology based on

3、M EM SXU Yuan2yuan, X IA Shan2hong, B IAN Chao, L IU J ing2wei,SUN Hong2guang, CHEN Shao2feng( Sta te Key Lab of Tran sducer Technology, In stitute of Electron ics, Ch inese Academ yof Sc iences, Be ijing 100080, Ch ina)Abstract: MEMS has become a supporting technology in the research of m icro2bios

4、ensor, biochip and biomedicalSOC ( system2on2a2chip) which have the advantages of m iniaturization, low cost and good sensitivity. A review isgiven about the technologies of bioMEMS and the p rincip le, structure, classification and app lication of m icro2biosensors and biochip s are summarized. And

5、 their development and app lication p rospect are inquired into.Key words: MEMS(m icro2electro2mechanical2system s) ; biosensor; biochip; SOC ( system2on2a2chip)0 引 言随 着 生 物 微 传 感 技 术 研 究 的 深 入 以 及 生 物 芯 片 技 术 的兴 起 ,MEMS技 术 在 生 物 微 传 感 方 面 的 应 用 备 受 关 注 。 基于 MEMS技 术 研 制 的 微 传 感 器 (如 ,微 悬 臂 梁 生 物 传 感

6、 器 、微 电 极 生 物 传 感 器 、 生 物 敏 场 效 应 晶 体 管 等 )、 微 执 行 器(如 ,微 马 达 、 微 泵 、 微 阀 以 及 微 谐 振 器 等 )和 微 结 构 器 件(如 ,微 流 量 器 件 、 微 电 子 真 空 器 件 、 微 光 学 器 件 和 生 物 芯片 等 )为 生 化 分 析 提 供 了 微 型 的 检 测 平 台 ,便 于 操 作 、 灵 敏度 高 、 待 测 溶 液 的 需 求 量 小 ,与 集 成 电 路 ( IC)兼 容 ,克 服 了传 统 的 生 化 检 测 仪 器 体 积 庞 大 、 操 作 复 杂 、 灵 敏 度 低 、 对 待测

7、 溶 液 的 需 求 量 大 、 不 易 实 现 连 续 的 实 时 监 测 等 缺 点 。 从而 为 实 现 具 备 独 立 功 能 的 便 携 式 、 家 庭 化 的 SOC生 化 微 传感 器 奠 定 了 基 础 ,最 终 将 实 现 真 正 意 义 上 的 芯 片 实 验 室(LOC)或 微 型 全 分 析 系 统 ( TAS)。1 基 于 MEMS的 生 物 微 传 感 器 技 术 及 应 用生 物 微 传 感 器 的 制 备 技 术 主 要 依 托 于 MEMS制 作 技术 ,包 括 硅 基 微 加 工 技 术 (如 ,硅 微 电 子 平 面 加 工 技 术 、 体微 加 工 技

8、术 和 表 面 微 加 工 技 术 ) , X射 线 光 刻 和 深 紫 外 光 刻(L IGA) ,能 束 加 工 技 术 ,超 精 密 加 工 技 术 以 及 集 成 组 装 技术 等 。 另 外 ,生 物 微 传 感 技 术 还 包 括 生 物 化 学 技 术 和 信 号收 稿 日 期 : 2004 - 07 - 243 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (90307014)处 理 技 术 等 。目 前 ,基 于 MEMS工 艺 的 生 物 微 传 感 器 的 研 究 已 经 有许 多 报 道 ,其 中 ,以 酶 传 感 器 的 研 究 较 为 成 熟 ,

9、 DNA传 感 器的 研 究 在 不 断 深 入 ,免 疫 传 感 器 的 研 究 则 处 于 起 步 阶 段 。生 物 微 传 感 器 所 采 用 的 信 号 转 换 器 件 中 ,以 微 悬 臂 梁 、 微 电极 、 微 型 体 声 波 谐 振 器 和 生 物 敏 场 效 应 晶 体 管 最 为 典 型 ,以下 举 出 其 中 几 个 具 有 代 表 性 和 有 发 展 前 景 的 生 物 微 传 感 器方 面 的 例 子 。1. 1 微 悬 臂 梁 生 物 传 感 器MEMS技 术 制 备 的 微 悬 臂 梁 生 物 传 感 器 是 基 于 重 量 分析 原 理 的 生 物 传 感 器

10、,可 应 用 于 检 测 DNA、 抗 体 -抗 原 的 特异 性 结 合 、 酶 活 性 以 及 受 体 -配 体 的 结 合 。 比 如 ,将 核 酸 之间 的 杂 交 或 抗 体 与 抗 原 之 间 的 特 异 性 结 合 转 换 为 微 悬 臂 梁的 微 小 弯 曲 变 形 (如 ,纳 米 量 级 的 弯 曲 变 形 )或 谐 振 频 率 的变 化 ,通 过 探 测 照 射 在 微 悬 臂 梁 上 的 光 束 的 偏 转 或 检 测 频率 的 变 化 ,间 接 感 知 生 物 分 子 之 间 的 识 别 和 结 合 1 ,该 检测 方 法 无 需 传 统 免 疫 分 析 中 必 不 可

11、 少 的 酶 、 同 位 素 、 荧 光 等标 记 物 ,即 可 实 现 对 核 酸 分 子 杂 交 或 抗 体 与 抗 原 特 异 性 结合 的 检 测 和 分 析 。Fritz等 人 采 用 MEMS技 术 制 作 的 微 悬 臂 梁 长 500 m,5传 感 器 技 术 第 24卷宽 100 m,厚 度 小 于 1 m,每 个 微 悬 臂 梁 的 一 面 上 都 覆 盖着 一 种 具 有 特 异 性 识 别 能 力 的 生 物 分 子 ,当 将 微 悬 臂 梁 浸入 待 测 溶 液 中 时 ,溶 液 中 相 应 的 底 物 分 子 与 微 悬 臂 梁 上 的生 物 分 子 相 结 合 ,

12、分 子 之 间 的 作 用 力 引 起 梁 表 面 张 力 发 生变 化 ,进 而 使 微 悬 臂 梁 弯 曲 变 形 。 另 外 ,可 以 将 1 000个 以上 的 微 悬 臂 梁 组 成 平 行 的 微 悬 臂 梁 阵 列 结 构 并 进 行 集 成 ,从 而 做 到 同 时 检 测 和 分 析 多 种 不 同 生 物 分 子 之 间 识 别 及 结合 的 信 息 。 研 究 结 果 表 明 :微 悬 臂 梁 生 物 传 感 器 输 出 信 号重 复 性 好 、 灵 敏 度 高 2 。微 悬 臂 梁 生 物 传 感 器 是 一 种 灵 敏 度 高 ,无 需 标 记 的 生物 微 传 感

13、器 ,可 用 于 检 测 液 态 或 气 态 环 境 中 的 生 物 分 子 。微 悬 臂 梁 的 高 灵 敏 度 使 得 待 测 液 的 体 积 可 减 少 到 nL量 级 ,无 需 标 记 的 检 测 技 术 使 检 测 过 程 简 单 、 快 速 ,同 时 ,降 低 了成 本 。 该 种 传 感 器 的 缺 点 在 于 ,采 用 双 金 属 制 成 的 微 悬 臂梁 容 易 受 环 境 温 度 的 影 响 ,另 外 ,生 物 分 子 间 的 非 特 异 性 结合 也 会 造 成 检 测 的 误 差 。1. 2 微 电 极 生 物 传 感 器微 电 极 生 物 传 感 器 通 常 首 先

14、采 用 成 熟 的 MEMS工 艺(如 ,硅 表 面 加 工 技 术 、 硅 体 加 工 技 术 )加 工 出 m尺 寸 的 电极 ,然 后 ,采 用 适 当 的 生 物 分 子 固 定 方 法 ,将 酶 或 免 疫 组 分(抗 体 /抗 原 )固 定 在 电 极 表 面 ,通 过 酶 对 底 物 的 催 化 作 用 ,在 电 极 表 面 产 生 电 活 性 物 质 并 发 生 化 学 反 应 产 生 可 测 电 压或 电 流 信 号 ,从 而 达 到 生 物 分 子 检 测 的 目 的 。Cai 3 等 人 基 于 MEMS技 术 和 电 化 学 自 组 装 技 术 研 制了 微 型 电 极

15、 生 物 传 感 器 ,通 过 进 行 酶 固 定 化 可 对 多 种 物 质进 行 快 速 检 测 。 微 型 两 电 极 分 别 为 工 作 电 极 和 对 电 极 ,检测 时 将 葡 萄 糖 氧 化 酶 固 定 在 工 作 电 极 的 表 面 ,在 微 反 应 室中 葡 萄 糖 氧 化 酶 催 化 葡 萄 糖 发 生 反 应 产 生 过 氧 化 氢 ,过 氧化 氢 在 工 作 电 极 表 面 氧 化 释 放 电 子 ,在 两 电 极 间 形 成 电 流 。电 流 的 大 小 与 待 测 液 中 葡 萄 糖 的 浓 度 成 正 比 ,从 而 实 现 血糖 浓 度 的 检 测 。通 过 改

16、变 固 定 在 工 作 电 极 表 面 的 生 物 组 分 (如 ,胆 固醇 酶 、 青 霉 素 酶 、 尿 素 、 抗 体 等 ) ,可 以 实 现 对 多 种 生 物 分 子的 检 测 (如 ,胆 固 醇 、 青 霉 素 、 尿 酸 、 抗 原 等 ) ,并 且 ,微 电 极的 阵 列 化 集 成 结 构 可 实 现 以 上 多 参 数 并 行 的 实 时 检 测 4 。1. 3 生 物 敏 场 效 应 晶 体 管生 物 敏 场 效 应 晶 体 管 ( bio2sensitive field effect tran2sistor, bioFET)进 行 生 物 分 子 检 测 时 ,是 将

17、 普 通 的 MOSFET的 金 属 铝 栅 去 掉 ,在 上 面 涂 覆 一 层 对 生 物 分 子 具 有 选 择 性的 敏 感 膜 (如 ,酶 、 抗 体 、 抗 原 ) ,让 敏 感 膜 直 接 与 待 测 溶 液接 触 ,敏 感 膜 对 溶 液 中 的 生 物 分 子 有 选 择 作 用 ,从 而 调 制bioFET的 漏 源 电 流 的 变 化 ,利 用 这 个 特 性 就 能 检 测 溶 液 中的 生 物 分 子 的 活 度 。 B ioFET具 有 体 积 小 、 响 应 快 、 输 出 阻抗 低 、 易 于 集 成 化 等 优 点 。 bioFET在 生 物 传 感 方 面

18、已 经 有了 较 为 成 熟 的 应 用 ,例 如 :将 尿 素 或 人 血 清 蛋 白 抗 体 固 定 在经 修 饰 的 bioFET栅 极 表 面 ,可 制 备 成 相 应 的 bioFET酶 传感 器 和 bioFET免 疫 传 感 器 5, 6 。1. 4 微 型 体 声 波 谐 振 器 生 物 传 感 器体 声 波 谐 振 器 式 微 型 生 物 传 感 器 也 是 基 于 重 量 分 析 的原 理 来 检 测 DNA及 蛋 白 质 等 生 物 分 子 的 ,该 类 传 感 器 和 微悬 臂 梁 生 物 传 感 器 一 样 ,由 于 采 用 了 重 量 分 析 的 原 理 进 行检

19、测 ,所 以 ,其 检 测 过 程 中 无 需 引 入 标 记 物 ,大 大 简 化 了 检测 和 分 析 过 程 。 其 工 作 原 理 为 :当 DNA及 蛋 白 质 吸 附 于 谐振 器 表 面 时 ,微 小 的 质 量 变 化 就 会 引 起 其 谐 振 频 率 的 变 化 ,通 过 检 测 频 率 的 变 化 即 可 实 现 对 DNA或 蛋 白 质 等 生 物 分子 的 检 测 。Gabl等 人 采 用 MEMS工 艺 制 备 的 薄 膜 体 声 波 谐 振 器( thin2film bulk acoustic resonators, FBAR) 7 以 Si为 基 底 ,采用 具

20、 有 不 同 声 阻 抗 的 ZnO压 电 薄 膜 层 与 Pt层 交 替 的 结 构作 为 声 波 反 射 层 ,硅 基 底 上 集 成 的 Pt电 极 、 压 电 层 和 Au电极 共 同 组 成 声 波 谐 振 器 。 固 定 在 Au电 极 上 的 具 有 特 异 性识 别 作 用 的 DNA或 蛋 白 质 吸 附 相 应 的 生 物 分 子 ,引 起 谐 振器 表 面 微 小 的 质 量 变 化 ,从 而 使 谐 振 频 率 发 生 变 化 ,最 终 达到 检 测 生 物 分 子 的 目 的 。 基 于 MEMS技 术 的 体 声 波 谐 振器 式 微 型 生 物 传 感 器 的 优

21、 点 是 检 测 范 围 广 、 灵 敏 度 高 。1. 5 磁 MEMS生 物 传 感 器磁 MEMS是 MEMS领 域 中 的 一 个 具 有 广 泛 应 用 前 景的 成 员 ,如 ,磁 存 储 、 磁 场 感 应 、 微 镜 、 RF MEMS和 磁 MEMS生 物 传 感 器 等 。 Choi等 人 8, 9 利 用 磁 微 通 道 中 的 磁 性 微 颗粒 进 行 免 疫 分 析 ,其 分 析 过 程 为 :首 先 ,将 待 测 抗 原 的 相 应抗 体 固 定 在 磁 性 颗 粒 表 面 ;然 后 ,将 磁 性 颗 粒 在 磁 场 的 作 用下 固 定 在 磁 微 通 道 中 ,

22、当 待 测 溶 液 流 经 磁 微 通 道 时 ,待 测 抗原 与 固 定 在 磁 颗 粒 上 的 抗 体 进 行 特 异 性 结 合 ,清 洗 去 除 未结 合 的 抗 原 ;然 后 ,在 磁 微 通 道 中 加 入 带 有 标 记 的 与 待 测 抗原 相 对 应 的 二 次 抗 体 ,待 标 记 抗 体 与 待 测 抗 原 特 异 结 合 后 ,再 次 清 洗 掉 未 结 合 的 游 离 成 分 ;最 后 ,将 磁 性 微 颗 粒 释 放 到传 感 器 的 感 应 室 ,通 过 光 信 号 转 换 器 或 电 化 学 信 号 转 换 器进 行 检 测 和 分 析 。磁 MEMS技 术 用

23、 于 免 疫 分 析 的 优 点 在 于 :首 先 ,磁 性微 颗 粒 具 有 较 大 的 表 面 积 ,对 生 物 分 子 具 有 较 强 的 捕 获 能力 ,是 抗 体 固 相 载 体 的 理 想 选 择 ;其 次 ,通 过 电 磁 效 应 实 现磁 微 通 道 对 磁 性 微 颗 粒 的 吸 附 和 释 放 ,从 而 使 得 免 疫 反 应限 制 在 磁 微 通 道 中 进 行 ,易 于 操 作 ,并 且 ,避 免 了 免 疫 反 应中 固 相 抗 体 和 待 测 抗 原 的 流 失 。 此 外 ,磁 微 通 道 的 设 计 可用 于 构 建 TAS并 与 IC工 艺 相 兼 容 。2

24、基 于 MEMS的 生 物 芯 片 技 术 及 应 用采 用 MEMS技 术 制 备 的 生 物 芯 片 是 一 种 基 于 微 流 控系 统 的 生 物 微 传 感 分 析 系 统 ,这 种 生 物 芯 片 技 术 是 20世 纪90年 代 中 期 以 来 影 响 最 深 远 的 重 大 科 技 进 展 之 一 ,是 融 微电 子 学 、 生 物 学 、 物 理 学 、 化 学 、 计 算 机 科 学 为 一 体 的 高 度 交叉 的 新 技 术 ,具 有 重 大 的 基 础 研 究 价 值 ,又 具 有 明 显 的 产 业化 前 景 。基 于 MEMS的 生 物 芯 片 的 制 备 技 术

25、 主 要 是 用 微 电 子工 业 和 其 他 加 工 工 业 中 比 较 成 熟 的 一 些 微 细 加 工 (m icro26第 2期 许 媛 媛 等 :基 于 MEMS的 生 物 微 传 感 技 术 fabrication)工 艺 (如 ,光 学 掩 模 光 刻 技 术 、 反 应 离 子 刻 蚀 、 微注 入 模 塑 和 聚 合 膜 浇 注 法 )和 硅 MEMS技 术 (如 ,体 硅 及 深加 工 技 术 、 表 面 加 工 技 术 、 双 面 加 工 技 术 和 系 统 集 成 技术 ) ,在 玻 璃 、 塑 料 、 硅 片 等 基 底 材 料 上 加 工 出 用 于 生 物 样品

26、 分 离 、 反 应 的 m尺 寸 的 结 构 ,如 ,过 滤 器 、 反 应 室 、 微 泵 、微 阀 等 。 另 外 ,还 包 括 生 物 化 学 技 术 (如 ,生 物 技 术 、 生 物膜 、 DNA探 针 、 杂 交 技 术 等 ) ,集 成 电 路 微 加 工 技 术 以 及 信息 处 理 技 术 等 。目 前 ,基 于 MEMS技 术 的 生 物 芯 片 已 经 得 到 广 泛 的 研究 ,对 应 于 不 同 的 生 化 分 析 过 程 均 已 出 现 较 成 熟 或 正 在 研制 中 的 生 物 芯 片 ,具 体 可 分 为 :用 于 目 标 物 分 离 提 纯 的 样 品制

27、备 芯 片 (如 ,过 滤 芯 片 ) ;用 于 生 化 反 应 的 生 化 反 应 芯 片(如 ,扩 增 反 应 芯 片 ) ;用 于 分 析 、 检 测 、 计 量 的 检 测 分 析 芯片 (如 ,毛 细 管 电 泳 芯 片 ) ;用 于 检 测 物 运 送 与 控 制 的 输 运控 制 芯 片 以 及 用 于 对 检 测 到 的 信 息 进 行 放 大 、 分 类 、 计 量 的信 息 处 理 芯 片 。2. 1 细 胞 分 离 芯 片在 DNA等 生 物 分 子 的 分 析 过 程 中 ,通 常 要 进 行 细 胞 分离 、 破 胞 、 脱 蛋 白 等 ,最 后 ,才 能 得 到 纯

28、 度 足 够 高 的 待 检DNA。 目 前 ,在 细 胞 分 离 方 法 上 较 突 出 的 有 过 滤 分 离 和 介电 电 泳 分 离 10 ,前 者 根 据 生 物 颗 粒 的 尺 寸 差 异 进 行 分 离 ;后 者 则 利 用 在 芯 片 上 所 施 加 的 高 频 非 均 匀 电 场 使 不 同 的 细胞 内 诱 导 出 偶 电 极 ,导 致 细 胞 受 不 同 的 介 电 力 作 用 而 从 样品 中 分 离 出 来 。针 对 人 血 液 中 白 细 胞 的 分 离 ,美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学 的研 究 小 组 研 究 出 了 一 种 芯 片 微 过 滤 法 11 ,

29、芯 片 微 过 滤 器 的工 作 原 理 是 根 据 人 白 细 胞 的 尺 寸 比 红 细 胞 大 的 特 点 ,使 人外 周 血 流 过 微 过 滤 器 时 只 让 血 浆 和 尺 寸 较 小 的 红 血 细 胞 及血 小 板 通 过 ,而 截 住 尺 寸 较 大 的 白 细 胞 。 加 工 微 过 滤 芯 片是 采 用 MEMS技 术 在 硅 片 上 刻 出 各 种 形 状 的 过 滤 通 道 ,通道 直 径 为 几 个 微 米 ,然 后 ,再 在 硅 芯 片 上 键 合 上 一 块 玻 璃 盖片 而 完 成 的 。 通 过 反 复 试 验 和 设 计 ,微 芯 片 过 滤 器 已 从

30、最初 的 “ 柱 阵 列 型 ” 结 构 ,通 过 “ Z型 弯 道 结 构 ” 和 “ 梳 齿 型 ” 过渡 最 后 优 化 为 “ 横 坝 型 ” 结 构 。 采 用 “ 横 坝 型 ” 结 构 的 优 点是 人 白 细 胞 的 回 收 率 高 ,过 滤 器 不 易 被 堵 塞 。2. 2 扩 增 反 应 芯 片为 了 提 高 基 因 芯 片 的 检 测 灵 敏 度 ,在 对 DNA目 标 片 段进 行 分 析 之 前 ,需 要 将 待 测 的 DNA进 行 聚 合 酶 链 式 反 应(polymerase chain reaction, PCR )扩 增 。 其 工 作 原 理 为 :在

31、扩 增 芯 片 的 反 应 腔 内 加 入 DNA模 板 和 大 量 的 寡 核 苷 酸 (组成 DNA链 的 基 团 ) ,通 过 控 制 制 作 在 芯 片 上 的 温 度 控 制 器 ,实 现 低 温 、 高 温 、 中 温 的 3个 阶 段 ,使 得 腔 内 的 寡 核 苷 酸 完成 生 化 反 应 ,不 断 地 复 制 出 DNA链 。 具 体 操 作 时 ,通 常 是将 DNA片 断 的 温 度 在 3个 不 同 值 (通 常 为 95, 55, 75 )之 间 反 复 循 环 ,完 成 解 链 、 引 物 、 扩 延 的 过 程 。传 统 的 PCR扩 增 设 备 复 杂 ,价

32、格 昂 贵 ,且 耗 时 长 ,通 常需 要 2 3 h完 成 扩 增 反 应 。 采 用 MEMS制 备 技 术 的 PCR芯 片 ,可 将 扩 增 反 应 时 间 缩 短 到 数 分 钟 。 L in 12 等 人 通 过在 硅 基 底 和 PCR芯 片 之 间 设 计 用 于 加 热 和 冷 却 的 温 度 控制 器 ,使 得 改 进 后 的 PCR芯 片 能 够 迅 速 、 准 确 提 供 PCR扩增 反 应 需 要 的 不 同 温 度 环 境 ,从 而 在 短 时 间 (约 30 m in)内完 成 扩 增 反 应 。 另 外 ,该 芯 片 还 可 以 用 于 其 他 生 化 反 应

33、 ,例如 :在 免 疫 分 析 时 ,为 了 保 持 抗 体 /抗 原 以 及 酶 的 最 佳 催 化活 性 ,可 将 该 芯 片 用 于 控 制 特 定 反 应 温 度 的 温 控 芯 片 。2. 3 检 测 芯 片毛 细 管 电 泳 (m icro cap illary electrophoresis, CE)芯 片是 常 用 的 检 测 芯 片 ,首 先 ,是 用 MEMS技 术 在 硅 片 、 玻 片 、塑 料 等 芯 片 上 加 工 出 微 细 通 道 ,然 后 ,在 微 细 通 道 中 ,以 电场 为 驱 动 力 ,借 助 离 子 或 分 子 在 电 迁 移 或 电 分 配 上 的

34、 差 异 ,对 复 杂 试 样 中 的 多 种 组 分 进 行 高 速 分 离 分 析 的 技 术 13 。在 实 际 应 用 方 面 ,生 物 芯 片 技 术 可 广 泛 应 用 于 疾 病 诊断 和 治 疗 、 药 物 基 因 组 图 谱 、 药 物 筛 选 、 中 药 物 种 鉴 定 、 农 作物 的 优 育 优 选 、 司 法 鉴 定 、 食 品 卫 生 监 督 、 环 境 检 测 、 国 防 等许 多 领 域 。 它 将 为 人 类 认 识 生 命 的 起 源 、 遗 传 、 发 育 与 进化 、 为 人 类 疾 病 的 诊 断 、 治 疗 和 防 治 开 辟 全 新 的 途 径 ,

35、为 生物 大 分 子 的 全 新 设 计 和 药 物 开 发 中 先 导 化 合 物 的 快 速 筛 选和 药 物 基 因 组 学 研 究 提 供 技 术 支 撑 平 台 。3 结 束 语基 于 MEMS技 术 的 生 物 微 传 感 技 术 和 生 物 芯 片 技 术在 生 命 科 学 研 究 、 生 物 医 学 工 程 、 医 疗 保 健 、 食 品 加 工 、 环 境检 测 等 领 域 有 广 阔 的 应 用 前 景 ,受 到 普 遍 关 注 。 集 成 化 芯片 系 统 的 基 础 研 究 是 生 物 微 传 感 系 统 领 域 中 的 一 个 前 沿 问题 ,通 过 建 立 与 微

36、电 子 技 术 相 结 合 的 生 物 微 传 感 系 统 技 术平 台 ,有 望 实 现 生 物 微 传 感 片 上 系 统 。另 外 ,世 界 各 国 的 科 学 家 们 正 致 力 于 将 生 化 分 析 的 全过 程 通 过 不 同 结 构 和 功 能 芯 片 的 使 用 最 终 达 到 全 部 功 能 的集 成 ,以 实 现 微 型 全 分 析 系 统 或 缩 微 芯 片 实 验 室 。 使 用 缩微 芯 片 实 验 室 ,人 们 可 以 在 一 个 封 闭 的 系 统 内 以 很 短 的 时间 完 成 从 原 始 样 品 到 获 取 所 需 分 析 结 果 的 全 套 操 作 。

37、总之 ,基 于 MEMS技 术 的 生 物 微 传 感 器 和 生 物 芯 片 与 IC相 结合 将 构 成 新 一 代 的 微 传 感 SOC,不 仅 具 有 重 大 的 科 学 意 义 ,而 且 ,具 有 重 要 的 社 会 和 经 济 意 义 。参 考 文 献 : 1 Fritz J, BallerM K, Lang H P, et al. Translating biomolecular re2cognition into nanomechanics J . Science, 2000, 288: 316 -318. 2 Vettiger P. The“ m illipede” 2mo

38、re than one thousand tip s for fu2ture AFM data storage J . IBM J Res Develop, 2000, 44: 323 -327. 3 Cai X X, Cooper J M, Klauke N, et al. Imp lementation of p icolitrevolume amperometric lactate measurements using m icrosystem stechnology J . Analytical Chem istry, 2002, 74: 908 - 914.(下 转 第 10页 )7

39、传 感 器 技 术 第 24卷广 泛 的 开 发 前 景 :一 方 面 是 高 氧 区 ,主 要 应 用 于 锅 炉 节 能 、有 氧 治 疗 、 环 境 监 测 等 方 面 ;另 一 方 面 ,在 低 氧 区 ,将 应 用 于航 空 航 天 、 密 封 系 统 的 检 漏 等 方 面 。今 后 在 制 备 TiO2 氧 传 感 器 的 工 艺 过 程 中 应 注 意 超 微粒 技 术 和 表 面 修 饰 技 术 的 应 用 。 超 微 粒 技 术 可 提 供 更 细 的微 粒 ,进 而 提 高 传 感 器 的 灵 敏 度 和 降 低 工 作 温 度 ;表 面 修 饰技 术 包 括 表 面 掺

40、 入 法 (添 加 贵 金 属 及 氧 化 物 )和 表 面 处 理法 (气 氛 处 理 ) ,这 可 改 善 传 感 器 的 性 能 。 氧 传 感 器 正 向 着小 型 化 、 集 成 化 、 智 能 化 的 方 向 发 展 。参 考 文 献 : 1 Gao L, L i Q, Song Z, et al. Preparation of nano2scale titania thickfilm and its oxygen sensitivity J . Sensors and Actuators B,2000, 71: 179 - 183. 2 Young U A, Kim J E, K

41、im H T, et al. Variation of structural andop tical p roperties of sol2gel TiO2 thin film s with catalyst concen2tration and calcination temperature J . Materials Letters, 2003,57: 4660 - 4666. 3 D iana M, Tasca M, Delibas M, et al. On the structural p ropertiesand op tical transm ittance of TiO2 r.

42、f. sputtered thin film s J .App lied Surface Science, 2000, 156: 200 - 206. 4 Bonini N, Carotta M C, Chiorino A, et al. Dop ing of a nanostruc2tured titania thick film: structural and electrical investigationsJ .Sensors and Actuators B, 2000, 68: 274 - 280. 5 W u Q H, Lee KM, L iu C. Development of

43、chem ical using sensorsm icrofabrication and m icromachining techniques J . Sensors andActuators B, 1993, 13 - 14: 1 - 6. 6 Zakrzewska K. M ixed oxides as gas sensors J . Thin SolidFilm s, 2001, 391: 229 - 238. 7 Mohammed M, Peter H. A rap idly2responding sensor for benzene,methanol and ethanol vapo

44、ur based on film s of titanium dioxidedispersed in a polymer operating at room temperature J . Sen2sors and Actuators B , 2001, 75: 197 - 202. 8 Com ini E, Guidi V, Frigeri C, et al. CO sensing p roperties of tita2nium and iron oxide nanosized thin film s J . Sensors and Actua2tors B , 2001, 77: 16

45、- 20. 9 Uner D, Tapan N A, Ozen I, et al. Oxygen adsorp tion on Pt/TiO2catalysts J . App lied Catalysis A, 2003, 251: 225 - 234. 10 Peng J, Duren L. Imp roved oxygen2sensing characteristics basedon ( TiO2 ) x (NbO2. 5 ) 1 - x composite J . Sensors and ActuatorsB, 2000, 66: 213 - 215. 11 L i Y X, Gal

46、atsis K,W lodarskiW , et al. M icrostructural characteri2zation of MoO3 2TiO2 nanocomposite thin films for gas sensing J .Sensors and Actuators B, 2001, 77: 27 - 34. 12 Zhuikov S, W lodarski W , L i Y X, et al. Nanocrystalline V2O5 2TiO2 thin film s p repared by sol2gel p rocess J . Sensors and Ac2t

47、uators B, 2001, 77: 484 - 490. 13 Rajnish K S, BhatnagarM C. Imp rovement of the oxygen gas sen2sitivity in doped TiO2 thick film s J . Sensors and Actuators B,1999, 56: 215 - 219.作 者 简 介 :张 毅 (1980 - ) ,男 ,河 北 石 家 庄 人 ,河 北 工 业 大 学 微 电 子 所在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 研 究 方 向 为 敏 感 器 件 与 薄 膜 。(上 接 第 7页 ) 4 Rev

48、zin A F, Sirkar K, Simonian A, et al. Glucose, lactate, andpyruvate biosensor arrays based on redox polymer/oxidoreductasenonocomposite thin2film s deposited on photolitho2graphically pat2terned gold m icroelectrodes J . Sensor and Actuators B, 2002,81: 359 - 368. 5 Besselink G A J, Schasfoort R B M

49、, Bergveld P. Modification ofISFETs with a monolayer of latex beads for specific detection ofp roteins J . B iosensors and B ioelectronics, 2003, 18: 1109 -1114. 6 Soldatkin A P, Montoriol J, Sant W , et al. A novel urea sensitivebiosensor with extended dynam ic range based on recombinant u2rease and ISFETs J . B iosensors and B ioelectronics, 2003,