基于免疫微傳感器的微流體系統

1 引 言

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

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(guò)檢測與待測物濃度相關(guān)的電流信號實(shí)現生物分子的檢測和識別，相對于傳統的光譜免疫檢測具有響應快、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構實(shí)現免疫檢測，能夠實(shí)現免疫傳感器器件的微型化、檢測試劑的微量化以及生產(chǎn)的批量化。但這類(lèi)免疫傳感器仍處于實(shí)驗室研究階段，很多性能還有待改善，例如傳感器的穩定性和一致性較差，這在很大程度上阻礙了其向實(shí)用化、市場(chǎng)化方向的發(fā)展。

影響微型免疫傳感器穩定性和一致性的因素較多，包括生物敏感膜的質(zhì)量以及免疫檢測過(guò)程中的可控性等。首先生物敏感膜是生物傳感器的識別元件，是生物傳感器的核心。對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。常規對微傳感器敏感表面進(jìn)行修飾的方法，無(wú)論在同化機理上是采用共價(jià)結合還是物理吸附，多采用浸泡、滴涂等方法來(lái)實(shí)現。每次對樣品的處理時(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(guò)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定性。

其次，根據電流型免疫傳感器檢測的原理和特點(diǎn)，在免疫檢測的過(guò)程中需要依次在傳感器表面加入待測抗原、酶標抗體以及反應底物，并要在這些過(guò)程中對電極表面進(jìn)行反復清洗。如此繁瑣的試劑添加過(guò)程目前在實(shí)驗室階段多采用人工滴加的方法來(lái)完成，帶來(lái)的不穩定因素眾多，很難保證傳感器工作環(huán)境的穩定和標準，從而影響傳感器檢測結果的穩定性和可靠性。

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上，設計和制備微反應室以及微進(jìn)出樣溝道，利用SU-8膠和PDMS等材料搭建微流體系統，用以結合蠕動(dòng)泵完成敏感膜固定化及進(jìn)樣和清洗等免疫檢測操作過(guò)程，消除人為干擾，改善生物敏感膜制備以及免疫反應環(huán)境，探索提高生物敏感膜固化的穩定性和一致性，為提高免疫微傳感器檢測一致性的研究積累方法和經(jīng)驗。

2 系統設計和制作

根據免疫傳感器檢測的原理及特點(diǎn)，并針對提高微型免疫生物傳感器穩定性和一致性的需要，進(jìn)行微流體系統的設汁和研究。設計面向應用化和穩定的免疫檢測系統，考慮到低成本和易操作等因素，采用將微反應室和反應電極分別制作的方法。實(shí)驗時(shí)在電極片表面粘附微結構形成微反應系統進(jìn)行免疫檢測，反應結束后可以將反應室與電極分開(kāi)，相對于一次性的反應電極，微反應窒可以經(jīng)處理后實(shí)現重復使用。

2.1 微流體系統的結構設計

基于MEMS工藝制備的電極型免疫微傳感器結構如圖1所示，包括圓形的工作電極和環(huán)形的對電極，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)。根據免疫傳感器的工作原理，設計包括微型反應室和進(jìn)出樣溝道的微流體系統，配合蠕動(dòng)泵實(shí)現自動(dòng)加樣系統以實(shí)現免疫檢測過(guò)程。微流體結構如圖2所示，微反應室搭建在由工作電極和對電極所組成的敏感反應區域上。通過(guò)計算檢測時(shí)電極表面所需樣品的體積，設計高為500 μm、直徑為5 mm的圓柱形微反應室，將微型免疫電極置于其中心。