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發(fā)展迅速，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與處理、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，通過檢測與待測物濃度相關(guān)的電流信號實現(xiàn)生物分子的檢測和識別，相對于傳統(tǒng)的光譜免疫檢測具有響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、體積小等特點。

基于MEMS工藝在硅襯底上制備微電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)免疫檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)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。但這類免疫傳感器仍處于實驗室研究階段，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?、市場化方向的發(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)量以及免疫檢測過程中的可控性等。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(shù)量和活性，同時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)對微傳感器敏感表面進(jìn)行修飾的方法，無論在同化機理上是采用共價結(jié)合還是物理吸附，多采用浸泡、滴涂等方法來實現(xiàn)。每次對樣品的處理時間以及試劑添加量的多少，往往因人而異，同時也受環(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的原理和特點，在免疫檢測的過程中需要依次在傳感器表面加入待測抗原、酶標(biāo)抗體以及反應(yīng)底物，并要在這些過程中對電極表面進(jìn)行反復(fù)清洗。如此繁瑣的試劑添加過程目前在實驗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)合蠕動泵完成敏感膜固定化及進(jìn)樣和清洗等免疫檢測操作過程，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一致性的研究積累方法和經(jīng)驗。

2 系統(tǒng)設(shè)計和制作

根據(jù)免疫傳感器檢測的原理及特點，并針對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)計面向應(yīng)用化和穩(wěn)定的免疫檢測系統(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。實驗時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，反應(yīng)結(jié)束后可以將反應(yīng)室與電極分開，相對于一次性的反應(yīng)電極，微反應(yīng)窒可以經(jīng)處理后實現(xiàn)重復(fù)使用。

2.1 微流體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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。根據(jù)免疫傳感器的工作原理，設(shè)計包括微型反應(yīng)室和進(jìn)出樣溝道的微流體系統(tǒng)，配合蠕動泵實現(xiàn)自動加樣系統(tǒng)以實現(xiàn)免疫檢測過程。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電極所組成的敏感反應(yīng)區(qū)域上。通過計算檢測時電極表面所需樣品的體積，設(shè)計高為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。