基于免疫微傳感器的微流體系統(tǒng)

在微小空間內(nèi)進(jìn)行液體樣品的進(jìn)出樣品操作，肯定會(huì)對(duì)微反應(yīng)室壁和電極表面產(chǎn)生一定壓力。為了保證整個(gè)反應(yīng)室的密封性和電極表面敏感區(qū)域免受流體沖擊而保持敏感膜的完好無(wú)損，同時(shí)為了保證敏感電極表面免疫反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的均一性，綜合進(jìn)出樣流速及保證電極表面樣品均勻分布等因素，合理設(shè)計(jì)微室結(jié)構(gòu)以及進(jìn)液口和出液口的數(shù)量和尺寸，使得在沒(méi)有微閥的情況下，實(shí)驗(yàn)試劑在進(jìn)入微室后能夠良好地分布于反應(yīng)電極表面區(qū)域，并能被順利排出不會(huì)殘留在微室內(nèi)。

根據(jù)以上考慮，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)，如圖3所示，中心圓柱體是微反應(yīng)室腔，頂部的小圓柱體為進(jìn)液溝道，底部的方形結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)的出液溝道，進(jìn)液口位置有中心和邊緣位置兩種，出液溝道數(shù)量有4種。

2.2 微流體結(jié)構(gòu)制備材料的研究

2.2.1 微流體結(jié)構(gòu)材料的選擇

PDMS具有無(wú)毒、用澆鑄法能復(fù)制微通道、加工簡(jiǎn)便快速和成本低等特點(diǎn)，所以選擇將PDMS覆于模具上，固化成膜后揭下來(lái)壓于電極片表面上密封構(gòu)成微反應(yīng)室，這樣PDMS具有良好的化學(xué)惰性，可以避免微溝道對(duì)反應(yīng)試劑的污染。而且PDMS固化后的彈性可以緩沖微流帶來(lái)的對(duì)微反應(yīng)室的力的作用，允許外力均勻地施加在電極表面的周圍。

2.2.2 微流體結(jié)構(gòu)模具材料的選擇

在MEMS工藝中，500 μm的反應(yīng)室高度較厚，如用深刻蝕等工藝在硅片上實(shí)現(xiàn)如此深的結(jié)構(gòu)較為困難。SU-8膠是MEMS工藝中的一種厚膠材料，常用于深結(jié)構(gòu)的制備，故實(shí)驗(yàn)采用SU-8膠制作微流體結(jié)構(gòu)模具。而如此厚的SU-8膠所帶來(lái)的應(yīng)力和表面張力在制作過(guò)程中嚴(yán)重影響到硅片的形狀，故采用玻璃圓片為材料，這樣也降低了成本。

3 仿真結(jié)果

對(duì)于電流型免疫傳感器，其免疫反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生于中心圓形工作電極區(qū)域。在微小的反應(yīng)空間內(nèi)，如果修飾溶液、待檢測(cè)樣品、清洗液等試劑能夠以工作電極圓心為中心，在圓形電極表面均勻和對(duì)稱的流動(dòng)和分布來(lái)參與反應(yīng)，在敏感膜固化的過(guò)程中將能夠提高生物敏感膜固化過(guò)程的一致性，從而保證生物敏感膜的質(zhì)量。在免疫反應(yīng)過(guò)程中將能夠促進(jìn)敏感膜表面抗原抗體之間免疫反應(yīng)的均一性，同時(shí)促進(jìn)敏感表面電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一致性，從而提高傳感器的響應(yīng)速度并增大信號(hào)響應(yīng)。在清洗的過(guò)程中能夠增加電極敏感表面清洗的潔凈性和一致性，減少非特異性信號(hào)干擾給傳感器檢測(cè)所帶來(lái)的偏差，增加檢測(cè)的穩(wěn)定性和一致性。同時(shí)可以避免因反應(yīng)液局部密集所帶來(lái)的電流生成不均，避免敏感膜表面受力不均產(chǎn)生的局部脫落等問(wèn)題。

根據(jù)設(shè)計(jì)的4種微流體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)采用fluent軟件進(jìn)行微流體模擬，驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)的可行性，通過(guò)性能上的一些比對(duì)，選擇合理的微反應(yīng)室和進(jìn)出樣溝道結(jié)構(gòu)。

3.1 流速與密度分布仿真

如圖4所示，對(duì)試劑在進(jìn)出樣、清洗等操作過(guò)程中的流動(dòng)情況進(jìn)行仿真。試劑進(jìn)入微反應(yīng)室后，在電極表面附近，液體的流速以電極表面對(duì)稱。試劑在電極表面分布較為均勻，沒(méi)有液體局部集中、分布不對(duì)稱的情況出現(xiàn)。4種結(jié)構(gòu)下反應(yīng)試劑能夠均等地流入到敏感反應(yīng)區(qū)域參加反應(yīng)，到達(dá)電極表面后都能均勻分布于敏感區(qū)域及其周圍，較好地參與反應(yīng)，同時(shí)采用PBS緩沖液也能夠較好地完成清洗任務(wù)。