一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器.pdf

摘要
申请专利号：	CN200910242771.0	申请日：	2009.12.16
公开号：	CN102103112A	公开日：	2011.06.22
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01N 27/26申请日:20091216\|\|\|公开
IPC分类号：	G01N27/26	主分类号：	G01N27/26
申请人：	中国科学院电子学研究所
发明人：	夏善红; 韩泾鸿; 任振兴; 边超; 卞贺明
地址：	100080 北京市海淀区北四环西路19号
优先权：
专利代理机构：	中科专利商标代理有限责任公司 11021	代理人：	周长兴
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内容摘要

一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器由光寻址分子印迹阵列芯片和光寻址电位传感器的测量池组成。其中基于MEMS技术的阵列芯片为硅基微结构阵列，芯片的阵列敏感区表面采用溶胶-凝胶分子印迹的方法修饰正硅酸乙酯，可识别各种残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子印迹敏感膜；测量池由有机玻璃制成，包括上盖、测量池底座和密封胶圈。阵列芯片作为工作电极可互换地安装在测量池底座的内侧；红外LED发光二极管阵列被直接用密封胶镶嵌在底座的外侧，与阵列芯片的位置对应；上盖的内侧与工作电极阵列芯片对应得位置固定着着铜基电镀Pt薄膜作为对电极，并有进出口管道；圆形上盖与测量池底座周围有由螺纹，通过密封胶圈密封成测量池。

权利要求书

1：一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，包括有测量池底座组件、装在测量池底座内侧的作为工作电极的光寻址分子印迹阵列芯片和上盖组件；其中：测量池底座是由有机玻璃制成的圆杯；在圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源， LED 矩阵光源上方设一放置光寻址分子印迹阵列芯片的空间；测量池底座放置的芯片的位置，安装有无氧铜电极，并在底座背面接出引线，作为光寻址测量工作电极的接触电极；测量池底座的杯口设有外螺纹；光寻址分子印迹阵列芯片，以双面抛光硅片为衬底，在衬底的表面和背面均采用各相异性化学腐蚀方法加工出上下对应的 N 个坑，表面的每一个坑代表一个敏感膜沉积区，背面的每一个坑代表一个光源接受区；上下坑的中心位置分别与红外 LED 矩阵光源的中心位置对应；光寻址分子印迹阵列芯片的表面每个坑的表面覆盖厚度分别为 50 ～ 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜，再以修饰敏感膜为界面，其余表面作为绝缘隔离区，先覆盖有 1μm 的厚二氧化硅层，再覆盖与坑的表面一样的厚度分别为 50 ～ 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜；光寻址分子印迹阵列芯片制备有金层为工作电极芯片的接触电极；光寻址分子印迹阵列芯片的中部位置作为信号的基准，其余 N-1 个位置作为识别 N-1 种农药分子的敏感区；上盖组件是由有机玻璃制成的圆盖；圆盖的内侧安装有对电极，对电极由无氧铜园片为衬底，表面制备铂薄膜，从无氧铜园片背面引出引线作为光寻址测量的对电极引线；对电极的位置与光寻址分子印迹阵列芯片平行并中心位置对应；圆盖上设有两个测试样品的进出口；圆盖内侧刻有环形的槽以放置密封胶圈；圆盖口设有内螺纹，与测量池底座杯口的外螺纹相互结合构成光寻址分子印迹阵列传感器。
2：如权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，二氧化硅层 8 为 MOS 场效应晶体管的栅极氧化层纯度水平，电荷密度应在 1×10- 库仑 / 厘米 3 量级。
3：如权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，圆杯底部的中央镶嵌的红外 LED 矩阵光源侧面用密封胶与圆杯密封，光源的正面和背面暴露在外面。
4：根据权利要求 1 或 3 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，红外 LED 矩阵光源的位置与放置的芯片位置实现自对准。
5：根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，测量池底座杯口的外螺纹与圆盖口的内螺纹之间放置有密封圈。
6：根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，光寻址分子印迹阵列芯片的衬底为厚度小于 250μm、 N型《100》、电阻率为 5 ～ 8Ω/cm 的双面抛光硅片。
7：根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，衬底表面 2 坑覆盖的氧化层厚度为 100nm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm ；衬底其余表面覆盖的氧化层厚度为 1μm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm。
8：根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，敏感膜的制备，是采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再反复滴入 - 抽取，将溶胶溶液固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置上；具体如下： 1) 以正硅酸乙酯为主体原料，乙醇为溶剂，恒温搅拌，配制硅酸溶胶溶液； 2) 针对可与正硅酸乙酯的硅凝胶悬挂的 Si-OH 羟基结合，选择 N-1 种农药分子作为分子印迹模板分子，分别以 10 ∶ 1 的摩尔浓度，将分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分子的硅酸溶胶溶液一起，组成 N 种分子印迹溶胶溶液。并分别加入盐酸作为催化剂，丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7 ～ 1.8 ； 3) 用微量注入注射器，重复分别将 N 种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置；其中中间位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余 N-1 个位置分别注入含上述 N-1 种模板分子的硅酸溶胶； 4) 于 40-50℃恒温干燥，完成凝胶过程；再浸入甲醇和碳酸氢钠的水溶液，超声除去模板分子，最终完成敏感膜的固定化。

说明书

一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器
    技术领域本发明属于分子印迹敏感膜和光寻址检测的电化学传感器技术领域，具体在涉及一种特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器。
     背景技术本发明提出的特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器是采用光寻址检测技术。这种光寻址检测技术是基于光寻址电位传感器 (Light Addressable Potentiometric Sensor， LAPS)，该传感器是由美国加利福尼亚的一个分子器件公司在八十年代末发明的。 LAPS 具有应用范围广、光寻址能力强、极高的灵敏度、较高的稳定性、所需样品少、测量范围宽、检测时间短等优点，成为生物传感技术的新星。LAPS 的基本结构如图 1 所示。半导体和电解质溶液之间被绝缘层隔开形成 EIS 结构。调节偏置电压使半导体处于不同的偏置状态。经过强度调制的光源 ( 如 LED 或激光 ) 从背面对此 EIS 结构进行照射，在半导体中产生电子空穴对。当半导体与绝缘层接触的表面处于耗尽状态时，这些电子空穴对可能通过扩散作用进入耗尽层。耗尽层中的电场将光生电子空穴对分开，从而在回路中产生光生电流。当半导体表面处于电荷积累状态时，半导体表面的电场为零，电子空穴对不会在此分开，所以光生电流基本为零。LAPS 的敏感原理是基于电场效应使器件对绝缘层与电解质溶液间界面电位变化敏感，但是，在信号采集时， LAPS 采用调制光束照射，使器件对该电位变化的响应由光电流所调制，并采用锁相检测技术对响应信号进行检测。LAPS 典型的响应曲线如图 2 所示。当被测液的浓度发生变化时，响应曲线会向左或向右偏移。通过检测这个偏移量可以检测出溶液浓度的变化。由于敏感膜的存在，敏感膜表面吸附一层离子形成膜电位，从而导致绝缘体和半导体两端的电压产生一定的偏移。光电流 - 偏置电压曲线也因此产生相应的偏移。曲线的偏移量与溶液中待测离子的浓度是相关的。因此通过测量曲线的偏移量可以检测出待测离子的浓度。测量不同 pH 值的缓冲溶液得到的实验曲线如图 2 所示。已有不少学者在此基础上研究将其功能从单一的 H+ 离子敏的 LAPS 发展到酶 LAPS、免疫 LAPS 以及生物 LAPS。
     生物传感器由识别元件和信号转换器组成，识别元件以适当的方式固定在转换器的表面，当待测分子与识别元件结合时，产生一个物理或化学信号，转换器将此信号转换成一个可定量的输出信号，通过监测输出信号实现对待测分子的实时测定。传统生物传感器的识别元件由生物分子构成，如酶、抗体、微生物、组织甚至完整的器官；转换器有微电极、场效应晶体管、光纤、热敏电阻和压电晶体等。本发明是将分子印迹识别元件与光寻址换能器相结合，研究高稳定仿生生物传感器的新方法和新器件，尝试特异性多参数识别残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子。
     生物传感器的高灵敏度和特异性的优点受到广泛关注，但是，由生物分子组成的识别元件存在对使用环境要求较高，难以长期保存等固有的缺陷，使得生物传感器在实际应用中遇到很多不易克服的障碍；同时，生物分子来源于生物活体，制备和纯化繁琐、昂贵。生物传感器面临低稳定性、高成本、不能在偏高或偏低的 pH 值和高温溶液中使用、难以与
     微加工技术兼容、有些分析物没有对应的识别靶分子等一系列问题，成为影响其发展的一个重要因素。因此，获得廉价、稳定的识别元件，是生物传感器进一步发展的关键之一。通过对抗原抗体、酶和底物反应原理的研究和理解，科学家大胆提出了通过化学反应合成模拟抗体的设想，开创了一项崭新的技术—分子印迹技术。分子印迹技术是指制备对某一特定目标分子具有特异选择性的聚合物，即分子印迹聚合物的过程，常被形象地描绘为制造识别 “分子钥匙” 的 “人工锁” 的技术。分子印迹过程由三步组成：第一步，功能单体和模板分子混合制备出共价配合物，或形成非共价的结合的加成产物；第二步将上述单体 - 模板配合物 ( 加成物 ) 进行聚合，冻结在高分子的三位网络内；第三步将模板分子从聚合物中除去。原来由模板分子所占有的空间将形成可以记住模板结构、尺寸以及其他物理、化学特性的空腔，能有效地选择性地去结合模板 ( 或类似物 ) 的分子。将分子印迹聚合物 (molecularly imprinted polymers， MIPs) 作为生物敏感功能膜构成仿生生物传感器。
     印迹技术是 20 世纪分子生物学领域三大发现之一。它与内切酶的发现和 PCR 基因扩增技术，给人类生物工程带来了革命性进展。 1975 年 Southern 首先用该法来分析 DNA，称为 Southern blot ； 1979 年 Alwine 将此法用于 RNA 研究，称为 Northern blot ；同年 Towbin 等又将其扩展到蛋白质分析，取名为 Western blot(WBT)，又称为 Immunoblot(IBT)，即免疫印迹。在理论上可以仿制任何物质的 MIPs，制成的无机离子、核酸、蛋白质、甚至细胞的 MIPs 近 300 种，并将研究聚合科学的印迹技术的重点集中到，利用计算机软件对分子进行三维设计。在生物界，也开始将 MIPs 作为敏感元件与大型分析仪器相结合，对核酸、蛋白质、甚至细胞进行检测，并取得可喜的成果。近年来逐渐地将 MIPs 技术应用于传感器： Panasyuk 等利用嫁接聚合技术在聚丙烯膜和疏水性金电极表面制备了分子印迹电容传感器，具有良好的选择性。Kriz 等人将吗啡分子印迹聚合物固定在铂电极上，通过电流法测定释放出来的吗啡，其检测浓度范围为 0.01-1mg/L，检测极限达到 0.1ng/mL。乌克兰的 Piletsky 利用胆固醇作为模板分子，十六烷硫醇作为功能单体，采用循环伏安法对聚合物进行电聚合，其检测范围为 15-60μM。Mullett 等将分子印迹技术与表面等离子体共振技术相结合研制出了一种茶碱传感器，测量浓度范围可达到 0.4-6g/L。有模板分子存在的情况下，在溶胶 - 凝胶体系中可以形成对模板分子有特异识别能力的微孔。有文献报道了采用模板分子诱导无机印迹 SiO2 膜在电极表面的形成，研究其对多巴胺的选择性问题。国内的分析化学领域对 MIPs 的研究也很活跃，在北京大学，研究 MIPs 的分子识别机理，借助紫外、红外、色谱、比表面、核磁等现代仪器分析手段以及计算机辅助模拟来设计、合成、评价具有特异性和亲和性的新型分子印迹聚合物，并对分子印迹聚合物制备的条件进行优化。他们提出了分子印迹原性的概念，用来描述一个化合物能产生高选择性和高亲和性分子印迹聚合物的能力。另外还借助间接分子印迹方法和金属离子的配位作用来扩大可被印迹的分子范围，解决一些小分子及含有分子内氢键化合物的印迹问题。同时，他们也将分子印迹聚合物应用于一些天然酶的模拟，不断探索分子印迹聚合物在催化领域的应用。防化研究院第四研究所以甲基膦酸对硝基苯酯作为分子印迹聚合物的模板分子， N- 苯基 - 苯甲酰胺作为功能基，通过嵌埋 ZnO 纳米材料合成了具有 “纳米通道” 的新型分子印迹模拟抗体酶 MIP-3，研究该酶对羧酸对硝基苯酯催化水解动力学；研究结果表明，这类模拟抗体酶不仅具有很好的结构选择性，而且催化羧酸酯水解的能力大大提高，为合成分子印迹模拟酶和纳米材料的应用提供了新途径。分子印迹概念已经存在多年，但是，对它的实验方法及其应用，是近几年随着现代电子及生物技术的迅速发展才有了长足的进展，成为研究的热点。MIPs 的稳定性远远高于天然生物分子识别元件，能够获得较高选择性和特异性的聚合物，是解决生物敏感膜稳定性差的理想材料。因此，分子印迹聚合物的研究受到人们的重视，研究对它的优化设计，开发 MIP 设计通用程序。目前 MIPs 生物传感器的研究除了缺乏 MIP 设计通用程序，还有 MIP 对目标分析物亲和性比较低、非特异性还比较高、更加有效的固定化方法等，成为 MIPs 应用于生物传感器研究的主要瓶颈问题，是分子化学和材料科学的科学家急待解决的问题。而研究如何将生物传感技术与 MIPs 材料的固有的高稳定性优势和研究成果相结合，克服 MIPs 目前存在的难题。识别元件和转换器的结合主要有两种方式，一是先制成聚合物颗粒，再固定到转换器上，另外就是在转换器表面直接制备印迹膜。后者是分子印迹仿生传感器的发展方向。分子印迹仿生传感器的转换器，采用光传感器或石英晶体微量天平 (QCM) 的较多，采用电化学传感器作为转换器的报道，近年来渐渐多起来了。基于电位检测的分子印迹仿生传感器也陆续出现，还有一些文献报道了在 ISFET 上沉积梭基化合物印迹的 TiO2 溶胶一凝胶膜，研究其选择性响应的问题。但是关于光寻址分子印迹仿生传感器，尚未见报道。有机磷和氨基甲酸酯是使用最多的杀虫剂、杀菌剂、有除草剂，蔬菜、果品、粮食中，经常受到污染，已对人类和其它生物构成严重的威胁。检测食品与环境中残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子是十分迫切问题。国家的标准检测方法是气相色谱方法。也常有酶抑制法，以酶作为催化剂，检测被残留农药抑制酶的活性降低，催化能力下降，使被测溶液的 pH 或显色改变，间接地反映农药残留量。主要研究特点是研究开发不同的酶。也有针对特定的农药分子，研发特定的免疫抗体材料。这些方法的共同问题仍然是生物分子来源于生物活体，制备和纯化繁琐、昂贵。生物传感器面临低稳定性、高成本、不能在偏高或偏低的 pH 值和高温溶液中使用、难以与微加工技术兼容、酶受所有残留农药抑制缺乏特异性、有些分析物没有对应的识别靶分子等一系列问题，成为影响其发展的一个重要因素。另外，上述方法还有一个难以克服的难题是，识别反应的不可逆性。这些传感器只能一次性使用，给实用化的推广带来不便。采用分子印迹制备对有机磷和氨基甲酸酯具有特异性识别的 SiO2 凝胶膜，将能克服上述问题。这方面的研究尚处于探索阶段，不同的功能单体、催化剂、增塑剂材料和溶胶与聚缩条件，具有很大的研究空间。
     发明内容
     本发明的目的在于提供一种特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，以改进背景中存在的缺陷。
     为实现上述目的，本发明提供的识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，包括有测量池底座组件、装在测量池底座内侧的光寻址分子印迹阵列芯片和上盖组件；其中：
     测量池底座是由有机玻璃制成的圆杯；
     在圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源， LED 矩阵光源上方设一放置光寻址分子印迹阵列芯片的空间；
     测量池底座放置的芯片的位置，安装有无氧铜电极，并在底座背面接出引线，作为光寻址测量工作电极的接触电极；
     测量池底座的杯口设有外螺纹；
     光寻址分子印迹阵列芯片，以双面抛光硅片为衬底，在衬底的表面和背面均采用各相异性化学腐蚀方法加工出上下对应的 N 个坑，表面的每一个坑代表一个敏感膜沉积区，背面的每一个坑代表一个光源接受区；
     上下坑的中心位置分别与红外 LED 矩阵光源的中心位置对应；
     光寻址分子印迹阵列芯片的表面每个坑的表面覆盖厚度分别为 50 ～ 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜，再以修饰敏感膜为界面，其余表面作为绝缘隔离区，先覆盖有 1μm 的厚二氧化硅层，再覆盖与坑的表面一样的厚度分别为 50 ～ 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜；
     光寻址分子印迹阵列芯片制备有金层为工作电极芯片的接触电极；
     光寻址分子印迹阵列芯片的中部位置作为信号的基准，其余 N-1 个位置作为识别 N-1 种农药分子的敏感区；
     上盖组件是由有机玻璃制成的圆盖；
     圆盖的内侧安装有对电极，对电极由无氧铜园片为衬底，表面制备铂薄膜，从无氧铜园片背面引出引线作为光寻址测量的对电极引线；对电极的位置与光寻址分子印迹阵列芯片平行并中心位置对应；
     圆盖上设有两个测试样品的进出口；
     圆盖内侧刻有环形的槽以放置密封胶圈；
     圆盖口设有内螺纹，与测量池底座杯口的外螺纹相互结合构成光寻址分子印迹阵列传感器。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，在测量池底座的圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源，用密封胶将该矩阵光源的侧面四周与圆杯底密封，但必须保证光源的正面 ( 光点部分 ) 和背面 ( 光源的电极部分 ) 暴露在外面。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，红外 LED 矩阵光源的位置与放置的芯片位置实现自对准。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，测量池底座杯口的外螺纹与圆盖口的内螺纹之间放置有密封圈。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，光寻址分子印迹阵列芯片的衬底为厚度小于 250μm、 N型《100》、电阻率为 5 ～ 8Ω/cm 的双面抛光硅片。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，衬底表面坑覆盖的氧化层厚度为 100nm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm ；衬底其余表面覆盖的氧化层厚度为 1μm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm。
     所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，敏感膜的制备，是采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再反复滴入 - 抽取，将溶胶溶液固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置上；具体如下：
     1) 以正硅酸乙酯为主体原料，乙醇为溶剂，恒温搅拌，配制硅酸溶胶溶液；
     2) 针对可与正硅酸乙酯的硅凝胶悬挂的 Si-OH 羟基结合，选择 N-1 种农药分子作为分子印迹模板分子，分别以 10 ∶ 1 的摩尔浓度，将分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分
     子的硅酸溶胶溶液一起，组成 N 种分子印迹溶胶溶液。并分别加入盐酸作为催化剂，丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7 ～ 1.8 ；
     3) 用微量注入注射器，重复分别将 N 种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置；其中中间位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余 N-1 个位置分别注入含上述 N-1 种模板分子的硅酸溶胶；
     4) 于 40-50℃恒温干燥，完成凝胶过程；再浸入甲醇和碳酸氢钠的水溶液，超声除去模板分子，最终完成敏感膜的固定化。
     本发明的特色是：
     1) 将光寻址电位传感器与分子印迹传感器集成于一体，使两者优势与应用范围得到更好的发挥；
     2) 红外 LED 矩阵光源被镶嵌在底座上，在结构上保证 LAPS 集成芯片装入测量池就与底座组件有效匹配和定位，使芯片与红外 LED 矩阵光源很方便地自对准，便于芯片的更换；
     3) 体积小，与通用的光寻址传感器测试系统兼容，可组成便携的残留农药的光寻址分子印迹传感器系统。附图说明
     图 1 是公知的 LAPS 系统结构框架示意图；图 2 是图 1 所示的 LAPS 系统典型的响应曲线；图 3a 是本发明特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器的示意图；图 3b 是图 3a 传感器的上盖组件示意图；图 3c 是图 3a 传感器的下底座组件示意图；图 4a 是镶嵌了 LED 矩阵光源 ( 应用例为 5×7 的 LED) 的下底座组件仰视视示意图；图 4b 是组装了阵列芯片的下底座组件的剖面结构示意图；
     图 4c 是组装了阵列芯片的下底座组件的俯视示意图；
     图 5a 是阵列芯片的剖面结构示意图；
     图 5b 是阵列芯片的俯视结构示意图；
     图 5c 是阵列芯片的一个敏感区与受光区相对应的单元微结构剖面示意图；
     图 6 是特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器的测试系统示意图；
     图 7 是本发明阵列芯片工艺流程示意图；其中：
     图 7a 是对硅片进行场氧化，并正面甩上光刻胶进行曝光；
     图 7b 是背面保护正面刻蚀场氧化，并各相异性刻蚀硅片形成凹坑；
     图 7c 是双面生长 MOS 级致密热氧化层， LPCVD( 低压化学气相沉积方法制备 ) 的 Si3N4 层，磁控溅射制备的 Ta2O5 的 pH 敏感层；
     图 7d 是正面光刻胶保护，背面光刻，并各相异性刻蚀硅片形成凹坑；
     图 7e 是背面溅射 Cr-Au 背面 Cr-Au 导电电极。
     图中主要标号为：
     1 上盖组件；
     2 下底座组件； 3 阵列芯片； 4 有机玻璃上盖； 5 对电极； 6 对电极的电极引线； 7 进出口管道； 8 密封胶圈； 9 上盖的螺纹； 10 有机玻璃底座； 11LED 矩阵光源； 12 工作电极接触及引线； 13 有机玻璃底座的螺纹； 14 硅片； 15 硅片表面有 N 个下凹的四棱坑 ( 应用例为 5 个 ) ； 16 硅片背面有 N 个下凹的四棱坑 ( 应用例为 5 个 ) ； 17 芯片背面 Cr-Au 导电电极； 18 芯片基准电位区； 19-22 四个敏感区； 23SiO2 绝缘层； 24Si3N4 绝缘层； 25Ta2O5 绝缘； 26 分子印迹敏感膜； 27 锁相放大器； 28 恒电位仪； 29 单片机系统和 LED 控制器； 30 个人计算机； 31 厚氧化层； 32 光刻胶； C22、 C24、 C43、 C62、 C64 分别为 LED 矩阵光源的五个光点。具体实施方式：
     本发明的光寻址电位传感器的工作电极是硅基阵列微结构电极，电极表面修饰各种可特异性识别残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子印迹敏感膜。光寻址电位传感器的测量池，由有机玻璃制成，包括上盖、测量池底座和密封胶圈 ( 请参阅图 3a、图 3b、图 3c)。
     测量池底座组件 2 是一有机玻璃底座 10，其形状为圆杯 ( 图 3a)，其尺寸为：
     圆杯外形 Φ50mm×25mm，杯口有 M42mm 高 5mm 的外螺纹 13 ；
     在圆杯底部的中央镶嵌着一枚 5×7 红外 LED 矩阵光源 11，该红外 LED 矩阵光源 11 为商品化产品，其外形尺寸为 14.70mm×19.80mm，光点直径为 Φ1.9mm，光点距离 2.54mm，用密封胶将矩阵光源的侧面与圆杯底密封，但必须保证光源的正面 ( 光点部分 ) 和背面 ( 光源的电极部分 ) 暴露在外面，并保证不漏液；5×7 红外 LED 矩阵光源 11 中的 35 个光点，定义为 Cxy，本应用例中选择 C22、 C24、 C43、 C62、 C64 五个光点；
     在 LED 矩阵光源 11 上方，有一个长方体 19.85mm×14.75mm×1mm 的空间，正好放置光寻址分子印迹阵列芯片；
     在测量池底座内侧， LED 矩阵光源 11 周围，铠装了一个矩形的镀金无氧铜电极环，其外形尺寸为 19.8mm×14.7mm，内孔为 14.75mm×19.85mm，确保 LED 矩阵光源的光源面与电极环镶嵌在同一个平面上，另外，从电极环接出引线连到底座的背面，作为光寻址测量的工作电极的接触电极 12。
     上盖组件 1 是由有机玻璃制成的圆盖 ( 图 3b)，其尺寸为：
     圆盖外形 Φ50mm×10mm，杯口内有 M42mm 高 5mm 的内螺纹 9 ；
     在圆盖内部的中央镶嵌着一枚镀铂金的无氧铜电极作为对电极 5，其外形尺寸为 Φ30mm×2mm，背面通过导电胶粘接，在圆盖外引出电极引线，成为光寻址测量的对电极引线6；
     圆盖内侧，在对电极 5 外围有一个环形槽，其中镶嵌密封胶圈 8，其尺寸为 Φ47mm×3mm ；在对电极 5 外围和密封胶圈 8 之间，对称地设置了不锈钢液体进出口管道 7，尺寸为 Φ2mm×15mm，管壁 0.2mm，用密封胶将四周密封，保证不漏液；
     要求测量池底座的杯口的外螺纹 13 与圆盖口的内螺纹 9 相匹配。当放置密封胶圈 8 后再将两者拧紧，就构成光寻址测量池。
     光寻址分子印迹阵列芯片 2 的工艺流程如附图 7 ：
     光寻址分子印迹阵列芯片 2 选用厚度小于 250μm、 N 型 <100>、电阻率为 5-8Ω/cm 的双面抛光硅片 14 为衬底；
     阵列芯片版图尺寸：矩形芯片 19.8mm×14.7mm，以芯片的左下角为基准点 (0、 0)，在硅片表面敏感区和背面的接受光照窗口的中心位置与光点的中心位置一致，其中 C22 为 (3.87、 3.59)， C24 为 (3.87、 8.62)， C43 为 (8.95、 6.13)， C62 为 (14.03、 3.59)， C64 为 (14.03、 8.67) ；正面版图的窗口尺寸为 1020μm×1020μm，背面版图的窗口尺寸为 1300μm×1300μm ；
     按照图 7a-7e 的阵列芯片制造工艺示意图，进行的工艺流程如下：
     a) 硅片 14 进行场氧化，硅片 14 的双面生成厚度为 1μm 的厚氧化层 31，并正面甩上光刻胶 32 进行曝光 ( 图 7a) ；
     b) 背面保护正面刻蚀场氧化层 31，刻蚀深度为 10-20μm，并各相异性刻蚀硅片 14 形成凹坑 15( 图 7b) ；
     c) 正面生长 MOS 级致密热氧化层 23，其厚度为 100nm，并在该致密热二氧化层 23 上化学气相沉积 (LPCVD)Si3N4 层 24，并在 Si3N4 层 24 的正面溅射 Ta2O5 的 pH 敏感层 25， 23、 24 和 25 均为 100nm ；在背面溅射 1μm 的 Cr-Au 导电电极 17( 图 7c) ；
     d) 正面光刻胶保护，背面光刻，并各相异性刻蚀硅片 14，形成凹坑 16( 图 7d)，完成阵列芯片的 MEMS 工艺；
     e) 在完成了 MEMS 工艺的阵列芯片表面的敏感膜沉积区制备分子印迹敏感膜 27。
     采用各相异性化学腐蚀方法加工出对应得 5 个坑，表面坑的深度为 10-20μm
     作为敏感膜沉积区，背面 5 个坑的深度为 150μm 左右作为光源接受区，上下坑底面积为 1mm×1mm。它们的中心位置分别与 5×7 红外 LED 阵列光源的 C22、 C24、 C43、 C62、 C64 的 5 个光点的中心位置对应。
     矩形芯片的 5 个坑的表面覆盖着 100nm 的氧化层 23，加上 100nm 的氮化硅膜 24，再加上 100nm 五氧化二钽膜 25，作为修饰敏感薄膜的界面；芯片的其余表面覆盖着 1μm 的氧化层，加上 100nm 的氧化层 23，加上 100nm 的氮化硅膜 24，再加上 100nm 五氧化二钽膜 25，作为绝缘隔离区。
     芯片的背面没有绝缘层，在背面溅射 Cr-Au 导电电极 17，作为工作电极芯片的接触电极。
     光寻址分子印迹阵列芯片的敏感膜制备，将矩形芯片的光点 C43 对应的敏感区位置作为信号的基准，其余四个光点 C22、 C24、 C62、 C64 对应的敏感区位置作为识别四种有机磷、氨基甲酸酯等农药分子敏感区。采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再用微量注入注射器，反复滴入 - 抽取法，将溶胶溶液固定在芯片的上述五个位置上。具体方法如下：
     以正硅酸乙酯 (TEOS) 为主体原料，乙醇为溶剂，以一定摩尔浓度，并加入少量水，恒温 80℃，充分搅拌 2 小时，配制硅酸溶胶溶液。选择四种农药分子作为分子印迹模板分子，例如以下四种农药分子：
     1) 氧化乐果 ( 学名 O， O- 二甲基 -S-(N- 甲基氨基甲酰基 ) 硫代磷酸酯，分子式 C5H12NO4PS)。
     2) 敌百虫 ( 学名二甲基 -2， 2， 2- 三氯 -1- 羟基乙基磷酸酯，分子式 C4H8Cl3O4P)。
     3) 甲胺磷 ( 学名 O， S- 二甲基硫代磷酸酯，分子式 C2H8NO2PS)。
     4) 敌敌畏 (2， 2- 二氯乙烯甲基磷酸酯，分子式 C4H7C12O4P)。
     分别以 10 ∶ 1 的摩尔浓度，将上述四种分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分子的硅酸溶胶溶液一起，组成五种分子印迹溶胶溶液。并分别滴入数滴 0.05mol/L 盐酸作为催化剂，数滴丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7-1.8。
     用微量注入注射器，重复 ( 滴入 - 静止 3 秒钟 - 再吸取 ) 十次的方法，分别将五种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的光点 C43 对应的敏感区，以及其余四个光点 C22、 C24、 C62、 C64 对应的敏感区的五个位置。其中光点 C43 对应的敏感区位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余四个位置分别注入含上述四种模板分子的硅酸溶胶。
     注入了溶胶的芯片，放入 50℃恒温箱干燥 3 天，完成凝胶过程。
     固定了凝胶的芯片，浸入甲醇和碳酸氢钠的水溶液 24 小时后，换新液超声 1-2 分钟，除去模板分子。最终完成敏感膜的固定化。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102103112 A (43)申请公布日 2011.06.22 CN 102103112 A *CN102103112A* (21)申请号 200910242771.0 (22)申请日 2009.12.16 G01N 27/26(2006.01) (71)申请人中国科学院电子学研究所地址 100080 北京市海淀区北四环西路 19 号 (72)发明人夏善红韩泾鸿任振兴边超卞贺明 (74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司 11021 代理人周长兴 (54) 发明名称一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器 (57) 摘要一种识别残留。

2、农药的光寻址分子印迹阵列传感器由光寻址分子印迹阵列芯片和光寻址电位传感器的测量池组成。其中基于 MEMS 技术的阵列芯片为硅基微结构阵列，芯片的阵列敏感区表面采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法修饰正硅酸乙酯，可识别各种残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子印迹敏感膜；测量池由有机玻璃制成，包括上盖、测量池底座和密封胶圈。阵列芯片作为工作电极可互换地安装在测量池底座的内侧；红外 LED 发光二极管阵列被直接用密封胶镶嵌在底座的外侧，与阵列芯片的位置对应；上盖的内侧与工作电极阵列芯片对应得位置固定着着铜基电镀 Pt 薄膜作为对电极，并有进出口管道；圆形上。

3、盖与测量池底座周围有由螺纹，通过密封胶圈密封成测量池。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 2 页说明书 8 页附图 6 页 CN 102103115 A1/2 页 2 1. 一种识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，包括有测量池底座组件、装在测量池底座内侧的作为工作电极的光寻址分子印迹阵列芯片和上盖组件；其中：测量池底座是由有机玻璃制成的圆杯；在圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源， LED 矩阵光源上方设一放置光寻址分子印迹阵列芯片的空间；测量池底座放置的芯片的位置，安装有无氧铜电极，。

4、并在底座背面接出引线，作为光寻址测量工作电极的接触电极；测量池底座的杯口设有外螺纹；光寻址分子印迹阵列芯片，以双面抛光硅片为衬底，在衬底的表面和背面均采用各相异性化学腐蚀方法加工出上下对应的 N 个坑，表面的每一个坑代表一个敏感膜沉积区，背面的每一个坑代表一个光源接受区；上下坑的中心位置分别与红外 LED 矩阵光源的中心位置对应；光寻址分子印迹阵列芯片的表面每个坑的表面覆盖厚度分别为 50 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜，再以修饰敏感膜为界面，其余表面作为绝缘隔离区，先覆盖有 1m 的厚二氧化硅层，再覆盖与坑的表面一样的厚度分别为。

5、 50 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜；光寻址分子印迹阵列芯片制备有金层为工作电极芯片的接触电极；光寻址分子印迹阵列芯片的中部位置作为信号的基准，其余 N-1 个位置作为识别 N-1 种农药分子的敏感区；上盖组件是由有机玻璃制成的圆盖；圆盖的内侧安装有对电极，对电极由无氧铜园片为衬底，表面制备铂薄膜，从无氧铜园片背面引出引线作为光寻址测量的对电极引线；对电极的位置与光寻址分子印迹阵列芯片平行并中心位置对应；圆盖上设有两个测试样品的进出口；圆盖内侧刻有环形的槽以放置密封胶圈；圆盖口设有内螺纹，与测量池底座杯口的外螺纹相互结合构成光。

6、寻址分子印迹阵列传感器。 2. 如权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，二氧化硅层为 MOS 场效应晶体管的栅极氧化层纯度水平，电荷密度应在 110-8库仑 / 厘米 3 量级。 3. 如权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，圆杯底部的中央镶嵌的红外 LED 矩阵光源侧面用密封胶与圆杯密封，光源的正面和背面暴露在外面。 4. 根据权利要求 1 或 3 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，红外 LED 矩阵光源的位置与放置的芯片位置实现自对准。 5. 根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感。

7、器，其中，测量池底座杯口的外螺纹与圆盖口的内螺纹之间放置有密封圈。 6. 根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，光寻址分子印迹阵列芯片的衬底为厚度小于 250m、 N 型 100 、电阻率为 5 8/cm 的双面抛光硅片。 7. 根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，衬底表面权利要求书 CN 102103112 A CN 102103115 A2/2 页 3 坑覆盖的氧化层厚度为 100nm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm ；衬底其余表面覆盖的氧化层厚度为 1m，氮化硅膜和五氧化。

8、二钽膜的厚度分别均为 100nm。 8. 根据权利要求 1 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，其中，敏感膜的制备，是采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再反复滴入 - 抽取，将溶胶溶液固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置上；具体如下： 1) 以正硅酸乙酯为主体原料，乙醇为溶剂，恒温搅拌，配制硅酸溶胶溶液； 2) 针对可与正硅酸乙酯的硅凝胶悬挂的 Si-OH 羟基结合，选择 N-1 种农药分子作为分子印迹模板分子，分别以101的摩尔浓度，将分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分子的硅酸溶胶溶液。

9、一起，组成 N 种分子印迹溶胶溶液。并分别加入盐酸作为催化剂，丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7 1.8 ； 3) 用微量注入注射器，重复分别将 N 种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置；其中中间位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余 N-1 个位置分别注入含上述 N-1 种模板分子的硅酸溶胶； 4) 于 40-50恒温干燥，完成凝胶过程；再浸入甲醇和碳酸氢钠的水溶液，超声除去模板分子，最终完成敏感膜的固定化。权利要求书 CN 102103112 A CN 102103115 A1/8 页 4 一种识别残留农药。

10、的光寻址分子印迹阵列传感器技术领域 0001 本发明属于分子印迹敏感膜和光寻址检测的电化学传感器技术领域，具体在涉及一种特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器。背景技术 0002 本发明提出的特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器是采用光寻址检测技术。这种光寻址检测技术是基于光寻址电位传感器 (Light Addressable Potentiometric Sensor， LAPS)，该传感器是由美国加利福尼亚的一个分子器件公司在八十年代末发明的。 LAPS具有应用范围广、光寻址能力强、极高的灵敏度、较高的稳定性、所需样品少、测量范围宽、检测时间短等优。

11、点，成为生物传感技术的新星。LAPS 的基本结构如图 1 所示。半导体和电解质溶液之间被绝缘层隔开形成 EIS 结构。调节偏置电压使半导体处于不同的偏置状态。经过强度调制的光源 ( 如 LED 或激光 ) 从背面对此 EIS 结构进行照射，在半导体中产生电子空穴对。当半导体与绝缘层接触的表面处于耗尽状态时，这些电子空穴对可能通过扩散作用进入耗尽层。耗尽层中的电场将光生电子空穴对分开，从而在回路中产生光生电流。当半导体表面处于电荷积累状态时，半导体表面的电场为零，电子空穴对不会在此分开，所以光生电流基本为零。LAPS 的敏感原理是基于电场效应使器件对绝缘层与电解质。

12、溶液间界面电位变化敏感，但是，在信号采集时， LAPS 采用调制光束照射，使器件对该电位变化的响应由光电流所调制，并采用锁相检测技术对响应信号进行检测。LAPS 典型的响应曲线如图2所示。当被测液的浓度发生变化时，响应曲线会向左或向右偏移。通过检测这个偏移量可以检测出溶液浓度的变化。由于敏感膜的存在，敏感膜表面吸附一层离子形成膜电位，从而导致绝缘体和半导体两端的电压产生一定的偏移。光电流 - 偏置电压曲线也因此产生相应的偏移。曲线的偏移量与溶液中待测离子的浓度是相关的。因此通过测量曲线的偏移量可以检测出待测离子的浓度。测量不同 pH 值的缓冲溶液得到的实验曲线如图。

13、 2 所示。已有不少学者在此基础上研究将其功能从单一的 H+ 离子敏的 LAPS 发展到酶 LAPS、免疫 LAPS 以及生物 LAPS。 0003 生物传感器由识别元件和信号转换器组成，识别元件以适当的方式固定在转换器的表面，当待测分子与识别元件结合时，产生一个物理或化学信号，转换器将此信号转换成一个可定量的输出信号，通过监测输出信号实现对待测分子的实时测定。传统生物传感器的识别元件由生物分子构成，如酶、抗体、微生物、组织甚至完整的器官；转换器有微电极、场效应晶体管、光纤、热敏电阻和压电晶体等。本发明是将分子印迹识别元件与光寻址换能器相结合，研究高。

14、稳定仿生生物传感器的新方法和新器件，尝试特异性多参数识别残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子。 0004 生物传感器的高灵敏度和特异性的优点受到广泛关注，但是，由生物分子组成的识别元件存在对使用环境要求较高，难以长期保存等固有的缺陷，使得生物传感器在实际应用中遇到很多不易克服的障碍；同时，生物分子来源于生物活体，制备和纯化繁琐、昂贵。生物传感器面临低稳定性、高成本、不能在偏高或偏低的 pH 值和高温溶液中使用、难以与说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A2/8 页 5 微加工技术兼容、有些分析物没有对应的识别靶分子等一系列问。

15、题，成为影响其发展的一个重要因素。因此，获得廉价、稳定的识别元件，是生物传感器进一步发展的关键之一。通过对抗原抗体、酶和底物反应原理的研究和理解，科学家大胆提出了通过化学反应合成模拟抗体的设想，开创了一项崭新的技术分子印迹技术。分子印迹技术是指制备对某一特定目标分子具有特异选择性的聚合物，即分子印迹聚合物的过程，常被形象地描绘为制造识别 “分子钥匙” 的 “人工锁” 的技术。分子印迹过程由三步组成：第一步，功能单体和模板分子混合制备出共价配合物，或形成非共价的结合的加成产物；第二步将上述单体 - 模板配合物 ( 加成物 ) 进行聚合，冻结在高。

16、分子的三位网络内；第三步将模板分子从聚合物中除去。原来由模板分子所占有的空间将形成可以记住模板结构、尺寸以及其他物理、化学特性的空腔，能有效地选择性地去结合模板(或类似物)的分子。将分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers， MIPs) 作为生物敏感功能膜构成仿生生物传感器。 0005 印迹技术是20世纪分子生物学领域三大发现之一。它与内切酶的发现和PCR基因扩增技术，给人类生物工程带来了革命性进展。 1975年Southern首先用该法来分析DNA，称为Southern blot ； 1979年Alwine将此法用于RNA研究，。

17、称为Northern blot ；同年Towbin 等又将其扩展到蛋白质分析，取名为 Western blot(WBT)，又称为 Immunoblot(IBT)，即免疫印迹。在理论上可以仿制任何物质的 MIPs，制成的无机离子、核酸、蛋白质、甚至细胞的 MIPs 近 300 种，并将研究聚合科学的印迹技术的重点集中到，利用计算机软件对分子进行三维设计。在生物界，也开始将 MIPs 作为敏感元件与大型分析仪器相结合，对核酸、蛋白质、甚至细胞进行检测，并取得可喜的成果。近年来逐渐地将 MIPs 技术应用于传感器： Panasyuk 等利用嫁接聚合技术在聚丙烯。

18、膜和疏水性金电极表面制备了分子印迹电容传感器，具有良好的选择性。Kriz 等人将吗啡分子印迹聚合物固定在铂电极上，通过电流法测定释放出来的吗啡，其检测浓度范围为 0.01-1mg/L，检测极限达到 0.1ng/mL。乌克兰的 Piletsky 利用胆固醇作为模板分子，十六烷硫醇作为功能单体，采用循环伏安法对聚合物进行电聚合，其检测范围为 15-60M。Mullett 等将分子印迹技术与表面等离子体共振技术相结合研制出了一种茶碱传感器，测量浓度范围可达到 0.4-6g/L。有模板分子存在的情况下，在溶胶 - 凝胶体系中可以形成对模板分子有特异识别能力的微孔。有文献报道。

19、了采用模板分子诱导无机印迹 SiO2膜在电极表面的形成，研究其对多巴胺的选择性问题。国内的分析化学领域对 MIPs 的研究也很活跃，在北京大学，研究 MIPs 的分子识别机理，借助紫外、红外、色谱、比表面、核磁等现代仪器分析手段以及计算机辅助模拟来设计、合成、评价具有特异性和亲和性的新型分子印迹聚合物，并对分子印迹聚合物制备的条件进行优化。他们提出了分子印迹原性的概念，用来描述一个化合物能产生高选择性和高亲和性分子印迹聚合物的能力。另外还借助间接分子印迹方法和金属离子的配位作用来扩大可被印迹的分子范围，解决一些小分子及含有分子内氢键化合物的印迹问题。同。

20、时，他们也将分子印迹聚合物应用于一些天然酶的模拟，不断探索分子印迹聚合物在催化领域的应用。防化研究院第四研究所以甲基膦酸对硝基苯酯作为分子印迹聚合物的模板分子， N- 苯基 - 苯甲酰胺作为功能基，通过嵌埋 ZnO 纳米材料合成了具有 “纳米通道” 的新型分子印迹模拟抗体酶 MIP-3，研究该酶对羧酸对硝基苯酯催化水解动力学；研究结果表明，这类模拟抗体酶不仅具有很好的结构选择性，而且催化羧酸酯水解的能力大大提高，为合成分子印迹模拟酶和纳米材料的应用提供了新途径。说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A3/8 页 6 0006 分子印迹。

21、概念已经存在多年，但是，对它的实验方法及其应用，是近几年随着现代电子及生物技术的迅速发展才有了长足的进展，成为研究的热点。MIPs 的稳定性远远高于天然生物分子识别元件，能够获得较高选择性和特异性的聚合物，是解决生物敏感膜稳定性差的理想材料。因此，分子印迹聚合物的研究受到人们的重视，研究对它的优化设计，开发 MIP 设计通用程序。目前 MIPs 生物传感器的研究除了缺乏 MIP 设计通用程序，还有 MIP 对目标分析物亲和性比较低、非特异性还比较高、更加有效的固定化方法等，成为 MIPs 应用于生物传感器研究的主要瓶颈问题，是分子化学和材料科学的科学家急待。

22、解决的问题。而研究如何将生物传感技术与 MIPs 材料的固有的高稳定性优势和研究成果相结合，克服 MIPs目前存在的难题。识别元件和转换器的结合主要有两种方式，一是先制成聚合物颗粒，再固定到转换器上，另外就是在转换器表面直接制备印迹膜。后者是分子印迹仿生传感器的发展方向。分子印迹仿生传感器的转换器，采用光传感器或石英晶体微量天平 (QCM) 的较多，采用电化学传感器作为转换器的报道，近年来渐渐多起来了。基于电位检测的分子印迹仿生传感器也陆续出现，还有一些文献报道了在 ISFET 上沉积梭基化合物印迹的 TiO2 溶胶一凝胶膜，研究其选择性响应的问题。但是关于光寻址。

23、分子印迹仿生传感器，尚未见报道。 0007 有机磷和氨基甲酸酯是使用最多的杀虫剂、杀菌剂、有除草剂，蔬菜、果品、粮食中，经常受到污染，已对人类和其它生物构成严重的威胁。检测食品与环境中残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子是十分迫切问题。国家的标准检测方法是气相色谱方法。也常有酶抑制法，以酶作为催化剂，检测被残留农药抑制酶的活性降低，催化能力下降，使被测溶液的 pH 或显色改变，间接地反映农药残留量。主要研究特点是研究开发不同的酶。也有针对特定的农药分子，研发特定的免疫抗体材料。这些方法的共同问题仍然是生物分子来源于生物活体，制备和纯化繁琐、昂贵。生物。

24、传感器面临低稳定性、高成本、不能在偏高或偏低的 pH 值和高温溶液中使用、难以与微加工技术兼容、酶受所有残留农药抑制缺乏特异性、有些分析物没有对应的识别靶分子等一系列问题，成为影响其发展的一个重要因素。另外，上述方法还有一个难以克服的难题是，识别反应的不可逆性。这些传感器只能一次性使用，给实用化的推广带来不便。采用分子印迹制备对有机磷和氨基甲酸酯具有特异性识别的 SiO2凝胶膜，将能克服上述问题。这方面的研究尚处于探索阶段，不同的功能单体、催化剂、增塑剂材料和溶胶与聚缩条件，具有很大的研究空间。发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种特异性识别。

25、残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，以改进背景中存在的缺陷。 0009 为实现上述目的，本发明提供的识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器，包括有测量池底座组件、装在测量池底座内侧的光寻址分子印迹阵列芯片和上盖组件；其中： 0010 测量池底座是由有机玻璃制成的圆杯； 0011 在圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源， LED 矩阵光源上方设一放置光寻址分子印迹阵列芯片的空间； 0012 测量池底座放置的芯片的位置，安装有无氧铜电极，并在底座背面接出引线，作为说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A4/8 页 7 光寻址测量工。

26、作电极的接触电极； 0013 测量池底座的杯口设有外螺纹； 0014 光寻址分子印迹阵列芯片，以双面抛光硅片为衬底，在衬底的表面和背面均采用各相异性化学腐蚀方法加工出上下对应的 N 个坑，表面的每一个坑代表一个敏感膜沉积区，背面的每一个坑代表一个光源接受区； 0015 上下坑的中心位置分别与红外 LED 矩阵光源的中心位置对应； 0016 光寻址分子印迹阵列芯片的表面每个坑的表面覆盖厚度分别为 50 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜，再以修饰敏感膜为界面，其余表面作为绝缘隔离区，先覆盖有 1m 的厚二氧化硅层，再覆盖与坑的表面一样的厚度分别为 5。

27、0 100nm 的二氧化硅层、氮化硅膜和五氧化二钽膜； 0017 光寻址分子印迹阵列芯片制备有金层为工作电极芯片的接触电极； 0018 光寻址分子印迹阵列芯片的中部位置作为信号的基准，其余 N-1 个位置作为识别 N-1 种农药分子的敏感区； 0019 上盖组件是由有机玻璃制成的圆盖； 0020 圆盖的内侧安装有对电极，对电极由无氧铜园片为衬底，表面制备铂薄膜，从无氧铜园片背面引出引线作为光寻址测量的对电极引线； 0021 对电极的位置与光寻址分子印迹阵列芯片平行并中心位置对应； 0022 圆盖上设有两个测试样品的进出口； 0023 圆盖内侧刻有环形的槽以放置密封胶。

28、圈； 0024 圆盖口设有内螺纹，与测量池底座杯口的外螺纹相互结合构成光寻址分子印迹阵列传感器。 0025 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，在测量池底座的圆杯底部的中央镶嵌着红外 LED 矩阵光源，用密封胶将该矩阵光源的侧面四周与圆杯底密封，但必须保证光源的正面 ( 光点部分 ) 和背面 ( 光源的电极部分 ) 暴露在外面。 0026 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，红外 LED 矩阵光源的位置与放置的芯片位置实现自对准。 0027 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，测量池底座杯口的外螺纹与圆盖口的内螺纹之间放置有密封圈。 002。

29、8 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，光寻址分子印迹阵列芯片的衬底为厚度小于 250m、 N 型 100 、电阻率为 5 8/cm 的双面抛光硅片。 0029 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，衬底表面坑覆盖的氧化层厚度为 100nm，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm ；衬底其余表面覆盖的氧化层厚度为 1m，氮化硅膜和五氧化二钽膜的厚度分别均为 100nm。 0030 所述识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器中，敏感膜的制备，是采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再反复滴入。

30、 - 抽取，将溶胶溶液固定在芯片的中间位置和 N-1 个位置上；具体如下： 0031 1) 以正硅酸乙酯为主体原料，乙醇为溶剂，恒温搅拌，配制硅酸溶胶溶液； 0032 2) 针对可与正硅酸乙酯的硅凝胶悬挂的 Si-OH 羟基结合，选择 N-1 种农药分子作为分子印迹模板分子，分别以101的摩尔浓度，将分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A5/8 页 8 子的硅酸溶胶溶液一起，组成 N 种分子印迹溶胶溶液。并分别加入盐酸作为催化剂，丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7 1.8 ； 0033。

31、 3) 用微量注入注射器，重复分别将 N 种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的中间位置和N-1个位置；其中中间位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余N-1个位置分别注入含上述 N-1 种模板分子的硅酸溶胶； 0034 4) 于 40-50恒温干燥，完成凝胶过程；再浸入甲醇和碳酸氢钠的水溶液，超声除去模板分子，最终完成敏感膜的固定化。 0035 本发明的特色是： 0036 1) 将光寻址电位传感器与分子印迹传感器集成于一体，使两者优势与应用范围得到更好的发挥； 0037 2)红外LED矩阵光源被镶嵌在底座上，在结构上保证LAPS集成芯片装入测量池就与。

32、底座组件有效匹配和定位，使芯片与红外 LED 矩阵光源很方便地自对准，便于芯片的更换； 0038 3) 体积小，与通用的光寻址传感器测试系统兼容，可组成便携的残留农药的光寻址分子印迹传感器系统。附图说明 0039 图 1 是公知的 LAPS 系统结构框架示意图； 0040 图 2 是图 1 所示的 LAPS 系统典型的响应曲线； 0041 图 3a 是本发明特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器的示意图； 0042 图 3b 是图 3a 传感器的上盖组件示意图； 0043 图 3c 是图 3a 传感器的下底座组件示意图； 0044 图 4a 是镶嵌了 LED 矩。

33、阵光源 ( 应用例为 57 的 LED) 的下底座组件仰视视示意图； 0045 图 4b 是组装了阵列芯片的下底座组件的剖面结构示意图； 0046 图 4c 是组装了阵列芯片的下底座组件的俯视示意图； 0047 图 5a 是阵列芯片的剖面结构示意图； 0048 图 5b 是阵列芯片的俯视结构示意图； 0049 图 5c 是阵列芯片的一个敏感区与受光区相对应的单元微结构剖面示意图； 0050 图 6 是特异性识别残留农药的光寻址分子印迹阵列传感器的测试系统示意图； 0051 图 7 是本发明阵列芯片工艺流程示意图；其中： 0052 图 7a 是对硅片进行场氧化，并正面甩上。

34、光刻胶进行曝光； 0053 图 7b 是背面保护正面刻蚀场氧化，并各相异性刻蚀硅片形成凹坑； 0054 图 7c 是双面生长 MOS 级致密热氧化层， LPCVD( 低压化学气相沉积方法制备 ) 的 Si3N4层，磁控溅射制备的 Ta2O5的 pH 敏感层； 0055 图 7d 是正面光刻胶保护，背面光刻，并各相异性刻蚀硅片形成凹坑； 0056 图 7e 是背面溅射 Cr-Au 背面 Cr-Au 导电电极。 0057 图中主要标号为： 0058 1 上盖组件；说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A6/8 页 9 0059 2 下底座组件；。

35、 0060 3 阵列芯片； 0061 4 有机玻璃上盖； 0062 5 对电极； 0063 6 对电极的电极引线； 0064 7 进出口管道； 0065 8 密封胶圈； 0066 9 上盖的螺纹； 0067 10 有机玻璃底座； 0068 11LED 矩阵光源； 0069 12 工作电极接触及引线； 0070 13 有机玻璃底座的螺纹； 0071 14 硅片； 0072 15 硅片表面有 N 个下凹的四棱坑 ( 应用例为 5 个 ) ； 0073 16 硅片背面有 N 个下凹的四棱坑 ( 应用例为 5 个 ) ； 0074 17 芯片背面 Cr-Au 导电电极； 00。

36、75 18 芯片基准电位区； 0076 19-22 四个敏感区； 0077 23SiO2绝缘层； 0078 24Si3N4绝缘层； 0079 25Ta2O5绝缘； 0080 26 分子印迹敏感膜； 0081 27 锁相放大器； 0082 28 恒电位仪； 29 单片机系统和 LED 控制器； 0083 30 个人计算机； 0084 31 厚氧化层； 0085 32 光刻胶； 0086 C22、 C24、 C43、 C62、 C64 分别为 LED 矩阵光源的五个光点。具体实施方式： 0087 本发明的光寻址电位传感器的工作电极是硅基阵列微结构电极，电极表面修饰各。

37、种可特异性识别残留有机磷、氨基甲酸酯等农药的分子印迹敏感膜。光寻址电位传感器的测量池，由有机玻璃制成，包括上盖、测量池底座和密封胶圈 ( 请参阅图 3a、图 3b、图 3c)。 0088 测量池底座组件 2 是一有机玻璃底座 10，其形状为圆杯 ( 图 3a)，其尺寸为： 0089 圆杯外形 50mm25mm，杯口有 M42mm 高 5mm 的外螺纹 13 ； 0090 在圆杯底部的中央镶嵌着一枚57红外LED矩阵光源11，该红外LED矩阵光源11 为商品化产品，其外形尺寸为 14.70mm19.80mm，光点直径为 1.9mm，光点距离 2.54mm，用密封胶。

38、将矩阵光源的侧面与圆杯底密封，但必须保证光源的正面 ( 光点部分 ) 和背面 ( 光源的电极部分 ) 暴露在外面，并保证不漏液；说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A7/8 页 10 0091 57红外LED矩阵光源11中的35个光点，定义为Cxy，本应用例中选择C22、 C24、 C43、 C62、 C64 五个光点； 0092 在 LED 矩阵光源 11 上方，有一个长方体 19.85mm14.75mm1mm 的空间，正好放置光寻址分子印迹阵列芯片； 0093 在测量池底座内侧， LED 矩阵光源 11 周围，铠装了一个矩形的镀金无氧。

39、铜电极环，其外形尺寸为 19.8mm14.7mm，内孔为 14.75mm19.85mm，确保 LED 矩阵光源的光源面与电极环镶嵌在同一个平面上，另外，从电极环接出引线连到底座的背面，作为光寻址测量的工作电极的接触电极 12。 0094 上盖组件 1 是由有机玻璃制成的圆盖 ( 图 3b)，其尺寸为： 0095 圆盖外形 50mm10mm，杯口内有 M42mm 高 5mm 的内螺纹 9 ； 0096 在圆盖内部的中央镶嵌着一枚镀铂金的无氧铜电极作为对电极 5，其外形尺寸为 30mm2mm，背面通过导电胶粘接，在圆盖外引出电极引线，成为光寻址测量的对电极引线 6 。

40、； 0097 圆盖内侧，在对电极 5 外围有一个环形槽，其中镶嵌密封胶圈 8，其尺寸为 47mm3mm ； 0098 在对电极 5 外围和密封胶圈 8 之间，对称地设置了不锈钢液体进出口管道 7，尺寸为 2mm15mm，管壁 0.2mm，用密封胶将四周密封，保证不漏液； 0099 要求测量池底座的杯口的外螺纹 13 与圆盖口的内螺纹 9 相匹配。当放置密封胶圈 8 后再将两者拧紧，就构成光寻址测量池。 0100 光寻址分子印迹阵列芯片 2 的工艺流程如附图 7 ： 0101 光寻址分子印迹阵列芯片 2 选用厚度小于 250m、 N 型、电阻率为 5-8/cm 的双面。

41、抛光硅片 14 为衬底； 0102 阵列芯片版图尺寸：矩形芯片 19.8mm14.7mm，以芯片的左下角为基准点 (0、 0)，在硅片表面敏感区和背面的接受光照窗口的中心位置与光点的中心位置一致，其中 C22 为 (3.87、 3.59)， C24 为 (3.87、 8.62)， C43 为 (8.95、 6.13)， C62 为 (14.03、 3.59)， C64 为 (14.03、 8.67) ；正面版图的窗口尺寸为 1020m1020m，背面版图的窗口尺寸为 1300m1300m ； 0103 按照图 7a-7e 的阵列芯片制造工艺示意图，进行的工艺流程如下： 01。

42、04 a) 硅片 14 进行场氧化，硅片 14 的双面生成厚度为 1m 的厚氧化层 31，并正面甩上光刻胶 32 进行曝光 ( 图 7a) ； 0105 b)背面保护正面刻蚀场氧化层31，刻蚀深度为10-20m，并各相异性刻蚀硅片14 形成凹坑 15( 图 7b) ； 0106 c) 正面生长 MOS 级致密热氧化层 23，其厚度为 100nm，并在该致密热二氧化层 23 上化学气相沉积 (LPCVD)Si3N4层 24，并在 Si3N4层 24 的正面溅射 Ta2O5的 pH 敏感层 25， 23、 24 和 25 均为 100nm ；在背面溅射 1m 的 Cr-Au 导电。

43、电极 17( 图 7c) ； 0107 d)正面光刻胶保护，背面光刻，并各相异性刻蚀硅片14，形成凹坑16(图7d)，完成阵列芯片的 MEMS 工艺； 0108 e) 在完成了 MEMS 工艺的阵列芯片表面的敏感膜沉积区制备分子印迹敏感膜 27。 0109 采用各相异性化学腐蚀方法加工出对应得 5 个坑，表面坑的深度为 10-20m 说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A8/8 页 11 作为敏感膜沉积区，背面 5 个坑的深度为 150m 左右作为光源接受区，上下坑底面积为 1mm1mm。它们的中心位置分别与 57 红外 LED 阵列光源的 C。

44、22、 C24、 C43、 C62、 C64 的 5 个光点的中心位置对应。 0110 矩形芯片的5个坑的表面覆盖着100nm的氧化层23，加上100nm的氮化硅膜24，再加上 100nm 五氧化二钽膜 25，作为修饰敏感薄膜的界面；芯片的其余表面覆盖着 1m 的氧化层，加上 100nm 的氧化层 23，加上 100nm 的氮化硅膜 24，再加上 100nm 五氧化二钽膜 25，作为绝缘隔离区。 0111 芯片的背面没有绝缘层，在背面溅射 Cr-Au 导电电极 17，作为工作电极芯片的接触电极。 0112 光寻址分子印迹阵列芯片的敏感膜制备，将矩形芯片的光点 C4。

45、3 对应的敏感区位置作为信号的基准，其余四个光点 C22、 C24、 C62、 C64 对应的敏感区位置作为识别四种有机磷、氨基甲酸酯等农药分子敏感区。采用溶胶 - 凝胶分子印迹的方法制备敏感膜的溶胶溶液，将加入催化剂和模板分子的溶胶溶液，再用微量注入注射器，反复滴入 - 抽取法，将溶胶溶液固定在芯片的上述五个位置上。具体方法如下： 0113 以正硅酸乙酯 (TEOS) 为主体原料，乙醇为溶剂，以一定摩尔浓度，并加入少量水，恒温 80，充分搅拌 2 小时，配制硅酸溶胶溶液。 0114 选择四种农药分子作为分子印迹模板分子，例如以下四种农药分子： 0115 。

46、1) 氧化乐果 ( 学名 O， O- 二甲基 -S-(N- 甲基氨基甲酰基 ) 硫代磷酸酯，分子式 C5H12NO4PS)。 0116 2) 敌百虫 ( 学名二甲基 -2， 2， 2- 三氯 -1- 羟基乙基磷酸酯，分子式 C4H8Cl3O4P)。 0117 3) 甲胺磷 ( 学名 O， S- 二甲基硫代磷酸酯，分子式 C2H8NO2PS)。 0118 4) 敌敌畏 (2， 2- 二氯乙烯甲基磷酸酯，分子式 C4H7C12O4P)。 0119 分别以 10 1 的摩尔浓度，将上述四种分子混入硅酸溶胶溶液，与不掺模板分子的硅酸溶胶溶液一起，组成五种分子印迹溶胶溶液。并分别滴入数滴。

47、 0.05mol/L 盐酸作为催化剂，数滴丙三醇为增塑剂，使溶液 pH 值在 1.7-1.8。 0120 用微量注入注射器，重复 ( 滴入 - 静止 3 秒钟 - 再吸取 ) 十次的方法，分别将五种分子印迹溶胶溶液滴固定在芯片的光点 C43 对应的敏感区，以及其余四个光点 C22、 C24、 C62、 C64 对应的敏感区的五个位置。其中光点 C43 对应的敏感区位置固定不掺模板分子的硅酸溶胶作为信号的基准，其余四个位置分别注入含上述四种模板分子的硅酸溶胶。 0121 注入了溶胶的芯片，放入 50恒温箱干燥 3 天，完成凝胶过程。 0122 固定了凝胶的芯片，浸入甲醇和。

48、碳酸氢钠的水溶液 24 小时后，换新液超声 1-2 分钟，除去模板分子。最终完成敏感膜的固定化。说明书 CN 102103112 A CN 102103115 A1/6 页 12 图 1 图 2 图 3a 说明书附图 CN 102103112 A CN 102103115 A2/6 页 13 图 3b 图 3c 说明书附图 CN 102103112 A CN 102103115 A3/6 页 14 图 4a 图 4b 说明书附图 CN 102103112 A CN 102103115 A4/6 页 15 图 4c 图 5a 说明书附图 CN 102103112 A CN 102103115 A5/6 页 16 图 5b 图 5c 说明书附图 CN 102103112 A CN 102103115 A6/6 页 17 图 6 图 7 说明书附图 CN 102103112 A 。

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