具有三维金属纳米线电极形成沟道的生物传感器及其制造方法及具有该传感器的生物盘系统.pdf

本发明涉及一种生物传感器，包括：上基片，在其下表面具有多个金属纳米线和注入口，含有生物分子的样品通过该注入口注入；下基片，在其上表面具有大量金属纳米线；以及支撑构件，用于分别支撑上下基片，其间隙形成纳米沟道，其中所述上下基片上的金属纳米线形成三维金属纳米线电极。

1、  一种生物传感器，包括：
上基片，在其下表面具有多个金属纳米线和注入口，含有生物分子的样品通过该注入口注入；
下基片，在其上表面具有大量金属纳米线；以及
支撑构件，用于分别支撑上基片和下基片，其间隙形成纳米沟道，
其中所述上基片和下基片上的金属纳米线形成三维金属纳米线电极。

2、  如权利要求1所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线垂直于纳米沟道布置。

3、  如权利要求2所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线彼此对准。

4、  如权利要求2所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线彼此交替对准。

5、  如权利要求1所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线的其中之一垂直于纳米沟道布置，另一个平行于纳米沟道布置。

6、  如权利要求1所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线与纳米沟道呈预定角度布置。

7、  如权利要求1-6任一项所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属纳米线选自Ag、Cu、Au、Al和Pt或者包含上述任一种金属的合金。

8、  一种生物传感器包括：
上基片，在其下表面具有金属电极以及注入口，含有生物分子的样品通过该注入口注入；
下基片，在其上表面具有金属电极；以及
支撑构件，用来分别支撑上基片和下基片，其间隙形成纳米沟道，
其中上基片和下基片上的电极之一由金属纳米线构成，而且上基片和下基片上的金属纳米线形成三维金属纳米线电极。

9、  如权利要求8所述的生物传感器，其中上基片和下基片上的金属电极选自Ag、Cu、Au、Al和Pt或者包含上述任一种金属的合金。

10、  一种生物传感器的制造方法包括：
在下基片的上表面形成金属电极；
在涂覆到上基片的下表面的抗蚀剂中形成纳米沟道图形，决定所述纳米沟道的宽度和长度；
将纳米沟道图形作为掩膜刻蚀纳米沟道；
在刻蚀的纳米沟道上形成金属电极；
通过使用上基片和下基片上的金属电极对准上下基片；以及
结合所述对准的上基片和下基片。

11、  权利要求1所述生物传感器的制造方法，其中上基片和下基片上的电极中的至少一个电极由金属纳米线形成。

12、  一种生物传感器的制造方法，包括：
在下基片的上表面形成金属纳米线；
在上基片的下表面形成金属纳米线；
旋转涂覆多聚物到下基片的上表面形成纳米沟道；
在确定了纳米沟道的宽度和长度后，通过掩膜刻蚀多聚物形成纳米沟道；
通过利用上基片和下基片上的金属纳米线对准上基片和下基片；以及
结合所述对准的上基片和下基片。

13、  一种生物传感器的制造方法包括：
在下基片的上表面形成金属纳米线；
在上基片的下表面形成金属纳米线；
旋转涂覆多聚物到下基片的上表面形成纳米沟道；
通过利用上基片和下基片上的金属纳米线对准上基片和下基片；
结合所述对准的上基片和下基片；以及
在确定了纳米沟道的宽度和长度后，通过掩膜刻蚀多聚物形成纳米沟道。

14、  如权利要求10-13任一项所述的生物传感器的制造方法，其中刻蚀可以通过化学湿刻蚀法、气相刻蚀法(VPE)、等离子体刻蚀法以及反应离子刻蚀法(RIE)中的任一种来实现。

15、  如权利要求10-13任一项所述的生物传感器的制造方法，所述上基片和下基片的结合可以通过阳极键合、熔融键合、聚合物粘结和自组装单分子膜(SAM)中的任一种实现。

16、  如权利要求10-13任一项所述的制造生物传感器的方法，上基片和下基片的金属纳米线的间隙距离或者金属电极的间隙距离可以通过调整纳米沟道的深度和金属纳米线或金属电极的沉积厚度来改变。

17、  一种包括如权利要求1-9中任一项所述生物传感器的生物盘系统，用来检测注入样品中的生物分子。

18、  一种如权利要求17所述的生物盘系统，其中所述生物传感器布置在CD-ROM、生物CD或生物DVD的薄盘型体上。

具有三维金属纳米线电极形成沟道的生物传感器及其制造方法及具有该传感器的生物盘系统
技术领域
本发明涉及一种具有三维金属纳米线电极形成沟道的生物传感器、其制作方法、以及具有该生物传感器的生物盘系统，更具体而言，涉及用于通过在上基片和下基片上形成金属沟道、通过使用纳米线对准、并将对准的基片结合来制作三维金属纳米线电极形成沟道的方法，通过该方法制作的生物传感器，以及用于通过使用该生物传感器检测生物分子的生物盘系统。
背景技术
近几十年来，人们越来越关注延长人类平均寿命和提前预测疾病。作为前沿融合技术的一种，纳米生物技术作为延长人类平均寿命和提前预测疾病的工具而兴起。纳米生物传感器或者纳米生物芯片是纳米生物技术的核心技术。发达国家致力于提高纳米生物传感器的敏感性和精度等。因而，为了提高敏感性和精度，待测生物分子被转移的沟道应当具有纳米量级的尺寸，而且用于检测生物分子的传感器也应当具有纳米量级的尺寸。尤其是，纳隙或纳米线可被用于更有效的检测，因而能够制造出高敏感性的传感器。
图1A显示了金属纳米线电极示意图，形成为平面状，用于传统生物传感器。如图1A所示，传统的生物传感器，其中抗体1固定于排列在平面状基片上的纳米线上，通过测量当含有抗原2的样品插入其中时的抗原和抗体反应来检测生物分子。然而，在这种情况下，抗原固定于抗体的概率很低。此外，当样品中抗原浓度很低时，测量范围很窄，导致低的敏感性。也就是说，传统纳米生物传感器不适于高敏感性和有效检测。由于生物分子与传统传感器用于检测生物分子的传感部位相接触的概率很小，使用传统传感器时需要大量含有生物分子的样品。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种制造三维金属纳米线电极形成纳米沟道的方法，所述方法通过在上基片和下基片上形成金属纳米线，使用所述纳米线对准所述基片，并将所述对准的基片结合；通过该方法制造的生物传感器，以及用于通过利用所述生物传感器检测生物分子的生物盘系统。
根据本发明的一个方面，提供了权利要求1。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求8。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求10。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求12。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求13。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求17。
根据本发明的另一个方面，提供了权利要求18。
所述具有三维金属纳米线电极的生物传感器能够进行实时电信号检测，所述生物传感器通过在上基片和下基片上形成金属纳米线、通过所述金属纳米线对准所述上基片和下基片、并将对准的基片结合制作而成，因而表现出高的灵敏度及高效率检测。所述生物传感器也能够增加生物分子与用于检测生物分子的传感部分的接触概率，因此低浓度样品或少量样品中的生物分子均可被检测。此外，使用所述生物传感器的生物盘系统造价经济，并能够方便地利用传统光盘来制造，从而提供自诊断方法。
附图说明
结合附图描述的下述实施例将使本发明的以上及其他目的和特征更加明显，其中：
图1A显示了用于传统生物传感器的、形成为平面状的金属纳米线电极的示意图；
图1B显示了本发明用于纳米生物传感器的三维金属纳米线电极的示意图；
图2A和图2B是本发明的第一个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图；
图3A和图3B是本发明的第二个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图；
图4A和图4B本发明的第三个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图；
图5A和图5B本发明的第四个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图；
图6A和图6B本发明的第五个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图；
图7是本发明的一个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图；
图8是本发明的另一个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图；
图9是本发明的再一个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图；
图10A是具有按照本发明所述方法制造的生物传感器的生物盘系统的示意图；
图10B是具有按照本发明所述方法制造的三维金属纳米线电极的生物传感器的示意图；
图10C是图10A所示生物盘系统置于盘型体上的平面视图。
具体实施方式
下面参考附图来描述本发明的实施例。
图1B显示了本发明中用于纳米生物传感器的三维金属纳米线电极的示意图。
参考图1B，根据本发明，在具有用于纳米生物传感器的三维金属纳米线电极的生物传感器中，金属纳米线10排列于其他纳米线10之上，其间形成间隙。相应地，抗原固定于所述抗体上的概率随着上下金属纳米线10的间隙(以下指三维金属纳米线隙)以及各自的平面状纳米线之间的间隙而增加。而且，大量用于电检测的电极增加，因而增强了灵敏度。
尤其是，在利用本发明中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器进行检测的情况下，可利用上下金属纳米线10之间以及各自的平面形纳米线之间的电阻、电容、电感或阻抗的测量方法，因而增加了灵敏度。
图2A和图2B是本发明的第一个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图。
参考图2A，本发明第一个实施例的具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括上基片200，所述上基片200在其下表面具有大量金属纳米线210及注入口310，含有生物分子的样品在注入口310被注入；下基片100，其上表面具有大量金属纳米线110；以及支撑构件150，用以分别支撑所述上基片200和下基片100，其间隙形成纳米沟道300。
金属纳米线210和110由低阻抗金属如Ag、Cu、Au、Al和Pt或者包含上述任一种金属的合金制成。此外，在平面状上下基片200和100之间，所述支撑构件150可由不同于所述上下基片200和100的材料制成，比如，高分子材料或者整体可以由上下基片200和100形成。
如图2B所示，形成于上下基片200和100上的金属纳米线210和110垂直布置于所述纳米沟道300上并彼此对准。也就是说，下基片100的金属纳米线110与上基片200的金属纳米线210对准，当从上往下看时下基片100的金属纳米线110被金属纳米线210所覆盖。
图3A和图3B是本发明的第二个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图。
参考图3A，本发明的第二个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括，如同本发明的第一个实施例，上基片200，其下表面具有多个金属纳米线210以及注入口310，含生物分子的样品注入所述注入口310；下基片100，其上表面具有多个金属纳米线110；以及支撑构件150，用来分别支撑上下基片200和100，其间隙形成纳米沟道300。
如图3B所示，形成于所述上基片200和下基片100的金属纳米线210和110垂直布置于纳米沟道300上，并彼此对准。也就是说，下基片100的金属纳米线110与上基片200的金属纳米线210对准，使得从上往下看时能够通过金属纳米线210之间的间隙暴露出来。
图4A和图4B本发明的第三个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图。
参考图4A，本发明第三个实施例的具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括，同本发明的上述实施例一样，上基片200，其下表面具有大量金属纳米线210以及注入口310，含生物分子的样品注入所述注入口310；下基片100，其上表面具有大量金属纳米线110；支撑构件150，分别支撑上下基片200和100，其间隙形成纳米沟道300。
参考图4B，在本发明的第三个实施例中，形成于上下基片200和100的金属纳米线210和110中的一个，例如，形成于上基片200上的金属纳米线210，垂直布置于纳米沟道300上，另一个，例如形成于下基片100上的金属纳米线110，平行布置于纳米沟道300上。也就是说，当从上往下看时，下基片100的金属纳米线110与上基片200的金属纳米线210垂直对准。
图5A和图5B是本发明的第四个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图。
参考图5A，本发明的第四个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括，同本发明的上述实施例一样，上基片200，其下表面具有大量金属纳米线210以及注入口310，含有生物分子的样品注入该注入口；下基片100，其上表面具有大量金属纳米线110；以及支撑构件150，分别支撑所述上下基片200和100，其间隙形成纳米沟道300。
如图5B所示，形成于上下基片200和100的金属纳米线210和110呈与纳米沟道300预先设定的角度布置。也就是说，下基片100的金属纳米线110与上基片200的金属纳米线210对准，当从上往下看时，金属线110与210呈预先设定的角度。
图6A和图6B本发明的第五个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的横截面视图和平面视图。
参考图6A，本发明的第五个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括，上基片200，其下表面具有大量金属纳米线210以及注入口310，含有生物分子的样品注入该注入口；下基片100，其上表面具有大量金属纳米线110；以及支撑构件150，分别支撑所述上下基片200和100，其间隙形成纳米沟道300。
参考图6B，本发明的第五个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括，上基片200，其下表面具有大量金属纳米线210以及注入口310，含有生物分子的样品注入该注入口；下基片100，其上表面具有大量金属纳米线110；以及支撑构件150，分别支撑所述上下基片200和100，其间隙形成纳米沟道300。
也就是说，根据本发明的第五个实施例，上下基片200和100的电极中的一个是金属纳米线，另一个是平面状金属电极。
根据本发明的上述实施例，具有三维金属纳米线电极的生物传感器包括具有大量金属纳米线的上下基片单元200和100，以及分别用来支撑所述上下基片200和100形成间隙的支撑构件150。
含有待检测生物分子的样品被注入到注入口310中，并通过纳米沟道300沿着三维金属纳米线电极流动，然后由排出口320排出。在这种情况下，由于纳米沟道的毛细管现象，从注入口310注入的样品可以不需要额外的抽运即可流经纳米沟道。
同时，形成于上下基片200和100的金属纳米线可以呈各种组态布置，比如与纳米沟道垂直、平行以及和纳米沟道呈预先设定角度，使得取决于待检测样品、发生在纳米沟道前部的阻塞得以减少或者消除。
图7显示了本发明的一个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图。
将抗蚀剂400涂覆于下基片100的上表面(S1)。通过电子束光刻或者纳米压痕等纳米图形化方法在抗蚀剂400中形成图形410(S2)。图形410的位置和对准(alignment)使上下基片200和100上金属纳米线210和110的形成不同对准，也形成了不同形状的纳米沟道300。在下基片100的图形410中，通过金属沉积形成下基片100上的金属纳米线110(S3)。下基片100上的金属纳米线110由低阻抗金属，如Ag、Cu、Au、Al和Pt或者包含上述一种金属的合金制成。移除抗蚀剂400形成下基片100上表面的金属纳米线110(S4)。同时，关于上基片200，将抗蚀剂400涂覆于上基片200的下表面(S11)。在抗蚀剂400中图形化纳米沟道，图形化决定了纳米沟道300的宽度和长度(S12)。通过作为掩膜的图形化后的抗蚀剂400刻蚀上基片200(S13)。纳米沟道300的深度可在刻蚀的过程中调整。刻蚀可以通过化学湿刻蚀法、气相刻蚀法(VPE)、等离子体刻蚀法以及反应离子刻蚀法(RIE)中的一种来实现。之后，同下基片100一样，将抗蚀剂400再次涂覆在上基片200的下表面(S14)。在抗蚀剂400中形成图形410(S15)。将金属在在上基片200的图形410中沉积。移除抗蚀剂400来形成上基片200下表面的金属纳米线210(S17)。然后，在上基片200中形成注入口310用来注入样品(S18)。
最后，通过利用上下基片200和100上的金属纳米线210和110，上下基片200和100用光学或者机械的方法对准，然后，对准的基片200和100结合在一起(S21)。所述结合可以通过阳极键合、熔融键合、聚合物粘结和自组装单分子膜中的任一种实现。
通过上述过程制造的本发明三维金属纳米线的间隙距离可以通过调整纳米沟道300的深度和上下金属纳米线210和110的沉积厚度来改变。
尽管，在以上实施例中金属纳米线被沉积在上下基片200和100上，平面状金属电极可能沉积在上下基片200和100中的其中的一个基片上，金属纳米线可能沉积在另外的基片上。
图8显示了本发明的另一个实施例中具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图。
通过利用图7所示上述方法，金属纳米线110形成于下基片100的上表面(S31-S34)。金属纳米线210也通过使用该方法形成于上基片200的下表面(S41-S44)。然后，注入口310形成于上基片200来注入样品(S45)。
聚合物500被旋转涂覆于下基片100上表面，在此处形成有所述金属纳米线110，用于纳米沟道300(S35)。纳米沟道300的深度取决于多聚物500的粘性、每分钟的转速和旋转涂覆的时间。
在确定了纳米沟道300的宽度和长度后，通过掩膜图形对多聚物500进行刻蚀(S36)。所述刻蚀可以通过化学湿刻蚀法、气相刻蚀法、等离子体刻蚀法以及反应离子刻蚀法中的任一种来实现。
最后，通过使用上下基片200和100上的金属纳米线210和110，所述上下基片200和100通过光学或者机械的方法对准，然后，将对准后的基片200和100结合(S51)。所述结合可以通过阳极键合、熔融键合、聚合物粘结和自组装单分子膜中的任一种实现。
通过上述过程制造的本发明三维金属纳米线的间隙距离可以通过调整纳米沟道300的深度和上下金属纳米线210和110的沉积厚度来改变。
图9是本发明的再一个实施例中的具有三维金属纳米线电极的生物传感器的制造方法流程图。
通过使用图7中所示的上述方法，金属纳米线110形成于下基片100的上表面(S61-S64)。金属纳米线210也通过使用该方法形成于上基片200的下表面(S71-S74)。然后，注入口310形成于上基片200上来注入样品(S75)。
聚合物500被旋转涂覆于下基片100的上表面，在此处形成有所述金属纳米线110，用于纳米沟道300(S65)。纳米沟道300的深度取决于多聚物500的粘性、每分钟的转速和旋转涂覆的时间。
通过使用上下基片200和100上的金属纳米线210和110，上下基片通过光学或者机械的方法对准，然后，对准的基片200和100结合在一起(S81)。所述结合可以通过阳极键合、熔融键合、聚合物粘结和自组装单分子膜中的任一种实现。
最后，结合的上下基片200和100的多聚物500，如上所述该聚合物500作为支撑，在决定了纳米沟道300的宽度和长度后在光刻的过程中通过使用掩膜图形暴露出来，然后，暴露出来的多聚物500通过注入口310和排出口320被移除(S82)。
利用上述过程制造的本发明的三维金属纳米线的间隙距离可以通过调节纳米沟道300的深度和上下金属纳米线210和110的沉积厚度来改变。
图10A是具有按照本发明所述方法制造的生物传感器的生物盘系统的示意图。
参考图10A，本发明的生物盘系统包括具有三维金属纳米电极的生物传感器，缓冲注入腔610和610′，样品注入腔620，预处理腔630，标定注入腔640，排出腔660，排出口670，以及微型沟道680。上述部件布置在盘型体上形成微流控芯片(LOC)。
下面将详细介绍上述生物盘系统的工作原理。
当所述生物盘在注入含待测生物分子的样品到样品注入腔620后旋转的时候，生物传感器650在离心力的作用下由下缓冲注入腔610′排出的缓冲液(buffer)清洁。然后，生物传感器650的信号参考点由标定注入腔640排出的标定液所标定。
更进一步，预处理腔630由上缓冲注入腔610排出的缓冲液清洁。然后，注入到样品注入腔620的样品流入到预处理腔630进行预处理。预处理的过程根据使用生物盘系统的待检测生物分子的类型来进行。
预处理腔630中的预处理样品通过微型沟道680流入到生物传感器650，来进行利用本发明的具有三维金属纳米线电极的生物传感器进行检测的过程。
在检测过程后，样品在排出腔660内收集，然后通过排出口670排出。
图10B是具有按照本发明所述方法制造的三维金属纳米线电极的生物传感器的示意图。
参考图10B，上述生物盘系统的生物传感器650包括输入单元651，信号处理单元652，以及输出单元653。输入单元651包括本发明的生物传感器。信号处理单元652处理输入单元651的电极中输出的信号。输出单元653将信号处理单元652输出的信号处理为诸如以电、磁和光形式的信号并输出。
图10C是图10A所示生物盘系统置于盘型体上的平面视图。
参考图10C，一个或多个生物盘系统布置于图10C所示的盘型体上。所述盘型体包括薄盘体例如CD-ROM、DVD、生物CD和生物DVD。
本发明通过实施例得以展示和阐述，但是本领域技术人员应该理解为，只要不脱离本发明由下述权利要求所限定范围的精神和实质，可以对本发明的技术方案作出各种改变和润饰。