基于干膜光刻胶的电化学微流控生物传感器平台：器件制备、芯片上检测构建与系统操作

摘要

采用低成本干膜光刻胶技术设计并制备了一种微流控生物传感器平台，用于多种分析物的快速、高灵敏度定量检测。该一次性使用系统通过停流技术实现对芯片上固定的酶联检测方法进行电化学读出。

摘要

近年来，生物标志物诊断已成为人类疾病诊断不可或缺的工具，尤其是在即时检测诊断中。人们迫切需要一种易于使用且成本低廉的传感器平台，以实现对多种分析物（例如，生物标志物、激素和药物）进行定量且特异性的检测。为此，本研究采用了干膜光刻胶技术——该技术具有成本低、操作简便和高通量制造的优势——用于制备本文所展示的微流控生物传感器。根据后续所采用的生物测定方法，该多功能平台能够检测多种类型的生物分子。在器件制备过程中，铂电极通过唯一的一次洁净室工艺步骤被构图于柔性聚酰亚胺（PI）薄膜上。该PI薄膜作为电极的基底，并以环氧基光刻胶对电极进行绝缘封装。随后，通过将干膜光刻胶（DFR）薄膜在PI晶圆上进行显影和层压，形成微流控通道。在通道中引入疏水性止流屏障后，通道被分隔为两个特定区域：用于酶联测定的固定化区和用于安培信号读出的电化学检测池。

芯片上的生物测定固定化通过生物分子在通道表面的吸附来实现。葡萄糖氧化酶作为换能器用于产生电化学信号。在底物葡萄糖存在的情况下，会产生过氧化氢，并在铂工作电极上被检测到。采用停止流动技术以实现信号放大并实现快速检测。通过所介绍的微流控系统，可对不同的生物分子进行定量测量，从而提示不同类型的疾病，或在治疗药物监测方面，有助于实现个体化治疗。

引言

在过去的二十年中，诊断技术的应用已成为深入研究全球公共卫生发展的基础。传统上，实验室诊断工具被用于疾病检测。尽管这些工具在疾病诊断中仍发挥着关键作用，但近年来，由患者本人或在患者身边进行的即时检测（POCT）已变得越来越普遍。特别是在需要立即治疗的情况下，例如急性心肌梗死或糖尿病监测，快速确认临床发现至关重要。因此，人们日益需要那些可由非专业人员操作、同时能够在短时间内精确完成体外诊断检测的POCT设备^1,2,3,4。

在即时检测（POCT）领域，已经取得了显著的进展。然而，仍有许多挑战需要克服^5,6,7,8。为了使一种POCT平台能够成功推向市场，并具备与实验室诊断相竞争的能力，该设备必须严格满足以下要求：（i）提供精确且定量的检测结果，且结果需与实验室检测结果一致；（ii）具备较短的样本检测时间，以实现对患者的即时治疗；（iii）操作简单、易于使用....

方案

1. 使用 DFR 技术制备微流控生物传感器

1. PI晶圆的制备。
   1. 将聚酰亚胺（PI）基底切割成直径6英寸的圆形晶片。将PI晶片置于120 °C烘箱中烘烤约1小时，进行脱水处理。
2. 剥离工艺的第一次光刻步骤。
   1. 将匀胶机程序设置为3,000 rpm转速下旋转30秒，加速度为2,000 rpm/s。将PI晶圆放置于匀胶机上并固定，施加真空。滴加2 mL可用于剥离工艺的光刻胶，启动匀胶机程序。将晶圆从匀胶机上取下，并在热板上于100 °C条件下进行前烘2分钟。
   2. 用肉眼调整所需的掩膜以在PI晶圆上进行电极图案化，然后以400 mJ/cm²曝光² 紫外光（365 nm）。将晶圆放入盛有与光刻胶匹配的显影液的容器中，置于旋转摇床轻微振荡1分钟。
   3. 去除多余的光刻胶后，在湿法台用去离子水（DI-water）冲洗聚酰亚胺晶圆，然后用压缩空气吹干。
3. 铂电极的沉积制备。
   1. 使用标准的物理气相沉积工艺在晶圆上沉积200 nm的铂¹⁹.
   2. 将晶圆放入烧杯中，加入相应的剥离剂，置于轨道摇床上轻微振荡，以去除 lift-off 电阻，直至所有多余的....

结果

微流控生物传感器平台的设计与制备：

微流控生物传感器芯片的制备采用标准光刻技术，在晶圆级上通过多层干膜光刻胶（DFR）实现。该制备策略依赖于将已图形化的DFR层层压到带有铂图案的聚酰亚胺（PI）基底上，从而形成微流控通道。不同制备步骤的简要概述见图1。单个6英寸晶圆包含130个微流控生物传感器，每个传感器的尺寸为8 × 10 mm²。

图 1. .......

讨论

本文介绍的微流控电化学生物传感器制备方案，可实现一种低成本、小型化且易于使用的生物分子检测平台。根据在生物传感器上后续采用的不同检测方法，可检测多种不同的生物标志物。这使得该平台具有很高的通用性，可广泛应用于多个领域，从常规诊断检测（例如，在医生诊所中检测特定疾病的有无）到即时检测应用（例如，对患者进行治疗药物监测以实现个体化用药）。尤其在即时诊断领域，微型化生物传感器相较于传统方法具有诸多优势，后者通常需要复杂的实验室设备、专业技术人员以及大量的试剂和样本用量，且检测周期较长。

该生物传感器的制备必须严格遵循操作规程，否则可能出现制造问题。最常出现的问题之一是各层之间的错位。通过使用更先进的制备设备，可轻松解决这一问题，此类设备有助于更简便、更精确地对齐各层。

DFR 技术具有快速且低成本制造的优势。然而，该技术在分辨率方面存在局限性。例如，使用本文所述方案无法实现尺寸非常小的微流控通道（小于 100 µm）。在此情况下，必须使用高精度掩模对准仪和玻璃光掩模进行光刻。此外，通道过宽也可能带.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
材料
Pyralux	DuPont	AP8525R	用作聚酰亚胺基底
MA-N 1420	Micro Resist Technology	MA-N1420	用于定义铂沉积的剥离型光刻胶
Ma-D 533s	Micro Resist Technology	MaD533S	MA-N1420 的显影液
Platinum	-	-	电极和焊盘材料
Ma-R 404s	Micro Resist Technology	MaR404S	MA-N1420 的去除剂
SU-8 3005	MicroChem Corp.	SU-8-3005	用于定义电极区域并作为绝缘层的光刻胶
1-methoxy-2-propanol acetate	Sigma-Aldrich	108-65-6	SU-8 3005 的显影液
2-Propanol	VWR	8.18766.2500	去除 SU-8 显影液
1020R	Ultron Systems Inc.	1020R	用于保护焊盘的紫外光敏胶带
Arguna S	Degussa	1935	用于参比电极上的银沉积
KCl	Methrom	62308.020	用于银参比电极的氯化处理
Pyralux	DuPont	PC1025	干膜光刻胶
Sodium carbonat	Fluka	71352	Pyralux PC1025 的显影液
Hydrogen chloride	Sigma-Aldrich	30720	用于终止干膜光刻胶的显影过程
Teflon AF 1600	DuPont	AF1600	用于构建阻挡层
名称	公司	目录编号	备注
设备
PA104	Mega Electronics	-	鼓泡蚀刻槽
FED 53	Binder	9010-0018	烘箱
SPIN150	APT	-	旋涂仪
Präzitherm	Harry Gestigkeit GmbH	PZ 28-2	热板
Hellas	Bungard Elektronik	40000	曝光仪
Tetra30-LF-PC	Diener	-	等离子体处理仪
Univex 500	Leybold	-	物理气相沉积仪
Shaker S4	ELMI	-	轨道摇床
Sonorex Super 10 P	Bandelin	783	超声波清洗仪
6221 DC and AC	Keithley	-	直流与交流电流源
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