光尋址電聚合裝置及分子印跡電化學修飾方法和應用的制作方法

專利名稱：光尋址電聚合裝置及分子印跡電化學修飾方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及分子印跡敏感膜和光尋址檢測的電化學傳感器技術領域，具體地公開 了一種光尋址電聚合裝置。本發明還涉及利用上述光尋址電聚合裝置進行光尋址分子印跡電化學修飾方法。本發明還涉及上述光尋址電聚合裝置的應用。
背景技術：
光尋址檢測技術是基于光尋址電位傳感器(Light AddressablePotentiometric Sensor, LAPS)，該傳感器是由美國加利福尼亞的一個分子器件公司在八十年代末發明的。 LAPS具有應用范圍廣、光尋址能力強、極高的靈敏度、較高的穩定性、所需樣品少、測量范圍 寬、檢測時間短等優點，成為生物傳感技術的新星。LAPS的基本工作原理如圖1所示。半導 體和電解質溶液之間被絕緣層隔開形成EIS結構。調節偏置電壓使半導體處于不同的偏置 狀態。經過強度調制的光源(如LED或激光)從背面對此EIS結構進行照射，在半導體中 產生電子空穴對。當半導體與絕緣層接觸的表面處于耗盡狀態時，這些電子空穴對可能通 過擴散作用進入耗盡層。耗盡層中的電場將光生電子空穴對分開，從而在回路中產生光生 電流。當半導體表面處于電荷積累狀態時，半導體表面的電場為零，電子空穴對不會在此分 開，所以光生電流基本為零。LAPS的敏感原理是基于電場效應使器件對絕緣層與電解質溶 液間界面電位變化敏感，但是，在信號采集時，LAPS采用調制光束照射，使器件對該電位變 化的響應由光電流所調制，并采用鎖相檢測技術對響應信號進行檢測。LAPS典型的響應曲 線如圖2所示。當被測液的濃度發生變化時，響應曲線會向左或向右偏移。通過檢測這個 偏移量可以檢測出溶液濃度的變化。由于敏感膜的存在，敏感膜表面吸附一層離子形成膜 電位，從而導致絕緣體和半導體兩端的電壓產生一定的偏移。光電流-偏置電壓曲線也因 此產生相應的偏移。曲線的偏移量與溶液中待測離子的濃度是相關的。因此通過測量曲線 的偏移量可以檢測出待測離子的濃度。測量不同PH值的緩沖溶液得到的實驗曲線如圖2 所示。已有不少學者在此基礎上研究將其功能從單一的H+離子敏的LAPS發展到酶LAPS、 免疫LAPS以及生物LAPS。研究的重點是對LAPS芯片的化學修飾與敏感薄膜的固定化。生物傳感器的高靈敏度和特異性的優點受到廣泛關注，但是，由生物分子組成的 識別元件存在對使用環境要求較高，難以長期保存等固有的缺陷，使得生物傳感器在實際 應用中遇到很多不易克服的障礙；同時，生物分子來源于生物活體，制備和純化繁瑣、昂貴。 生物傳感器面臨低穩定性、高成本、不能在偏高或偏低的PH值和高溫溶液中使用、難以與 微加工技術兼容、有些分析物沒有對應的識別靶分子等一系列問題，成為影響其發展的一 個重要因素。因此，獲得廉價、穩定的識別元件，是生物傳感器進一步發展的關鍵之一。通 過對抗原抗體、酶和底物反應原理的研究和理解，科學家大膽提出了通過化學反應合成模 擬抗體的設想，開創了一項嶄新的技術分子印跡技術。分子印跡技術是指制備對某一特定 目標分子具有特異選擇性的聚合物，即分子印跡聚合物的過程，常被形象地描繪為制造識 別分子鑰匙的人工鎖的技術。分子印跡過程由三步組成第一步，功能單體和模板分子混合制備出共價配合物，或形成非共價的結合的加成產物；第二步將上述單體-模板配合物 (加成物)進行聚合，凍結在高分子的三維網絡內；第三步將模板分子從聚合物中除去。原 來由模極分子所占有的空間將形成可以記住模板結構、尺寸以及其他物理、化學特性的空 腔，能有效地選擇性地去結合模板(或類似物)的分子，將分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)作為生物敏感功能膜構成仿生生物傳感器。分子印跡概念已經存在多年，但是，對它的實驗方法及其應用，是近幾年隨著現代 電子及生物技術的迅速發展才有了長足的進展，成為研究的熱點。MPs的穩定性遠遠高于 天然生物分子識別元件，能夠獲得較高選擇性和特異性的聚合物，是解決生物敏感膜穩定 性差的理想材料。因此，分子印跡聚合物的研究受到人們的重視。電聚合分子印跡膜在近 期電化學分子印跡傳感器研究中十分活躍。它是指模板分子存在的情況下單體分子發生電 聚合，將特殊的分子印跡選擇性引入到聚合膜中。使用過的聚合單體主要有毗咯、酚類、原 葉琳(IV)鎳和鄰苯二胺等。Spurlock等人在過氧化聚毗咯膜中形成識別位點，用來研究對 腺營和ATP的選擇性問題。Panasyuk等將電聚合原葉琳(IV)鎳印跡膜作為識別元件測定 硝基苯。Cheng等人報道了電聚合鄰苯二胺形成分子印跡膜測定中性分子葡萄糖。用電聚 合法制備分子印跡膜的主要優點是通過調節掃描速度和聚合時間可以得到不同疏密程度 和不同厚度的電聚合膜，并且電聚合膜可以在任何形狀和大小的導電電極表面上形成。有關光尋址檢測技術的背景技術還可以參考以下文獻1)Dean G. Hafeman, J. Wallace Parce, Harden Μ· Mcconnel 1, Light-addressable Potentiometric Sensor for Biochemical Systems, Science, Vol.240, pp. 1182—1185, 1988 ；2)Sergey A. Piletsky, S.Subrahmanyam, Anthony P.F.Turner "Applicationof molecularIy imprinted polymers in sensors for the environment andbiotechnology，，Sensor Review, Volume 21 Number 4 2001 pp. 292-296.；3)Toshifumi Takeuchi, Yuji Minato et al. Molecularly imprintedpolymers with halogen bonding-based molecular recognition sites. TetrahedronLetters 46(2005)9025-9027 ；4)何永紅等“分子印跡-仿生傳感器研究進展”分析化學，2004，32 (10) :1407 1412。5)宦雙燕“采用分子印跡技術構建電化學傳感器界面的研究”湖南大學博士學位 論文。

發明內容
本發明的目的在于提供一種光尋址電聚合裝置。本發明的又一目的在于提供利用上述光尋址電聚合裝置進行光尋址分子印跡電 化學修飾方法。為實現上述目的，本發明提供的光尋址電聚合裝置，主要由有機玻璃測量池、陣列 芯片、電化學工作站、LED陣列光源、LED陣列光源控制器、鎖相放大器、參比電極和對比電 極組成；其中測量池為有機玻璃制成的圓杯；
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測量池底部中央鑲嵌著紅外LED陣列光源，紅外LED陣列光源具有N個光源；LED 矩陣光源上方設一放置光尋址分子印跡電聚合陣列芯片的空間；測量池底座內側，LED陣列光源周圍鎧裝有電極環，LED陣列光源的光源面與電極 環鑲嵌在同一個平面上；由電極環接出引線連到測量池底座背面作為工作電極；光尋址分子印跡電聚合陣列芯片為平面型陣列芯片以硅片為襯底，在硅片的表 面依序覆蓋有二氧化硅層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜，在氮化硅膜或五氧化二鉭膜上 設有Cr-Au方陣構成金屬-氧化物-半導體MOS單元作為敏感膜沉積區；該敏感膜沉積區 的中心位置分別與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對應；在敏感膜沉積區以外的芯片表面為絕緣層，該絕緣層依序為厚二氧化硅層，以及 氮化硅膜或五氧化二鉭膜；光尋址分子印跡電聚合陣列芯片背面與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置 相對應的N個光照區是裸硅，其余部分為Cr-Au膜；在光尋址分子電聚合陣列芯片背面的四 周設有Cr-Au金屬層為接觸電極；或者光尋址分子印跡電聚合陣列芯片為三維立體型陣列芯片以硅片為襯底，在硅片 的表面和背面均設有N個坑為敏感膜沉積區，背面相應的N個坑為光源接受區，上下坑的中 心位置分別與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對應；N個坑的表面依序覆蓋有二氧化硅氧化層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜，在氮化 硅膜或五氧化二鉭膜上設有Cr-Au方陣為敏感膜沉積區構成三維的MOS單元作為敏感膜沉 積區；芯片的其余表面依序覆蓋有厚二氧化硅氧化層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜作為 絕緣隔離區；光尋址分子印跡電聚合陣列芯片背面與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置 相對應的N個光照區是裸硅，其余部分為Cr-Au膜；在光尋址分子電聚合陣列芯片背面的四 周設有Cr-Au金屬層為接觸電極。所述光尋址電聚合裝置中，測量池底部中央鑲嵌的紅外LED矩陣光源側面用密封 膠與圓杯密封，光源的正面和背面暴露在外面。所述光尋址電聚合裝置中，光尋址分子印跡電聚合平面型陣列芯片或光尋址分子 印跡電聚合三維立體型陣列芯片的敏感膜沉積區和光源接受區的芯片厚度小于200 μ m。所述光尋址電聚合裝置中，光尋址分子印跡陣列芯片的敏感膜制備方法如下1)基于光尋址方法在陣列芯片上的N個芯片的敏感區，分別制備N個含有不同模 板分子的電聚合膜；2)將聚合了含有N種模板分子的陣列芯片浸泡在制孔劑中，分別洗脫各敏感區的 模板分子，最終獲得具有N個識別能力的敏感區的光尋址分子電聚合陣列芯片。所述光尋址電聚合裝置中，氮化硅膜是采用低壓化學氣相沉積制備；五氧化二鉭 膜是采用磁控濺射制備。本發明提供的利用上述光尋址電聚合裝置進行光尋址電聚合方法，其過程是，通 過高頻調制LED選擇性地激勵敏感單元，使MOS陣列電容被選通，在電化學工作站電源驅動 下，與參比電極構成光尋址、選擇性的循環伏安的電化學回路，從而可以實現光尋址的電聚 合程序。本發明的光尋址電聚合裝置在光尋址分子印跡電化學傳感器的得到應用根據被檢測對象(即模板分子)形成識別位點的不同，采用恒電位計時安培法，以鐵氰化鉀溶液為 背景溶液，加入不同濃度的被測溶液，記錄恒電位下鐵氰化鉀的電流變化值隨時間改變情 況，可得到印跡敏感膜電極電化學響應校正曲線。


圖1是公知的LAPS系統結構框架示意圖；圖2是圖1所示的LAPS系統典型的響應曲線；圖3是光尋址電聚合工作原理圖；圖4是本發明的光尋址分子印跡電聚合裝置的示意圖；圖5是圖4中光尋址分子印跡電聚合裝置的測量池的示意圖；其中圖如是該測量 池的仰視圖，圖恥是該測量池的剖面結構示意圖；圖6是圖fe中本發明的光尋址分子印跡電聚合裝置中陣列芯片的剖面結構示意 圖，其中圖6a是平面型陣列芯片的剖面結構示意圖，圖6b是三維立體型陣列芯片的剖面結 構示意圖。圖中主要標號為1-有機玻璃測量池，2-陣列芯片，3-5 X 7LED矩陣，4-參比電極和對電極，5_工作 電極及引線，6-電化學工作站，7-鎖相放大器，8-LED控制器系統，9-PC機，10-與芯片接觸 的無氧銅環狀電極，11-硅襯底，12-Si02絕緣層，13-Si3N4或Ta2O5絕緣層，14-敏感膜沉積 區Cr-Au金屬層，15-芯片背面Cr-Au導電電極。
具體實施例方式本發明針對分子印跡陣列芯片的N個敏感區薄膜固定化問題，提出一種基于光尋 址技術的電聚合方法及其裝置，與分子印跡技術將結合，構成光尋址分子印跡的化學修飾 方法。該發明的具體內容如下1)提出光尋址電聚合概念，構建一個基于光尋址生化傳感器檢測技術的電聚合裝 置(如圖1所示)。光尋址生化傳感器是以光尋址方式對陣列芯片的信息進行采集，具有多參數，檢 測儀器簡便的優點。但是在陣列芯片的敏感薄膜固定化程序中，由于每個陣列沒有電極引 線，無法對其進行逐一的電化學修飾，只能采用手工涂敷方法，影響敏感薄膜固定化質量， 并限制陣列的數量。本發明提出光尋址的電聚合概念如圖3所示，圖3給出了光尋址電化 學聚合原理圖。光尋址陣列芯片是“電解質-絕緣層-半導體”結構(即EIS結構)，或“金 屬-絕緣層-半導體”結構(即MIS結構)。陣列芯片就如同是一個并聯了多個EIS結構 傳感器。其中Ψ是由電化學工作站從外電路對芯片施加的電化學聚合的外加電壓；。 (； 是陣列芯片的各個EIS結構半導體芯片等效的MOS電容^ An分別代表經過選擇性地光 激勵，使各支路電容選擇性地導通，產生的光電流。光尋址電聚合裝置如圖1所示，將MOS 陣列結構光尋址陣列芯片安裝到裝置中。通過高頻調制LED選擇性地激勵敏感單元，使其 MOS電容導通，激勵光就相當于各支路的MOS電容選通開關，在電化學工作站外加Ψ循環電 壓作用下，與參比電極構成光尋址的、選擇性的循環伏安的電化學回路，將會使陣列芯片的 各單元選擇性地產生循環伏安電流，實現電化學聚合。由此實現具有光尋址能力電聚合。
2) “基于光尋址技術的電化學聚合裝置”的基本結構，是由有機玻璃電化學池、LED 陣列芯片、電化學工作站、LED陣列光源及控制器、鎖相放大器、參比電極等部分組成。上述 的有機玻璃電化學池，是在有機玻璃電化學池的底部的中央鑲嵌著一枚紅外LED陣列，并 用密封膠將四周密封，保證不漏液。在LED陣列光源上方，有一個長方體的空間，正好放置 陣列芯片。在測量池底座放置的芯片的位置，安裝有無氧銅電極，并從底座背面接出引線， 作為光尋址電化學聚合反應的工作電極(見圖4和圖5)。3)陣列芯片的基本結構，陣列芯片選用N型<100>、電阻率為5 8Q-cm的雙面 拋光硅片為襯底。每一個陣列芯片為矩形，表面有N個MOS單元；芯片的背面沒有絕緣層， 在離邊緣的Imm寬制備著Cr-Au金屬層作為工作電極芯片的接觸電極。在敏感膜被固定化 之前陣列芯片為MOS陣列結構，它們可以是平面型的，也可以是三維立體型的。前者如圖6a 所示，后者如圖6b所示，平面型的陣列芯片，表面和背面可以是完全基于微電子平面工藝 的，三維立體型陣列芯片是基于MEMS技術將光源接受區和敏感膜沉積區加工成三維結構。平面型的陣列芯片的結構(圖6a)陣列芯片的表面有N個MOS單元硅片表面先覆蓋一層CMOS工藝水平的純二氧化 硅，再由低壓化學氣相沉積制備氮化硅膜或磁控濺射五氧化二鉭膜，最后制備Cr-Au金屬 層方陣構成MOS單元，作為敏感膜沉積區；它們的的中心位置，分別與紅外LED陣列光源的 N個光源的中心位置對應。在敏感膜沉積區以外的芯片表面，是絕緣層先覆蓋一層熱氧化的二氧化硅，再由 低壓化學氣相沉積制備氮化硅膜或磁控濺射五氧化二鉭膜。芯片的背面的N個光照區是裸硅，其余部分是IOOnm的Cr-Au膜；在芯片的四周有 寬1mm、厚1 μ m的Cr-Au金屬層作為工作電極與芯片的接觸電極。三維結構陣列芯片結構(圖6b)每一個陣列芯片為矩形雙面拋光硅片，在硅片表面和背面，均被采用各相異性化 學腐蝕方法加工出對應得N個坑，表面坑的深度為10 20 μ m，作為敏感膜沉積區，背面相 應的N個坑的深度為150 μ m左右，作為光源接受區，上下坑底面積為ImmX 1mm。它們的中 心位置，分別與外LED陣列光源的N個光源的中心位置對應。矩形芯片的N個坑的表面覆蓋著氧化層加上氮化硅膜或五氧化二鉭膜，再制備 Cr-Au金屬方陣，構成三維的MOS單元，作為敏感膜沉積區；芯片的其余表面覆蓋著厚氧化 層加上氮化硅膜和五氧化二鉭膜，作為絕緣隔離區。三維結構陣列芯片的背面N個光照區是裸硅，其余部分是IOOnm的Cr-Au膜；在離 邊緣的Imm寬制備著厚度為1 μ m的Cr-Au金屬層作為工作電極芯片的接觸電極。無論平面型還是三維立體型陣列芯片，其光尋址反應區(即敏感膜沉積區和光源 接受區)的最終芯片厚度應小于200 μ m。4)光尋址電聚合方法將MOS陣列結構光尋址陣列芯片被安裝到裝置中(詳見圖 1)。通過選通的高頻信號調制LED，紅外光選擇性地激勵敏感單元，使其MOS電容導通。激 勵光就相當于各支路的MOS電容選通開關，在電化學工作站電源驅動下，與參比電極構成 光尋址的、選擇性的循環伏安的電化學回路，從而完成光尋址的電化學聚合。5)光尋址分子印跡陣列芯片的敏感膜制備，是將光尋址的電聚合與分子印跡技術 相結合，構成光尋址分子印跡電化學修飾方法。具體方法如下
A)基于光尋址方法在陣列芯片上的N個芯片的敏感區，制備含有某種模板分子的 電聚合膜。B)將陣列芯片浸泡在制孔劑中，分別洗脫各種模板分子，最終獲得具有N個識別 能力的敏感區的陣列芯片。6)光尋址分子印跡的電聚合程序，是將模板分子引入聚合單體C)以一定比例配置摻入了不同模板分子的聚合單體的一系列電聚合電解質。將陣 列芯片放置于基于光尋址技術的電聚合裝置中(詳見圖1)，用硅膠固定和密封。在反應池 中加入含有某種模板分子的電聚合電解質。當選通電路使LED的某一個光點開啟，相對應 的那個芯片的敏感區的背面被激勵構成電聚合的電化學回路。用循環伏安法多次掃描，使 得敏感膜沉積在電極表面，敏感區表面形成聚合膜。再更換其它模板分子的電聚合電解質， 選擇另一個敏感區進行電聚合。重復以上程序，最終將形成有N個電聚合膜的陣列芯片。D) 一般電聚合的單體主要有吡咯、酚類、原葉琳(IV)鎳和鄰苯二胺、鄰氨基酚等， 而對于多種被檢測對象(即模板分子)則選擇可以形成識別位點的各種分子，例如農藥 (殺蟲劑、除草劑)，藥物和生化物質等。至于電聚合制備分子印跡薄膜技術已經比較成熟， 有關電聚合溶液和制孔劑有很多報道。7)本發明的光尋址分子印跡電化學修飾方法在光尋址分子印跡電化學傳感器的 得到應用根據被檢測對象(即模板分子)可以形成識別位點的不同，采用恒電位計時安培 法。以鐵氰化鉀溶液為背景溶液，當背景電流穩定后，向背景溶液中加入不同濃度的被測溶 液，記錄恒電位下鐵氰化鉀的峰電流變化值隨時間改變情況.在此基礎上，將響應的鐵氰 化鉀峰電流變化值隨著被測分子濃度的變化繪制成圖，即可得到印跡敏感膜電極電化學響 應校正曲線。下面結合附圖對本發明作進一步的描述。光尋址電聚合的工作原理如圖3所示。光尋址陣列芯片是“電解質-絕緣層-半 導體”結構(即EIS結構)，或“金屬-絕緣層-半導體”結構(即MIS結構)。陣列芯片相 當于N個并列的MOS電容。通過調節加在電解液與硅片襯底之間的直流偏置電壓，可以使 半導體和絕緣層界面附近處于不同的狀態，然后用調制的激勵光源(如LED、激光)照射陣 列芯片的某單元，就可以在外部回路中產生受調制的光電流。系統中采用MAXIM公司的兩 片DG508八選一多路復用器，分別對LED矩陣的行、列進行選通尋址和驅動，并由鎖相放大 器的壓控振蕩器所提供的正弦輸出信號對LED進行交流調制產生的光信號照射芯片。通過 高頻調制LED選擇性地激勵敏感單元，使其MOS電容導通，在電化學工作站電源Ψ驅動下， 與參比電極構成光尋址的、選擇性的循環伏安的電化學回路，從而完成光尋址的電聚合。在具體實施中基于光尋址技術的電聚合裝置結構如圖4所示，整個裝置由有機玻 璃測量池1、陣列芯片2、LED陣列光源3、參比電極和對比電極4、工作電極及引線5、電化學 工作站6、鎖相放大器7、光源控制器8、PC機9、與芯片接觸的無氧銅環狀電極10等部分組 成。其中，光尋址分子印跡電聚合裝置的測量池1如圖fe和圖恥所示，本實施例中的尺寸 為圓杯外形 Φ 50mm X 50mm ；在圓杯底部的中央鑲嵌著一枚5X7紅外LED陣列光源3(商品)，其外形尺寸為14. 70mmX19. 80mm，光點直徑為Φ1. 9mm，光點距離2. 54mm，用密封膠將四周密封，保證不
漏液；在LED陣列光源3上方，有一個長方體19. 85mmX 14. 75mmX Imm的空間，正好放置 光尋址分子電聚合陣列芯片；在測量池底座內側，LED陣列光源3周圍鎧裝了一個矩形的鍍金無氧銅電極環10， 其外形尺寸為19. 8mmX14. 7mm，內孔為14. 75mmX19. 85mm，確保LED陣列的光源面與電極 環鑲嵌在同一個平面上，另外，從電極環10接出引線連到底座的背面，作為光尋址測量的 工作電極5，光源控制器8是由單片機控制、系統中采用MAXIM公司的兩片DG508八選一多 路復用器，分別對LED矩陣的行、列進行選通尋址和驅動。LED陣列芯片2選用厚度180 300μπι、Ν型<100>、電阻率為5 8Ω-αιι的雙面 拋光硅片為襯底。每一個陣列芯片為19. 8mmX 14. 7mm的矩形，表面有N個MOS單元；芯片 的背面沒有絕緣層，在離邊緣的Imm寬制備著厚度為Ιμπι的Au層作為工作電極芯片的接 觸電極15。在敏感膜被固定化之前陣列芯片為MOS陣列結構，它們可以是平面型的，也可以 是三維立體型的。前者結構如圖6a所示，后者如圖6b所示。平面型的陣列芯片表面和背 面可以是完全基于微電子平面工藝的，三維立體型陣列芯片是基于MEMS技術將光源接受 區和敏感膜沉積區加工成三維結構。無論平面型還是三維立體型陣列芯片，其光尋址反應 區(即敏感膜沉積區和光源接受區)的最終芯片厚度應小于200 μ m。平面型的陣列芯片的具體工藝如下陣列芯片2的厚度小于200 μ m，表面有N個MOS單元硅片11表面先覆蓋一層 CMOS工藝水平的純二氧化硅IOOnm 12，再由低壓化學氣相沉積制備氮化硅膜IOOnm或磁控 濺射五氧化二鉭膜IOOnm 13，最后制備1 μ m以上的Cr-Au方陣14，構成MOS單元，作為敏 感膜沉積區；它們的的中心位置，分別與5X7紅外LED陣列光源3的N個光源的中心位置對應。在敏感膜沉積區以外的芯片表面，是絕緣層先覆蓋一層熱氧化的二氧化硅Iym 12，再由低壓化學氣相沉積制備氮化硅膜IOOnm或磁控濺射五氧化二鉭膜IOOnm 13。芯片的背面的N個光照區是裸硅，其余部分是IOOnm的Cr-Au膜15 ；在芯片的四 周有寬1mm、厚1 μ m的Cr-Au金屬層15作為工作電極與芯片的接觸電極。三維結構陣列芯片結構每一個陣列芯片2為19. 8mmX 14. 7mm，厚度為300 μ m的矩形硅片，在硅片表面和 背面，均被采用各相異性化學腐蝕方法加工出對應得N個坑，表面坑的深度為10 20μπι， 作為敏感膜沉積區，背面相應的N個坑的深度為100 μ m左右，作為光源接受區，上下坑底面 積為ImmX 1mm。它們的中心位置，分別與5 X 7紅外LED陣列光源3的N個光源的中心位置 對應(詳見附圖4)。矩形芯片的N個坑的表面覆蓋著IOOnm的氧化層12加上IOOnm的氮化硅膜或 IOOnm五氧化二鉭膜13，再制備1 μ m以上的Cr-Au金屬層14，構成三維的MOS單元，作為敏 感膜沉積區；芯片其余表面覆蓋著1 μ m的氧化層12加上IOOnm的氮化硅膜和IOOnm五氧 化二鉭膜13，作為絕緣隔離區。芯片的背面的N個光照區是裸硅，其余部分是IOOnm的Cr-Au膜15 ；在芯片的四 周有寬1mm、厚1 μ m的Cr-Au金屬層15作為工作電極與芯片的接觸電極。
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另外，參比電極和對比電極4為電化學工作站中常用配件，參比電極可以是甘汞 電極或AgCl/Ag參比電極，對電極采用Pt電極；工作電極及引線5是從電化學工作站引出； 電化學工作站6、鎖相放大器7和PC機9是一般電化學的公知設備。光尋址分子印跡電化學修飾方法包括兩個步驟1)模板分子存在的情況下單體 分子發生電聚合，幻再將模板分子從聚合物中除去。原來由模板分子所占有的空間將形 成可以記住模板結構、尺寸以及其他物理、化學特性的空腔，能有效地選擇性地去結合模板 (或類似物)的分子。這樣，特殊的分子印跡選擇性引入到電聚合膜中。一般聚合單體主要 有毗咯、酚類、原葉琳(IV)鎳和鄰苯二胺、鄰氨基酚等，而被檢測對象(即模板分子)則是 可以形成識別位點的各種分子，例如農藥(殺蟲劑、除草劑)，藥物和生化物質等。下面以檢測尿素、肌酐為例，來敘述實施方式選用鄰氨基酚為功能單體，將鄰氨基酚和模板分子(尿素、肌酐)分別以10 1的 摩爾濃度進行配制，其中鄰氨基酚用0. lmol/L的高氯酸溶液溶解，并調節溶液的pH值在弱 酸性范圍內，通高純氮氣將溶液中的氧氣排出后備用。將陣列芯片放置于基于光尋址技術 的電聚合裝置中(詳見圖4)，用硅膠固定和密封。在反應池中加入含有一種模板分子(尿 素)的鄰氨基酚聚合液。通過選通的高頻(30KHz)信號調制LED，紅外光選擇性地激勵敏 感單元，使其MOS電容導通。激勵光就相當于各支路的MOS電容選通開關。在電化學工作 站電源驅動下，光尋址一個LED光源，對應一個芯片的敏感區，與參比電極構成光尋址的、 選擇性的循環伏安的電化學回路。在-0.2V 1.2V范圍內用循環伏安法進行聚合圈數為 30 50圈聚合，形成含有模板分子(尿素)的鄰氨基酚聚合膜；再更換模板分子(肌酐) 的聚合液，選擇另一個敏感區進行電聚合，獲得含有模板分子(肌酐)的鄰氨基酚聚合膜。 最終將形成有2個電聚合膜的陣列芯片。將聚合后的芯片用0. 5mol/L的硫酸溶液進行M 小時的脫模處理，最終將形成有2個敏感區的陣列芯片。光尋址分子印跡電化學傳感器的測試方法，根據而被檢測對象(即模板分子)則 是可以形成識別位點的不同，光尋址分子印跡電化學傳感器可分成電流和電位傳感器兩 種。前者采用飽和甘汞電極作為參比電極，鉬黑電極作為輔助電極，采用恒電位計時安培 法。以0. 01mol/L鐵氰化鉀溶液為背景溶液，當背景電流穩定后，向背景溶液中加入不同 濃度的被測溶液(尿素、肌酐)，記錄恒電位下鐵氰化鉀的峰值電流變化值隨時間改變情 況.在此基礎上，將響應的鐵氰化鉀峰電流變化值隨著被測分子濃度的變化繪制成圖，即 可得到印跡敏感膜電極電化學響應校正曲線。
權利要求
1.一種光尋址電聚合裝置，主要由有機玻璃測量池、陣列芯片、電化學工作站、LED陣 列光源、LED陣列光源控制器、鎖相放大器、參比電極和對比電極組成；其中測量池為有機玻璃制成的圓杯；測量池底部中央鑲嵌著紅外LED陣列光源，紅外LED陣列光源具有N個光源；LED矩陣 光源上方設一放置光尋址分子印跡電聚合陣列芯片的空間；測量池底座內側，LED陣列光源周圍鎧裝有電極環，LED陣列光源的光源面與電極環鑲 嵌在同一個平面上；由電極環接出引線連到測量池底座背面作為工作電極；光尋址分子印跡電聚合陣列芯片為平面型陣列芯片以硅片為襯底，在硅片的表面依 序覆蓋有二氧化硅層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜，在氮化硅膜或五氧化二鉭膜上設有 Cr-Au方陣構成金屬-氧化物-半導體元作為敏感膜沉積區；該敏感膜沉積區的中心位置 分別與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對應；在敏感膜沉積區以外的芯片表面為絕緣層，該絕緣層依序為厚二氧化硅層，以及氮化 硅膜或五氧化二鉭膜；光尋址分子印跡電聚合陣列芯片背面與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對 應的N個光照區是裸硅，其余部分為Cr-Au膜；在光尋址分子印跡電聚合陣列芯片背面的四 周設有Cr-Au金屬層為接觸電極；或者光尋址分子印跡電聚合陣列芯片為三維立體型陣列芯片以硅片為襯底，在硅片的表 面和背面均設有N個坑為敏感膜沉積區，背面相應的N個坑為光源接受區，上下坑的中心位 置分別與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對應；N個坑的表面依序覆蓋有二氧化硅氧化層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜，在氮化硅膜 或五氧化二鉭膜上設有Cr-Au方陣為敏感膜沉積區構成三維的MOS單元作為敏感膜沉積 區；芯片的其余表面依序覆蓋有厚二氧化硅氧化層，以及氮化硅膜或五氧化二鉭膜作為絕 緣隔離區；光尋址電聚合陣列芯片背面與紅外LED陣列光源的N個光源的中心位置相對應的N個 光照區是裸硅，其余部分為Cr-Au膜；在光尋址分子印跡電聚合陣列芯片背面的四周設有 Cr-Au金屬層為接觸電極。
2.如權利要求1所述光尋址電聚合裝置，其中，測量池底部中央鑲嵌的紅外LED矩陣光 源側面用密封膠與圓杯密封，光源的正面和背面暴露在外面。
3.如權利要求1所述光尋址電聚合裝置，其中，光尋址分子印跡電聚合平面型陣列芯 片或光尋址分子印跡電聚合三維立體型陣列芯片的敏感膜沉積區和光源接受區的芯片厚 度小于200 μ m。
4.根據權利要求1所述光尋址電聚合裝置，其中，光尋址分子印跡陣列芯片的敏感膜 制備方法如下1)基于光尋址方法在陣列芯片上的N個芯片的敏感區，分別制備N個含有不同模板分 子的電聚合膜；2)將聚合了含有N種模板分子的陣列芯片浸泡在制孔劑中，分別洗脫各敏感區的模板 分子，最終獲得具有N個識別能力的敏感區的光尋址分子印跡電聚合陣列芯片。
5.如權利要求1所述光尋址電聚合裝置，其中，氮化硅膜是采用低壓化學氣相沉積制 備；五氧化二鉭膜是采用磁控濺射制備。
6.一種利用權利要求1所述光尋址電聚合裝置進行光尋址電聚合方法，其過程是，通 過高頻調制LED選擇性地激勵敏感單元，使MOS陣列電容被選通，在電化學工作站電源驅動 下，與參比電極構成光尋址、選擇性的循環伏安的電化學回路，從而可以實現光尋址的電聚合程序。
7.權利要求1所述光尋址電聚合裝置在光尋址分子印跡電化學傳感器的得到應用根 據被檢測對象形成識別位點的不同，采用恒電位計時安培法，以鐵氰化鉀溶液為背景溶液， 加入不同濃度的被測溶液，記錄恒電位下鐵氰化鉀的電流變化值隨時間改變情況，可得到 印跡敏感膜電極電化學響應校正曲線。
8.如權利要求7所述的應用，其中，被檢測對象為模板分子。
全文摘要
一種光尋址電聚合裝置，由測量池、陣列芯片、電化學工作站、LED陣列光源、LED陣列光源控制器、鎖相放大器、參比電極和對比電極組成，將具有MOS陣列結構光尋址陣列芯片被安裝到光尋址的電聚合的裝置中，通過被高頻調制的紅外LED，選擇性地激勵敏感單元，使芯片的MOS電容陣列被選通。在外電路的電化學工作站電源的驅動下，與參比電極構成光尋址、選擇性的循環伏安的電化學回路，從而可以實現光尋址的電聚合。光尋址的電聚合與分子印跡技術相結合，將構成光尋址分子印跡電化學修飾方法。本發明為解決陣列芯片的敏感薄膜電化學修飾提供了一種有效的方法，使光尋址傳感器能更好地發揮具有多參數，檢測儀器簡便的優勢。
文檔編號G01N27/26GK102109482SQ20091024373
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者任振興, 夏善紅, 薛西男, 邊超, 韓涇鴻 申請人:中國科學院電子學研究所