基于免疫微傳感器的微流體系統(tǒng)

在微小空間內進行液體樣品的進出樣品操作，肯定會對微反應室壁和電極表面產生一定壓力。為了保證整個反應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損，同時為了保證敏感電極表面免疫反應和電化學反應發(fā)生的均一性，綜合進出樣流速及保證電極表面樣品均勻分布等因素，合理設計微室結構以及進液口和出液口的數(shù)量和尺寸，使得在沒有微閥的情況下，實驗試劑在進入微室后能夠良好地分布于反應電極表面區(qū)域，并能被順利排出不會殘留在微室內。

根據(jù)以上考慮，實驗中設計了4種不同結構，如圖3所示，中心圓柱體是微反應室腔，頂部的小圓柱體為進液溝道，底部的方形結構為設計的出液溝道，進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 微流體結構制備材料的研究

2.2.1 微流體結構材料的選擇

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

2.2.2 微流體結構模具材料的選擇

在MEMS工藝中，500 μm的反應室高度較厚，如用深刻蝕等工藝在硅片上實現(xiàn)如此深的結構較為困難。SU-8膠是MEMS工藝中的一種厚膠材料，常用于深結構的制備，故實驗采用SU-8膠制作微流體結構模具。而如此厚的SU-8膠所帶來的應力和表面張力在制作過程中嚴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 仿真結果

對于電流型免疫傳感器，其免疫反應和電化學反應主要發(fā)生于中心圓形工作電極區(qū)域。在微小的反應空間內，如果修飾溶液、待檢測樣品、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稱的流動和分布來參與反應，在敏感膜固化的過程中將能夠提高生物敏感膜固化過程的一致性，從而保證生物敏感膜的質量。在免疫反應過程中將能夠促進敏感膜表面抗原抗體之間免疫反應的均一性，同時促進敏感表面電化學反應發(fā)生的一致性，從而提高傳感器的響應速度并增大信號響應。在清洗的過程中能夠增加電極敏感表面清洗的潔凈性和一致性，減少非特異性信號干擾給傳感器檢測所帶來的偏差，增加檢測的穩(wěn)定性和一致性。同時可以避免因反應液局部密集所帶來的電流生成不均，避免敏感膜表面受力不均產生的局部脫落等問題。

根據(jù)設計的4種微流體結構，實驗采用fluent軟件進行微流體模擬，驗證不同結構的可行性，通過性能上的一些比對，選擇合理的微反應室和進出樣溝道結構。

3.1 流速與密度分布仿真

如圖4所示，對試劑在進出樣、清洗等操作過程中的流動情況進行仿真。試劑進入微反應室后，在電極表面附近，液體的流速以電極表面對稱。試劑在電極表面分布較為均勻，沒有液體局部集中、分布不對稱的情況出現(xiàn)。4種結構下反應試劑能夠均等地流入到敏感反應區(qū)域參加反應，到達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，同時采用PBS緩沖液也能夠較好地完成清洗任務。