(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210934979.4 (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 天津工业大学 地址 300387 天津市西青区 宾水西道39 9号 (72)发明人 王晶晶　史立波　徐保峥　张丽　 魏熙　张赞允　刘宏伟　 (51)Int.Cl. B01L 3/00(2006.01) B81C 1/00(2006.01) G01N 33/53(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁 的设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于生化分子检测的中 空微纳复合梁的设计方法， 该方法提出的设计结 构包括梁主体和用于生化反应的中空微流道。 其 中梁由硅或硅化合物基底以及柔性薄膜两种结 构材料复合而成。 在柔性薄膜层和硅或硅化合物 基底层之间含有液体进样 口、 液体出样口、 液体 进样微通道、 液体出样微通道和待测样品反应 池， 反应池位于梁的质量敏感区域。 该方法提出 “液态反应 ‑真空检测 ”的方式， 将待测物吸附在 微流道内部并将整个结构置于真空环 境中， 这种 检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效 隔离。 通过检测待测物反应导致的频率变化， 完 成对生化分子的高灵敏度， 原位实时的快速检 测， 可广泛应用于医学、 化工等工程领域。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115178313 A 2022.10.14 CN 115178313 A 1.一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在于， 该方法提出的 设计结构包括梁和用于生化反应的中空微流道， 其中梁由硅或硅化合物基底层和柔性薄膜 层两种材料组成， 柔性薄膜和硅或硅化合物基底之 间刻有液体进样口、 液体出样口、 液体进 样微通道和液体出样微通道， 在梁的质量敏感区域刻蚀反应池用来进 行生化反应同时增大 反应面积。 2.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 采用以下工艺步骤进行制备， 在SOI或硅片上刻蚀出梁的外部整体结构， 再进行二次光 刻和刻蚀形成内部中空微纳结构， 得到复合梁的下薄层， 另选一玻璃片对柔性薄膜进行刻 蚀， 或采用在硬模板上倒模的技术形成复合梁结构的上薄层， 上薄层的柔性膜采用透明材 料， 有利于反应池内反应前后的光学观察和检测， 然后将上下薄层进行键合， 最后， 采用深 硅刻蚀技 术和有机物湿法腐蚀技 术释放牺牲层， 得到中空复合梁结构。 3.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 所述中空微纳结构复合梁采用 “液态反应 ‑真空检测 ”的方式， 以最大限度的降低液体环 境阻尼对灵敏度和品质因数的影响， 这种检测方式可以实现反应环境与检测环境的有效隔 离， 完成待检测物质的原位实时检测。 4.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 将待测物质通过进 液口注入到梁的微通道中， 注入的微流体会对梁产生一定的作用， 通 过检测梁自由端的偏移 量或梁的共振频率变化， 从而达到检测微流体中生物分子质量或数 量目的。 5.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 所述反应池用于局域修饰敏感层， 使 敏感层与靶分子的反应发生在 梁的质量敏感区域， 待测样品流过梁的质量敏感区域时会引起偏转或频率变化的峰值， 同时此方法减小了大面 积吸附对 梁弹性常数的影响， 可有效提高 中空微纳复合梁传感器的检测精度。 6.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 所述中空微纳复合梁结构可采用阵列形式， 在不同梁的反应池内修饰不同的敏感层， 就 能够实现多种待测物的同时检测， 在一定程度上节约了制造成本， 且在一次实验进 行过后， 将清洗液通过进液 口注入， 清洗废液通过出液 口排出， 即可对梁进行简单而又无污染的清 洁。 7.根据权利要求1所述的用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方法， 其特征在 于， 此种梁结构包括但 不仅限于矩形微悬臂梁、 T 形微悬臂梁、 圆形微悬臂梁、 三角形微悬臂 梁、 U形微悬臂梁以及 双端固支梁。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115178313 A 2一种用于生化分子检测的中空微纳复合梁的设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及MEMS领域、 生物医学以及化学工程领域， 尤其涉及一种用于生化分子 检测的中空微纳复合梁的设计方法。 背景技术 [0002]随着电子信息科技与生物技术、 微机电系统技术及纳米技术等高新技术交叉融 合， 近些年来各种新型微纳生物传感器不断涌现[1]。 其中基于MEMS的质量敏感型梁 结构的 传感器由于尺寸小、 结构简单、 灵敏度高、 易于阵列化、 集成化等优点[2]， 成为生化检测领 域最具潜力的器件之一。 它 作为生化传感器有两种工作模式： 静态模式和 动态模式。 即当待 测物质特异性吸 附在功能化的梁上时， 会引起梁的挠度或谐振频率发生变化， 通过光学或 电学检测这种变化即可反映出梁吸附待测物的质量或数量。 [0003]对于液态生化分子检测， 大多数研究都集中于以下两种方式， 一种是液态反应完 成后再进行干燥， 这种 方式无法实现在液态环境中的原位实时检测， 并且干燥后会降低生 物分子活性[3]， 降低了检测的准确度。 另一种是使微悬臂梁浸泡在液体流通池中进行反 应， 这种方式虽然能够实现对生化分子的原位 实时测量， 但是在流通池内检测样品时， 微悬 臂梁处于液态的检测环境， 受阻尼影响较大， 品质因子急剧下降(102以下)， 使得检测灵敏 度大幅度降低[4]， 限制了其高精度应用。 剑桥大学在近期的研究中， 利用PDMS制作的微流 控芯片将待检测血清样品与氮气混合成气溶胶， 并定量滴在微梁上进行检测， 使得样品中 的大部分水分迅速挥发， 只留下待测分子与敏感层反应[5]， 微悬臂梁与液态反应环境隔 离， 具有气 体环境检测高灵敏度的优势， 但是依旧没有做到原 位实时性监测。 基于以上检测 方式的不足， 急需提出一种与液态 环境隔离且可以进行实时原位检测的梁结构。 [0004]参考文献 [0005][1]P.Teerapanich， M.Pugni ère， C.Henriquet， Y.L.Lin， C.F.Chou， and  T. ″Nanofluidic  Fluorescence  Microscopy(NFM)for  real‑time monitoring  of  protein binding kinetics  and affinitystudies， ″Biosensors&Bioelectronics， vol.88， pp.25‑33， 2017. [0006][2]A.Boisen， S.Dohn， S.S.Keller， S.Schmid， and  M.Tenje， ″Cantilever ‑like  micromechanical  sensors， ″Reports on Progress  in Physics， vol.74， pp.036101， 2011. [0007][3]E.Timurdogan， B.E.Alaca， I.H.Kavakli， and  H.Urey，″MEMS biosensor  for  detection  of Hepatitis  A and C viruses in serum，″Biosensors&Bioelectronics， vol.28， pp.189‑194， 2011. [0008][4]J.Tamayo， A.D.Humphris， A.M.Malloy， and  M.J.Miles， ″Chemical  sensors  and biosensors  in liquid environment  based on microcantilevers  with amplified   quality factor，″Ultramicroscopy， vo l.86， pp.167‑173， 2001. [0009][5]T .Kartanas， V .Ostanin， P .K .Challa， R .Daly， J .Charmet， and  说　明　书 1/4 页 3 CN 115178313 A 3