基于免疫微传感器的微流体系统

在微小空间内进行液体样品的进出样品操作，肯定会对微反应室壁和电极表面产生一定压力。为了保证整个反应室的密封性和电极表面敏感区域免受流体冲击而保持敏感膜的完好无损，同时为了保证敏感电极表面免疫反应和电化学反应发生的均一性，综合进出样流速及保证电极表面样品均匀分布等因素，合理设计微室结构以及进液口和出液口的数量和尺寸，使得在没有微阀的情况下，实验试剂在进入微室后能够良好地分布于反应电极表面区域，并能被顺利排出不会残留在微室内。

根据以上考虑，实验中设计了4种不同结构，如图3所示，中心圆柱体是微反应室腔，顶部的小圆柱体为进液沟道，底部的方形结构为设计的出液沟道，进液口位置有中心和边缘位置两种，出液沟道数量有4种。

2.2 微流体结构制备材料的研究

2.2.1 微流体结构材料的选择

PDMS具有无毒、用浇铸法能复制微通道、加工简便快速和成本低等特点，所以选择将PDMS覆于模具上，固化成膜后揭下来压于电极片表面上密封构成微反应室，这样PDMS具有良好的化学惰性，可以避免微沟道对反应试剂的污染。而且PDMS固化后的弹性可以缓冲微流带来的对微反应室的力的作用，允许外力均匀地施加在电极表面的周围。

2.2.2 微流体结构模具材料的选择

在MEMS工艺中，500 μm的反应室高度较厚，如用深刻蚀等工艺在硅片上实现如此深的结构较为困难。SU-8胶是MEMS工艺中的一种厚胶材料，常用于深结构的制备，故实验采用SU-8胶制作微流体结构模具。而如此厚的SU-8胶所带来的应力和表面张力在制作过程中严重影响到硅片的形状，故采用玻璃圆片为材料，这样也降低了成本。

3 仿真结果

对于电流型免疫传感器，其免疫反应和电化学反应主要发生于中心圆形工作电极区域。在微小的反应空间内，如果修饰溶液、待检测样品、清洗液等试剂能够以工作电极圆心为中心，在圆形电极表面均匀和对称的流动和分布来参与反应，在敏感膜固化的过程中将能够提高生物敏感膜固化过程的一致性，从而保证生物敏感膜的质量。在免疫反应过程中将能够促进敏感膜表面抗原抗体之间免疫反应的均一性，同时促进敏感表面电化学反应发生的一致性，从而提高传感器的响应速度并增大信号响应。在清洗的过程中能够增加电极敏感表面清洗的洁净性和一致性，减少非特异性信号干扰给传感器检测所带来的偏差，增加检测的稳定性和一致性。同时可以避免因反应液局部密集所带来的电流生成不均，避免敏感膜表面受力不均产生的局部脱落等问题。

根据设计的4种微流体结构，实验采用fluent软件进行微流体模拟，验证不同结构的可行性，通过性能上的一些比对，选择合理的微反应室和进出样沟道结构。

3.1 流速与密度分布仿真

如图4所示，对试剂在进出样、清洗等操作过程中的流动情况进行仿真。试剂进入微反应室后，在电极表面附近，液体的流速以电极表面对称。试剂在电极表面分布较为均匀，没有液体局部集中、分布不对称的情况出现。4种结构下反应试剂能够均等地流入到敏感反应区域参加反应，到达电极表面后都能均匀分布于敏感区域及其周围，较好地参与反应，同时采用PBS缓冲液也能够较好地完成清洗任务。