一种自加热微流道桥接式纳电极传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种自加热微流道桥接式纳电极传感器及其制备方法，所述传感器包括桥接式纳米测试敏感单元、微流道取样单元、制热取样单元和测试室单元；所述传感器制备方法将纳米材料分散于聚合物体系形成复合物薄膜，将纳米材料通过薄膜微结构引入微加工体系，之后辅助常规的微加工图形化、可控刻蚀、溅射和微电铸等工艺制备桥接式纳米测试敏感单元，同时使用微加工工艺在桥接式纳米测试敏感单元外围设计微流道取样单元、制热取样单元以及测试室单元，形成桥接式纳电极集成检测微系统——自加热微流道桥接式纳电极传感器。该系统同时具备气态液态样品取样和检测功能，实现了桥接式纳电极传感器与微型化系统的集成制造。

【技术实现步骤摘要】
一种自加热微流道桥接式纳电极传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种纳微传感器
的装置及制备方法，具体地，涉及一种自加热微流道桥接式纳电极传感器及其制备方法。
技术介绍
传感器作为实现自动检测和自动控制系统的首要环节，已经广泛应用到如医学诊断、环境保护、工业生产等领域。纳电极传感器的纳米结构比表面积大、表面原子比率大，体系的电子结构和晶体结构易产生明显改变，目标检测物与其表面的相互作用会使其电学性能发生量级变化，纳米结构的引入能大幅降低目标检测物的检出限，是最有前途的发展方向之一。碳纳米管作为最具潜力的新材料之一，以其高长径比，良好的化学稳定性和优越的导电能力获得了广泛认可，将碳纳米管作为传感器的敏感元件不仅可以大大提高器件的灵敏度、分辨力、响应速度、可重复性等重要参数，还可以拓展感应传统传感器的检测领域。经过对现有技术文献检索发现，Valentini等在《DiamondandRelatedMaterials》13(2004)，1301-1305上发表的文章“Highlysensitiveandselectivesensorsbasedoncarbonnanotubesthinfilmsformoleculardetection”中采用直接生长法制备的碳纳米管薄膜型纳电极传感器，通过在Si3N4基底上图形化制备Pt电极，然后在Si3N4基底上生长碳纳米管薄膜，通过Pt电极两端阻值变化对目标物实现检测。采用直接生长法，碳纳米管在生长阵列中密度非常高，敏感元的数量增大会导致痕量污染物对整体薄膜电学性能的扰动程度降低，直接影响其检测灵敏度。YijiangLu等在《JournalofElectroanalyticalChemistry》593(2006),105-110上发表的文章“Acarbonnanotubesensorarrayforsensitivegasdiscriminationusingprincipalcomponentanalysis”中采用附着法制备的桥接式纳电极传感器阵列，采用DMF/碳纳米管分散系将碳纳米管分布在预先设计的电极阵列上，然后挥发DMF保留桥接式碳纳米管电极阵列作为检测单元。桥接式纳米结构利用有限数量的纳米材料作为敏感元，极微量目标物的扰动都会使其电学性能产生巨大扰动，最大程度的发挥了纳米材料的敏感特性，该纳电极传感器的灵敏度低至5ppm。然而，由于附着法制备的桥接式纳米结构，仅仅依靠范德华力实现界面联接，纳米材料与测试电极间的界面结合非常脆弱，给器件的后处理和系统集成造成了困难。此外，RongZhu等在《SensorsandActuatorsA》154(2009),224-228上发表的“Zincoxidenanowireelectromechanicaloscillator”采用氧化锌纳米线通过微操作使用聚焦离子束在电极两端焊接氧化锌纳米线，实现了具有牢固界面结合的桥接式纳米结构敏感元。尽管微操作装配能够实现具有牢固界面结合的桥接式纳米结构，但是该加工方法成本过高，基本不适用于大规模批量化制备。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种自加热微流道桥接式纳电极传感器及其制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种自加热微流道桥接式纳电极传感器，包括：制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元、桥接式纳米测试敏感单元，其中：微流道取样单元、制热取样单元、桥接式纳米测试敏感单元、测试室单元均位于基片之上，微流道取样单元和测试室单元相连通，制热取样单元位于微流道取样单元和测试室单元交汇处底部，桥接式纳米测试敏感单元位于测试室单元内；所述桥接式纳米测试敏感单元：由暴露在测试环境中的碳纳米管和实现信号传输的纳微集成电极组成，当目标检测物在碳纳米管表面富集发生物理或化学吸附时，会改变碳纳米管的电化学性质，通过纳微集成电极进行纳米结构的电学性质检测实现敏感物的定性或定量分析，微纳集成电极与外部电路相连，实现测试信号的输出；所述测试室单元：位于桥接式纳米测试敏感单元外部，为检测物和桥接式纳米测试敏感单元相互作用提供稳定环境，在测试室单元侧壁两端各有一个样品入口，可供气体样品直接进入，方便检测；所述微流道取样单元：为密封细管状，由液体样品入口和微流道组成，液体样品入口通过微流道与制热取样单元及测试室单元相连通，将液体样品通过毛细作用“输送”至制热取样单元；所述制热取样单元：由加热丝和位于加热丝上部的微流道组成，所述位于加热丝上部的微流道分别与所述微流道取样单元的微流道及测试室单元相连通，通过加热丝加热使液体样品挥发进入测试室单元。优选地，所述桥接式纳米测试敏感单元使用植布法制备，而制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元均采用微加工图形化、可控刻蚀、溅射和微电铸工艺制备。本专利技术所述的自加热微流道桥接式纳电极传感器可同时对气体样品和液体样品进行检测，气体样品可直接由气体样品入口进入测试室，与桥接式纳米测试敏感单元相互作用，而液体样品可由液体样品入口(位于微流道端部)进入微流道取样单元，继而由制热取样单元加热后转化为气体样品进入测试室单元，与桥接式纳米测试敏感单元相互作用，由微纳集成电极将信号导出至外接电路，完成样品测试和信号传输。根据本专利技术的另一个方面，提供一种自加热微流道桥接式纳电极传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：第一步、将碳纳米管进行纯化、分散、切断处理后与聚合物牺牲层材料混合均匀，制得碳纳米管/聚合物复合浆料；第二步、在基底上构建图形化碳纳米管/聚合物复合薄膜，选择性刻蚀裸露出图形化复合薄膜侧壁的碳纳米管端部；第三步、溅射金属层覆盖裸露出的碳纳米管，微电铸层包埋碳纳米管端部，图形化形成桥接式纳米结构单元阵列(该阵列中残余有机物作为结构支撑层，使用刻蚀液释放有机物后即为桥接式纳米测试敏感单元)；第四步、光刻图形化、溅射、电铸制备制热取样单元；第五步、光刻图形化，溅射制备绝缘层；第六步、光刻图形化、溅射、电铸制备微流道取样单元及测试室单元；第七步、湿法刻蚀图形化过程中残余的光刻胶，释放制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元的结构支承层及碳纳米管/聚合物复合薄膜上表面保护层，而后使用选择性湿法刻蚀液刻蚀，释放桥接式纳米测试敏感单元复合膜中的聚合物，形成双端植入中部裸露的桥接式纳米测试敏感单元，完成自加热微流道桥接式纳电极传感器的制备。优选地，第一步中；所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管或其组合；所述的聚合物牺牲层材料与其刻蚀剂相对应，聚合物牺牲层材料的选取以去除方便、可控制刻蚀的材料为宜；所述的碳纳米管和聚合物牺牲层的质量比在1：1～1：50之间；所述的碳纳米管/聚合物复合浆料的制备方法是手工研磨、机械搅拌或混合球磨的中的一种或组合。优选地，第二步中，通过以下两种方式的任意一种在基底上构建图形化碳纳米管/聚合物复合薄膜，选择性刻蚀裸露碳纳米管端部：1)将碳纳米管/聚合物复合材料旋涂到基片上，得到碳纳米管/聚合物复合薄膜，然后通过光刻图形化工艺，获得图形化的碳纳米管/聚合物复合薄膜微结构，同时裸露碳纳米管端部；2)首先在基底上图形化光刻胶，然后用碳纳米管/聚合物复合浆料填充光刻胶图形的间隙，固化形成碳纳米管/聚合物复合薄膜，磨平后去除本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自加热微流道桥接式纳电极传感器，其特征在于，包括：制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元、桥接式纳米测试敏感单元，其中：微流道取样单元、制热取样单元、桥接式纳米测试敏感单元、测试室单元均位于基片之上，微流道取样单元和测试室单元相连通，制热取样单元位于微流道取样单元和测试室单元交汇处底部，桥接式纳米测试敏感单元位于测试室单元内；所述桥接式纳米测试敏感单元：由暴露在测试环境中的碳纳米管和实现信号传输的纳微集成电极组成，当目标检测物在碳纳米管表面富集发生物理或化学吸附时，会改变碳纳米管的电化学性质，通过纳微集成电极进行纳米结构的电学性质检测实现敏感物的定性或定量分析，微纳集成电极与外部电路相连，实现测试信号的输出；所述测试室单元：位于桥接式纳米测试敏感单元外部，为检测物和桥接式纳米测试敏感单元相互作用提供稳定环境，在测试室单元侧壁两端各有一个样品入口，可供气体样品直接进入；所述微流道取样单元：为密封细管状，由液体样品入口和微流道组成，液体样品入口通过微流道与制热取样单元及测试室单元相连通，将液体样品通过毛细作用“输送”至制热取样单元；所述制热取样单元：由加热丝和位于加热丝上部的微流道组成，所述位于加热丝上部的微流道分别与所述微流道取样单元的微流道及测试室单元相连通，通过加热丝加热使液体样品挥发进入测试室单元。...

【技术特征摘要】
1.一种自加热微流道桥接式纳电极传感器，其特征在于，包括：制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元、桥接式纳米测试敏感单元，其中：微流道取样单元、制热取样单元、桥接式纳米测试敏感单元、测试室单元均位于基片之上，微流道取样单元和测试室单元相连通，制热取样单元位于微流道取样单元和测试室单元交汇处底部，桥接式纳米测试敏感单元位于测试室单元内；所述桥接式纳米测试敏感单元：由暴露在测试环境中的碳纳米管和实现信号传输的纳微集成电极组成，当目标检测物在碳纳米管表面富集发生物理或化学吸附时，会改变碳纳米管的电化学性质，通过纳微集成电极进行纳米结构的电学性质检测实现敏感物的定性或定量分析，微纳集成电极与外部电路相连，实现测试信号的输出；桥接式纳米测试敏感单元使用植布法制备，形成双端植入中部裸露的桥接式纳米测试敏感单元；所述测试室单元：位于桥接式纳米测试敏感单元外部，为检测物和桥接式纳米测试敏感单元相互作用提供稳定环境，在测试室单元侧壁两端各有一个样品入口，可供气体样品直接进入；所述微流道取样单元：为密封细管状，由液体样品入口和微流道组成，液体样品入口通过微流道与制热取样单元及测试室单元相连通，将液体样品通过毛细作用“输送”至制热取样单元；所述制热取样单元：由加热丝和位于加热丝上部的微流道组成，所述位于加热丝上部的微流道分别与所述微流道取样单元的微流道及测试室单元相连通，通过加热丝加热使液体样品挥发进入测试室单元。2.一种根据权利要求1所述的自加热微流道桥接式纳电极传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：第一步、将碳纳米管进行纯化、分散、切断处理后与聚合物牺牲层材料混合均匀，制得碳纳米管/聚合物复合浆料；第二步、在基底上构建图形化碳纳米管/聚合物复合薄膜，选择性刻蚀裸露出图形化复合薄膜侧壁的碳纳米管端部；第三步、溅射金属层覆盖裸露出的碳纳米管，微电铸层包埋碳纳米管端部，图形化形成桥接式纳米结构单元阵列，该阵列中残余有机物作为结构支撑层，使用刻蚀液释放有机物后即为桥接式纳米测试敏感单元；第四步、光刻图形化、溅射、电铸制备制热取样单元；第五步、光刻图形化，溅射制备绝缘层；第六步、光刻图形化、溅射、电铸制备微流道取样单元及测试室单元；第七步、湿法刻蚀图形化过程中残余的光刻胶，释放制热取样单元、微流道取样单元、测试室单元的结构支承层及碳纳米管/聚合物复合薄膜上表面保护层，而后使用选择性湿法刻蚀液刻蚀，释放桥接式纳米测试敏感单元复合膜中的聚合物，形成双端植入中部裸露的桥接式纳米测试敏感单元，完成自加热微流道桥接式纳电极传感器的制备。3.根据权利要求2所述的一种自加热微流道桥接式纳电极传感器的制备方法，其特征在于，第一步中；所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管或其组合；所述的聚合物牺牲层材料与其刻蚀剂相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳，孙斌，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31