专利名称：浸在液体中的动态bionems传感器和bionems传感器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体bioNEMS装置以及其操作方法的领域。
背景技术：
近年来，在NEMS和化学力显微镜(CFM，Chemical ForceMicroscopy)领域取得了许多进展。NEMS方法产生出一系列小长度和厚度、能高Q高频谐振的悬臂(cantilever)。当工作于理想条件下(低T，真空)时，这些NEMS装置表现出空前的灵敏度。在更大尺寸级(AFM，CFM)时，多种工作涉及到分析单个分子之间的相互作用施加的力，从氢键和抗体-抗原相互作用到共价键。装饰有生物分子并与衍生表面或衍生磁珠相互作用的AFM悬臂，证明抗原-抗体相互作用表现出100pN量级的力，共价键表现出大约1-10nN的力。这些流域试验表明，可测量随机极限的化学活动，不过也表现出难以在小型、便携式和坚固的装置中实现这种潜力。
根据本发明，需要某种方法来减小悬臂相对于NEMS尺寸的大小，提供所需的瞬时响应，小体积，以及对单个分子的灵敏度，这是将装置构建成单单元性能所需要的。当然，将NEMS悬臂放置于溶液中，并且置于室温下，将需要对CFM或NEMS通常采用的检测策略进行修正。液体会使NEMS旋臂受潮，从而不可能进行谐振检测，并且溶液的热能将会冲击悬臂。
对于这些潜在的困难，需要开发出某种方法作为试验的主要部分。
与传统的CFM不同，根据本发明需要一种不通过记录悬臂偏转来测量单个(或少量)化学键的力的方法。
需要某种类型的NEMS悬臂设计，其通过使用整体传感器限制悬臂产生大的热驱动运动而检测化学键的存在。
根据本发明还需要一种使用具有系统上不同的化学装饰的BioNEMS悬臂阵列的装置，同时提供高可靠性和对浓度的敏感性。
另外，根据本发明需要某种方法将起伏“噪声”翻译成信号，和组装和采用有用和强健试验的可能的生物学。
微阵列技术在分析蛋白质受体及其配合基，以及分析基因表达分布时具有显著的优点。例如，数千对象的微阵列已经成为药品开发业采用的一种主要技术。通过光刻，通过微冲压或者通过微打点产生这些微阵列，在基板上产生点阵列(20-100面)。通常，通过在阵列上浇盖被荧光标记的被分析物，并通过用微荧光计扫描该阵列来确定结合量读出该阵列。尽管这些方法越来越普遍，不过大尺寸的读出仪器以及所采用的荧光分析的固有限制，使其完全不适用于同时要求便携性和强健性能的应用。此外，它们是单用装置，从而不易于适于需要连续监测的应用。最后，这些装置依赖于大量被分析物，使其对于通过组合化学进行的药品发现中近来最强大的进步，或者对于最敏感的基因表达试验是不适宜的。
所研究的另一个目的是开发一种纳米级的新的生物芯片技术(BioNEMS)，其能检测单个生物分子与其受体的结合。众多化学力显微镜(CFM)的文献表明，改良的AFM适于测量从单氢键和单受体配合基相互作用到单共价键范围的相互作用的结合力。这些力的范围正好处于AFM仪器的检测能力之内；不过，处于溶液中的AFM悬臂不具有允许生物配合基与其受体结合和失结合可靠进行所需的瞬时响应性。也许最为重要的是执行AFM/CFM所需的装置的大尺寸，和众所周知的AFM对空气传播和表面振动的灵敏性。
需要某种在检测单分子相互作用力时与CFM同样成功的技术，不过尺寸下降到NEMS级别，允许其足够快速地对随后的结合和未结合活动作出响应。给定化学力的大小，BioNEMS最强健的工作模式是不直接测量结合力。根据本发明需要某种装置，其使用NEMS悬臂位置的当前波动，随后使用整体传感器，无需AFM中所使用的支撑装置。
发明内容
根据本发明，将使用NEMS悬臂的运动跟随结合和未结合活动。基本思想在于末端没有耦合受体配合基对的悬臂在其位置将比受配合基-受体对约束的悬臂更显著地波动。强配合基-受体键能在相当长的时间内(对于配合基-受体对为～ton)部分地阻止悬臂运动；更弱的相互作用将改变悬臂运动的统计结果。
减小到小尺寸的NEMS装置，产生多个显著优点。本说明中使用“NEMS”表示至少一个尺寸等于或小于一微米的装置。其不排除“NEMS”装置可以具有比一微米更大的一个或多个其他尺寸的可能。此外，正如可以理解的，通常尺寸处于或者低于一微米的装置与大于一微米的装置的性能之间没有明显的区别。对术语“NEMS”更加有意义的重要性在于，怀疑该装置与缩小到亚微米尺寸的装置共享某些性质，或者共享对于亚微米装置或操作独特的性质。正如已经提出的，小尺寸NEMS装置使其能对于结合和未结合动力学作出更显著的响应。这种高频响应对于跟随受体配合基相互作用的随机性而言非常关键，大多数受体-配合基对动态地相互作用，结合，保持结合从微秒到秒级的时间(取决于实际的受体-配合基对)，然后释放。如果试验将要跟踪生物分子相互作用，则高频响应(～MHz)非常重要。在补丁-阻尼(patch-clamp)(千兆欧姆密封)技术中解决各个薄膜通道打开和关闭的能力，彻底地改变了我们对作为神经功能基础的物理生物化学的理解；在补丁阻尼之前，试验仅仅尝试着通过记录大量薄膜通道来解码分子机制。我们相信对生物分子的分析目前实际处于相同的状态，同时受到所需的大量材料和即便最敏感的试验中也会固有的时间上的拖尾的限制。从而本发明仔细考虑了BioNEMS，真正地将我们的生物分子分析处于随机限度。
这种方法的一个作用是采用悬臂的热运动作为驱动力(在AFM中通常是主要的局限性)。此外，当悬臂尺寸减小时，悬臂运动的噪声变小。另外，小尺寸的NEMS装置允许在小有效体积(≤100pL)中构造探测器阵列(≥500悬臂)。后一种优点极其重要，因为其使感测RNA级别，蛋白质和单个单元内存在的第二信使成为可能。
本发明的BioNEMS方法大幅地减小了尺寸和仪器工作所需的性质(与AFM/CFM相比)。用于悬臂运动的传感器将与NEMS悬臂集成，这样就消除了AFM中所使用的悬臂运动光学检测产生的尺寸和密度限制。这就将允许BioNEMS悬臂更加小，并且与AFM中实际情况相比更加紧凑地组装。
正如下面描述NEMS传感的部分中所描述的，集成压阻式传感器将提供比记录液态水中NEMS悬臂运动所需大得多的灵敏度。结果，通过适当集成，传感器、跟随悬臂运动所需的探测器，翻译运动所需的逻辑以及传达结果所需的电路可以封装成一个装置。与其名称给出的暗示不同，当前的“DNA芯片”或“Proteomics芯片”技术需要庞大和笨重的读出器，以便将化学物质的结合翻译成长度和宽度为数厘米的传感器包。此处概括指出的BioNEMS方法承诺封装尺寸与术语“芯片”(～DIP尺寸)一致，从而产生出对于其他方法不可能或不实际的多种应用。
所提出的工作的目的是采用悬臂的热驱动运动，以及通过受体-配合基相互作用对其的调制。将使用溶液中NEMS悬臂的物理和随机生物化学知识解释悬臂的运动。从而，这类正在使用的BioNEMS的构造要求致力于NEMS制造的研究者，致力于装置表面生物化学改良的生物学家，对NEMS装置的流体动力学感兴趣的物理学家以及从试验完成提取和分析的信息科学家紧密协作。
此处描述的BioNEMS研究努力具有从应用科学的基本原理到新纳米级流体技术的发展的多个推动作用。我们的目的是研究，理解，从而改善构造BioNEMS的技术，然后说明其新颖用途。
示例包括●对NEMS在溶液中的性质的基础研究●对单分子化学的基础研究●激素、生长因子和第二信使的细胞学研究。对于用传统技术进行的直接分析而言，从细胞释放出的生长因子通常浓度特别低并且量太少。
●使用BioNEMS作为药品发现工作中作为试验的组合化学合成的输出的传感器。
●用作检测DNA序列的敏感的“基因芯片”，或者作为生物危害性传感器。
●用作环境霉素浓度的监视器。
本发明限定为亚微米bioNEMS装置，包括支架和与支架耦合并且从该处延伸，长度为l、宽度为w且具有一末端的压阻悬臂，其中该悬臂具有一个宽度减小为b且长度为l1的限制部分，和处于所述末端或附近的生物功能化部分。该限制部分由宽度减小为b且连接于支架的多个管脚组成。最好设置两个管脚，且彼此分隔w-2b的距离。
该bioNEMS装置还包括施加给悬臂限制部分的偏流源，并且偏流的幅值受生物功能化末端的最大可接受温度升高的限制。生物功能化末端的最大可接受温度升高为大约1度K。
本发明还是浸入液体中的压阻bioNEMS装置的一种改进，其包括长度为l的至少一个振动悬臂，将幅值选择成使背景约翰逊噪声相对于压阻bioNEMS装置所产生的信号强度最小。在一个实施例中，信号强度是基于压阻bioNEMS装置在液体中的热机械噪声。压阻悬臂具有宽度w，和宽度减小为b的限制部分，其中将减小的宽度b选择为相对于压阻bioNEMS装置所产生的信号强度减小约翰逊噪声。
本发明的特征还在于浸入液体中的生物功能bioNEMS装置的一种改进，其包括设置在bioNESM装置上用于与感兴趣的配合基结合的受体，和设置在具有受体的bioNESM装置上以增强受体与感兴趣的配合基的结合率系数的催化剂。催化剂降低了受体-配合基结合活性能。在一个实施例中，通过强制进化来设计受体，使其优先与感兴趣的配合基结合。
本发明还涉及一种亚微米装置，包括载波信号源，支架，与支架耦合且从该处延伸的压阻悬臂，以及设置在悬臂上并且与所述的源电磁耦合的元件，从而通过来自所述源的载波信号驱动悬臂。该元件包括设置于悬臂上的磁膜，并且所述源产生与磁膜耦合的电磁波。
本发明还涉及一种包括多个NEMS谐振器或传感器的装置，每个NEMS传感器产生一输出信号；以及对于多个NEMS传感器产生的多个相应输出信号进行处理以获得集合输出信号的装置或电路。该装置将多个输出信号求平均，从而集合输出信号是平均值。该装置判断在预定时间窗口内多个输出信号的预定部分是否超过阈值。所述多个NEMS传感器中的每一个是生物功能化的，且该装置通过仅产生表示增大配合基捕获率的集合输出信号，与一个NEMS传感器相比，有效地增加了配合基捕获率。
本发明还涉及一种工作于液体中的装置，包括浸入液体中、构成相邻传感器阵列的多个NEMS传感器，每个NEMS传感器产生一输出信号，两个相邻NEMS传感器的运动通过相邻NEMS所浸入的液体彼此耦合。第一与第二NEMS传感器的运动互相关，并且包括两个相邻的NEMS传感器，C12＝<x1(0)x2(t)>，如下式所定义的ddtC12(t)=-kBTX12(t)----t>0]]>其中kB为波尔兹曼常数，T为液体的温度，t为时间，X12为“磁化系数”，给出了对于作用在第一传感器上的力F1，第二传感器的位移x2(t)，从而由下式定义对于第二传感器该位置的总体均值<x2(t)>=∫-∞∞X12(t-t′)F1(t′)dt′]]>本发明是一种工作于包含微流体液流通道的液体中的装置，其中该微流体液流通道携带液体，并且包括至少一个设置于微流体液流通道中的NEMS传感器，从而通过NEMS传感器来感测液体的性质。该NEMS传感器是生物功能化的，并且NEMS传感器所感测的性质在NEMS传感器已经生物功能化的配合基液体内存在或者不存在。
该装置还包括多个NEMS传感器，每一个传感器共同设置于液流通道中。该装置还包括多个液流通道，在其中重新分配多个NEMS传感器。多个NEMS传感器为表面制造的或者薄膜制造的。
本发明包括一种由薄膜制造bioNEMS装置的方法，包括提供异质结构的步骤，其中异质结构包括晶片层，处于晶片层上的蚀刻停止层，处于蚀刻停止层上的NEMS装置层，以及处于NEMS装置层上的压阻层。通过晶片层蚀刻出到达蚀刻停止层的沟槽，定义将要成为限定NEMS装置的薄膜的区域。去除从沟槽底部到装置层的蚀刻停止层。通过电子束平版印刷在薄膜的压阻层上有选择地形成导电接触点。通过电子束平版印刷在薄膜的压阻层上有选择地形成将要生物功能化的区域。通过电子束平版印刷在包含待生物功能化区域的薄膜的压阻层上有选择地形成NEMS装置。将薄膜有选择地等离子体蚀刻，去除未遮蔽的部分，限定出悬浮的NEMS装置。在围绕薄膜沉积的弹性材料层中有选择地浇筑液流通道。将NEMS装置上所选定的区域生物功能化。
所述的形成异质结构的步骤还包括，将晶片层抛光以提高弹性材料层的粘接，并使晶片层变薄。所述的有选择地等离子体蚀刻薄膜以去除未遮蔽部分、限定悬浮NEMS装置的步骤包括，有选择地垂直等离子体蚀刻掉NEMS装置层的未遮蔽部分。所述在围绕薄膜设置的弹性材料层中有选择地浇筑液流通道的步骤包括，有选择地设置光刻胶层以限定液流通道，在有选择设置的光刻胶层上设置弹性材料层，并且去除光刻胶层以限定液流通道。
本发明披露了一种工作于液体中的NEMS装置，包括末端浸入液体中的谐振元件，附着到末端的结合分子；和附着到结合分子的绒球，对于从液体施加给元件的散逸噪声提供阻尼力。
本发明还包括操作上述NEMS装置的方法。
尽管为了文法的灵活性用功能性解释描述或将要描述装置和方法，不过可知除非在35 USC 112下明确表述的，权利要求不解释为通过“装置”或“步骤”限制性的解释在任何方面进行必要限制。不过在同等物的司法学含义下，与权利要求所提供的限定的含义和其等同物的全部范围一致，并且在35 USC 112下表述的权利要求与35 USC 112下的完全法律等同物一致。通过参照附图将更形象地理解本发明，其中相同附图标记表示相同元件。
图1是所有其他尺寸固定时，观察到的液体耦合热机械噪声相对于约翰逊噪声的强度提高的曲线。
图2为液体阻尼热机械噪声的曲线。
图3为对于250μA的偏流，对于b＝0.6μm，t＝130nm，w＝2.5μm，l＝15μm和l1＝0.6μm的悬臂，几种液体中的预期信号的曲线图。
图4为悬臂显微放大刻度的示意性侧视图。
图5为以非特定结合活动为函数的部分受体占有率的曲线图。
图6为称作“相位检测器”或“锁定放大器”的检测器，或者相关接收器。
图7表示以SNR为函数的探测器性能Pd的曲线图。
图8a为双悬臂系统的示意性俯视图。
图8b为图8a系统的示意性侧剖图。
图8c为另一实施例的示意性俯视图，其中悬臂为耦合配合基。
图9为平行于振荡悬臂的流速成分以距离r为函数的曲线图。
图10为与微流体液流通道耦合的压阻悬臂的剖面示意性侧视图。
图11a-11c为透视图，其中增大了图10中所示悬臂阵列的放大倍数。
图12a为bioNEMS传感器的扫描电子显微镜照片。图12b为图12a的传感器的俯视图。
图13a-13m为表示由薄膜制造bioNEMS流体传感器的方法的一系列图。
图14为模拟以分子键能绒球作为附加阻尼器的悬臂的动态动作的图。
通过参照下面优选实施例的详细描述将可以更好地理解本发明以及多种实施方式，其中优选实施例作为权利要求中所限定的本发明的说明性示例。可知由权利要求限定的本发明可以比下面所述的说明性实施例更宽。
具体实施例方式
所说明的实施例涉及到对可施加给液体中的压阻BioNEMS装置的偏流的限制。只要响应度与偏流成正比，R＝/G，则可获得的力敏感性取决于可容许的最大偏流值。最大的实际偏流值由认为可接受的BioNEMS中的最大温度升高决定。
为了说明的目的，假定为显微照片图12a透视图中和图12b的俯视图所示的bioNEMS传感器或悬臂10，可以将其比喻成具有“其底部具有切口的驱动板”。不过，应当理解，传感器10的几何结构是完全普通的，并且包括任何类型的悬臂，双阻尼梁，叶片或者任何其他亚微米振动结构。装置10的几何结构使由一个或多个宽度为b的管脚20组成的限制区域12内明显地产生最大化，如图12b中所示，其中区域12允许增强或者改变悬臂16的设计弯曲刚性，不会限制悬臂16取决于其整个长度l和宽度w的液体阻尼性。还可知悬臂16将设有常规电极(未示出)，从而提供偏流的常规外部测量电路(未示出)可测量管脚20弯曲时的压阻改变。此外，取决于用途和设计选择，外部驱动力按照传统方式施加或者不施加给悬臂16。
在优选实施例中，有两个管脚20。假设悬臂16的生物功能化末端14可容许1k量级的温度升高，其中悬臂16长度为l，宽度为w，厚度为t，真空中谐振频率为ω0/2π，力常数为K。
我们将该问题作为一维问题对待，对于收缩区域，长度为l1且横截面积为A，在支撑端部17热凹陷的梁16支撑基板18。在所示实施例中，悬臂16由硅制成，并假设浸入水中，不过可采用任何可加工成毫微米的材料，并且可考虑任何外围流体。测量从悬臂16与支架17的连接点到其末端14的距离x。对于x＞l1，通过关系式κSiAdtTdx2=κH2OP▿T]]>粗略估计装置10所浸入的水或液体的热损耗，其中P为围绕梁16的横截面区域A的周长。估计出nT～T/w且d2Tdx2~2(w+t)κH2OκSitw2,]]>其中κsi＝1.48×102W/mK为硅的热导率，κH2O=0.607W/mK]]>为水的热导率。
在损耗区域x＜l1时，得出κSitbd2Tdx2~I2R+4(b+t)TbκH2O.]]>作为边界条件，得出在l1处温度是连续的，作为热通量；并且对于x＞l1，温度必须单调地降低。
我们考虑表1的三种示例装置10。对于第一种悬臂16，简单的导热性计算表明，用稳态偏流I＝250μA在生物功能化末端14处可得到1K温升，导致功耗大约10，670μW。距离基板18边缘大约2.3μm的收缩区域18中发生12K的最大温升。对于这种偏流，第一装置产生的响应度R＝/G为大约8μV/nm。
对于表1中的第二悬臂16，允许收缩区域12中相同的12K最大温升，则其与末端14处的0.04K温升一致，并且在75μA电流时发生。对于装置10，期望量规因数为G＝5.2×109Ω/m。从而，希望的响应率为390μV/nm。
最后，对于条1中的第三悬臂16，使用收缩区域12中12K和末端14处的0.04K的最大温度升高，则允许22μA的电流。对于这种装置，预期G＝5.3×1010Ω，因而，所期望的响应率为1.2mV/nm。
表1
BioNEMS中耦合的流体比例对于由装置10所浸入液体中液体耦合热机械噪声来驱动的应用而言，最好该信号相对于装置10中的背景约翰逊噪声最大化。由悬臂16的尺寸决定这两个热噪声源的相对强度。这些尺寸成为决定力学领域中液体耦合热机械噪声谱强度的液体阻尼的幅值的一部分，和悬臂16的响应函数的一部分(通过阻尼，有效质量，量规因数，弹簧常数，以及对于末端处的相同加热量的允许电流)。
对于固定厚度t，通过如图1中曲线所示减小悬臂管脚20的宽度可获得信号强度的极大提高，在图1中对于b＝0.4μm和b＝0.1μm的装置，相对于热机械噪声和约翰逊噪声的频率绘出以nV/Hz1/2为单位的装置10的测得信号强度。增大悬臂16的总长度l和宽度w，将增加液体的耦合，增加液体阻尼和冷却效率；还会导致信噪比增大。
图2的曲线表示对于每个例子表格中所示b＝0.1μm，t＝130nm和w＝5μm的不同长度l的悬臂16，增大悬臂16的长度l的效果。外围液体为二甘醇。图2为液体阻尼热机械噪声的曲线图，经预测随着悬臂长度的增加其相对于背景约翰逊噪声增大。对于35μm的长度而言，液体阻尼热机械噪声具有幅值量级大于背景约翰逊噪声的峰值。对于每个悬臂长度，选择偏流使末端14处的预计温度升高不超过1℃，并且管脚20中的最大温度不超过50℃。表2中归纳出所使用的偏流和估计出的温度升高。
表2
除了取决于悬臂尺寸以外，还应当注意液体耦合热机械噪声的幅值取决于液体粘度。图3表示对于b＝0.6μm，t＝130nm，w＝2.5μm，l＝15μm和l1＝0.6μm的悬臂16，且具有与水、二甘醇、甘油和乙二醇相应的不同粘度范围的液体偏流为250μA，对于约翰逊噪声和热机械噪声，电压域中所预期的信号。
增强受体-配合基反应概率在一个实施例中，通过使生物受体分子24附着到悬臂16的末端14或末端14附近，将装置10生物功能化，如图4中所示。由于NEMS装置10的一个基本特征是使用附着到弹性悬臂16“功能化”区域的生物受体分子24，重要的是，对于感兴趣的目标配合基22，受体-配合基结合反应具有最高概率系数(反应概率)。不过，众所周知，生物上表述的受体分子24通常对于其目标配合基不具有最高可能结合率，这是由于没有对于这一特征选择进化。从而考察在NEMS装置10的应用中用于增强受体24的结合率系数的各种方法是有益的。
一种可能的方法是通过寻找在与特定种类的受体24紧密蒂合时，降低受体-配合基结合活性能的特定分子，使用等效的催化反应。由于概率系数，因而反应概率对于活性能非常敏感，例如具有指数依赖性，那么即便将该能量降低相当小的量，也会大大增大结合概率系数。从而，此处的要旨是首先将一层这种“催化剂”分子26附着到悬臂16的小功能化区域28，然后附着专用于感兴趣的目标配合基22的受体24。图4中表示出这种方法的基本概念。根据众所周知的原理，由配合基-受体对决定任何给定情形中选择的催化剂。
第二种可行方法是设计结合率系数相对于感兴趣的特定配合基22为最大的受体分子24。在此术语“设计”理解为表明使用强制演变、生物化学技术，选择出表示所需受体24的基因，当通过多个循环“离析”基因时，所述受体24对于所选定的配合基22具有更高结合亲合力。这通常通过将感兴趣受体24的基因的多个拷贝插入特定细菌的染色体组中来完成，从而细菌在其细胞表面上将表现出这种受体。
然后对细菌的第一代进行结合亲合力试验，并且将那些具有最高结合亲合力的留作下一个轮的“进化”循环。在开始下一循环之前，通过基因点突变产生受体基因的改变，或者通过“DNA-逐渐移动”更有效地产生受体基因的改变。然后重复这些循环，直至很明显地结合亲合力不可能进一步增大为止。人们也许会希望，通过使用这种技术将特定的受体-配合基额结合率系数的幅值最大至少一个量级。
非特定配合基结合效应图5所示的曲线表示对于NEMS悬臂16的响应，“背景”非特定结合的可能效果。曲线30为功能化位置28对于目标配合基22的部分占有率，曲线32表示目标22相对背景配合基分子32的部分占有率。所使用的条件为(1)1000目标配合基分子22；(2)100受体分子24；以及(3)10,000背景配合机分子32；非特定结合亲合力比目标配合基分子22的结合亲合力小200倍。受体24的非特定结合竞争效果，对于图5中所示的装置10是重要的。
在BioNEMS中使用多悬臂的信号产生在同时递交且在此引作参考的题为A METHOD ANDAPPARATUS FOR PROVIDING SIGNAL ANALYSIS OF ABIONEMS RESONATOR(序列号(CIT.PAU.35)＿＿＿＿)的共同未决专利申请中已经详细分析了用于生物分子检测的单个未驱动悬臂16的情形。我们分析了对于几种被驱动的双悬臂系统所期望的检测性质。在此处所描述的实施例中，我们研究了与BioNEMS装置10中使用多悬臂有关的几个普遍问题。从信号“设计”的观点出发来探讨这种分析；也就是说，我们正在寻找对于检测性质将产生最佳信号的装置结构。由下式给出该信号r(t)＝Acos(ω0t+θ)+n(t) 1.1其中A为以频率ω0振动的信号的幅值；n(t)为方差为σ2n的零平均值高斯噪声处理。此时，如果A和ω0是确定的，即不发生波动，则已知最佳探测器是所谓的“相位检测器”或“锁定放大器”，图6中表示出方块图。在通信理论中，这种检测器称作相关接收机。因而，将考察允许我们注入频率为ω0的“载波”信号的装置结构，从而目标配合基结合活动将“调制”该子波，即改变A的值。图6的相关检测器包括窄带滤波器34，而窄带滤波器34从装置10获得输入r(t)。混合器38将来自振荡器36的参考信号与滤波器34的输出混合。经过混合的滤波信号输入低通滤波器40中，然后耦合到阈值和判断电路42，阈值和判断电路首先确定信号是否可作为有效的或者载有信息的信号，然后如果有效，则执行判断算法，确定装置10是否检测到感兴趣的配合基-受体相互作用。这些电路可在由常规设计选项设计出的硬件设计、固件或软件控制的模拟或数字信号处理器或计算机中实现。
不过，我们必需应付相当严格的约束，造成性能的巨大损失，信号的幅值A或相位θ将发生显著的随机波动。图7中表示出这种性能损失，其中情形A是“无随机波动”的情形；情形B是存在随机幅值波动的情形；情形C是相位信息通过随机波动而损耗的情形。标记为“斩波器”的情形是如上面引作参考的共同未决申请中所披露的使用多样品总和的随机检测的未驱动旋臂16时，信号的性能。该方法注入载波信号并将其与配合基-受体结合活动“耦合”，从而作为认为可获得有意测量的材料。
图8a-8c表示可由公式1产生出信号的两个可能实施方式。在图8a中，通过以固定频率ω0和幅值机械驱动不具有受体的未功能化旋臂16a，实现载波注入。功能化旋臂16b通过装置10所浸入的液体的流体动力耦合，对驱动器16a作出响应。被驱动的旋臂16b具有一压阻部分46。旋臂16a和16b均与支架48相连，而支架48可以与基板44或50连接。
在图8a-8c中，“没有信号”的情形是通过将旋臂16b“钉到”基板44上而没有发生显著移动的情形；“自由”目标配合基22的存在导致通过竞争结合而破坏这一条件。注意，图8a的并列设置并非优选结构。实际情况是，最好具有两个相对即端对端的旋臂。图8c是图8a和8b的稍有不同的变型，其中无信号状态具有通过配合基-受体结合结构而机械耦合的两个旋臂16和34。自由目标配合基的存在再次通过竞争结合而破坏这种状态，导致相干信号损失。
尽管我们讨论了多个旋臂16a和16b，不过应当指出的是，使用小区域28镀有磁膜的单个旋臂16，可获得非常有效的载波注入；然后外部载波信号源36产生驱动信号，并且与旋臂16磁耦合，获得“恒定”幅值，旋臂梁16的恒定相位振动。实际上，该方法与任何其他方向相比，能更好地满足参数起伏限制。耦合还可以扩展到使用偶极子或顺电膜的静电耦合。
多旋臂16的不用用途是在平均模式或者重合模式中利用N个相同未驱动旋臂的阵列。在平均模式中，在估计方差时简单地使用N个输出获得√N改进。在重合模式中，使用认为“信号存在”活动的固定时间内N个输出的一部分必需处于阈值之上的限制条件。在两种情形中，使用多旋臂的方法寻求通过增加可用受体24的数量来提高配合基捕获率。
减小流体所致的相关波动尽管已经很好地研究了处于液体中的单旋臂16，不过对旋臂16阵列的液体耦合的关注很少。振动旋臂16所产生的流体扰动具有很长范围，仅有分隔旋臂16之间距离的相反功率时流体扰动才下降。移动一个旋臂16，将通过粘滞曳力或两悬臂之间的流体耦合产生另一旋臂16的运动。这相当于旋臂16的随机运动的相关，这是因为一个旋臂16上分子碰撞产生的随机力，将通过这种耦合引起第二旋臂1 6的运动。
通过波动耗散理论将这种关系量化。流体所致的相关波动倾向于使旋臂16之间的分子束缚所致的相关性变得不明显，使用这种机制更难进行检测和生物分子的特征化。从而重要的是理解在不存在生物分子时流体引起的相关性，并且设计出几何结构和协议使其最小化。
近来，Meiners和Quake对激光嵌控球珠进行的试验，提供了对所期望结构的最初指示。参见J.C.Meiners等人，Direct Measurementof Hydrodynamic Cross Correlations Between Two Particle In AnExternal Potential(Phys.Rev.Lett.82，2211(1999))。这两个作者研究了分隔大约3-10μm的两个1μm橡胶珠的流体相互作用引起的相关性。他们发现，对于所研究的最近间隔(3直径)，具有最大反相关的球形的反相关接近于单个球的均方位移。这就表明难以消除强流体耦合。不过，长悬臂16周围的流动具有与球形周围的流动非常不同的性质，提出了一种用于使流体相关性最小化的策略。
运动球形周围的低雷诺数流动在所有方面都与球形的运动同相，并且按照1/r下降。悬臂16的简化模型是将其近似为与半径相比较长的圆柱体。在此情形中，对于无限大圆柱体周围的流动可使用斯托克司结果。振动圆柱体周围的流动比球形更加复杂。实际上，对于小的雷诺数数值，没有独立于雷诺数的溶液，并且流体速度与圆柱体速度之间存在取决于频率和距离的不平凡的相位关系，将距离标度改变为aR-1/2的几倍。在此a为圆柱形半径，我们将其设定为悬臂宽度，并且R＝ωa2/4v为雷诺数，ω为频率，v为流体的动粘度。
对于BioNEMS悬臂16，R通常为大约1。该速度场是造成第二圆柱体运动的原因，从而对于第一圆柱体上的力引起的第二圆柱体的运动，存在间距和频率依赖性。通过指明系统中存在的波动与系统中的阻尼成正比的波动耗散理论，给出了间距和频率对噪声相关性的依赖。图9中以距圆柱体轴的距离r/a作为函数的速度场曲线，表示，实际上速度场的不同积分具有处于不同距离处的零点，表明在相关噪声引起的液体的一个或其他相中，可以寻找出与零点相应的参数(圆柱形间距/半径和频率)。图9表示对于雷诺数R＝1，以悬臂宽度a为单位的距离r作为函数，平行于振动悬臂16的速度的流体速度成分。注意实部(同相)与虚部积分成分给出的非凡的相位关系，以及不同积分成分的零点。
对相关性的计算允许按照如下方法设计最佳过程。两悬臂位移之间的互相关C12＝<x1(0)x2(t)>与悬臂之间确定性流体耦合之间的精确关系如下ddtC12(t)=-kBTX12(t)----t>0----4.1]]>其中X12为“磁化系数”，给出了对于作用在第一悬臂16上的力F1，第二悬臂16的位移x2(t)。
<x2(t)>=∫-∞∞X12(t-t′)F1(t′)dt′---4.2]]>尖括号表示总体均值，再次强调确定的估计、计算或时间能将随机运动量化。可由图9中描绘出的斯托克速度场计算磁化系数X12，并且可以预测噪声相关性，不过此处没有给出。
将NEMS并入微流体学图10表示悬臂16与微流体液流通道52耦合的装置10的剖面示意图。通过晶片54蚀刻出的区域形成最终液流通道的一部分。可以在单个液流通道54内制造悬臂16的整个阵列。还可以具有多个通道54，取决于所希望的应用，不同装置10处于不同通道54中。还可以在硅中直接地表面制造液流通道54。图11a-11c中示意地表示出装置的阵列56，其中具有三个逐渐增大比例的透视图，表示支撑在平行支架48上的多个悬臂16，在与入口和出口液流通道54相通的单个液流通道58中形成平行悬臂16行。
BioNEMS薄膜基装置的制造图13a-13g所示的流程图示意地表示薄膜基BioNEMS装置10的制造所包含的步骤。由图13a的侧剖图开始这些装置的制造，将硅装置层148设置于绝缘晶片152、154上，例如375nm SiO2层152处于675μm Si层154上。埋入的氧化物层152必须足够厚，以便作为通过晶片154后面的蚀刻步骤的停止层。对于所考虑的大多数装置来说，Si装置层148应当具有所需的厚度，对于硅悬臂的未掺杂部分，厚度处于20nm到100nm之间。在所示实施例中，在30nm的重掺杂Si层150下面设置80nm的Si层148。层148的电阻率相对于将要生长的重掺杂层150应当较高(10Ωcm就足够了)。
将晶片154的后侧抛光。这对于将弹性材料粘接到该处是必须的，其中将按照如下所述定义微流体通道52。同时可以将晶片154变薄，用于同时减小液流通道52的最终体积和减小后面的蚀刻步骤中必须蚀刻的厚度。最终300μm的晶片厚度对于保持晶片154的结构完整性，同时减小不必要的材料而言是合理的。
然后在层148的顶面上外延生长一层重掺杂硼的硅层150，层150将形成构成NEMS装置10的一部分的压阻导电层。对于大多数装置10来说，该层150为7nm到30nm厚度之间。电阻率必须低于下面的层148。通常掺杂级为4×1019cm-3。
下一步骤涉及到通过晶片154的后侧进行蚀刻来制造薄膜，如图13b的侧剖图中所示。可使用博希(Bosch)深度活性离子蚀刻(DRIE)来进行，形成贯通层154的沟槽158。对于这一步骤，如图13b中所示，使用大约6微米的光刻胶或氧化物掩模156就足够了。使用了50μm2的薄膜，不过是任意的，所用尺寸由用途来决定。然后用氢氟酸从凹槽158的底部除去正好处于硅薄膜148下面的氧化物层152，如图13c所示，限定出将成为薄膜162的区域。
然后在装置10的顶侧在层150上与薄膜162对准进行光刻和金属沉积，形成接触焊点160，如图13d的俯视图中所示，其表示同时形成的多个电路小片。对于结合焊点160将30nm的铬(作为粘接层)，然后将250nm的Au沉积成所希望的图案，与掺硼硅层150形成欧姆接触。
然后在Au层上沉积氮化硅层174(300nm)，随后沉积200nm的二氧化硅层175，使装置10钝化，如图13e的俯视图中所示，随后沉积铬层176，如图13f的俯视图中所示，以在制造过程中保护二氧化硅175，并在钝化层所形成的阶梯高度上提供电气连接，如图13g中所示。
然后使用电子束平版印刷技术，首先将悬臂16将要生物功能化的末端14处的金焊点(图中未示出)构图，然后将悬臂16构图(在PMMA上)，随后蒸发30nm铬层178(图中未示出)，并如图13i的透视图中所示进行剥离。这一部分制造过程包括两个步骤。第一步为在将要成为悬臂16的末端14处沉积金四方形(图中未示出)，其与对准标记(图中未示出)一起用于生物功能化。第二步为光刻步骤，将包括具有铬层178(图中未示出)的悬臂16的区域遮蔽。
利用垂直等离子体蚀刻(NF3，Cl2，Ar)使装置10悬浮，其去除了层150和148中限定的薄膜的未遮蔽部分，产生图13i中和图13j的俯视图中所示的悬臂16。然后使用湿蚀刻去除铬掩模178(图中未示出)，并且用临界点干燥器将样品干燥。如图13k的俯视图中所示将晶片切割成小片。
然后使用带有图案的光刻胶作为模型，由硅树脂弹性体制造微流体通道52，然后蚀刻掉光刻胶，限定出模制弹性体胶囊体182中的实际液流通道，如图131所示。当放置于85℃的烤箱中24小时时，装置10的硅将液流通道52自密封。然后如图13m中所示通过常规方法将装置10或金焊点180生物功能化，如使液体通过液流通道52流动，该液流载有优先与金焊点180结合的受体分子。
绒球产生的阻尼为仅仅为大耗散分子的绒球60设置结合受体分子62。绒球60和结合分子62自由浮动于液体中。结合分子62适于与感兴趣的配合基结合。还使用适于与配合基结合的受体将末端14生物功能化。附着有受体62和绒球60的感兴趣配合基末端14上对受体的捕获，将导致末端14的阻尼系数急剧增大。
图14为质量为M的悬臂16的数学模型，悬臂16具有以分子62作为弹簧且附着到其末端14的绒球60。将绒球60设计成使耗散从而噪声最大，从而由星状枝晶组成。分子62可以包括烷烃或配合基链。对于图14系统，公式为Mx··+γx·+κx=km(xd-x)+F]]>γdx·d=-km(xd-x)]]>xd=kmxiωγd+km]]>其中M为悬臂16的质量，γ为悬臂16的流体阻尼系数，κ为悬臂16的弹簧常数，x为悬臂末端14的位移，km为分子62的有效弹簧常数，xd为绒球60的位移，γd为绒球60的流体阻尼系数，F为施加给悬臂16的外力。
可以将对于该系统的运动方程重写，表示存在下式给出的系统的有效阻尼和有效弹簧常数γ‾=γ+γd1+(γdkmω)2]]>
κ‾=κ+κm(γdωkm)21+(γdωkm)2]]>选择绒球60，使其阻尼系数尽可能地大，以使耗散最大，从而使噪声最大，因而γd＝km/ωγ‾=γ+12kmω]]>生物分子和绒球在耗散和噪声上的相对损耗相应为以下量级Δγγ≈kmγω]]>在不偏离本发明精神和范围的条件下，本领域普通技术人员可以进行多种改变和变型。从而，必须理解到仅仅为了示例的目的给出所示实施例，并且不应视作限制由以下权利要求所限定的本发明。例如，尽管下面以某种组合的形式给出权利要求的元件，不过必须理解本发明包括更少、更多或不同元件的其他组合，即便最初没有要求这些组合的权利，上面也披露了这些组合。
本说明中所使用的用于描述本发明及其各实施例的词语，不仅要在其通常限定含义的意义上来理解，而且包括普通定义的含义范围之外，本说明结构、材料或作用的特定定义。从而如果将本说明中的元件理解成包括不止一种含义，则必须将其在权利要求中的使用理解成，对于本说明和词语本身支持的所有可能含义是普通的。
从而，下述权利要求的词语或元件的定义在本说明中限定成，不仅包括字面上给出的元件的组合，而且还包括以基本相同方式执行基本相同功能以获得基本相同效果的所有等效结构、材料或作用。从而在这一意义上，可以对下面权利要求中的任何一个元件进行两个或多个元件的等效替代，或者可用单个元件取代权利要求中的两个或多个元件。尽管上面将元件描述为通过某种组合作用，并且最初就是同样要求的，不过清楚地理解到，在某些情况下可从所述组合去除所要求保护的组合的一个或多个元件，则所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
认为本领域普通技术人员现在可知或者将来想到的所要求主体的无实质性改变，在权利要求的范围内是等效的。从而，将本领域普通技术人员现在或将来可知的显而易见的替代限定为处于所定义的元件范围之内。
从而将权利要求理解为包括上面特定说明和描述的内容，显而易见可替代的内容，以及实质包含本发明基本思想的内容。
权利要求
1.一种亚微米bioNEMS装置，包括支架；和与支架耦合并从该处延伸的压阻悬臂，其具有长度l和宽度w以及一末端，其中所述悬臂具有一宽度减小为b且长度为l1的限制部分，以及处于所述末端或末端附近的生物功能化部分。
2.如权利要求1所述的bioNEMS装置，其中所述限制部分由多个宽度减小为b、附着到支架的管脚组成。
3.如权利要求2所述的bioNEMS装置，其中所述多个管脚的数量为2，并且彼此分隔w-2b的距离。
4.如权利要求1所述的bioNEMS装置，还包括施加给悬臂的限制部分的偏流源，并且所述偏流的幅值受生物功能化末端的最大可接受温度升高的限制。
5.如权利要求4所述的bioNEMS装置，其中生物功能化末端的最大可接受温度升高近似为1度K。
6.一种浸入液体中的压阻bioNEMS装置的改进，包括至少一个长度为l的振动悬臂，将幅值选择成使得相对于压阻bioNEMS装置产生的信号强度，背景约翰逊噪声最小。
7.如权利要求6所述的改进，其中信号强度是基于压阻bioNEMS装置在液体中的热机械噪声大小。
8.如权利要求6所述的改进，其中压阻悬臂具有宽度w，和宽度减小为b的限制部分，其中选择所述减小的宽度b，以便相对于压阻bioNEMS装置产生的信号强度，减小约翰逊噪声。
9.如权利要求8所述的改进，其中所述信号强度是基于压阻bioNEMS装置在液体中的热机械噪声大小。
10.一种浸入液体中的生物功能化bioNEMS装置的改进，包括设置于bioNEMS装置上、用于与感兴趣的配合基结合的受体，和设置于具有受体的bioNEMS装置上、用于增强受体与感兴趣配合基结合率系数的催化剂。
11.如权利要求10所述的改进，其中所述催化剂降低受体-配合基结合活化能。
12.如权利要求10所述的改进，其中借助于强制进化设计所述受体以便优选地和感兴趣的配合基结合。
13.一种亚微米装置，包括载波信号源；支架；与支架耦合并从该处延伸的压阻悬臂；以及设置在悬臂上并且与所述源电磁耦合的元件，从而由来自于所述源的载波信号驱动所述悬臂。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述元件包括设置于所述悬臂上的磁膜，并且所述源产生与磁膜耦合的电磁信号。
15.一种设备，包括多个NEMS传感器，每个NEMS传感器产生一输出信号；和对多个NEMS传感器产生的多个相应输出信号进行处理以便获得集合输出信号的装置。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述装置将所述多个输出信号求平均，从而所述集合输出信号是平均值。
17.如权利要求15所述的设备，其中所述装置确定在预定时间窗口内所述多个输出信号的预定部分是否处于阈值之上。
18.如权利要求15所述的设备，其中多个NEMS传感器中的每一个被生物功能化，并且所述装置通过仅产生集合输出信号而有效增大配合基捕获率，其中集合输出信号表示与单个NEMS传感器相比，增大配合基捕获率。
19.一种浸入液体中的装置，包括浸入液体中以构成相邻传感器阵列的多个NEMS传感器，每个NEMS传感器产生一输出信号，两个相邻NEMS传感器的运动通过相邻NEMS传感器所浸入的液体彼此耦合。
20.如权利要求19所述的装置，其中由下式定义包括两相邻NEMS传感器的第一和第二NEMS传感器的运动的互相关，C12＝<x1(0)x2(t)>ddtC12(t)=-kBTX12(t)---t>0]]>其中kB为波尔兹曼常数，T为液体的温度，t为时间，X12为“磁化系数”，给出了对于作用于第一传感器上的力F1，第二传感器的位移x2(t)，从而由下式定义对于第二传感器该部分的总体均值<x2(t)>∫-∞∞X12(t-t′)F1(t′)dt′]]>
21.一种浸入液体中的装置，包括用于承载液流的微流体液流通道；和至少一个设置于微流体通道中的NEMS传感器，从而通过所述NEMS传感器感测液体的性质。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述NEMS传感器被生物功能化，并且通过所述NEMS传感器感测得的液体性质在NEMS传感器生物功能化的配合基液体内存在或不存在。
23.如权利要求21所述的装置，还包括多个NEMS传感器，各NEMS传感器共同设置于液流通道中。
24.如权利要求23所述的装置，还包括多个液流通道，其中重新分配所述多个NEMS传感器。
25.如权利要求23所述的装置，其中所述多个NEMS传感器是表面制造的。
26.如权利要求23所述的装置，其中所述多个NEMS传感器是薄膜制造的。
27.一种由薄膜制造bioNEMS装置的方法，包括形成包括晶片层，处于晶片层上的蚀刻停止层，处于蚀刻停止层上的NEMS装置层以及处于NEMS装置层上的压阻层的异质结构；通过晶片层到达蚀刻停止层蚀刻凹槽，以限定将要成为在其中限定NEMS装置的薄膜的区域；去除凹槽底部的蚀刻停止层到达装置层，以形成薄膜；通过电子束平版印刷在薄膜的压阻层上有选择地形成导电接触点；通过电子束平版印刷在薄膜的压阻层上有选择地形成将要被生物功能化的区域；通过电子束平版印刷在薄膜的压阻层上有选择地形成NEMS装置，其包括将要被生物功能化的区域；有选择地等离子体蚀刻薄膜，以去除未遮蔽部分，限定悬浮NEMS装置；在薄膜周围设置的弹性层中有选择地模制液流通道；以及将NEMS装置上的选定区域生物功能化。
28.如权利要求27所述的方法，其中形成异质结构还包括将晶片层抛光，以促进弹性层的粘接。
29.如权利要求27所述的方法，其中形成异质结构还包括使晶片层变薄。
30.如权利要求27所述的方法，其中有选择地等离子体蚀刻薄膜以去除未遮蔽部分，限定悬浮NEMS装置，包括有选择地垂直等离子体蚀刻掉NEMS装置层的未遮蔽部分。
31.如权利要求27所述的方法，其中在围绕薄膜设置的弹性层中有选择地模制液流通道，包括有选择地设置光刻胶层以限定液流通道，在有选择地设置的光刻胶层上设置弹性层，并且去除光刻胶层以限定液流通道。
32.一种浸入液体中的用于检测配合基的NEMS装置，包括谐振元件，其具有浸入液体中的对于该配合基生物功能化的末端；设置于液体中的结合分子；以及设置于液体中用于提供阻尼力的绒球，其中通过结合分子对配合基的捕获，和通过结合分子对绒球的捕获，使得当配合基附着到元件的生物功能化末端时元件的阻尼增大。
33.如权利要求32所述的NEMS装置，其中所述绒球由星形枝晶组成。
34.一种利用NEMS装置检测液体中配合基的方法，包括将谐振元件的末端浸入液体中，其中该末端对于所述配合基生物功能化；提供处于液体中的结合分子；提供处于液体中的绒球；由结合分子捕获配合基；由结合分子捕获绒球；并且使配合基与谐振元件的生物功能化末端结合，从而增大谐振元件的阻尼。
全文摘要
一种bioNEMS装置，包括具有挠曲管脚和末端具有生物功能化部分的压阻悬臂，挠曲管脚将悬臂固定到支架。施加给管脚的偏流受生物化末端所能接受的最大温度增加限制。选择悬臂的长度的幅值，使背景约翰逊噪声最小。装置上经过催化的受体与配合基结合，增强结合率系数。催化剂降低了受体－配合基结合活性能，并且设计成通过强制进化优先与配合基结合。设置在悬臂上的磁膜注入载波信号，而磁膜与载波信号源电磁耦合。多个NEMS流体耦合的传感器产生多个输出信号，由此通过求平均或阈值化产生集合输出信号。NEMS装置设置于微流体液流通道中，并且在薄膜中制造而成。结合分子附着于传感器的末端，绒球附着于结合分子上，以增大阻尼。
文档编号G01N33/543GK1663014SQ03814701
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月7日 优先权日2002年5月7日
发明者迈克尔·L·洛克斯, 斯科特·E·弗雷泽, 杰利·E·所罗门, 迈克尔·C·克罗斯, 杰西卡·L·阿勒特 申请人:加利福尼亚技术学院