纳米结构的微电极以及集成所述微电极的生物传感器件制造技术

本文公开了纳米结构微电极以及集成所述微电极的生物传感器件。

Nano structured microelectrode and biosensor device incorporating the same

The invention discloses a nano structured microelectrode and a biosensor device integrated with the microelectrode.

【技术实现步骤摘要】
本申请为分案申请，原申请的申请日为2009年9月1日，申请号为200980143689.0(PCT/CA2009/001212)，专利技术名称为“纳米结构的微电极以及集成所述微电极的生物传感器件”。相关申请本申请要求保护于2008年9月5日提交的美国临时申请号61/093,667(名称：纳米结构微电极以及集成所述微电极的生物传感器件(NanostructuredMicroelectrodesandBiosensingDevicesIncorporatingtheSame))的优先权，该申请通过引用以其整体结合到本文中。专利技术背景基因组分析彻底革新了早期疾病诊断并显著增强了对患者的护理(McGuire等.Science317:1687,Srinivas等,LancetOncol.2:698)。微阵列(Drmanac等,Science260:1649,Hacia等,Nat.Genet.14:441)和基于聚合酶链式反应(PCR)的技术(Saiki等,Science230:1350)作为工具，有助于引领这场革新，使得能够发现并初步开发用于患者测试的测定法(Morris等,Curr.Opin.Oncol.19:547)。然而，将基因组学革新的范围扩展到患者床边需要用于个体生物标志概况分析的成本有效的工具，所述个体生物标志概况分析相对于假定疾病状态进行评价。具体地讲，优选能够常规患者护理的工具会比基于PCR的方法更简单、更轻便和更便宜，但应保持高度的选择性和灵敏度。基于电子读出(electronicreadout)的生物标志分析早已作为有希望的方法提及，该方法能使基于芯片的器件的新家族以合适成本和灵敏度用于医学测试(Drummond等,Nat.Biotechnol.21:1192,Katz等,Electroanalysis15:913)。电子读出的灵敏度在原则上足以允许用简单仪器装置就可直接检测少量分析物分子。然而，尽管在该领域和涉及新诊断学的相关领域都取得了巨大进展(Clack等,Nat.Biotechnol.26:825,Geiss等,Nat.Biotechnol.26:317,Hahm等,NanoLett.4:51,Munge等,Anal.Chem.77:4662,Nicewarner-Pena等,Science294:137,Park等,Science295:1503,Sinensky等,Nat.Nano.2:653,Steemers等,Nat.Biotechnol.18:91,Xiao等,J.Am.Chem.Soc.129:11896,Zhang等,Nat.Nano.1:214,Zhang等,Anal.Chem.76:4093,Yi等,Biosens.Bioelectron.20:1320,Ke等,Science319:180,Armani等,Science317:783)，但是目前多路复用芯片(multiplexedchip)仍然必须实现对细胞样品和临床样品的生物标志进行直接电子检测。限制这类器件实施的挑战主要来自在当测定复杂生物样品时存在的高背景噪声水平存在下获取非常低的检测限的困难，以及产生具有高度灵敏性和特异性的多路复用系统的挑战。电化学系统的小型化一直是分析化学和生物分析化学中的主要焦点(Matysik,MiniaturizationofElectroanalyticalSystems(Springer-Verlag,2002))，因为用具有微米级至纳米级尺寸的系统可能能够达到提高灵敏度(Szamocki等,A.Anal.Chem.2007,79,533-539)。已用微米级或亚微米级尺寸的电极进行了大量工作。这些系统具有许多超出常规大电极的优势，例如双层充电更快、欧姆损耗降低、传质速率高和电流密度高(Bond等Anal.Chimi.Acta1989m216,177-230,Heinze,Angew.Chem.Int.Ed.2003,32,1268-1288)。实际上，这样的电极已经成为各种分析应用中的充分确立工具(Bard,ElectrochemicalMethods:FundamentalsandApplications(Wiley,NewYork,2001),Reimers,Chem.Rev.2007,107,590-600,Zosic,Handbookofelectrochemistry(Elsevier,2007))。然而，采用纳米级电极的工作明显更具挑战性，因为制作通常是劳动密集型的、重现性差，而且由这类结构产生的电流通常难以进行精确测量。已经研究了纳米线电极(nanowireelectrode)在超灵敏的核酸和蛋白质检测中的应用(Gasparac等JAmChemSoc126:12270)。这种电极平台的应用使得能够电化学检测皮摩尔水平的分析物，而这种灵敏度水平用大尺度材料是无法达到的。尽管已经报道了纳米线能够检测渺摩尔(attomolar)水平的分析物，但是当处理通常用于分析的体积时，这实际上相当于皮摩尔水平。也已经证明了纳米粒改性的电极可以表现出超出常规大电极的若干优势，例如传质的增强、催化作用、高的有效表面积和对电极微环境的控制(Katz等Electroanalysis2004,16,19-44,Welch等Anal.Bioanal.Chem.2006,384,601-619)。然而，制备纳米线电极阵列非同小可。通过铂纳米粒的电沉积改性的硼掺杂的金刚石微电极已经用于对低于1ppb水平的As(III)的氧化测定(Hrapovic等Anal.Chem.2007,79,500-507)。然而，这类电极不能集成到用于多元实验的基于阵列的格式中。对核酸生物标志组或蛋白质生物标志组的分析为作出临床决策提供了有价值的诊断和预后信息。向对临床样品进行概况分析提供特异性和灵敏度的现有方法通常是昂贵、缓慢和连续的。因此需要超灵敏的器件，用于以多元方式检测生物标志。专利技术概述一方面，本专利技术的特征在于纳米结构微电极(NME)。NME是电极，它具有纳米质地，因此具有增加的表面积。优选的NME由以下构成：贵金属(例如金、铂、钯、银、锇、铟、铑、钌)；贵金属合金(例如金-钯、银-铂等)；导电聚合物(例如聚吡咯(PPY))；非贵金属(例如铜、镍、铝、锡、钛、铟、钨、铂)；金属氧化物(例如氧化锌、氧化锡、氧化镍、氧化锡铟、氧化钛、氮掺杂的氧化钛(TiOxNy)；金属硅化物(硅化镍、硅化铂)；金属氮化物(氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)或氮化钽(TaN))；碳(纳米管、纤维、石墨烯和无定形物)或任何以上材料的组合。上述材料的NME是高度导电的并与探测物(例如核酸和肽)形成强的键。优选的NME具有约0.5-约100微米(μm)范围的高度，例如约5-约20微米(例如10微米)范围的高度；约1-约10微米范围的直径；并具有纳米级的形态(例如在约1-约300纳米和更优选范围为约10-约20纳米的长度尺度上为纳米结构的)。NME可以是任何不同形状，包括半球形、不规则形(例如钉状)、环形(线状)或分形(fractal)(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米结构微电极。

【技术特征摘要】
2008.09.02 US 61/0936671.一种纳米结构微电极。
2.权利要求1的微电极，所述微电极由选自以下的材料构成：贵
金属、贵金属合金、导电聚合物、金属氧化物、金属硅化物、金属氮
化物、碳或其任意组合。
3.权利要求1的微电极，所述电极的高度范围为约0.5-约100微
米。
4.权利要求1的微电极，其中所述纳米结构的长度范围为约1
至-约300纳米。
5.权利要求1的微电极，其中所述纳米结构的长度范围为约10-
约20纳米。
6.权利要求1的微电极，其中所述微电极的近似直径范围为约
1-约10微米。
7.权利要求1的微电极，其中所述纳米结构是钉状或分形。
8.权利要求1的微电极，所述微电极还包括选自以下的探测物：
硫醇化探测分子；末端为硫醇的核酸、肽核酸、锁定核酸或磷酰二胺
吗啉代寡聚物；末端为胺的核酸、肽核酸、锁定核酸或磷酰二胺吗啉
代寡聚物；末端为羧酸的核酸、肽核酸、锁定核酸或磷酰二胺吗啉代
寡聚物；用合适连接分子官能化的蛋白质或肽以及用合适的连接分子
官能化的抗体。
9.一种生物传感器件，所述器件包括基材；在所述基材上的导电
的导线；覆盖所述导线的绝缘层，所述绝缘层具有暴露部分导线的孔
隙；和纳米结构微电极，所述微电极与导线的暴露部分处于电相通，
所述微电极适于响应于生物分子刺激而产生电荷。
10.权利要求9的生物传感器件，其中所述导线包括选自以下的
材料：Au、Al、W、TiN和多晶硅。
11.权利要求9的生物传感器件，其中所述基材包含选自以下的

\t材料：硅、二氧化硅、石英、玻璃、蓝宝石、砷化镓、锗、碳化硅、
铟化合物、硫化硒、陶瓷、塑料、聚碳酸酯和其它聚合物或任何上述
材料的组合。
12.权利要求9的生物传感器件，其中所述绝缘层由选自以下的
材料组成：二氧化硅、氮化硅、氮掺杂的氧化硅和聚对二甲苯或任何
上述材料的组合。
13.权利要求9的生物传感器件，其中所述孔隙的近似直径范围
为约100nm至约10μm。
14.权利要求9的生物传感器件，所述器件还包括与导线电相通
的电荷存储器，用于存储来自所述微电极的电荷，其中在积分期末在
所述电荷存储器中的电荷指示所述生物分子刺激。
15.权利要求9的生物传感器件，所述器件还包括用于显示所述
电荷存储器中存储的电荷的显示元件。
16.权利要求9的生物传感器件，所述器件还包括晶体管。
17.权利要求16的生物传感器件，其中所述晶体管是场效应晶体
管(FET)。
18.权利要求17的生物传感器件，其中所述FET选自：n-型硅
沟道和p-型硅沟道。
19.权利要求16的生物传感器件，其中所述晶体管是双极晶体
管。
20.权利要求19的生物传感器件，其中所述双极晶体管选自：
n-p-n双极结型晶体管和p-n-p双极结型晶体管。
21.权利要求9的生物传感器件，所述器件包括多根导线，其各
自具有各自的微电极。
22.权利要求21的生物传感器件，所述器件包...

【专利技术属性】
技术研发人员：L索利马尼，Z方，S凯莉，E萨金特，B塔夫特，
申请(专利权)人：多伦多大学董事局，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA