CN1663014A

Dynamic BIONEMS sensors and arrays of BIONEMS sensor immersed in fluids

Abstract

A bioNEMS device includes a piezoresistive cantilever with a flexure pin and a biologically functionalized part at the end. The flexure pin fixes the cantilever to a support. The bias current applied to the pins is limited by the maximum temperature increase that the biochemical tip can accept. Choose the magnitude of the length of the cantilever to minimize the background Johnson noise. The catalyzed receptor on the device binds to the ligand to enhance the binding rate coefficient. The catalyst reduces the receptor-ligand binding activity and is designed to preferentially bind to the ligand through forced evolution. The magnetic film arranged on the cantilever injects a carrier signal, and the magnetic film is electromagnetically coupled with the carrier signal source. Multiple NEMS fluid-coupled sensors generate multiple output signals, thereby generating aggregate output signals through averaging or thresholding. The NEMS device is placed in the microfluidic flow channel and manufactured in a thin film. The binding molecules are attached to the end of the sensor, and the pom-poms are attached to the binding molecules to increase damping.

CN1663014A, drawing sheet 1
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34 claims: 10 independent, 24 dependent

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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= lt;x1(0)x2(t) gt;: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: lt;x2(t) Integral;- infin;infin;X12(t-t prime;)F1(t prime;)dt prime;]]
  21. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。
Independent claims34