一种基于MEMS的阳极氧化铝纳米微阵列芯片及其制备工艺和应用的制作方法

一种基于mems的阳极氧化铝纳米微阵列芯片及其制备工艺和应用
技术领域
1.本发明涉及生物芯片制备技术领域，特别涉及一种基于微电子机械系统(mems)的阳极氧化铝纳米微阵列芯片及其制备工艺和应用。


背景技术：

2.基于微阵列生物芯片的检测技术近年来已经得到广泛应用。在核酸分子诊断和测序领域，生物芯片具备高通量检测的应用特性。传统的高通量生物芯片微阵列，是通过在硅基芯片上利用mems光刻技术，在几平方厘米的面积上制作出几百至几千个微米级别的阵列单元，每个阵列可独立负载一种生物标志物，如核酸、蛋白质、小分子化合物等等。此类高密度微阵列是当前高通量基因测序和生物诊断技术的基础。
3.硅基光刻技术已经成熟应用于高精度芯片制造工艺，然而其制作流程非常复杂，从上游晶圆制备，到晶圆加工成芯片设计数十道工序。在硅芯片制作加工中，涉及到使用高危险性的氢氟酸对硅晶圆表面的清洗和蚀刻。同时，由于硅表面的氧化层容易发生水解反应而脱落，硅芯片的微阵列表面修饰工艺复杂以保持活性。因此，硅基高通量生物芯片的复杂工艺直接导致芯片价格昂贵，制约了芯片的发展。
4.铝基生物芯片目前尚未得到应用。阳极氧化铝过程是一种铝的工艺表面处理工艺，其制作工艺简单，成本低，合成的多孔阳极氧化铝材料比表面积大，是理想的高通量芯片材料。相比于硅基材料，阳极氧化铝材料化学和物理性能更加稳定，且合成工艺相对经济，是理想的硅基芯片替代材料。
5.在阳极氧化反应过程中，金属铝作为阳极，铂电极作为阴极，电解质为酸性溶液。在精确控制反应条件下，金属铝的表面会形成致密的阳极氧化铝多孔薄膜。其形成的阳极氧化铝薄膜具有高孔隙率、纳米结构可控等优点，具有潜在的生物学应用价值。此前公开的阳极氧化铝芯片技术只能检测单一生物标志物，无法实现在一张芯片上进行高通量的标志物检测。基于mems的微加工工艺曾被应用在阳极氧化铝电容器的加工工艺当中。然而，该工艺尚未被应用于大规模阳极氧化铝高通量芯片的制备。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种基于mems的阳极氧化铝纳米微阵列芯片的制备工艺，首次实现大规模阳极氧化铝微阵列芯片的制备，得到可控纳米孔道(可以控制纳米孔的直径、长度和孔隙率)，可负载生物标志物用于高通量检测，从而应用于生物芯片领域。
7.为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
8.一种基于mems的阳极氧化铝纳米微阵列芯片的制备工艺，包括如下步骤：
9.s1、取高纯铝片材料，先对其去油脂处理；优选地，高纯铝片纯度为99.99％以上，铝箔厚度在0.1mm
‑
1mm之间；去油脂工艺为将高纯铝片材料放在丙酮中超声清洗5min。
10.s2、对高纯铝片材料进行抛光，使表面呈镜面状；抛光步骤中采用体积比为1:4的高氯酸、乙醇混合液进行化学抛光，化学抛光反应条件为10
‑
25v恒定电压下低温反应1
‑
5min。由于铝初始表面不平整，凸起部分电化学反应速度高于凹陷部分，因此持续的反应使铝表面趋于平整，最终达到光亮面。
11.s3、以铂丝为阴极，抛光处理得到的高纯铝片为阳极，在电解液中进行初次阳极氧化；
12.s4、初次阳极氧化的条件是40
‑
50v恒定电压反应10
‑
20h，反应温度5
‑
25℃，电解液是0.15
‑
0.5mol/l的草酸溶液；随后高纯铝片材料在0.2mol/l的铬酸溶液与0.4mol/l的磷酸共混液中，70℃侵蚀1
‑
3h；然后去离子水清洗，并烘干。
13.s5、在干燥后的高纯铝片材料表面旋涂1
‑
5μm微米厚度的光刻胶，旋涂转速为2000
‑
5000r/min，30
‑
60s；随后通过光刻工艺，在铝材料表面根据实际芯片的检测通量制作阵列区域，例如可制作60
×
60个边长为0.1
‑
10mm的正方形裸露区域；此步骤中，可选用正性光刻胶或负性光刻胶，采用传统光刻工艺制作阵列，旋涂光刻胶
‑
前烘
‑
曝光
‑
后烘
‑
超声
‑
显影。
14.s6、随后，将铝基底进行再次阳极氧化处理，在0.05
‑
0.3mol/l的草酸溶液体系中，在40v恒压，0.5℃反应10min，随后以0.5v/s的速率将电压增至90
‑
130v，维持恒定电压反应10
‑
60min，即可得到高孔隙率，结构均一的阳极氧化铝纳米微阵列芯片；
15.s7、使用去胶液去除光刻胶，并清洗、烘干，并用光学显微镜镜检。
16.进一步地，为提高材料的品质，在步骤s1中，高纯铝片材料去油脂处理后，还包括对高纯铝片的高温退火步骤，优选地，高温退火工艺为氮气保护或空气下，以100℃初始温度，每分钟升温2
‑
10℃直至300℃，并维持10min
–
60min。退火工艺使得高纯铝在热激活状态下微观晶粒结构再结晶，减少晶粒排列的内部缺陷。退火工艺条件需在合理范围内优化至最优。
17.本发明制备得到的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，其正面为多孔阳极氧化铝，背面为铝基底。阳极氧化铝表面基团为羟基和电解液所含基团。此外，基于阳极铝氧化工艺并对纳米孔道的形貌进行精准调控可以制备光子晶体，或者特殊孔型阳极氧化铝、通孔阳极氧化铝等微阵列芯片。
18.作为生物芯片的阳极氧化铝纳米微阵列芯片应用前，需进行表面官能团修饰，通常为氨基化修饰使表面修饰带有活性的基团，使其与生物标志物结合。本发明使用的阳极氧化铝表面修饰方法为化学气相沉积。可将制得的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，与5
‑
10μl3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷(aptes)试剂置于反应釜中，在130℃的真空条件下反应1
‑
3h。优选的，还可使用液相法进行表面修饰，将阳极氧化铝纳米微阵列芯片置于体积浓度5％aptes的乙醇溶液中，反应2
‑
4h。反应过后的阳极氧化铝，需进行末道清洗工艺，将阳极氧化铝芯片转移至非极性溶液中超声清洗1
‑
5mins，除去未反应的溶剂，然后在n2保护的真空中干燥，保存并封装。
19.为提高阳极氧化铝表面羟基含量，可将阳极氧化铝芯片置于饱和过氧化氢溶液中加热至沸腾处理1h。阳极氧化铝表面的羟基相比硅基芯片的表面羟基更加的稳定，不易发生水解。硅基芯片表面羟基与水接触反应生成可溶性成分，造成表面修饰失效，因此硅基芯片表面通常还需修饰长链高分子以防止水解反应发生。相比之下，阳极氧化铝表面化学性
能稳定，无需进行高分子保护层的修饰，也能保持羟基的稳定性。
20.氨基化修饰后的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，在1
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)
‑3‑
乙基碳化二亚胺(edc)和n
‑
羟基丁二酰亚胺(nhs)反应体系的作用下，可以与多种生物探针(例如基因、核酸、抗体等)反应，从而将生物探针固定在芯片上。
21.本发明的阳极氧化铝微阵列可具有数百个分区，可以使用数字化点样机或人工点样实现生物探针的标记，从而制备高通量检测的生物芯片。
22.由此可知，本发明是通过超声化学去油脂
→
电化学抛光
→
初次阳极氧化
→
化学蚀刻
→
旋涂光刻胶
→
光刻
→
再次阳极氧化
→
表面修饰
→
末道处理过程，最终获得阳极氧化铝纳米微阵列芯片。
23.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
24.1.现有硅基生物芯片制作方案制作成本高，工艺复杂。本发明首次实现阳极氧化铝作为高通量生物芯片的应用，制作成本大大降低，工艺简单可以放大生产，且更加的环保，避免使用剧毒污染物，如氢氟酸；
25.3.相比于传统阳极氧化铝合成条件，本发明专利使用新型的阳极氧化铝合成工艺，在二次氧化的过程中，使用逐级升高的电压，从而在保证孔道生长稳定的同时，大大提高了孔道合成速率。传统工艺纳米孔道生长速度约为1μm/h，本发明专利纳米孔道生长速度可达30
‑
100μm/h。
26.4.阳极氧化铝易于进行表面修饰，其修饰的表面不易于空气中的水分子反应，比传统的硅基材料更稳定。
27.5.相比于传统硅基生物芯片，本发明的阳极氧化铝芯片由于高密度纳米孔道的存在，大大提高比表面积，单位面积可以结合更多的生物标志物，进而提高信号强度。
附图说明
28.图1为本发明的阳极氧化铝纳米微阵列芯片的正面电镜照片；
29.图2为本发明的阳极氧化铝纳米微阵列芯片的侧面电镜照片。
具体实施方式
30.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
31.一种基于mems的阳极氧化铝纳米微阵列芯片的制备工艺，包括如下步骤：
32.s1、取高纯铝片材料，先对其去油脂处理；优选地，高纯铝片纯度为99.99％以上，铝箔厚度在0.1mm
‑
1mm之间；去油脂工艺为将高纯铝片材料放在丙酮中超声清洗5min。
33.s2、对高纯铝片材料进行抛光，使表面呈镜面状；抛光步骤中采用体积比为1:4的高氯酸、乙醇混合液进行化学抛光，化学抛光反应条件为10
‑
25v恒定电压下低温反应1
‑
5min。
34.s3、以石墨或铂为阴极，抛光处理得到的高纯铝片为阳极，在电解液中进行初次阳极氧化；
35.s4、随后高纯铝片材料在0.2mol/l的铬酸溶液与0.4mol/l的磷酸共混液中，70℃侵蚀1
‑
3h；初次阳极氧化的条件是40v恒定电压反应10
‑
20h，反应温度5
‑
25℃，电解液是
0.3mol/l的草酸溶液；
36.s5、在高纯铝片材料表面旋涂2
‑
5微米厚度的su
‑
8光刻胶，旋涂转速为2000
‑
5000r/min，30
‑
60s；随后通过光刻工艺，在铝材料表面制作约60
×
60个边长为0.1
‑
10mm的正方形裸露区域；
37.s6、随后，将铝基底进行再次阳极氧化处理，在0.3mol/l的草酸溶液体系中，在40v恒压，0.5℃反应10min，随后以0.5v/s的速率将电压增至90
‑
130v，维持恒定电压反应10
‑
60min，即可得到高孔隙率，结构均一的阳极氧化铝纳米微阵列芯片；
38.s7、去除光刻胶，并清洗获得的材料表面。
39.进一步地，为提高材料的品质，在步骤s1中，高纯铝片材料去油脂处理后，还包括对高纯铝片的高温退火步骤，优选地，高温退火工艺为氮气保护或空气下，以100℃初始温度，每分钟升温2
‑
10℃至300℃，并维持10min
–
60min。退火工艺使得高纯铝在热激活状态下微观晶粒结构再结晶，减少晶粒排列的内部缺陷。退火工艺条件需在合理范围内优化至最优。
40.本发明制备得到的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，其正面为多孔阳极氧化铝，如图1所示(图1因为比例尺的问题，没有显示完整的阵列式样)，背面为铝基底。阳极氧化铝表面基团为羟基和电解液所含基团。
41.作为生物芯片的阳极氧化铝纳米微阵列芯片应用前，进行氨基化修饰，使表面修饰带有活性的氨基基团。表面修饰方法为利用化学气相沉积或液相反应方法。可将制得的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，与5
‑
10μlaptes试剂置于反应釜中，在130℃的真空条件下反应3h。或者将阳极氧化铝纳米微阵列芯片置于5％aptes的乙醇溶液中，反应2
‑
4h。
42.为提高阳极氧化铝表面羟基含量，可将阳极氧化铝芯片置于过氧化氢溶液中加热至沸腾处理1h；之后，氨基化修饰后的阳极氧化铝纳米微阵列芯片，具有高通量的特点，在edc/nhs反应体系的作用下，可以与生物探针反应，从而将生物探针固定在芯片上。
43.本发明的阳极氧化铝纳米微阵列芯片用作生物芯片时，有序的纳米孔增加了生物芯片的比表面积，相比于平面结构，可以负载更高密度的核酸探针，提高信号强度。
44.相对于硅基生物芯片，阳极氧化铝芯片拥有垂直于表面的高比表面积纳米孔道，其孔密度公式为：
[0045][0046]
其中，σ为孔密度，d
int
为孔间距。在本实施例的反应条件下，孔密度约为1.0
‑
2.1*109。由此可知，相比于传统硅基生物芯片，阳极氧化铝芯片由于高密度纳米孔道的存在，大大提高比表面积，单位面积可以结合更多的生物标志物，进而提高信号强度。
[0047]
本实施例采用了区别于现有的阳极氧化铝合成条件，阳极氧化铝孔道合成速率比传统工艺更快。
[0048]
相比于硅基芯片，阳极氧化铝更容易进行表面修饰，且表面化学性能稳定。硅表面的羟基与水反应，生成可溶于水的氢氧化硅，造成表面化学失效，从而影响芯片灵敏度。
[0049]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。