專利名稱：稱量病毒的方法及稱量病毒用的納米秤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于病毒的快速檢測的稱重裝置。
背景技術(shù)：
國際科研領(lǐng)域中，對一個(gè)病毒重量測量這方面的研究已經(jīng)開展了一定的基礎(chǔ)工 作，而國內(nèi)尚未有任何關(guān)于稱量單立病毒、細(xì)菌及微生物體的"納米秤"的研究報(bào)道，而關(guān)于 納米級別懸臂梁的研究尚有一些實(shí)驗(yàn)室和公司開展工作，而一些關(guān)于金屬懸臂梁的設(shè)計(jì)， 還處于實(shí)驗(yàn)室模擬階段，未見有階段性工作進(jìn)展。 美國普度大學(xué)醫(yī)學(xué)工程系的科研人員稱出了一粒天花疫苗里的牛痘病毒的重量 是9. 5飛克(1飛克=千萬億分之一克)。今后研究目標(biāo)是制造出一個(gè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中的 微生物的手提儀器，可用它來稱量SARS病毒的重量。這個(gè)天平是在一塊面積為1平方厘米 的經(jīng)過微加工在硅片上制造的一條懸臂梁從硅片上伸出來，懸臂梁的自然共振頻率為1. 27 兆赫。當(dāng)把牛痘病毒放在懸臂梁上后，懸臂梁的共振頻率就會(huì)發(fā)生變化。新的共振頻率為 1. 21兆赫，這個(gè)共振頻率可以用氦氣激光測量出。由于共振頻率與懸臂上的病毒的質(zhì)量是 密切相關(guān)的。因此這個(gè)辦法可以讓科學(xué)家利用已知的病毒的質(zhì)量，很容易地辨出各種不同 的病毒。這個(gè)形似跳水板的天平是在一塊硅片上蝕刻出來的.它能稱量單個(gè)牛痘病毒無 平懸臂梁的寬度大約是人頭發(fā)絲的1/100。 美國康奈爾大學(xué)的研究人員利用一種亞微觀裝置已經(jīng)能夠檢測出單個(gè)細(xì)胞的重 量?，F(xiàn)在他們正在進(jìn)行病毒稱重工作。研究小組使用一種微小的振蕩懸臂，通過記錄質(zhì)量增 加引起的振動(dòng)頻率變化測出了 6阿克的質(zhì)量。這一亞微觀裝置本身的尺寸約幾個(gè)納米，稱 為納米電子機(jī)械系統(tǒng)。這一裝置能夠測得的質(zhì)量已達(dá)阿克以下，例如一個(gè)小病毒的質(zhì)量約 10阿克。在進(jìn)行細(xì)胞稱重時(shí)，研究人員將大腸桿菌抗體涂滿懸臂，然后將裝置置于含有這種 細(xì)菌的溶液中，當(dāng)恰巧只有一個(gè)細(xì)胞粘附到懸臂上，單個(gè)細(xì)胞的重量就被測出了。據(jù)介紹， 通過精調(diào)，只要給懸臂涂上相應(yīng)的抗體，它就可以測量和鑒別DNA分子、蛋白質(zhì)以及其他生
物分子。 除了利用MEMS工藝制備Si和Si-N懸臂梁作為納米秤研究外，佐治亞理工的王中 林教授還提出了利用CNTs作為納米秤的設(shè)想。但是他們的測試機(jī)理是一樣的，均為振動(dòng)頻 率擾動(dòng)法，計(jì)算病毒單體的重量。共同點(diǎn)不僅僅在于測試方法，同樣在于借助MEMS工藝，實(shí) 現(xiàn)懸臂梁的搭建。這樣的工藝，制作難度較大，同樣成本很高，不利于商業(yè)化推廣，這就需要 一種更為實(shí)際而簡單的工藝結(jié)構(gòu)來代替它們。 用成千上萬，甚至上億個(gè)病毒的總質(zhì)量除以總數(shù)來得到單個(gè)病毒的質(zhì)量，這種方 法的前提是病毒的總數(shù)是已知而且要求樣品中病毒的種類單純。迄今為止，還沒有一種 秤的精確度能達(dá)到稱出單個(gè)病毒重量的水平。無法精確的稱量一個(gè)病毒的重量，其困難在 于細(xì)菌的大小處于"納米"數(shù)量測量尺度。成熟的具有感染能力的病毒個(gè)體稱為病毒粒子 (Virion)。病毒粒子的大小以納米(nm)來計(jì)量。由于病毒的種類與其自身的尺寸和重量 是一一對應(yīng)的，因此根據(jù)病毒的大小、形態(tài)和重量特征，可供鑒定病毒時(shí)參考。
3
未知病毒的發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)有病毒的變異情況，這些都需要更加精密的儀器來輔助診斷。
而病毒的變異總是會(huì)帶來更加嚴(yán)重的傳染性和對人類機(jī)體健康系統(tǒng)更加致命的破壞力。 HIV病毒的檢測是全世界都在關(guān)注的課題，抗體檢測是發(fā)展比較成熟的一種檢測
方法，感染后3 8周才能夠被檢測出來，這是由于從感染HIV，到產(chǎn)生可以被檢測出來的一
定量的HIV抗體需要一段時(shí)間，HIV病毒從感染到可以被檢測出來的時(shí)間也被稱為窗口期。
全世界都在致力于縮短HIV從感染到可以被檢測的時(shí)間，即縮短窗口期。 另一種檢測HIV的病毒檢測又可分為病毒分離法、p24抗原檢測和病毒核酸檢測
三種。在HIV感染人體后不久，抗體還不能被檢出，但可以檢測到HIV相關(guān)抗原或分離病毒。
抗原能夠在個(gè)體感染后先于血清轉(zhuǎn)化2到8天被檢測到。因此，通過檢測HIV的p24抗原
比抗體檢測在時(shí)間上有一定的優(yōu)勢。但這種時(shí)間上的優(yōu)勢仍不能滿足醫(yī)護(hù)工作中迅速檢測
的要求。 2009年全球大范圍爆發(fā)的甲型H1N1流感癥狀和普通流感相似，因而很難從癥狀 上區(qū)分是季節(jié)性乙型流感還是甲型H1N1流感。目前對甲型H1N1流感病毒的檢測主要是在 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。有以下三種方法 (1)基于RT-PCR的方法檢測甲型H1N1流感病毒。 (2)基于real-time RT-PCR的方法檢測新的甲型H1N1流感病毒。 (3)血清學(xué)檢測甲型H1N1流感病毒。 目前對甲型H1N1流感病毒的檢測多使用RT-PCR技術(shù)和real-time RT-PCR技術(shù)。 這兩種方法檢測甲型H1N1病毒較為準(zhǔn)確。但是這兩種方法對甲型H1N1流感病毒的檢測必 須在特定的實(shí)驗(yàn)室里才可以完成，檢測成本較高，檢測周期較長，給H1N1的防治工作帶來 很大的難度。稱量病毒用的納米秤，其發(fā)展趨勢必然是工藝簡單、效果明顯，并且便攜易于 操作，這就需要更加簡易的組裝工藝和更加簡單的測量方式，據(jù)此，本發(fā)明提出了金屬納米 帶為納米秤結(jié)構(gòu)，借助壓電效應(yīng)進(jìn)行單立病毒重量標(biāo)定的方案。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)將會(huì)為國 防、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域的飛躍式發(fā)展起到推波助瀾的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單，操作方便，能夠達(dá)到準(zhǔn) 確計(jì)量效果的稱量病毒的方法，并提供一種采用此種方法的病毒稱量用納米秤。為此，本發(fā) 明采用如下的技術(shù)方案 —種稱量病毒的方法，通過制備納米秤實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟 光刻工藝，在襯底上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10iim; 在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)； 將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù)電極的接觸電極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)歐姆接 觸，組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分，其長度不小于10 ii m，寬度為150 500nm，厚度為 10 90nm ; 在懸臂梁上加載病毒后，利用光學(xué)象散的方法測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化，從而標(biāo)
定病毒重量。 實(shí)現(xiàn)上述稱量方法的稱量病毒用的納米秤，包括襯底、制作在其上的正、負(fù)電極， 金屬一維納米結(jié)構(gòu)，測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化的裝置，其中，
正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10iim ; 金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別正、負(fù)電極歐姆接觸，組建納米秤的"秤盤"即懸臂 梁部分，其寬度為150 500nm，厚度為10 90nm ; 測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化的裝置，所述裝置利用光學(xué)象散的方法測懸臂梁振動(dòng)頻 率變化，從而標(biāo)定病毒重量。 本發(fā)明還提供另一種稱量病毒的方法，通過制備納米秤實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟
光刻工藝，在襯底上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10iim;
在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)； 將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù)電極的接觸電極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)歐姆接 觸，組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分，其長度不小于10 ii m，寬度為150 500nm，厚度為 10 90nm ; 將構(gòu)成納米秤"秤盤"部分的金屬一維納米結(jié)構(gòu)氧化成為具有壓電效應(yīng)的納米材 料，再通過壓電效應(yīng)的力_電轉(zhuǎn)換機(jī)制，測定稱量物的重量。 實(shí)現(xiàn)上述稱量方法的稱量病毒用的納米秤，包括襯底和制作在其上的正、負(fù)電極， 正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10ym;在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)，使其兩端 分別焊接在正、負(fù)電極之間實(shí)現(xiàn)歐姆接觸并組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分后，再將懸 臂梁部分氧化為具有壓電效應(yīng)的納米材料，懸臂梁部分寬度為150 500nm，厚度為10 90nm ;正、負(fù)電極與測量電路相連，所述的測量電路能夠通過壓電效應(yīng)的力_電轉(zhuǎn)換機(jī)制， 測定稱量物的重量。 本發(fā)明的病毒稱重方法和納米秤可以測量單個(gè)病毒或生物大分子的質(zhì)量，對生物 學(xué)和醫(yī)學(xué)來說，提供了一種用質(zhì)量來判別病毒種類的新方法。對于化學(xué)研究，它使人們能研 究單個(gè)納米微粒和大分子的質(zhì)量及在化學(xué)反應(yīng)下的質(zhì)量變化。 本發(fā)明提出的用于稱量病毒用的納米秤在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以稱出不同病毒的重量，幫 助區(qū)分病毒的種類，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)未知病毒，使它們成為病毒的微型探測器。這樣，就會(huì)使得病 毒的檢測變得更加便捷，更加易于操作。同時(shí)實(shí)現(xiàn)真正意義上的"芯片級實(shí)驗(yàn)室"，并商業(yè) 化。該種納米秤可為科學(xué)家們探索微觀世界提供新的實(shí)驗(yàn)手段，應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣泛。在 科研領(lǐng)域中，一個(gè)高靈敏度的懸臂梁結(jié)構(gòu)也會(huì)為稱量一個(gè)如果DNA這樣的微小單元結(jié)構(gòu)提 供一個(gè)平臺(tái)。在MEMS向NEMS發(fā)展的過程中，開創(chuàng)了金屬一維納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用新領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明借助光刻工藝，在襯底(如Si片、外延Si02氧化層的Si片等，且不僅限于 此類組分的襯底材料)上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的關(guān)鍵尺寸為l 10ym;將金屬 一維納米結(jié)構(gòu)(納米帶、納米線、納米棒等，且不只限于提及的這些形貌)搭建正、負(fù)電極之 間，(其中搭建一維納米結(jié)構(gòu)的方法包括正、負(fù)電極之間納米結(jié)構(gòu)的自生長，以及將已合成 的納米材料通過微納米加工工藝進(jìn)行定位安裝)，將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù) 電極的接觸電極進(jìn)行焊接，(其中，焊接工藝可以采用FIB設(shè)備進(jìn)行加工河以采用AFM的 氧化誘導(dǎo)工藝實(shí)現(xiàn)；也可以利用納米尺度局部高溫焊接工藝實(shí)現(xiàn)。且不僅僅限于以上列舉 焊接工藝)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，組建成納米秤的"秤盤"部分。納米秤"秤盤"部分懸臂梁的尺 寸為長度不小于1 10iim，這樣可以順利地完成納米秤"秤盤"部分懸臂梁在正、負(fù)電極之間(關(guān)鍵尺寸為1 10 m)的搭建組裝工作；納米秤"秤盤"寬度150 500nm，使病毒 (病毒直徑尺寸大多在100nm左右)可以順利的置于納米秤上；納米秤"秤盤"厚度10 90nm左右，這樣可以保持納米秤的靈敏程度。從正、負(fù)電極兩端的外側(cè)，連接商業(yè)化的測量 功能的電路芯片，實(shí)現(xiàn)納米秤對病毒的檢測功能。
其中測量方式為2種方案 (1)光學(xué)方法測懸臂梁振動(dòng)頻率變化的方法標(biāo)定病毒重量。本發(fā)明可以采用"原子 力顯微鏡(AFM)力傳感器及其固有頻率的測試"(薛實(shí)福，劉永生等.光學(xué)精密工程，1995， 3(2) :42提供的方法測量秤盤(即懸臂梁)固有頻率的變化。懸臂梁制備出來后，就會(huì)有 自己的固有振動(dòng)頻率，當(dāng)病毒單體負(fù)載至于納米秤懸臂梁后，就會(huì)改變振動(dòng)頻率，通過頻率 的差別標(biāo)定病毒的重量。 (2)通過壓電效應(yīng)的力_電轉(zhuǎn)換機(jī)制，利用具有壓電效應(yīng)的納米秤對病毒樣本對 其造成負(fù)載后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電學(xué)信號(hào)來測定病毒稱量物的重量。當(dāng)納米壓電效應(yīng)的懸臂 梁被加于一定的負(fù)載后，就會(huì)產(chǎn)生一定的電學(xué)信號(hào)，通過經(jīng)典的壓電材料性能測試方法就 可以很簡單的標(biāo)定出被稱量物的重量。納米秤"秤盤"部分懸臂梁的金屬納米結(jié)構(gòu)氧化成 為具有壓電效應(yīng)的納米材料(如ZnO等，且不僅僅限于此類材料)，當(dāng)病毒類稱量物至于秤 盤之上的時(shí)候，在壓電材料的力電轉(zhuǎn)化機(jī)制下，電路中產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)，通過電信號(hào)的檢測標(biāo) 定出病毒類稱量物的重量，完成納米秤的稱量工作。 以上兩種，無論是懸臂梁納米秤的振動(dòng)頻率還是壓電效應(yīng)的力_電轉(zhuǎn)換關(guān)系，都 與納米秤懸臂梁主體的楊氏模量，即其彈性系數(shù)相關(guān)，因此需要根據(jù)納米秤的具體尺寸來 界定測試結(jié)果與病毒重量的數(shù)學(xué)關(guān)系。 將不同病毒的重量指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的建立，由于不同病毒的種類與重量是一一對 應(yīng)的關(guān)系，因此某一病毒的稱量結(jié)果就可以作為病毒種類鑒別的依據(jù)，同時(shí)也可以根據(jù)一 種特定種類病毒重量的變化來判別此類病毒是否發(fā)生了變異。
權(quán)利要求
一種稱量病毒的方法，通過制備納米秤實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟(1)光刻工藝，在襯底上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的尺寸為1～10μm；(2)在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)；(3)將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù)電極的接觸電極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，組建納米秤的“秤盤”即懸臂梁部分，其長度不小于10μm，寬度為150～500nm，厚度為10～90nm；(4)在懸臂梁上加載病毒后，利用光學(xué)象散的方法測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化，從而標(biāo)定病毒重量。
2. —種稱量病毒的方法，通過制備納米秤實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟(1) 光刻工藝，在襯底上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10ym;(2) 在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)；(3) 將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù)電極的接觸電極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分，其長度不小于10 ii m，寬度為150 500nm，厚度為10 90nm ;(4) 將構(gòu)成納米秤"秤盤"部分的金屬一維納米結(jié)構(gòu)氧化成為具有壓電效應(yīng)的納米材料，再通過壓電效應(yīng)的力電轉(zhuǎn)換機(jī)制，測定稱量物的重量。
3. —種稱量病毒用的納米秤，包括襯底、制作在其上的正、負(fù)電極，金屬一維納米結(jié)構(gòu)，測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化的裝置，其中，正、負(fù)電極之間的尺寸為1 10iim ;金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別正、負(fù)電極歐姆接觸，組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分，其寬度為150 500nm，厚度為10 90nm ;測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化的裝置，所述裝置利用光學(xué)象散的方法測懸臂梁振動(dòng)頻率變化，從而標(biāo)定病毒重量。
4. 一種稱量病毒用的納米秤，包括襯底和制作在其上的正、負(fù)電極，正、負(fù)電極之間的尺寸為1 lOym ;在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)，使其兩端分別焊接在正、負(fù)電極之間實(shí)現(xiàn)歐姆接觸并組建納米秤的"秤盤"即懸臂梁部分后，再將懸臂梁部分氧化為具有壓電效應(yīng)的納米材料，懸臂梁部分寬度為150 500nm，厚度為10 90nm ;正、負(fù)電極與測量電路相連，所述的測量電路能夠通過壓電效應(yīng)的力電轉(zhuǎn)換機(jī)制，測定稱量物的重量。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種稱量病毒的方法，通過制備納米秤實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟光刻工藝，在襯底上制備電極，其中正、負(fù)電極之間的尺寸為1～10μm；在正、負(fù)電極之間搭建金屬一維納米結(jié)構(gòu)；將金屬一維納米結(jié)構(gòu)的兩端分別與正、負(fù)電極的接觸電極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，組建納米秤的“秤盤”即懸臂梁部分，其長度不小于10μm，寬度為150～500nm，厚度為10～90nm；在懸臂梁上加載病毒后，利用光學(xué)象散的方法測量懸臂梁振動(dòng)頻率變化，從而標(biāo)定病毒重量。本發(fā)明同時(shí)涉及該種稱量方法采用的納米程，并涉及另外一種具有相同發(fā)明構(gòu)思的病毒稱量方法和納米秤。本發(fā)明具有工藝簡單，操作方便，能夠達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)量效果的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101717066SQ20091031033
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者倪恒侃, 傅星, 張之圣, 曹麗鳳, 李付奎, 李玲霞, 王慧, 薛濤, 鄒強(qiáng) 申請人:天津大學(xué)