微纳机电芯片中光刻机制备技术及新冠病毒检测方案(光刻机)

Quantum DesignCHINA 小型台式无掩膜光刻系统MicroWriter ML3 For Scientist By Scientist MicroWriter ML3@台式无掩模直写光刻系统是英国 Durham公司最新推出的实验室用小型无掩模光刻系统。创新的设计使得尺寸只有700x700mm的系统可以加工最大直径200mm的样品，最大分辨率高达600um。整套系统稳定可靠，无需安装，与控制电脑实现即插即用。为微流控、SAW、半导体、自旋电子学等领域的研究提供了一项方便、灵活、快捷的微加工手段。 微电极直写效果 微流通道直写效果 Baby Baby Plus Mesa Full Size MicroWriter ML3 最大样品尺寸(mm) Baby (基本型) 155×155×7 Baby Plus (增强型) 155×155×7 Mesa (Mesa型) 155×155×7 Full Size (旗舰型) 230×230×15 最大直写面积(mm) 149×149 149×149 149×149 195×195 光源波长 405nm(385nm可选) 405 nm(385nm可选) 405 nm(385nm可选) 385 nm 直写分辨率 1um 1 um， 5um 0.6 um， 1 um， 5 um 0.6 um， 1 um， 2 um， 5 um 20 mm2/mm@1um 20 mm?/min@1 um120 mm²/min@5 um 直写速度 20 mm?/min@1 um 20 mm?/min@1 um 120 mm²/min@5 um 对准显微镜物镜放大倍数 ×3，×10 ×3，×5，×10，×20 套刻精度 ±2 um ±1 um ±1 um ±0.5 um 最小栅格精度 200nm 200 nm 100 nm 100 nm 样品台最小步进距离 100 nm 100 nm 100 nm 50nm 温控样品腔室 无 无 无 有 光学表面轮廓探测 无 Z方向200nm分辨率Z方向200nm分辨率 Z方向100 nm分辨率 形貌探测功能 配备光学轮廓仪 V19-1 【期刊】Nature Biomedical Engineering IF=25.7DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7 【成果简介】    由于许多疾病相关生物标志物的浓度超低，所产生的信号往往会被其他高浓度分子所产生的信号所干扰，因此从生物流体中进行超低浓度样品（每100 μL中有1到10份）的检测一直是医学/生物分析领域的一个难题。近日，复旦大学魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备了基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片解决了这一难题。所制备的芯片实现了对低浓度离子，生物分子和新冠病毒（每100 μL中有1到2份）的快速精确检测。使用该芯片对新冠病毒进行检测时，仅需鼻咽样本即可，无需RNA提取和核酸扩增，四分钟内就可得到检测结果。相关研究论文已在国际知名期刊《Nature Biomedical Engineering》（IF=25.7）上发表。 【图文导读】图（1） 分子微纳机电和基于石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。A)分子微纳机电芯片示意图。B) 分子微纳机电探针在不同静电场中工作原理示意图。探针与作为悬臂梁的单链DNA相连，然后被一个由双链DNA所组成的四面体结构固定在石墨烯表面。E为外加电场方向。C)基于液态门级石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。D)使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备器件的数码照片。E) 小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备电极的光学显微照片。F)制备后的石墨烯表面的AFM表面成像结果。G)-I)不同外加电场条件下，单链DNA的荧光表征结果。图（2）超灵敏生物探测系统和芯片稳定性结果。A) Vlg为-0.5V条件下和B) Vlg为0V条件下实时ΔIds的变化曲线。C)不同Vlg下，ΔIds随着凝血酶浓度的变化。D)分子微纳机电部分探测原理。由于探针较高的表面覆盖率，通过探针对特定目标进行特定吸附，避免了非特定吸附，然后再转换为不同电信号。E)制备芯片的ΔIds/ΔIds0随着时间的变化。 图（3）芯片的通用性，独特性和结构设计。A) ∣ΔIds/ΔIds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。B) ΔIds/ΔIds0随着ATP浓度的变化。C)制备芯片对选定样品和非选定样品不同的∣ΔIds/ΔIds0∣结果。D)DNA四面体示意图。E)不同的DNA结构对狄拉克点位移的影响。 图（4）新冠病毒的核酸检测。A)使用制备芯片和传统PCR法进行核酸检测的工作流程。B)用于探测和样品选定的基因序列图。C）∣ΔIds/ΔIds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。插图中展示了检测的灵敏度。D) ∣ΔIds/ΔIds0∣随着不同样本的改变。F1为PCR检测为阴性的1号样本。P1为PCR检测为阳性的1号样本。插图中展示了芯片对25个阳性样本的平均反应时间。E) 芯片对新冠感染者，普通发烧和流感患者以及健康人群的检测结果。F) ΔIds/ΔIds0对不同浓度样品的反应时间。插图为在样品采集后0-21天时间内的表征结果。G)制备的芯片和传统PCR法对样品检测灵敏度的比较。H) 通过和其他测试新冠病毒方法的比较，说明制备的芯片检测新冠病毒更快更灵敏。 【结论】    魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片在检测离子，生物分子和新冠病毒等方面具有快速超高灵敏度等特点。该工作为医学/生物快速精确诊断领域的研究打下了坚实的基础。同时，从文中也可以看到随着医学/生物检测领域的需求逐渐增多，如何快速开发出符合需求的生物芯片显得十分重要性。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段。小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型芯片的开发，助力医学/生物检测领域的研究。