结合物理和化学能量进行调控的自组装，是实现生化传感器高选择性和特异性的关键，是一种实现功能纳米结构按需区域构筑的有效方法。通过掩模光刻实现纳米结构图形化、晶圆级集成制造，保证了生化传感器的选择性和一致性，自组装单分子层的不均匀性小于5%。中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米制造团队提出了“广义光刻”多重分子自组装技术。该“广义光刻”多重分子自组装技术是一种将“Top-Down”与“Bottom-Up”相结合的晶圆级制造方法，如图5.4。“Top-Down”是指通过硬掩膜完成单分子薄膜的深紫外光刻，通过宏观尺度的工具、材料完成自组装单分子薄膜的图案化；“Bottom-Up”是指通过大量纳米尺度的分子多重自组装来完成芯片内不同区域的功能化修饰。其主要步骤如下：首先沉积一种单分子薄膜，通过硬掩膜完成深紫外曝光，在曝光区域去除第一种单分子薄膜后再生长另一种单分子薄膜，该过程可以多次重复、晶圆级操作，大幅度提高了芯片的制作效率。采用该技术，实现了在微悬臂梁的敏感区域构建亲水表面，在其余区域构建疏油疏水表面，从而使得敏感材料的固定方法从器件的逐个手工涂覆法提升为晶圆级大批量旋涂固定法，实现了微悬臂梁生化传感器的高一致性批量制备[129-131]。
图5.4 “广义光刻”技术原理示意图
该团队利用“广义光刻”技术在微流道的不同区域中分别构建了疏水疏油表面和胺基功能化表面，然后将介孔材料前驱体溶液选择性地定位浇铸于待生长区域，实现了在微米流道中集成多重纳米管道的微纳跨尺度芯片制造方法。利用基于谐振式微悬臂梁传感器的变温称重法，发现SiO2介孔纳米材料与有机磷可以发生化学吸附作用，从而以该芯片为核心研制了一种新型固相微萃取的原理样机。采用该样机成功地对溶有痕量敌敌畏、毒死蜱和对氧磷等3种农药的水溶液进行了富集处理，并将其中的痕量农药分子进一步地萃取到了可与水互溶的乙醇中，气质联用（GC-MS）分析结果证实其萃取回收率达到80%[132]，如图5.5。
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图5.5 （左）微纳流控跨尺度集成芯片的制造步骤示意；（右）使用该芯片进行有机磷农药残留分子富集与萃取的原理示意
中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究团队还采用纳米材料微区域构筑技术，制备了微纳复合的微型色谱柱。对色谱柱而言，如何提高其分离能力是个关键问题，而纳米介孔硅材料由于具有高的比表面积和稳定的理化性质，是作为固定相或固定相载体的理想材料。基于硅衬底，该团队首先采用“Top-Down”的方法制备出含有微柱阵列的微沟道，随后采用基于“Bottom-Up”的方法在硅基微色谱柱内构筑了一层纳米介孔硅，成功地实现了三维微纳复合硅基结构的可控制造，并具有圆片级大面积批量制造能力。测试表明，在微色谱柱表面构筑的纳米介孔硅比表面达650 m2/g，孔径约2 nm，对轻烃具有较强的分离能力，采用2 m的微色谱柱对难以分离的甲烷乙烷就可获得大于1的分离度，如图5.6[133, 134]。
图5.6 （a）硅微色谱柱；（b）硅微色谱柱内的微柱；（c）微柱表面介孔硅；（d）道底部的介孔硅；（e）硅微色谱柱对C1-C4的分离效果
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