CN100348978C - 基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析检测芯片 - Google Patents

Abstract

一种微电子技术领域的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其中，玻璃层与聚二甲基硅氧烷层通过键合密封在一起，在聚二甲基硅氧烷层上设有试剂样品输入口、试剂样品输出口，玻璃层上设有各个通道起点、通道终点，试剂样品输入口、试剂样品输出口分别与各个通道起点、通道终点相对应，陶瓷压电阀进样控制器在聚二甲基硅氧烷层的外侧，芯片固紧夹具系统将陶瓷压电阀进样控制器紧密贴合在键合后聚二甲基硅氧烷层一侧，芯片固紧夹具系统同时将芯片固定在底座上，超声生物试剂混合系统嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层，其下方为玻璃层，玻璃层外侧为集成温控反应系统。本发明不仅大大减小了器件体积，降低了成本，也使其批量化加工成为可能。

Description

基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析检测芯片

技术领域

本发明涉及的是一种生物试剂分析检测芯片，特别是一种基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片。属于微电子技术领域。

背景技术

在生物化学和医学检测分析系统中，生物试剂和化学试剂浓度和组分检测是至关重要的组成环节，微机电技术(MEMS)的发展使这一检测可以在芯片上完成。基于不同检测原理的众多检测方法都被用于生物试剂和化学试剂浓度和组分检测研究中，检测器件一般按其检测原理进行分类，大致可以分为光学检测器、电化学检测器、质谱检测器等。到目前为止，光学检测器是应用最为广泛的一种技术，而作为光学检测器这一大类的重要一支，光学检测器对于某些荧光效率高的物质，通过采用光子记数、双光子激发等一些改进的技术甚至可达到单分子检测，此外，光学检测方法还具有良好的选择性和较宽的线性范围，并且许多如氨基酸、DNA等重要的生化物质样品均可以用荧光试剂进行标记和检测，因此在生物试剂和化学试剂浓度和组分检测中，光学检测是一种应用最早、并且至今仍然应用较多的光学检测方法，也是目前在商品化化学分析系统中被采用的检测途径之一。

经对现有技术的文献检索发现：Grewe等人于2000年在《Applied Physics B》(《应用物理B卷》)上发表了”Theoretical and experimental investigationsof the optical waveguiding properties of on-chip microfabricatedcapillaries”(”片上微毛细管光导特性的理论和实验研究”)，该文中提到了光学检测系统，利用光刻、键合等工艺制造毛细管芯片，对于毛细管的广导特性进行了实验和理论的分析，在514nm波长段光路检测衔接衰减仅3dB，然而该系统功能还是比较单一，只能进行生物试剂的荧光诱导检测，而对于试剂浓度却无法检测，该装置也无法对待测试剂进行前期混合和温控反应，还停留在单一器件制造上，不是一个一体化集成的、功能全面的生物和化学试剂分析处理系统，而且，这些器件的制造都受到LCVD(低压化学气象沉积)技术的局限，应用面不广，而且制造代价非常昂贵，外围的光路耦合步骤极为复杂。另外，光学检测模式都是通过单光导作业来完成，导致测定数据的波动性，导致缺乏良好的重复性，不利于对于待测试剂组分进行系统而又全面地数据定量分析。由于待测试剂前期混合，反应和剂量控制等需要附属设备分开来进行，在一定程度上制约了光导检测的速度，使即时检测周期较长，不利于对于生物试剂检测的高效性要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微型分析检测芯片功能单一、集成度和测量稳定性不理想的缺点，提出一种基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析检测芯片，通过集成多个功能器件于一只芯片上，使待测试剂的输送、混合、温控反应和光学检测在一块上芯片上完成，缩短了待测试剂的检测周期，提高了整体的工作效率，同时，利用双路光导检测方法提高了检测精度和稳定性，使待测试剂的检测具有更好的重复性和系统化的特征，解决了背景技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：聚二甲基硅氧烷层、玻璃层、陶瓷压电阀进样控制器、芯片固紧夹具系统、超声生物试剂混合系统、集成温控反应系统。其连接方式为：玻璃层与聚二甲基硅氧烷层通过等离子氧化技术键合密封在一起，在PMDS层上设有试剂样品输入口、试剂样品输出口，试剂样品输入口、试剂样品输出口分别与玻璃层上的各个通道起点、通道终点相对应，陶瓷压电阀进样控制器在芯片聚二甲基硅氧烷层的外侧，通过计算机控制，陶瓷压电片的电致弯曲挤压聚二甲基硅氧烷层变形从而引起玻璃层上试剂导流通道的开关闭合，芯片固紧夹具系统将陶瓷压电阀进样控制器紧密贴合在键合后芯片的聚二甲基硅氧烷基片一侧，芯片固紧夹具系统同时可以将芯片固定在底座上，便于进行外部管道和辅助设备的稳定连接，超声生物试剂混合器为一嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层的陶瓷压电片，其振动导致玻璃层混合微腔中试剂的震荡混合，与混合微腔对应的玻璃层外侧为集成温控反应系统，它负责调控微腔的混合试剂反应温度。

本发明芯片用玻璃和聚二甲基硅氧烷两种材质制作封装成形，聚二甲基硅氧烷层上包括试剂样品输出口、四个平行的试剂样品输入口，在注模时用2mm直径铝柱预留。

玻璃层包括：双路光导检测点、通过多层金属掩模刻蚀技术形成的试剂导流通道，30度锥形拔模槽体，混合微腔、主检测通道，其连接方式为：30度锥形拔模槽体共四个，每两个之间是一条平行穿越的试剂导流通道，试剂导流通道与混合微腔连接，混合微腔与主检测通道相接，集成双路光导检测系统设置于玻璃层内侧，与主检测通道正交相接于双路光导检测点。试剂导流通道闭合开启受控于陶瓷压电阀进样控制器，选择性的输入试剂进入到混合微腔中进行超声混合和温控反应，主检测通道利用真空或者电泳方法驱动待测试剂，集成双路光导检测系统与主检测通道正交相接，利用光学诱导荧光检测方法对主检测通道内流经的待测试剂进行浓度和组分检测。玻璃层上混合微腔的末端设计为锥状，伸张入主检测通道，于两侧的试剂导流通道配合，便于使混合反应后的试剂以夹流进样的方式注入到主检测通道。

本发明芯片通过陶瓷压电阀进样控制器控制试剂导流通道闭合和开启，对于进入玻璃层上混合微腔的试剂进行选择性调配，陶瓷压电阀进样控制器的执行部件为一刻蚀加工成型的压电片，每支试剂导流通道上分布平行的两组压电执行部件以提高压电阀进样控制器对于导流通道的闭合效果。

芯片固紧夹具系统不锈钢制作，由上压片、下压片和弹性胶垫组成，上压片为一弯曲为“T”型的薄片，下压片为一水平薄片，利用在玻璃层上30度锥形拔模槽体和芯片固紧夹具系统的弹性胶垫，芯片固紧夹具系统将陶瓷压电阀进样控制器紧密贴合在键合后芯片的聚二甲基硅氧烷基片一侧，同时可以将芯片固定在底座上，便于进行外部管道和辅助设备的稳定连接。

超声生物试剂混合器为一嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层的陶瓷压电片，其振动导致玻璃层上混合微腔中试剂的震荡混合，集成温控反应系统在混合微腔对应的玻璃层外侧，负责对于混合微腔的温度实施调控。集成温控反应系统由微Pt(铂)膜传感器和微铂膜加热器组成，采用溅射铂后Lift-Off(以光刻胶为牺牲层制作金属功能层的方法)工艺制作。

集成双路光导检测系统由聚二甲基硅氧烷包皮层和SU8(一种可做高深宽比结构的负光刻胶)芯子组成，这两种材质对于400-600nm左右的光波具有良好的透射率，而两种材质的折射率差异又使其可以制作成为光导传输器件。这一光导通路与主检测通道正交，待测试剂于主检测通道中流经时，由双路光导检测系统一侧入射的特定波长激光穿越待测混合试剂，在双路光导检测系统另一侧通过PMT(集成光电倍增模块)器件调制放大，转换为相应电信号，主检测通道中待测混合试剂的浓度和组分变化会引起光导传输通路中的光强衰减变化，这种变化使采集的电信号相应变化，通过对双路光导通路的信号采集和分析，得出微管道中待测试剂的即时浓度和组分。

本发明中的检测芯片在进行生物试剂和化学试剂浓度检测时，利用真空作用驱动待测试剂在微管道中流动，在微管道侧壁上集成有双路光导检测系统，试剂浓度的变化会引起光导传输通路中的光强衰减变化，并将这一变化传递给PMT调制放大，形成电信号的波动，通过计算机信号拾取系统对这一电信号分析计算，得出微管道中待测试剂的即时浓度，并绘制时域曲线。本发明在进行生物试剂和化学试剂组分检测时，待测试剂和相关荧光试剂需要先行在芯片上集成超声混合系统中混合，然后通过电泳驱动流经集成双路光导检测系统的通道，光导传输通路中传输的相应波长的激光诱发荧光试剂发光，光强的衰减变化通过透镜系统和PMT放大后映射为电信号变化，计算机数据拾取系统检测这一变化，通过对比和运算得出试剂不同组分所占配比。本发明集成了多路压电阀，调配控制并行的多条通道进出片上微反应器和微分析通道，实现检测分析。微型分析检测芯片是当前生物化学分析研究的热点，研究结果表明微型分析检测芯片以其自身结构的特点克服了传统光学诱导荧光检测设备体积较大、结构复杂和成本较高的缺点，同时，使分子化学分析中的效率大大提高。

本发明具有实质性的特点和进步，本发明改变了已有生物试剂分析检测芯片功能单一，制作成本高和兼容性不强的缺点，通过微细加工技术，不仅大大减小了器件体积，降低了成本，也使其批量化加工成为可能。配合使用不同的驱动方式、荧光试剂和激发光波长，本发明芯片不仅可以用于化学试剂的浓度检测，也可以进行生物分子和细胞颗粒的定量分析。此外，本发明芯片因为采用了高速的光学检测方法，具有很高的响应速度，可以广泛用于生物试剂、化学试剂浓度和组分的实时测定，对于预防医学、环境水源监控都具有很强的实用价值。

附图说明

图1本发明正面结构示意图

图2图1所示局部放大示意图

图3本发明后视图

图4图3所示局部放大示意图

图5本发明各组成部分结构图

其中，集成双路光导检测系统1、聚二甲基硅氧烷层2、玻璃层3、超声生物试剂混合系统4、芯片固紧夹具系统5、集成温控反应系统6、陶瓷压电阀进样控制器7、试剂样品输入口8、试剂样品输出口9、通道起点10、通道终点11、双路光导检测点12、试剂导流通道13、30度锥形拔模槽体14、混合微腔15、主检测通道16、执行部件17、上压片18、下压片19、弹性胶垫20、微铂膜传感器21、微铂膜加热器22、聚二甲基硅氧烷包皮23、SU8芯子24，金电极25。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明包括：集成双路光导检测系统1、聚二甲基硅氧烷层2、玻璃层3、超声生物试剂混合系统4、芯片固紧夹具系统5、集成温控反应系统6、陶瓷压电阀进样控制器7。其连接方式为：玻璃层3与聚二甲基硅氧烷层2通过等离子氧化技术键合密封在一起，在PMDS层2上设有试剂样品输入口8、试剂样品输出口9，玻璃层3上设有各个通道起点10、通道终点11，试剂样品输入口8、试剂样品输出口9分别与各个通道起点10、通道终点11相对应，陶瓷压电阀进样控制器7在聚二甲基硅氧烷层2的外侧，芯片固紧夹具系统5将陶瓷压电阀进样控制器7紧密贴合在键合后聚二甲基硅氧烷层2一侧，芯片固紧夹具系统5同时将芯片固定在底座上，便于进行外部管道和辅助设备的稳定连接。超声生物试剂混合系统4嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层上，其下方为玻璃层3，玻璃层3外侧为集成温控反应系统6。

聚二甲基硅氧烷层2上的试剂样品输入口8、试剂样品输出口9在注模时用2mm直径铝柱预留，试剂样品输入口8有四个，试剂样品输入口8之间相互平行。

玻璃层3包括：双路光导检测点12、试剂导流通道13、30度锥形拔模槽体14、混合微腔15、主检测通道16，其连接方式为：30度锥形拔模槽体14共四个，每两个之间是一条平行穿越的试剂导流通道13，试剂导流通道13与混合微腔15连接，混合微腔15与主检测通道16相接，集成双路光导检测系统1设置于玻璃层3内侧，与主检测通道16正交相接于双路光导检测点12。混合微腔15的末端为锥状，伸展进入主检测通道16，与两侧的试剂导流通道13配合。

集成双路光导检测系统1的核心部分是由聚二甲基硅氧烷包皮23和SU8芯子24组成的光导通路，这一光导通路与主检测通道16正交。位于双路光导检测系统1外层的聚二甲基硅氧烷包皮23和位于双路光导检测系统1内芯的SU8芯子24紧密结合在一起，负责光信号传导。

超声生物试剂混合系统4为一嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层的陶瓷压电片，其正下方玻璃层3上的对应位置有混合微腔15，而在混合微腔15正下方玻璃层3外侧为集成温控反应系统6。

陶瓷压电阀进样控制器7中设有执行部件17，执行部件17为一刻蚀加工成型的压电片，每支试剂导流通道13上分布平行的两组压电执行部件，通过计算机控制电致弯曲变形，挤压聚二甲基硅氧烷层2从而引起玻璃层3上试剂导流通道13的开关闭合。

芯片固紧夹具系统5采用不锈钢制作，由上压片18、下压片19和弹性胶垫20组成，上压片18与下压片19紧密接触连接在一起，弹性胶垫20在上压片18和下压片19之间，三者紧密连接，将芯片固定在底座上，便于进行外部管道和辅助设备的稳定连接。

集成温控反应系统6由微铂膜传感器21和微铂膜加热器22组成，铂膜传感器21和铂膜加热器22平行逶迤在玻璃层3外侧，在微铂膜传感器21和微铂膜加热器22上是金电极25，通过二次溅射制作，与外部信号拾取系统和电源控制器连接。

Claims (8)

1、一种基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析检测芯片，包括：聚二甲基硅氧烷层(2)、玻璃层(3)，其特征在于，还包括：集成双路光导检测系统(1)，超声生物试剂混合系统(4)，芯片固紧夹具系统(5)，集成温控反应系统(6)，陶瓷压电阀进样控制器(7)；玻璃层(3)与聚二甲基硅氧烷层(2)键合密封在一起，集成双路光导检测系统(1)是由聚二甲基硅氧烷包皮(23)和SU8芯子(24)组成的光导通路，集成双路光导检测系统(1)在聚二甲基硅氧烷层(2)与玻璃层(3)之间，在聚二甲基硅氧烷层(2)上设有试剂样品输入口(8)、试剂样品输出口(9)，玻璃层(3)上设有各个通道起点(10)、通道终点(11)，试剂样品输入口(8)、试剂样品输出口(9)分别与各个通道起点(10)、通道终点(11)相对应，陶瓷压电阀进样控制器(7)在聚二甲基硅氧烷层(2)的外侧，芯片固紧夹具系统(5)将陶瓷压电阀进样控制器(7)紧密贴合在键合后聚二甲基硅氧烷层(2)一侧，芯片固紧夹具系统(5)同时将芯片固定在底座上，超声生物试剂混合系统(4)为嵌入粘贴在聚二甲基硅氧烷层(2)上的陶瓷压电片(26)，其下方为玻璃层(3)，集成温控反应系统(6)在玻璃层(3)外一侧，集成温控反应系统(6)由微铂膜传感器(21)和微铂膜加热器(22)组成，铂膜传感器(21)和铂膜加热器(22)平行逶迤在玻璃层(3)外侧。

2、根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，玻璃层(3)包括：双路光导检测点(12)、试剂导流通道(13)、30度锥形拔模槽体(14)、混合微腔(15)、主检测通道(16)，其连接方式为：30度锥形拔模槽体(14)共四个，每两个之间是一条平行穿越的试剂导流通道(13)，试剂导流通道(13)与混合微腔(15)连接，混合微腔(15)与主检测通道(16)相接，集成双路光导检测系统(1)设置于玻璃层(3)内侧，与主检测通道(16)正交相接于双路光导检测点(12)，混合微腔(15)的末端为锥状，伸展进入主检测通道(16)，与两侧的试剂导流通道(13)配合。

3、根据权利要求2所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，位于集成双路光导检测系统(1)外层的聚二甲基硅氧烷包皮(23)和位于双路光导检测系统(1)内芯的SU8芯子(24)紧密结合在一起，负责光信号传导和监测。

4、根据权利要求1或者2所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，陶瓷压电片(26)正下方玻璃层(3)上的对应位置有混合微腔(15)，而在混合微腔(15)正下方玻璃层(3)外侧为集成温控反应系统(6)。

5、根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，聚二甲基硅氧烷层(2)上的试剂样品输入口(8)、试剂样品输出口(9)在注模时用2mm直径铝柱预留，试剂样品输入口(8)有四个，试剂样品输入口(8)之间相互平行。

6、根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，陶瓷压电阀进样控制器(7)中设有执行部件(17)，执行部件(17)为一刻蚀加工成型的压电片，每支试剂导流通道(13)上分布平行的两组压电执行部件，通过计算机控制电致弯曲变形，挤压聚二甲基硅氧烷层(2)从而引起玻璃层(3)上试剂导流通道(13)的开关闭合。

7、根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，芯片固紧夹具系统(5)采用不锈钢制作，由上压片(18)、下压片(19)和弹性胶垫(20)组成，上压片(18)与下压片(19)紧密接触连接在一起，弹性胶垫(20)在上压片(18)和下压片(19)之间，三者紧密连接，将芯片固定在底座上，便于进行外部管道和辅助设备的稳定连接。

8、根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷的微型生物试剂分析高效检测芯片，其特征是，在微铂膜传感器(21)和微铂膜加热器(22)上是Au电极(25)，通过二次溅射制作，与外部信号拾取系统和电源控制器连接。

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