CN101158697A - 可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟 - Google Patents
可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟 Download PDFInfo
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Abstract
可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，包括底板，此底板上焊接有磁传感器生物芯片阵列以及连接导线；腔室通道层，此层材料上一面构造有溶液储池阵列，另一面构造有通道阵列；每一个溶液储池和一个对应的通道相连；底板和腔室通道层对准密封后，每一个生物芯片被密封进一个对应的通道中；每一个通道的一端和一个对应的溶液储池相连，另一端和一个对应的构造在前述底板上的溶液出口连接；被注入到溶液储池的溶液通过前述通道从溶液出口流出；溶液流经生物芯片表面时，和生物芯片表面的生物分子发生反应，接受检测。本发明的生物芯片为样品反应、分离和检测区。该样品舟内含有微流体通道，能够使反应更加充分，提高反应的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及用于化学和生物多样品检测的生物芯片，特别是在溶液储池或者微通道内装载微小磁敏传感器阵列生物芯片，实现生物样品、化学样品的进样、反应、分离和检测的多样品舟。
背景技术
磁敏传感器是传感器产品的一个重要组成部分，磁敏传感器已经得到广泛的应用，如电脑硬盘中的磁存储器、汽车中的角度传感器等。直到1998年baselt等人首次报道了利用标记生物分子的磁颗粒和巨磁阻(GMR)传感器探测生物靶标分子的研究并公开了专利US5981297，由此开创了磁敏传感器在生物技术领域应用研究的先例。磁敏生物传感器测试生物分子的原理是检测生物功能化的微米或纳米尺度磁颗粒。即在传感器表面修饰上能够识别靶标分子的抗体或抗原，样品中的靶标分子与之特异性结合，然后标记有抗体或抗原的顺磁颗粒识别靶标分子形成夹心结构的复合物，被固定在传感器表面，没有被捕捉住的磁颗粒被移走，施加电磁场，通过对顺磁颗粒数量的检测确定靶标分子的含量。
在过去的10年里的研究显示，磁敏生物传感器具有低成本、快速、高灵敏度、高通量检测的特点，目前磁电子学已经显现出作为开发生物传感器芯片的新平台技术的优势。在2006年5月生物芯片多伦多国际会议上，Philips公司的研究人员报道，世界上已经有30多个研究组从事磁敏生物传感器研究开发。
在国内也有三篇专利与磁敏传感生物芯片有关，韩国姜熙福等人“生物传感器及传感单元阵列”(申请号：200310113330)中提出了采用磁性隧道结(magnetic Tunnel Junction，MTJ)或巨磁阻(Giant Magnetoresistance，简称GMR)器件作为生物传感器单元的想法；陈超等人在专利“磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及制作方法和对生物分子进行检测的方法”(申请号02139363)中提出了磁性隧道结作为生物芯片载体的想法，王磊等人在专利“高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻(Tunneling magnetoresistance，TMR)生物传感器”(申请号：200510005035.5)中提出利用塑料保护层代替氮化硅保护层的想法。
目前报道的磁敏传感器生物芯片主要是结合点阵生物芯片的特点，开发成检测单样品多靶标分子的检测器，例如文献“TRENDS in Biotechnology Vol.22 No.9 September 2004，455-462”中报道的是64个点阵结构的巨磁阻传感芯片，可以同时检测一个样品中64个以内的靶标分子，也可以采用点样方法测试64种样品。
生物芯片对样品的检测是以高通量、集成化、并行化和微型化为特征，芯片带给人们最大的优势是能同时分析和处理大量的样品，高通量芯片分析要求高效，处理样品信息量大，然而多样品分析时，由于点阵密度以及样品自身的物化特性等原因，反应时容易出现不同检测样品之间的交叉污染，影响实验结果的准确度和可信度。微流体芯片能够提高反应速度，简化操作过程，但是高通量测试有一定的困难。
发明内容
本发明的目的是克服目前点阵芯片易于污染和微流体芯片通量测试能力低的不足，提供一种用于对多样品进行反应和检测的高效、廉价、检测结果可靠的磁敏传感器阵列生物芯片样品舟，该样品舟具有实用性强、结构简单、成本低等特点。
本发明的技术解决方案之一：可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特点在于包括以下部件：底板，此底板上焊接有磁传感器生物芯片阵列以及连接导线；腔室通道层，此层材料上一面构造有溶液储池阵列，另一面构造有通道阵列；每一个溶液储池和一个对应的通道相连；底板和腔室通道层对准密封后，每一个生物芯片被密封进一个对应的通道中；每一个通道的一端和一个对应的溶液储池相连，另一端和一个对应的构造在前述底板上的溶液出口连接；被注入到溶液储池的溶液通过前述通道从溶液出口流出；溶液流经生物芯片表面时，和生物芯片表面的生物分子发生反应，接受检测。
本发明方案一中所述底板至少由两层材料构成，与溶液接触的一层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成，如单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶；另一层是易于布置制作连接导线的材料，如玻璃纤维。所述腔室通道层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成，如单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶等。所述的磁敏生物传感芯片包括基于磁隧道效应器件(Magnetic Tunneling Junction Device)的生物芯片，巨磁阻器件(Giant Magneto-resistance Device)的生物芯片，霍尔器件(Hall Effect Device)的生物芯片。
所述的底板层和腔室通道层的材料为有一定硬度的材料，可以是单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶中的任意一种等。
本发明方案二中所述的溶液储池可以是圆形或方型，直径或最大边长在10um～20mm，优选0.5mm-5mm；高度在1mm-15mm，溶液储池中心点之间的间距在1mm-25mm，优选2mm-10mm。所述的溶液储池体积为1微升-2毫升，优选10微升-500微升。所述的微通道的宽度在10um～2000um，优选50um～500um，高度在10um～500um。
本发明的技术解决方案二：可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特点在于包括以下部件：底板，此底板上焊接有磁传感器生物芯片阵列以及连接导线，每一个磁传感器生物芯片上有多个检测区用以检测不同的样品；腔室通道层，此层材料上一面构造有溶液储池阵列，另一面构造有通道阵列；每一个溶液储池和一个对应的通道相连；底板和腔室通道层对准密封后，生物芯片的每一个检测区被密封进一个对应的通道中；每一个通道的一端和一个对应的溶液储池相连，另一端和一个对应溶液出口连接；被注入到溶液储池的溶液通过前述通道从溶液出口流出；溶液流经生物芯片表面时，和生物芯片表面的生物分子发生反应，接受检测。
本发明方案二中所述底板至少由两层材料构成。与溶液接触的一层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成，如单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶；另一层是易于布置制作连接导线的材料，如玻璃纤维。所述腔室通道层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成。所述的磁敏生物传感芯片包括基于磁隧道效应器件(Magnetic Tunneling Junction Device)的生物芯片，巨磁阻器件(Giant Magneto-resistance Device)的生物芯片，霍尔器件(Hall EffectDevice)的生物芯片。
本发明方案二中所述的底板层和腔室通道层的材料为有一定硬度的材料，可以是单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶中的任意一种等。
所述的溶液储池可以是圆形或方型，直径或最大边长在10um～20mm，优选0.5mm-5mm；高度在1mm-15mm，溶液储池中心点之间的间距在1mm-25mm，优选2mm-10mm。所述的溶液储池体积为1微升-2毫升，优选10微升-500微升。所述的微通道的宽度在10um～2000um，优选50um～500um，高度在10um～500um，
本发明的技术解决方案三：可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样
品舟，其特点在于包括以下部件：底板，此底板上构造有溶液储池阵列；每一溶液储池底部焊接有至少一个磁传感器生物芯片；传感器生物芯片通过布置在底板上的电导线和外部测试仪连接，接受测试仪提供的电源和操控信号。
本发明方案三中所述的磁敏生物传感芯片包括基于磁隧道效应器件(Magnetic TunnelingJunction Device)的生物芯片，巨磁阻器件(Giant Magneto-resistance Device)的生物芯片，霍尔器件(Hall Effect Device)的生物芯片。
本发明方案三中所述的底板层为有一定硬度的材料，可以是单晶硅、玻璃、陶瓷或高聚物，如有机玻璃(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，尼龙，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚醚醚酮(PEEK)或硅橡胶中的任意一种等。
本发明方案三中所述的溶液储室可以是圆形或方型，直径或最大边长在10um～20mm，优选0.5mm-5mm；高度在1mm-15mm，溶液储室中心点之间的间距在1mm-25mm，优选2mm-10mm。所述的溶液储室体积为1微升-2毫升，优选10微升-500微升。所述的微通道的宽度在10um～2000um，优选50um～500um，高度在10um～500um。
本发明所述样品舟的尺寸能够根据需要制作成任意尺寸任意阵列数，也可以制作成与标准的多孔板如24孔，48孔，96孔板，384孔板或1536孔板相对应，也就是说，溶液储池的数量及各储池之间的距离可以是标准的，以利于机械手进行加样，清洗等自动化操作，从而实现简便，高效的生化反应和检测目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供了把高灵敏度大规模集成磁敏传感器用于高通量多样品检测的方法，解决了微小型电磁芯片用于微流体多样品检测的技术困难。和目前的高通量检测方法如96孔酶连免疫板相比，该发明中的样品舟很大程度地提高了检测灵敏度，减少了样品和溶剂用量，使定量检测成为可能。
附图说明
图1为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟平面透视图；
图2为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟底板平面图；
图3为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟微流体通道层平面透视图，虚线表示下面的结构；
图4为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟微流体通道层背面透视图，虚线表示下面的结构；
图5为本发明的测试2种样品的磁敏传感器生物芯片样品舟立体图；
图6为本发明的测试24种样品的磁敏传感器生物芯片样品舟立体图；
图7为图6的分解图；
图8为图7中衬底底面导线连接图；
图9为图7的表面上加一层；
图10为本发明的测试2种样品的磁敏传感器生物芯片样品舟立体图；
图11为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟平面透视图；
图12为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟立体图；
图13为本发明的图10的分解图；
图14为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟立体图；
图15为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟平面图；
图16A为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟正面立体图；
图16B为本发明的磁敏传感器生物芯片样品舟背面立体图。
上述各图中：101：样品舟；111、112、113、114、115：溶液储池；121、122、123：入口；131、132、133、134：微流体通道；141、142、143：出口；151、152、153：磁敏生物芯片；161：底板；171：电接触点；181：电导线；191：生化溶液相兼容层；211：布线层；221：样品检测区；231、232、233：芯片连接线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明。但本发明的保护范围并不仅限于下述各实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的各实施例即可实现权利要求中的全部内容。
实施例1
参见图1～图4。
多样品检测样品舟如图1所示，是一个正视的平面图。该样品舟101，溶液储池111，溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，对应的微流体通道131，废液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。两个溶液池共用一个废液流出口141。该样品舟由两层构成：底板层(衬底)161和溶液储池层。
图2显示的是底板层的上面，即与溶液接触的一面，上面有生物芯片151和废液流出口141。
图3是溶液储池层的正面，实线部分分别是溶液储池11 1和溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，虚线显示的是在溶液储池层背面的微流体通道131。
图4是溶液储池层的背面，实线部分分别是溶液进入微流体通道层的溶液进入口121和微流体通道131。虚线部分是溶液储池111。
实施例2
参见图5。
两样品检测样品舟如图5所示，是一个立体图。该样品舟有2个溶液储池111，溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，对应的微流体通道131，底板上的溶液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。
实施例3
参见图6。
多样品检测样品舟如图6所示，是一个立体图。该样品舟有溶液储池111，由对应的微流体通道131，溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，底板上的废液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。
图7显示的是将底板层和溶液储池层分开的立体图，在溶液储池层上有溶液储池111和溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，背面是微流体通道131。底板层161上有溶液流出口141，磁敏传感器(Hall或GMR或MTJ)生物芯片151。
图8是图7的底板的背面，在背面布有连接芯片和测试仪器的电导线171和电接触点181。
实施例4
图9是另一种底板层的透明立体图。布线层211在底板的背面，生化溶液相兼容层191在底板层正面，即芯片所在的一面。兼容层910覆盖在芯片和废液出口以外的地方。
实施例5
参见图10。
此图和图5的区别在于储液池的形状。图5储液池的底部是一个平面，可能会导致一定体积的样品和其他溶液残留在池内。此图设计的储液池为梯形，能够解决这个问题。圆形漏斗形状的储液池也会达到同样的目的。
该样品舟有2个溶液储池112，溶液进入微流体通道层的溶液进入口122，对应的微流体通道131，底板上的溶液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。该样品舟由两层构成：底板层161和溶液储池层。
实施例6
参见图11～图13。
多样品检测样品舟如图11所示，是一个正视的平面图。该样品舟有溶液储池113，对应的微流体通道132，废液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。
图12立体图显示该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。溶液进入微流体通道的溶液进入口123在溶液储池的侧面，微流体通道在溶液储池的侧面。溶液储池113，对应的微流体通道132，底板上的废液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。
图13是该样品舟的分解立体图，上层是溶液储池层，下层是底板层161。溶液储池113，溶液进入微流体通道的溶液进入口123，对应的微流体通道132，底板上的废液流出口141，磁敏传感器生物芯片151组成。
实施例7
参见图14。
此样品舟中一个芯片上有四个检测区，可以检测四种样品。以前的实施例中一个芯片只检测一种样品。该样品舟有溶液储池111，溶液进入微流体通道层的溶液进入口121，对应的微流体通道133，废液流出口142，磁敏传感器生物芯片152，样品检测区221用以同时检测四种样品，芯片连接线231组成。一个溶液储池有一个对应的废液流出口。该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。芯片焊接到底板上，底板上布有连接导线，溶液出口也是在底板上。微流体通道层在样品舟的上层即溶液储池层的背面。
实施例8
参见图15。
一种多样品检测的磁敏传感器生物芯片样品舟的平面图。此图中每一个芯片可以测4种样品。整个样品舟上总共有8个芯片，可以同时测量32个不同的样品。和实施例1-6的比较，此实施例减少了硅片切割和芯片焊接的工作量。
该样品舟有溶液储池113，如图所示位于芯片的旁边区域；溶液通过溶液储池内的溶液进入口123，经过微流体通道134，流经芯片153，从废液流出口143流出。磁敏传感器生物芯片153通过连接导线232与外边的测试仪连接。
该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。芯片焊接到底板上，底板上布有连接导线，溶液出口也是在底板上。微流体通道层在样品舟的上层即溶液储池层的背面。
实施例9
参见图16A和16B。
图16A是一种多样品检测的磁敏传感器生物芯片样品舟的正面立体图。此实施例的样品舟内没有流体通道和出口。样品和溶液的注入、杂交和清洗过程和ELISA的处理过程非常相似。不同的是此样品舟用主动磁敏芯片进行检测。检测时这些主动磁敏芯片通过在底板上的导线和测试仪连接。
该样品舟有溶液储池115，芯片151，芯片与仪器的连接导线233组成。
该样品舟由两层构成：底板层和溶液储池层。芯片焊接到底板上，底板上布有连接导线。图16B是该样品舟的底部立体图。导线布在底板的背面。
Claims (12)
1.可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于包括以下部件：
底板，此底板上焊接有磁传感器生物芯片阵列以及连接导线；所述磁传感器生物芯片阵列通过所述连接导线和外部测试仪连接，接受该测试仪提供的电源和操控信号；
腔室通道层，此层材料上一面构造有溶液储池阵列，另一面构造有通道阵列；每一个溶液储池和一个对应的通道相连；
底板和腔室通道层对准密封后，每一个生物芯片被密封进一个对应的通道中；每一个通道的一端和一个对应的溶液储池相连，另一端和一个对应的构造在前述底板上的溶液出口连接；
被注入到溶液储池的溶液通过前述通道从溶液出口流出；溶液流经生物芯片表面时，和生物芯片表面的生物分子发生反应，接受检测。
2.根据权利要求1所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述底板至少由两层材料构成，与溶液接触的一层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成，另一层是易于布置制作连接导线的材料。
3.根据权利要求1所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述的磁传感器生物芯片为磁隧道效应器件的生物芯片、或巨磁阻器件的生物芯片、或霍尔器件的生物芯片。
4.可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于包括以下部件：
底板，此底板上焊接有磁传感器生物芯片阵列以及连接导线；每一个磁传感器生物芯片上有多个检测区用以检测不同的样品；所述磁传感器生物芯片阵列通过所述连接导线和外部测试仪连接，接受该测试仪提供的电源和操控信号；
腔室通道层，此层材料上一面构造有溶液储池阵列，另一面构造有通道阵列；每一个溶液储池和一个对应的通道相连；
底板和腔室通道层对准密封后，生物芯片的每一个检测区被密封进一个对应的通道中；每一个通道的一端和一个对应的溶液储池相连，另一端和一个对应溶液出口连接；
被注入到溶液储池的溶液通过前述通道从溶液出口流出；溶液流经生物芯片表面时，和生物芯片表面的生物分子发生反应，接受检测。
5.根据权利要求4所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述底板至少由两层材料构成，与溶液接触的一层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成，另一层是易于布置制作连接导线的材料。
6.根据权利要求4所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述底板上覆盖有和所用生化溶液相兼容的一层薄膜材料。
7.根据权利要求4所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述腔室通道层是由和所用生化溶液相兼容的材料构成。
8.根据权利要求4所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述的底板层和腔室通道层的材料为具有硬度的材料，为单晶硅、或玻璃、或陶瓷、或高聚物中的任意一种。
9.根据权利要求4所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述的磁传感器生物芯片为磁隧道效应器件的生物芯片、或巨磁阻器件的生物芯片、或霍尔器件的生物芯片。
10.可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于包括以下部件：
底板，底板上构造有溶液储池阵列；
每一溶液储池底部焊接有至少一个磁传感器生物芯片；
传感器生物芯片通过布置在底板上的电导线和外部测试仪连接，接受该测试仪提供的电源和操控信号。
11.根据权利要求10所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述的磁传感器生物芯片为磁隧道效应器件的生物芯片、或巨磁阻器件的生物芯片、或霍尔器件的生物芯片。
12.根据权利要求10所述的可同时测试多种样品的磁传感器生物芯片样品舟，其特征在于：所述的底板层的材料为具有硬度的材料，为单晶硅、或玻璃、或陶瓷、或高聚物中的任意一种。
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