CN101832929A - 生物检测芯片 - Google Patents

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丁丽娟
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Abstract

本发明公开了一种基于流体光波导的生物检测芯片，属于微机械电子系统(MEMS)中的生物检测领域。其结构依次包括基底I、结构层和基底II，结构层上有与基底I和基底II平行的微管道，其两端分别与输入口5和输出口7连通。一对金属电极分别处在基底I和基底II上相应的位置上，或者处在结构层的两个内壁上。基底I上与结构层上输入口5和输出口7相应的位置上布有开孔，两段固体光波导I 8分别位于微管道两端。本发明由于可以使用任意同种流体制作流体光波导，使得流体光波导的材料选择性更灵活；通过简单电路控制，实现了光的稳定传播和生物检测，为生物细胞及生物大分子的光学检测提供了简便工具。

Description

生物检测芯片
所属领域
本发明涉及一种生物检测芯片，尤其涉及一种基于流体光波导的生物检测芯片，属于微机械电子系统(MEMS)中的生物检测领域。
现有技术
近年来光学应用于生物检测得到了广泛的研究，研究出了很多基于光学的生物检测芯片：基于光干涉的生物检测芯片，基于光环谐振器的生物检测芯片以及基于光波导的生物检测芯片等等。
(1)基于光干涉形成的生物检测芯片。Shih-Hsin Hsu等人在2005年Journal OfLightwave Technology第23卷第12期上发表的文章中提出了一种基于双重反谐振反射光波导的Mach-Zehnder干涉仪，利用Mach-Zehnder干涉的原理实现了生物检测。还可以参见F JBlanco等人在2006年J.Micromech.Microeng第16期第1006-1016页上发表的文章。YmetiA等人在2007年Nano Lett第7卷第2期第394-397页上发表的文章中提出了一种基于杨氏干涉仪的传感器，利用杨氏干涉的原理实现了对病毒的检测。还可以参见K Schmitt等人在2007年Biosensor and Bioelectronics第22卷第11期第2591-2597页上发表的文章以及Li Chian Chiu等人获得的美国专利(US2009195789(A1))。
(2)基于光环谐振器的生物检测芯片。C.A.Barrios等人在2008年Optic Letters第33卷第7期第708710页上发表的文章中提出了一种基于光环谐振器的检测芯片，利用狭缝光波导微环谐振器实现了无标记生物检测。还可以参见Andrea M.Armani等人在2007年Science第317卷第783-787页上发表的文章。
(3)基于光波导形成的生物检测芯片。Dongl iang Yin等人在2006年OPTICS LETTERS第31卷14期第2136-2138页上发表的文章中提出了一个基于平面光波导的单分子荧光检测芯片，平面光波导由固体覆盖层和流体导波层构成的防谐振反射光波导(ARROW)，通过对染料分子的荧光光谱的分析，实现对染料分子浓度的检测。Measor P等人在2007年Appl PhysLett发表的文章中提出了一个基于流体光波导的表面增强拉曼散射检测芯片，通过对光谱的分析实现对分子浓度的检测。Jian Ma等人在2009年Talanta 78第315-320页上发表的文章中提出了一个基于流体光波导的反向流动注射分析法实现了对海水中少量活性磷的检测芯片，流体光波导由固体覆盖层和流体导波层组成。还可以参见Rudi Irawan等人在2007年Biomed Microdevices第9期第413-419页上发表的文章。
以上基于光波导的生物检测芯片存在以下问题：固体光波导不便于集成于芯片；由固体覆盖层组成的流体光波导必须选择特定的固体覆盖层和流体导波层材料，以满足固体覆盖层折射率小于流体导波层折射率的条件；由流体覆盖层和流体导波层构成的流体光波导，由于流体之间分子的扩散作用影响流体光波导的性能。
发明内容
本发明的目的是：针对现有基于光波导的生物检测芯片中固体光波导不便于集成于芯片，由固体覆盖层构成的流体光波导结构对固体覆盖层和流体导波层材料的限制以及由流体覆盖层构成的流体光波导结构因流体之间分子的扩散作用引起的光传播不稳定的现状，提出一种结构简单，能够实现光的稳定传播和生物检测的基于流体光波导的生物检测芯片。
参阅附图1和附图2，本发明的技术方案是：一种生物检测芯片，其结构依次包括基底I1、结构层2和基底II 3，结构层2上有与基底I1和基底II 3平行的微管道，微管道里充满流体，其两端分别与输入口5和输出口7连通，一对金属电极4分别处在基底I1和基底II3上相应的位置上以直接加热微管道中的流体；一对金属电极4也可以处在结构层2的两个内壁上。基底I1上在与结构层2上输入口5和输出口7相应的位置上布有开孔；两段固体光波导I8分别位于微管道两端，以便于将入射光耦合到流体光波导6中。
为了提高检测效果，参阅附图7，在结构层2上还有两段与所述流体光波导形成交叉结构的固体光波导II9。
为了保证金属电极4和流体绝缘，在金属电极4表面覆盖聚合物薄膜10。
本发明的有益效果是：通过对金属电极4施加恒定电流导致金属电极4温度升高，由于热量传递，微管道中与金属电极4接触的流体区域温度升高，使得该区域的流体折射率降低，在微管道中的流体形成具有不同折射率的区域，与金属电极4接触的区域构成流体覆盖层，夹在流体覆盖层之间的流体区域构成流体导波层。由于流体导波层与流体覆盖层之间存在折射率梯度，使得光能够在流体导波层中稳定传播，形成流体光波导6。流体样品从输入口5注入到微管道中，最终流入输出口7。入射光通过一段固体光波导I 8耦合到微管道中，最终从另一段固体光波导I 8输出，通过对输出光的光谱和光强的检测分析，实现对流体中生物样品的特征检测。
本发明提出的基于流体光波导的生物检测芯片，由于在微管道中使用任意同种流体制作流体光波导，使得流体光波导的材料选择性更灵活；通过简单的电路控制，实现了光的稳定传播和生物检测，为生物细胞及生物大分子的光学检测提供了简便工具。
附图说明
图1为本发明提出的生物检测芯片的结构示意图；
图2为实施例1中流体光波导6的横截面示意图；
图3为图2中C-C截面的剖视图；
图4为实施例1中结构层2和金属电极4分布的结构示意图；
图5为实施例2中流体光波导6的横截面示意图；
图6为图5中B-B截面的剖视图；
图7为实施例2中结构层2的结构示意图；
图中：1-基底I，2-结构层，3-基底II，4-金属电极，5-输入口，6-流体光波导，7-输出口，8-固体光波导I，9-固体光波导II，10-聚合物薄膜。
具体实施方式
实施例1：
参阅附图1，附图2和附图4，本实施例提出的基于流体光波导的生物检测芯片，其结构依次包括基底I1、结构层2和基底II3，所述基底I1和基底II3材料均为PI，结构层2材料为PDMS；结构层2上有与基底I1和基底II3平行的微管道，微管道里充满含有单个人宫颈癌细胞的培养液，其两端分别与输入口5和输出口7连通，一对镍铝合金金属电极4处在结构层2的两个内壁上以直接加热微管道中的流体。基底I1上在与结构层2上输入口5和输出口7相应的位置上布有开孔，用于流体的输入和输出。两段固体光波导I8分别位于微管道两端，用于入射光的输入和输出。
本实施例通过对镍铝合金金属电极4施加恒定电流导致镍铝合金金属电极4温度升高，由于热量传递，微管道中与镍铝合金金属电极4接触的培养液区域温度升高，使得该区域的培养液的折射率降低，在微管道中的培养液形成具有不同折射率的区域，与镍铝合金金属电极4接触的区域构成流体覆盖层，夹在流体覆盖层之间的区域构成流体导波层。由于流体导波层与流体覆盖层之间存在折射率梯度，使得光能够在流体导波层中稳定传播，形成流体光波导6。含有单个人宫颈癌细胞的培养液从输入口5注入到微管道中，最终流入输出口7。通过对输出光光谱以及光强的检测分析，实现对单细胞的特征检测。
实施例2：
参阅附图5和附图7，本实施例提出的基于流体光波导的生物检测芯片，其结构依次包括基底I1、结构层2和基底II3，所述基底I1和基底II3材料均为玻璃，结构层2材料为SU-8；结构层2上有与基底I1和基底II3平行的微管道，微管道里充满含有若丹明分子的水溶液，其两端分别与输入口5和输出口7连通，一对镍金属电极4分别处在基底I1和基底II3上相应的位置上以直接加热微管道中的流体。基底I1上在与结构层2上输入口5和输出口7相应的位置上布有开孔，用于流体的输入和输出。两段固体光波导I8分别位于微管道两端。在结构层2上还有两段与所述流体光波导形成交叉结构的固体光波导II9，用于入射光的输入和输出。为了保证镍金属电极4和含有若丹明分子的水溶液绝缘，在镍金属电极4表面覆盖材料为聚乙烯醇的聚合物薄膜10。
本实施例通过对镍金属电极4施加恒定电流导致镍金属电极4温度升高，由于热量传递，微管道中与镍金属电极4接触的水溶液区域温度升高，使得该区域水溶液的折射率降低，在微管道中的水溶液形成具有不同折射率的区域，与镍金属电极4接触的区域构成流体覆盖层，夹在流体覆盖层之间的区域构成流体导波层。由于流体导波层与流体覆盖层之间存在的折射率梯度，使得光能够在流体导波层中稳定传播，形成流体光波导6。含有若丹明分子的水溶液从输入口5注入到微管道中，最终流入输出口7。入射光通过两段固体光波导II9输入和输出，若丹明分子受激会产生激发光，并且通过固体光波导I8输出。通过对激发光光谱以及光强的检测分析，可以实现对若丹明分子浓度的检测。该结构将入射光和激发光的传播路径从空间上分离，降低了入射光对激发光的影响，提高了检测质量。

Claims (4)

1.一种生物检测芯片，依次包括基底I(1)、结构层(2)和基底II(3)，结构层(2)上有与基底I(1)和基底II(3)平行的微管道，微管道里充满流体，其两端分别与输入口(5)和输出口(7)连通，一对金属电极(4)分别处在基底I(1)和基底II(3)上相应的位置上以直接加热微管道中的流体；基底I(1)上与结构层(2)上输入口(5)和输出口(7)相应的位置上布有开孔；两段固体光波导I(8)分别位于微管道两端。
2.一种如权利要求1所述的生物检测芯片，其特征在于：所述的金属电极(4)位置替换为处在结构层(2)的两个内壁上。
3.一种如权利要求1或2所述的生物检测芯片，其特征在于：在所述结构层(2)上还有两段与所述流体光波导形成交叉结构的固体光波导II(9)。
4.一种如权利要求1或2所述的生物检测芯片，其特征在于：在所述金属电极(4)表面覆盖聚合物薄膜(10)。
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