CN101899390B - 一种硅基聚合酶链式反应微池芯片 - Google Patents

一种硅基聚合酶链式反应微池芯片 Download PDF

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Abstract

一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，包括基体，基体和电路板连接，基体的正面设置有四个微反应腔，在基体的背面对应于对应于微反应腔底部的位置均集成有微加热器和微温度传感器，微加热器通过电路板的电极与外部电源连接，微温度传感器通过电路板的电极与外部温控系统连接，将芯片电路板上的电极分别接上电源和温控系统，把待扩增样本注入到微反应腔内，然后微加热器开始给微反应腔内的样本加热，温控系统通过微温度传感器实时检测样本的温度，并与预设的温度循环模式相比较，调制微加热器的加热功率，从而实现样本的扩增，本发明具有体积小，样品消耗少，分析时间短，功耗低，灵敏度高的优点。

Description

一种硅基聚合酶链式反应微池芯片
技术领域
本发明涉及生物微机电系统技术领域，特别涉及一种硅基聚合酶链式反应微池芯片。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行。PCR技术是目前扩增DNA的最常用技术，该技术以其简便、快速、高效等特点，迅速成为分子生物学研究的基本技术和有力工具，并成为DNA实验室不可缺少的组成部分，在医学和生物学中得到了广泛应用，被誉为最近几年分子生物学领域中具有革命性的技术突破。然而，传统的PCR扩增仪系统庞大，操作复杂，分析时间长，样品消耗大，已不能满足日益发展的分子诊断技术的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，具有体积小，样品消耗少，分析时间短，功耗低、灵敏度高、结构简单的优点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，包括基体1，基体1和电路板2连接，基体1的正面设置有四个微反应腔3，在基体1的背面对应于微反应腔3底部的位置均集成有微加热器4和微温度传感器5，微加热器4通过电路板2的电极与外部电源连接，微温度传感器5通过电路板2的电极与外部温控系统连接。
所述的基体1和电路板2通过倒装焊接工艺连接。
所述的微反应腔3对称分布在基体1的正面上，微反应腔3的内表面生长有一层二氧化硅。
所述的微加热器4的加热电阻采用离子注入工艺制作在芯片背面内部，分布位置对应于每个微反应腔3底部两侧，两侧加热电阻的数目相等，均成等间隔排列，间隔距离与加热电阻自身宽度相同。
所述的微温度传感器5位于芯片背面内部对应于每个微反应腔3底部的中间。
本发明的工作原理为：将芯片电路板2上的电极分别接上电源和温控系统，把待扩增样本注入到微反应腔3内，然后微加热器4开始给微反应腔3内的样本加热，温控系统通过微温度传感器5实时检测样本的温度，并与预设的温度循环模式相比较，调制微加热器4的加热功率，从而实现样本的扩增。
由于本发明采用MEMS工艺制作，并将微加热器和微温度传感器集成在芯片上，结构简单，所以具有体积小，样品消耗少，分析时间短，功耗低，灵敏度高的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明基体1的正面示意图。
图3为本发明基体1的背面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和工作原理进行详细说明。
参见图1，一种聚合酶链式反应微池芯片，包括基体1和电路板2，在基体1的正面设置有四个微反应腔3，这样可以提高芯片的可靠性，在基体1的背面对应于每个微反应腔的地方集成有微加热器4和微温度传感器5，这样可以提高芯片的集成度，简化结构，减小体积，为了实现微加热器4和微温度传感器5与外部电路的连接，基体1和电路板2连接，微加热器4和微温度传感器5的电路便与电路板2的电路连通，从而可以通过电路板2的电极与外部电路相连，避免引线困难的问题。
所述的基体1和电路板2通过倒装焊接工艺连接。
参见图2，所述的微反应腔3对称分布在基体1的正面上，以减小相互之间的温度干扰，微反应腔3的内表面生长有一层二氧化硅，以避免或削弱硅材料对PCR过程的抑制作用。
参见图3，所述的微加热器4的加热电阻采用离子注入工艺制作在芯片背面内部，分布位置对应于每个微反应腔3底部两侧，这样有利于提高芯片的可靠性，两侧加热电阻的数目相等，均成等间隔排列，间隔距离与加热电阻自身宽度相同，这种设计增大了微反应腔3的受热面积，有利于改善芯片的温度均匀性。
参见图3，所述的微温度传感器5位于芯片背面内部对应于每个微反应腔3底部的中间，微温度传感器5采用金属淀积的方法制备在基体1背面的表面，位于两侧加热电阻中间，为了提高测温精度，以金属Pt作为敏感材料。
本发明的工作原理为：将芯片电路板2上的电极分别接上外部电源和温控系统，微加热器4便与电源接通，微温度传感器便与温控系统接通，把待扩增样本注入到微反应腔3内，然后微加热器4开始给微反应腔3内的样本加热，温控系统通过微温度传感器5实时检测样本的温度，并与预设的温度循环模式相比较，调制微加热器4的加热功率，使样本的温度在变性温度、退火温度和延伸温度三个特定的温度之间按照一定的方式循环，从而为样本扩增提供所需的温度环境，实现样本的扩增。
反应液内部温度均匀性主要由加热电阻的布置方式决定。通过ANSYS软件仿真可知，加热电阻在硅基底部分布越均匀，反应液的温度均匀性越好。本发明设计了两侧分布的加热电阻，并采取多电阻加热方式来尽可能地增加芯片的受热面积，避免集中加热导致的温度不均匀性。同时，采用离子注入工艺直接在硅基内部制作加热电阻，以简化结构，提高加热效率。
PCR芯片的温度测量是芯片温度控制的重要前提，通过在PCR芯片上集成温度传感器可以实现对芯片温度的实时测量。本发明采用金属Pt作为测温敏感材料。Pt电阻的阻值与温度关系可以表示为：
R(t)＝R0(1+At+Bt2)                  (1)
其中R0为Pt电阻在0℃时的阻值，A、B为分度常数，t为温度值，R(t)为Pt电阻在t℃时的阻值。
通过测量Pt电阻的阻值便可获得芯片的温度。通过金属淀积技术在硅基底部中央淀积一层很薄的金属Pt薄膜，便将测温电阻简便地集成在PCR芯片上，结构紧凑，工艺简单，易于实现。
本发明的PCR微芯片具有微升级体积的微反应腔，集成于芯片上的微加热器和微温度传感器可以方便地实现对芯片温度的控制。该芯片结构简单、可靠，操作简便，且制作工艺简单、成熟，在医学、生命科学、商品检验、环境检测、刑事、军事及航空航天等科学领域具有广泛的实际应用前景。
附图中：1为基体；2为电路板；3为微反应腔；4为微加热器；5为微温度传感器。

Claims (5)

1.一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，包括基体（1），其特征在于：基体（1）和电路板（2）连接，基体（1）的正面设置有四个微反应腔（3），在基体（1）的背面对应于微反应腔（3）底部的位置均集成有微加热器（4）和微温度传感器（5），微加热器（4）通过电路板（2）的电极与外部电源连接，微温度传感器（5）通过电路板（2）的电极与外部温控系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，其特征在于：所述的基体（1）和电路板（2）通过倒装焊接工艺连接。
3.根据权利要求1所述的一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，其特征在于：所述的微反应腔（3）对称分布在基体（1）的正面上，微反应腔（3）的内表面生长有一层二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，其特征在于：所述的微加热器（4）的加热电阻采用离子注入工艺制作在芯片背面内部，分布位置对应于每个微反应腔（3）底部两侧，两侧加热电阻的数目相等，均成等间隔排列，间隔距离与加热电阻自身宽度相同。
5.根据权利要求1所述的一种硅基聚合酶链式反应微池芯片，其特征在于：所述的微温度传感器（5）位于芯片背面内部对应于每个微反应腔（3）底部的中间。
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