CN106338603A - 一种免疫检测芯片、装置、系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种免疫检测芯片、装置、系统及其制备方法，其使用水栅有机光晶体管，包括光晶体管、包被有抗体的背板，所述包被有抗体的背板包括背板、在所述背板上设置的电极、在所述电极上设置的抗体，所述光电晶体管为有机光晶体管，还包括集成在所述有机光晶体管和包被抗体的背板之间的微流控模块，所述微流控模块用于完成免疫检测过程。可实现在病人床边或者在病人家里进行检测，而并不需要专业的临床检验师进行检验，而且可在现场快速、即时得到检验分析结果，不需要在专业实验室进行复杂处理、分析。

Description

一种免疫检测芯片、装置、系统及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片、系统及其制备方法，特别涉及一种能够包被抗体的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片、装置、系统及其制备方法。。

背景技术

化学发光免疫分析法是一种高灵敏度的免疫检测方法，并广泛应用于全自动免疫分析仪器中。传统的基于化学发光免疫法的仪器价格昂贵，操作复杂，并且体积庞大，适用于医院、检验机构等。POCT（point-of-care testing，即时检验）是一种新兴的体外诊断细分行业，POCT仪器体积小，价格低，操作简单，可实现在病人床边或者在病人家里进行检测，而并不需要专业的临床检验师进行检验，而且可在现场快速、即时得到检验分析结果，不需要在专业实验室进行复杂处理、分析。基于化学发光免疫分析的POCT仪器的关键部件是光电传感器芯片，其光敏材料主要基于无机半导体材料（比如四族硅），因此芯片的制备工艺复杂，成本高昂，芯片的驱动电压高，并且很难与化学发光免疫分析系统中进样、反应系统集成。

发明内容

为了解决现有技术中仪器价格昂贵，体积庞大等技术问题，本申请提出一种水栅有机光晶体管的免疫检测芯片，包括光晶体管、包被有抗体的背板，所述包被有抗体的背板包括背板、在所述背板上设置的电极、在所述电极上设置的抗体，所述光电晶体管为有机光晶体管，还包括集成在所述有机光晶体管和包被抗体的背板之间的微流控模块，所述微流控模块用于完成免疫检测过程。

可优选地是，所述有机光晶体管包括：衬底8、在所述衬底8上设置的栅电极5、源极6和漏极7。

可优选地是，所述有机光晶体管具体为水栅有机光晶体管。

可优选地是，所述的微流控模块包括样品池3.1、样品模块3.2、试剂池3.3、检验池3.4、废液池模块3.5、废液池3.6，所述微流控模块包括四个独立的试剂池3.3及检验池3.4部分，可同时检验四种不同的免疫蛋白，其中，所述的样品池3.1、试剂池3.3、检验池3.4及废液池3.6部分为上下导通结构，样品池3.1用于进样品溶液，试剂池3.3用于进试剂溶液，废液池3.6用于排出反应后的废液，检验池3.4用于检验池中的样品溶液及试剂溶液与包被在背板上设置的电极上的抗体反应，从而实现化学发光免疫检测过程。

可优选地是，所述微流控模块的材料为有机聚合物PDMS。

一种免疫检测装置，包括上述任一所述的免疫检测芯片。

一种免疫检测系统，包括如上述所述的免疫检测装置。

一种如上述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，基于水栅有机光晶体管的制备包括如下步骤： 1、通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底上制备栅电极及源漏电极；2、通过溶液成膜法在所述源漏电极上制备有源层。

可优选地是，所述步骤1具体为：

（1）选用玻璃作为衬底，通过光刻工艺在该衬底上形成栅极、源极及漏极光刻胶图形，其中，源极、漏极的图形为叉指型结构，构成光晶体管导电沟道

（2）通过热蒸镀方法首先蒸镀金属粘附层，设置金属厚度在10纳米之内，之后蒸镀金薄膜，其金薄膜的厚度控制在100纳米左右；（3）将粘附有金属薄膜的衬底整体浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得光晶体管的栅电极及源漏电极。

可优选地是，所述步骤2具体为：

（1）选择溶液成膜技术—甩胶法或喷墨打印法，以快速形成约50 nm厚的有源层，其中，P型和Ｎ型材料首先溶解于二氯苯或氯仿等溶剂中，其溶液浓度选择10 g/L，通过磁珠搅拌均匀，并通过滤膜进行过滤处理，以期能排除溶液中无法溶解的大颗粒；

（2）利用匀胶机在覆盖有源漏电极及栅电极的衬底上整体涂甩混合溶液，其中，匀胶机的前转速度设置为500 转/分钟，时间为5秒，将溶液在衬底上均匀铺开后，转速度设置为1200转/分钟，时间为60秒，使之能够形成约50纳米厚的异质结薄膜；

（3）将涂甩有薄膜的衬底放置于加热台，加热温度设置为145度，并加热20分钟左右；

（4）将除了叉指型区域的薄膜擦除掉，其中，栅极表面的有源层必须擦除干净，以避免栅极与源极导通而漏电严重现象。

一种如上述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，包被有抗体的背板的制备包括如下步骤：

A、选取载玻片作为包被抗体的基片，通过光刻工艺在基片上定义包含包被电极以及对准标记电极的光刻胶图形；

B、通过真空热蒸发技术在涂敷有光刻胶的衬底上蒸镀金属电极；

C、通过剥离工艺获得包被电极以及对准标记电极；

D、具有包被电极以及对准标记电极的基片浸泡于抗体溶液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置一个小时；

E、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的基片，把清洗液滴进基片，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体；

F、将步骤E重复六次，制得包被抗体的背板；

G、将具有包被电极以及对准标记电极的包被抗体的背板浸泡于0.05%-0.5%牛血清白蛋白的封闭液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置两个小时；

H、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的包被抗体的背板，把清洗液滴进背板，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体；

I、将步骤E重复六次，制得包被抗体和封闭剂的背板。

一种如上述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，微流控模块的制备包括如下步骤：

（1）、选取载玻片或者硅片作为微流控基片，并涂甩上光刻胶，利用光刻进行紫外曝光后，在显影液中浸泡、烘烤固化后得到模具；

（2）、将PDMS 溶液浇灌到模具上，加热固化，最后剥离得到微流控模块；

（3）、将微流控模块中的样品池、试剂池、检验池及废液池进行打孔处理，从而获得上下导通结构。

本申请能够节约成本、减小免疫检测设备的体积，操作简单，可在现场快速、即时得到检验分析结果，不需要在专业实验室进行复杂处理、分析，极大的为用户带来了便捷性。

附图说明

图1 为本发明水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的一种示意图。

图2 为本发明水栅有机光晶体管的源极、漏极的一种示意图。

图3 为本发明微流控模块的一种示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据下述内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

本发明提供一种基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片，其包括：水栅有机光晶体管、包被有抗体的背板及与集成在两者之间的微流控模块。

如图1所示，为本发明水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的一种示意图。本发明所述有机光晶体管包括：衬底8、在所述衬底8上设置的栅电极5、源漏电极（源极6和漏极7）、在所述源漏电极上设置有源层4。

本发明所述基于水栅有机光晶体管的有源层为P型和N型半导体材料共混得到的体异质结薄膜，这是由于体异质结薄膜能够有效吸收较宽波长范围的光谱，并产出光生激子，异质结的能带差异可将激子有效分离成自由电子和空穴。进一步地，本发明所述有源层中的P型有机半导体材料为PCDTBT、 PTB7或P3HT等有机聚合物材料，其电荷输运以空穴载流子为主导，且空穴载流子的迁移率较高，P型半导体的吸光在长波长范围，典型值为500nm~ 900nm, 所述N型半导体材料为PC61BM、PC71BM、C60等富勒烯材料或者PbS、HgTe等量子点材料，其电荷输运以电子载流子为主导，且电子载流子的迁移率较低。借助于电子和空穴在两种半导体材料中迁移率的巨大差异，从而实现光电流强大的倍增，获得超高光电灵敏度的光电传感器。上述具有不同吸收波长的P型和N型半导体材料能够与化学发光的光波长相匹配。

具体地，所述基于水栅有机光晶体管的制备包括步骤：

（1）通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底8上制备栅电极5及源漏电极（源极6和漏极7）。例如，本发明可选用玻璃作为衬底，通过光刻工艺在该衬底上形成栅极、源极及漏极等光刻胶图形。

如图2所示，为本发明水栅有机光晶体管的源极、漏极的一种示意图。其中，源极、漏极的图形为叉指型结构，构成光晶体管导电沟道，其沟道长度不超过10微米，沟道宽度超过1厘米，从而实现光晶体管高的宽长比。其中，栅极与沟道之间的距离不超过0.1 毫米，从而既能保证栅极能被反应池中的水溶液所覆盖，又能避免之后有源层薄膜接触栅极。然后，通过热蒸镀方法首先蒸镀金属粘附层，该金属材料为铬或者钛，其厚度控制在10纳米之内，之后蒸镀金薄膜，其金薄膜的厚度控制在100纳米左右。最后，将粘附有金属薄膜的衬底整体浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得光晶体管的栅电极及源漏电极。

（2）通过溶液成膜法在所述源漏电极上制备有源层4。

此步骤中，本发明选择成本低廉、工艺简单的溶液成膜技术—甩胶法或喷墨打印法，以快速形成约~50 nm厚的有源层。其中，P型和Ｎ型材料首先溶解于二氯苯或氯仿等溶剂中，其溶液浓度选择10 g/L，通过磁珠搅拌均匀，并通过滤膜进行过滤处理，以期能排除溶液中无法溶解的大颗粒。之后，利用匀胶机在覆盖有源漏电极及栅电极的衬底上整体涂甩混合溶液，其中匀胶机的前转速度设置为500 转/分钟，时间为5秒，目的是为了将溶液在衬底上均匀铺开，后转速度设置为1200转/分钟，时间为60秒，使之能够形成约50纳米厚的异质结薄膜。接下来，将涂甩有薄膜的衬底放置于加热台，加热温度设置为145度，并加热20分钟左右，加热目的一为蒸发掉溶剂，使之能够形成固态薄膜，其二为了异质结排列更加规整，从而有益于电荷的传输。最后，将除了叉指型区域的薄膜擦除掉，其中，尤其是栅极表面的有源层必须擦除干净，已避免栅极与源极导通而漏电严重现象。

如图1所示，本发明所述包被有抗体的背板包括：背板1、在所述背板1上设置的电极2、在所述电极2上设置的抗体9。

具体地，所述的基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，其中，所述包被有抗体的背板的制备包括步骤：

A、选取载玻片作为包被抗体的基片，通过光刻工艺在基片上定义包含包被电极以及对准标记电极的光刻胶图形；

B、通过真空热蒸发技术在涂敷有光刻胶的衬底上蒸镀金属电极；

C、通过剥离工艺获得包被电极以及对准标记电极；

D、具有包被电极以及对准标记电极的基片浸泡于抗体溶液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置一个小时。

E、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的基片，把清洗液滴进基片，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体。

F、将步骤E重复六次，制得包被抗体的背板。

G、将具有包被电极以及对准标记电极的包被抗体的背板浸泡于0.05%-0.5%牛血清白蛋白的封闭液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置两个小时。

H、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的包被抗体的背板，把清洗液滴进背板，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体。

I、将步骤E重复六次，制得包被抗体和封闭剂的背板。

本发明公开一种基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片，其包括集成在水栅光晶体管与包被有抗体的背板之间的微流控模块3。

如图3所示，为本发明微流控模块的一种示意图。具体地，本发明所述微流控模块结构用于完成免疫检测中进样、混合、反应、检测等一系列过程, 可满足免疫检测芯片的微型化、低电压、低成本等要求。其中，所述微流控模块的材料为有机聚合物PDMS，这是由于所述有机聚合物PDMS具有易加工、低成本、透明的特性。其中，所述的微流控模块如图3所示，包括样品池3.1、样品模块3.2、试剂池3.3、检验池3.4、废液池模块3.5、废液池3.6。其中，所述的微流控模块包括四个独立的试剂池3.3及检验池3.4部分，可同时检验四种不同的免疫蛋白。其中，所述的样品池3.1、试剂池3.3、检验池3.4及废液池3.6部分为上下导通结构，样品池3.1是为了进样品溶液，试剂池3.3为进试剂溶液，废液池3.6为了排出反应后的废液，检验池3.4是为了检验池中的样品溶液及试剂溶液与包被在背板1上设置的电极2上的抗体9反应，从而实现化学发光免疫检测过程。

具体地，所述微流控模块的制备包括步骤：

（1）、选取载玻片或者硅片作为微流控基片，并涂甩上光刻胶，利用光刻进行紫外曝光后，在显影液中浸泡、烘烤固化后得到模具。

（2）、将PDMS 溶液浇灌到模具上，加热固化，最后剥离得到微流控模块。

（3）、将微流控模块中的样品池、试剂池、检验池及废液池进行打孔处理，从而获得上下导通结构。

例如，本发明选取载玻片或者作为微流控基片，并涂甩上SU8光刻胶，利用光刻进行紫外曝光后，在显影液中浸泡、烘烤固化后得到SU8模具；然后再将PDMS 溶液浇灌到SU8模具上，加热固化，最后剥离得到微流控模块。

具体地，采用等离子清洗机对微流控模块的上下表面进行修饰处理，以便将其与水栅有机光晶体管及包被有抗体的背板进行集成封装，制得免疫检测集成芯片。本发明通过将基于光栅有机光晶体管芯片与微流控模块进行高质量的集封接，从而大大提高了免疫检测集成芯片的实用性。其中，基于水栅有机光晶体管及与微流控模块的集成需要考虑多种因素：1、尽量减少光信号的传输损耗，从而有效提高被基于水栅有机光晶体管的吸收能力；2、对溶液无渗漏，减少化学反应对基于水栅有机光晶体管的影响；3、封装的粘附性好，防止长期使用过程中出现芯片脱落的问题。为此，本发明将对微流控模块进行等离子体清洗处理，对微流控模块表面进行修饰和处理，通过优化微流控模块表面疏水性，从而解决上述的一系列问题。

进一步地，本发明采取化学发光免疫检测技术对免疫检测集成芯片进行测试。化学发光检测技术被公认为是最灵敏的检测技术之一，另外相比于荧光技术，化学发光不需要光源，因此减少了检测的复杂性以及背景光的噪声影响，非常适合在小型化、便捷化的微流控POCT 系统中使用。本发明采用化学发光技术对特异性疾病蛋白质进行检测。为了同时检测多个指标，免疫检测集成芯片集成有4个独立的检测单元，可同时检测4种不同的病原体含量，免疫检测集成芯片有统一的进样和废液回收口，每一独立单元又有各自试剂入口，可有效防止相互交叉污染而影响检测精度。

进一步地，本发明采取水栅光晶体管作为化学发光信号的检测单元。其中，直接将检验池中的溶液引入到光晶体管结构中，充当传统晶体管中的“绝缘层”, 其吸引有源层中载流子积累的媒介，该结构因在溶液和有源层界面形成双电层，从而导致相比较于传统晶体管更大的电容值，可有效降低晶体管的工作电压。为了让基于水栅有机光电晶体管获得高的灵敏度，本发明将控制栅电压使得晶体管处于耗尽区工作状态，这是因为耗尽区内的暗电流较低。

综上所述，本发明提供的一种基于水栅有机光晶体管的免疫检测芯片及其制备方法，本发明通过将基于水栅有机光晶体管与微流控模块集成，并采用化学发光同时进行多种免疫蛋白检测，通过优化光电晶体管的各种参数，达到降低光电传感器功耗及提高灵敏度的目的；另外通过优化光电传感与微流控模块之间粘合性，从而保证整个免疫检测集成芯片具有良好的性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种免疫检测芯片，包括光晶体管、包被有抗体的背板，其特征在于：所述包被有抗体的背板包括背板、在所述背板上设置的电极、在所述电极上设置的抗体，所述光电晶体管为有机光晶体管，还包括集成在所述有机光晶体管和包被抗体的背板之间的微流控模块，所述微流控模块用于完成免疫检测过程。

2.如权利要求1所述的免疫检测芯片，其特征在于：所述有机光晶体管包括：衬底8、在所述衬底8上设置的栅电极5、源极6和漏极7。

3.如权利要求2所述的免疫检测芯片，其特征在于：所述有机光晶体管具体为水栅有机光晶体管。

4.如权利要求1所述的免疫检测芯片，其特征在于：所述的微流控模块3包括样品池3.1、样品模块3.2、试剂池3.3、检验池3.4、废液池模块3.5、废液池3.6，所述微流控模块包括四个独立的试剂池3.3及检验池3.4部分，可同时检验四种不同的免疫蛋白，其中，所述的样品池3.1、试剂池3.3、检验池3.4及废液池3.6部分为上下导通结构，样品池3.1用于进样品溶液，试剂池3.3用于进试剂溶液，废液池3.6用于排出反应后的废液，检验池3.4用于检验池中的样品溶液及试剂溶液与包被在背板上设置的电极上的抗体反应，从而实现化学发光免疫检测过程。

5.如权利要求1所述的免疫检测芯片，其特征在于：所述微流控模块3的材料为有机聚合物PDMS。

6.一种免疫检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的免疫检测芯片。

7.一种免疫检测系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的免疫检测装置。

8.一种如权利要求1-3任一所述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，其特征在于：基于水栅有机光晶体管的制备包括如下步骤： 1、通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底上制备栅电极及源漏电极；2、通过溶液成膜法在所述源漏电极上制备有源层。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1具体为：

（1）选用玻璃作为衬底，通过光刻工艺在该衬底上形成栅极、源极及漏极光刻胶图形，其中，源极、漏极的图形为叉指型结构，构成光晶体管导电沟道

（2）通过热蒸镀方法首先蒸镀金属粘附层，设置金属厚度在10纳米之内，之后蒸镀金薄膜，其金薄膜的厚度控制在100纳米左右；（3）将粘附有金属薄膜的衬底整体浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得光晶体管的栅电极及源漏电极。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2具体为：

（1）选择溶液成膜技术—甩胶法或喷墨打印法，以快速形成约50 nm厚的有源层，其中，P型和Ｎ型材料首先溶解于二氯苯或氯仿等溶剂中，其溶液浓度选择10 g/L，通过磁珠搅拌均匀，并通过滤膜进行过滤处理，以期能排除溶液中无法溶解的大颗粒；

（2）利用匀胶机在覆盖有源漏电极及栅电极的衬底上整体涂甩混合溶液，其中，匀胶机的前转速度设置为500 转/分钟，时间为5秒，将溶液在衬底上均匀铺开后，转速度设置为1200转/分钟，时间为60秒，使之能够形成约50纳米厚的异质结薄膜；

（3）将涂甩有薄膜的衬底放置于加热台，加热温度设置为145度，并加热20分钟左右；

（4）将除了叉指型区域的薄膜擦除掉，其中，栅极表面的有源层必须擦除干净，以避免栅极与源极导通而漏电严重现象。

11.一种如权利要求1-3任一所述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，其特征在于：包被有抗体的背板的制备包括如下步骤：

A、选取载玻片作为包被抗体的基片，通过光刻工艺在基片上定义包含包被电极以及对准标记电极的光刻胶图形；

B、通过真空热蒸发技术在涂敷有光刻胶的衬底上蒸镀金属电极；

C、通过剥离工艺获得包被电极以及对准标记电极；

D、具有包被电极以及对准标记电极的基片浸泡于抗体溶液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置一个小时；

E、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的基片，把清洗液滴进基片，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体；

F、将步骤E重复六次，制得包被抗体的背板；

G、将具有包被电极以及对准标记电极的包被抗体的背板浸泡于0.05%-0.5%牛血清白蛋白的封闭液中，并放置于恒温箱内保持37摄氏度静置两个小时；

H、从恒温箱中取出包被电极预计对准标记电极的包被抗体的背板，把清洗液滴进背板，轻轻摇晃30秒，然后甩干基片上的液体；

I、将步骤E重复六次，制得包被抗体和封闭剂的背板。

12.一种如权利要求1-3任一所述的水栅有机光晶体管的免疫检测芯片的制备方法，其特征在于：微流控模块的制备包括如下步骤：

（1）、选取载玻片或者硅片作为微流控基片，并涂甩上光刻胶，利用光刻进行紫外曝光后，在显影液中浸泡、烘烤固化后得到模具；

（2）、将PDMS 溶液浇灌到模具上，加热固化，最后剥离得到微流控模块；

（3）、将微流控模块中的样品池、试剂池、检验池及废液池进行打孔处理，从而获得上下导通结构。