CN107085097A - 一种血检芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器材技术领域，尤其涉及一种血检芯片及其制作方法，该血检芯片包括载体基片、设于载体基片的导电基层、以及覆盖于导电基层的绝缘胶层，绝缘胶层开设有探针通孔，探针通孔设有突出于绝缘胶层表面的纳米金属探针，纳米金属探针包括金属探针本体以及分布在金属探针本体表面的刺状凸起，刺状凸起及其周围附着有检测病原体的抗体分子，抗体分子为DNA分子、RNA分子和固定化酶分子中的至少一种。相比于现有技术，本发明能够在数分钟甚至数秒钟之内给出血液检测结果；从而让使用者能够及时知晓自己的健康状况，以便进行及时的疾病预防或治疗，而且相比于医院常规的血检，该血检芯片大大降低了检测成本，使得血液检测更方便、更高效。
Description
技术领域
本发明属于医疗器材技术领域，尤其涉及一种血检芯片及其制作方法。
背景技术
血液是流动在心脏和血管内的不透明红色液体，主要成分为血浆、血细胞和血小板三种。血细胞又分为红细胞和白细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。人体各器官的生理和病理变化，往往会引起血液成分的改变，故患病后常常要通过验血来诊断疾病。
据世界卫生组织的统计数据表明，癌症患者如果能在早期的时候发现，治愈率可达到80%。然而，癌症在早期时，大多无明显症状，难以发现；而等到身体已经出现明显不适再进行检查，往往就是中晚期，这时已经错过了最佳治疗时机。本着早发现早治疗的原则，医院也有癌症的预防性检测；然而一般医院里进行检测需要进行多项检查，而且复杂的检查程序和巨额的花费成了无症状检查的一大障碍；而且目前医院里的血液检查效率较低，一般需等待数天才能拿到检测结果。因此，这对于偏远和贫困地区的人来说，进行血液检查显然是非常困难的，而且在实际应用中，往往需要同时测量血液中的多种成分，目前只有利用复杂昂贵的大型医疗仪器才能做到这一点，测试成本很高。
有鉴于此，确有必要研发一种使用成本低，操作简便的血检芯片，以实现对血液进行快速、精确、低成本的检测，并得出可靠的诊断结果。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有血液检测器材检测指标单一，使用成本昂贵，检测效率低的不足，而提供一种低成本、使用方便、检测精确快速的血检芯片。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种血检芯片，包括载体基片、设置于所述载体基片的导电基层、以及覆盖于所述导电基层的绝缘胶层，所述绝缘胶层开设有探针通孔，所述探针通孔设置有突出于绝缘胶层表面的纳米金属探针，所述纳米金属探针包括金属探针本体以及分布在金属探针本体表面的刺状凸起，所述刺状凸起及其周围附着有检测病原体的抗体分子，所述抗体分子为DNA分子、RNA分子和固定化酶分子中的至少一种。
其中，该血检芯片能够进行实时的血液检查，能够在数分钟甚至数秒钟之内给出血液检测结果。从而让使用者能够及时知晓自己的健康状况，以便进行及时的疾病预防或治疗，同时省去了到医院进行抽血检查的麻烦，这极大地缩短了检测和治疗之间的间隔时间，使得使用者能够快速、低成本地获取诊断数据，而且相比于医院常规的血检，该血检芯片使得检测更方便、更高效。
该血检芯片的检测原理是：通过抗体分子吸引和捕获可能在血液样本中存在的病原体分子，而纳米金属探针则相当于微传感器，当附着在其表面的抗体分子与病原体分子相结合时，纳米金属探针会产生电流，根据产生的电流的强弱来确定病原体分子的类型。
因为所有的DNA片段都有很好的特性，都可以选择性地与另一段DNA片段紧密结合。例如，通过设计并合成高度特异性的抗体分子，将该抗体分子附着在纳米金属探针上，以此捕捉血液中存在的金黄色葡萄球菌的DNA分子，当该抗体分子与金黄色葡萄球菌的DNA分子结合时，纳米金属探针就会产生电流。
此外，本发明中还可以附着固定化酶分子来检测血液中的成分指标，例如在纳米金属探针上附着固化的葡萄糖氧化酶，用来测量血液中葡萄糖的浓度；在纳米金属探针上附着固化的乳酸氧化酶，用来测量血液中乳酸的浓度；在纳米金属探针上附着固化的胆固醇氧化酶和胆固醇酯水解酶，用来测量血液中胆固醇的浓度；在纳米金属探针上附着固化的b-羟丁酸脱氢酶和还原性辅酶，用来测量血液中酮体的浓度。其原理是，这些固定化酶分子分别与血液中的血糖、胆固醇、乳酸、酮体等物质发生氧化还原反应，产生氧化电流，因此通过测量电流的大小即可测定血液中血糖、胆固醇、乳酸和酮体等物质的浓度。
发明人在研究过程中发现，一滴血液样本中病原体分子的数量水平与医生用针头取出的血液样本相当。在这样的情况下，一滴血液样本的病原体分子通常不到1000个，甚至更少。即使调整了病原体分子的数量，使其在血液样本中的数量达到百万级别，检测到的电流信号也比较微弱。通过刺状凸起的分散作用，使得抗体分子周围有更大的空间，携带着病原体分子的液体流过这些空间也更容易，这样，抗体分子和病原体分子也就有多得多的机会彼此接触，从而有效提高检测的灵敏度和精确度。
作为本发明血检芯片的一种改进，所述金属探针本体包括设置于探针通孔内的金属柱体，以及突出于绝缘胶层表面的半球形金属基底，所述刺状凸起分布在所述半球形金属基底的表面。相比于方形结构，将金属探针本体的表面设计成半球形结构，这样能够有效增加金属探针的表面积，从而更有利于后续刺状凸起的“生长”，以及抗体分子的附着和分散。
作为本发明血检芯片的一种改进，所述刺状凸起及其周围还附着有金属钌。其中，金属钌相当于放大器的作用，因为钌带有一个单位的正电荷，因此能吸附在带有一个负电荷的病原体分子上；这样，钌和病原体分子的复合体很容易从纳米金属探针上攫取电子，从而产生一股足以检测出的电流；因此，金属钌的加入能够有效提高检测的灵敏度。
作为本发明血检芯片的一种改进，所述刺状凸起的高度为1~100nm。若刺状凸起的高度过小，则无法起到有效分散抗体分子的作用；若刺状凸起的高度过大，分散抗体分子效果不增反降，这样不仅会增加制造成本，同时也会增加整个血检芯片的体积。
作为本发明血检芯片的一种改进，所述载体基片为硅基片、石墨烯基片或碳化硅基片。其均为优异的芯片载体，并可实现批量化生产。
作为本发明血检芯片的一种改进，所述纳米金属探针的数量设置为多个，各个纳米金属探针附着有不同类型的抗体分子。这样一来，在血检芯片上只需一滴血样，就能分析多种病原体，而大多数血液检测器材一次仅能检测一种病原体分子。
本发明的另一目的在于：提供一种上述任一段所述的血检芯片的制作方法，其包括以下步骤：
步骤一、对载体基片进行表面清洁处理，然后依次涂覆导电基层和光刻胶层，接着在紫外光的照射下进行曝光和显影，并使用金属蚀刻剂去除未曝光的导电基层，以形成所需的电路图形；
步骤二、剥离光刻胶层，并进行清洗和干燥处理，然后涂覆绝缘胶层，并对绝缘胶层进行打通孔处理，得到含探针通孔的芯片基板；
步骤三、将芯片基板放入含有金属盐溶液的电镀槽中，接通电源，对探针通孔进行电镀，控制电镀的电压为5μV~500mV，电镀的电流为0.01μA~100mA，电镀持续的时间为30s~30min；
步骤四、待电镀完成后，在25~85℃的温度下进行真空干燥1~10h，得到表面分布有刺状凸起的纳米金属探针；
步骤五、在刺状凸起及其周围负载检测病原体的抗体分子，然后进行封装处理，即得到所述的血检芯片。
其中，载体基片为硅基片、石墨烯基片或碳化硅基片，其均为优异的芯片载体，为高精度的血检芯片提供重要基础；绝缘胶层则起到绝缘钝化作用，以便于纳米金属探针的制作；导电基层则用于电流的传导和检测连接。
需要说明的是，血检芯片制作过程中，电镀的时间是关键，如果电镀的时间过长，就无法得到含纳米刺状凸起的金属探针结构；但电镀的时间过短，金属探针结构刚到纳米级就停止“生长”，同样无法得到所需的纳米金属探针。此外，对电镀电压/电流的控制也是极其重要，否则，电镀电压/电流过高或过低也无法得到所需的纳米金属探针。
作为本发明血检芯片的制作方法的一种改进，步骤三中所述金属盐溶液由HAuCl4和HCl按体积比1：（1~10）混合而成，其中HAuCl4的浓度为5~100mmol/L，HCl的浓度为10~500mmol/L。金是电流的良好导体，因此，选择纳米金探针能够有效提高检测的灵敏度和精确度。
作为本发明血检芯片的制作方法的一种改进，步骤三中所述电镀持续的时间为1~15min。这是较佳的电镀时间。
作为本发明血检芯片的制作方法的一种改进，步骤三中所述的电镀为降流电镀，所述降流电镀为先采用1mA~100mA的电流电镀20s~20min，后采用小于1mA的电流电镀10s~10min。采用降流电镀可以提高电镀的效率并保证得到所需的纳米金属探针结构，若后电镀阶段的电流过大可能会导致无法得到刺状凸起结构。
本发明的有益效果在于：本发明的血检芯片能够在数分钟甚至数秒钟之内给出血液检测结果；从而让使用者能够及时知晓自己的健康状况，以便进行及时的疾病预防或治疗，同时省去了平时到医院进行抽血检查的麻烦，这极大地缩短了检测和治疗之间的间隔时间，使得使用者能够快速、低成本地获取诊断数据，而且相比于医院常规的血检，该血检芯片使得检测更方便、更高效。
附图说明
图1为本发明中血检芯片的结构示意图。
图2为本发明中血检芯片的纵向剖视图。
图3为本发明中血检芯片检测病原体时的结构示意图。
图中：1-载体基片；2-导电基层；3-绝缘胶层；4-探针通孔；5-纳米金属探针；51-金属探针本体；511-金属柱体；512-金属基底；52-刺状凸起；53-抗体分子；6-病原体分子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不限于此。
实施例1
如图1~3所示，一种血检芯片，包括载体基片1、设置于载体基片1的导电基层2、以及覆盖于导电基层2的绝缘胶层3；其中，载体基片1为硅基片、石墨烯基片或碳化硅基片；绝缘胶层3开设有探针通孔4，探针通孔4设置有突出于绝缘胶层3表面的纳米金属探针5，纳米金属探针5包括金属探针本体51以及分布在金属探针本体51表面的刺状凸起52，刺状凸起52及其周围附着有检测病原体的抗体分子53，抗体分子53为DNA分子、RNA分子和固定化酶分子中的至少一种。
金属探针本体51包括设置于探针通孔4内的金属柱体511，以及突出于绝缘胶层3表面的半球形金属基底512，刺状凸起52分布在半球形金属基底512的表面。相比于方形结构，将金属探针本体51的表面设计成半球形结构，这样能够有效增加金属探针的表面积，从而更有利于后续刺状凸起52的“生长”，以及抗体分子53的附着和分散。
该血检芯片能够进行实时的血液检查，能够在数分钟甚至数秒钟之内给出血液检测结果。从而让使用者能够及时知晓自己的健康状况，以便进行及时的疾病预防或治疗，同时省去了到医院进行抽血检查的麻烦，这极大地缩短了检测和治疗之间的间隔时间，使得使用者能够快速、低成本地获取诊断数据，而且相比于医院常规的血检，该血检芯片使得检测更方便、更高效。
其中，该血检芯片的检测原理是：通过抗体分子53吸引和捕获可能在血液样本中存在的病原体分子6，而纳米金属探针5则相当于微传感器，当附着在其表面的抗体分子53与病原体分子6相结合时，纳米金属探针5会产生电流，根据产生的电流的强弱来确定病原体分子6的类型。
因为所有的DNA片段都有很好的特性，都可以选择性地与另一段DNA片段紧密结合。例如，通过设计并合成高度特异性的抗体分子53，将该抗体分子53附着在纳米金属探针5上，以此捕捉血液中存在的金黄色葡萄球菌的DNA分子，当该抗体分子53与金黄色葡萄球菌的DNA分子结合时，纳米金属探针5就会产生电流。
此外，本发明中还可以附着固定化酶分子来检测血液中的成分指标，例如在纳米金属探针5上附着固化的葡萄糖氧化酶，用来测量血液中葡萄糖的浓度；在纳米金属探针5上附着固化的乳酸氧化酶，用来测量血液中乳酸的浓度；在纳米金属探针5上附着固化的胆固醇氧化酶和胆固醇酯水解酶，用来测量血液中胆固醇的浓度；在纳米金属探针5上附着固化的b-羟丁酸脱氢酶和还原性辅酶，用来测量血液中酮体的浓度。其原理是，这些固定化酶分子分别与血液中的血糖、胆固醇、乳酸、酮体等物质发生氧化还原反应，产生氧化电流，因此通过测量电流的大小即可测定血液中血糖、胆固醇、乳酸和酮体等物质的浓度。
发明人在研究过程中发现，一滴血液样本中病原体分子6的数量水平与医生用针头取出的血液样本相当。在这样的情况下，一滴血液样本的病原体分子6通常不到1000个，甚至更少。即使调整了病原体分子6的数量，使其在血液样本中的数量达到百万级别，检测到的电流信号也比较微弱。通过刺状凸起52的分散作用，使得抗体分子53周围有更大的空间，携带着病原体分子6的液体流过这些空间也更容易，这样，抗体分子53和病原体分子6也就有多得多的机会彼此接触，从而有效提高检测的灵敏度和精确度。
作为本发明血检芯片的优选方案，刺状凸起52及其周围还附着有金属钌。其中，金属钌相当于放大器的作用，因为钌带有一个单位的正电荷，因此能吸附在带有一个负电荷的病原体分子6上；这样，钌和病原体分子6的复合体很容易从纳米金属探针5上攫取电子，从而产生一股足以检测出的电流。
作为本发明血检芯片的优选方案，刺状凸起52的高度为1~100nm。若刺状凸起52的高度过小，则无法起到有效分散抗体分子53的作用；若刺状凸起52的高度过大，分散抗体分子53效果不增反降，这样不仅会增加制造成本，同时也会增加整个血检芯片的体积。
作为本发明血检芯片的优选方案，纳米金属探针5的数量设置为多个，各个纳米金属探针5附着有不同类型的抗体分子53。这样一来，在血检芯片上只需一滴血样，就能分析多种病原体，而大多数血液检测器材一次仅能检测一种病原体分子6。
实施例2
本实施例提供一种实施例1所述的血检芯片的制作方法，其包括以下步骤：
步骤一、对载体基片1进行表面清洁处理，然后依次涂覆导电基层2和光刻胶层，接着在紫外光的照射下进行曝光和显影，并使用金属蚀刻剂去除未曝光的导电基层2，以形成所需的电路图形；其中，导电基层2为导电金属层，优选为金层或铜层，光刻胶层优选SU-8光刻胶；
步骤二、剥离光刻胶层，并进行清洗和干燥处理，然后涂覆绝缘胶层3，并对绝缘胶层3进行打通孔处理，得到含探针通孔4的芯片基板；其中，绝缘胶层3为酚醛树脂层、环氧树脂层、聚酰亚胺树脂层、聚酯树脂层、聚苯醚树脂层、氰酸酯树脂层或聚四氟乙烯树脂层；
步骤三、将芯片基板放入含有金属盐溶液的电镀槽中，接通电源，对探针通孔4进行电镀，控制电镀的电压为5μV~500mV，电镀的电流为0.01μA~100mA，电镀持续的时间为30s~30min；
步骤四、待电镀完成后，在25~85℃的温度下进行真空干燥1~10h，得到表面分布有刺状凸起52的纳米金属探针5；
步骤五、在刺状凸起52及其周围负载检测病原体的抗体分子53，然后进行封装处理，即得到的血检芯片。
其中，载体基片1为硅基片、石墨烯基片或碳化硅基片，其均为优异的芯片载体，为高精度的血检芯片提供重要基础；绝缘胶层3则起到绝缘钝化作用，以便于纳米金属探针5的制作；导电基层2则用于电流的传导和检测连接。
需要说明的是，血检芯片制作过程中，电镀的时间是关键，如果电镀的时间过长，就无法得到含纳米刺状凸起52的金属探针结构；但电镀的时间过短，金属探针结构刚到纳米级就停止“生长”，同样无法得到所需的纳米金属探针5。此外，对电镀电压/电流的控制也是极其重要，否则，电镀电压/电流过高或过低也无法得到所需的纳米金属探针5。
作为本发明血检芯片的制作方法的优选方案，步骤三中金属盐溶液由HAuCl4和HCl按体积比1：（1~10）混合而成，其中HAuCl4的浓度为5~100mmol/L，HCl的浓度为10~500mmol/L。金是电流的良好导体，因此，选择纳米金探针能够有效提高检测的灵敏度和精确度。
作为本发明血检芯片的制作方法的优选方案，步骤三中电镀持续的时间为1~15min。这是较佳的电镀时间。
作为本发明血检芯片的制作方法的优选方案，步骤三中的电镀为降流电镀，降流电镀为先采用1mA~100mA的电流电镀20s~20min，后采用小于1mA的电流电镀10s~10min。采用降流电镀可以提高电镀的效率并保证得到所需的纳米金属探针5结构，若后电镀阶段的电流过大可能会导致无法得到刺状凸起52结构。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种血检芯片，其特征在于：包括载体基片、设置于所述载体基片的导电基层、以及覆盖于所述导电基层的绝缘胶层，所述绝缘胶层开设有探针通孔，所述探针通孔设置有突出于绝缘胶层表面的纳米金属探针，所述纳米金属探针包括金属探针本体以及分布在金属探针本体表面的刺状凸起，所述刺状凸起及其周围附着有检测病原体的抗体分子，所述抗体分子为DNA分子、RNA分子和固定化酶分子中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的血检芯片，其特征在于：所述金属探针本体包括设置于探针通孔内的金属柱体，以及突出于绝缘胶层表面的半球形金属基底，所述刺状凸起分布在所述半球形金属基底的表面。
3.根据权利要求1所述的血检芯片，其特征在于：所述刺状凸起及其周围还附着有金属钌。
4.根据权利要求1所述的血检芯片，其特征在于：所述刺状凸起的高度为1~100nm。
5.根据权利要求1所述的血检芯片，其特征在于：所述载体基片为硅基片、石墨烯基片或碳化硅基片。
6.根据权利要求1所述的血检芯片，其特征在于：所述纳米金属探针的数量设置为多个，各个纳米金属探针附着有不同类型的抗体分子。
7.一种权利要求1~6任一项所述的血检芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对载体基片进行表面清洁处理，然后依次涂覆导电基层和光刻胶层，接着在紫外光的照射下进行曝光和显影，并使用金属蚀刻剂去除未曝光的导电基层，以形成所需的电路图形；
步骤二、剥离光刻胶层，并进行清洗和干燥处理，然后涂覆绝缘胶层，并对绝缘胶层进行打通孔处理，得到含探针通孔的芯片基板；
步骤三、将芯片基板放入含有金属盐溶液的电镀槽中，接通电源，对探针通孔进行电镀，控制电镀的电压为5μV~500mV，电镀的电流为0.01μA~100mA，电镀持续的时间为30s~30min；
步骤四、待电镀完成后，在25~85℃的温度下进行真空干燥1~10h，得到表面分布有刺状凸起的纳米金属探针；
步骤五、在刺状凸起及其周围负载检测病原体的抗体分子，然后进行封装处理，即得到所述的血检芯片。
8.根据权利要求7所述的血检芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中所述金属盐溶液由HAuCl4和HCl按体积比1：（1~10）混合而成，其中HAuCl4的浓度为5~100mmol/L，HCl的浓度为10~500mmol/L。
9.根据权利要求7所述的血检芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中所述电镀持续的时间为1~15min。
10.根据权利要求7所述的血检芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中所述的电镀为降流电镀，所述降流电镀为先采用1mA~100mA的电流电镀20s~20min，后采用小于1mA的电流电镀10s~10min。
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