CN108982435A - 一种一体化荧光检测装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化荧光检测装置，包括微流控芯片、发射光滤光片以及光电探测器，将发射光滤光片、光电探测器以及微流控芯片键合集成到一起，得到一体化荧光检测装置，体积较小；本发明的一种一体化荧光检测装置的制备方法，将光阻树脂涂布在双栅极光电薄膜晶体管上，通过曝光、显影、烘烤操作得到含有滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管，在进行重复操作后得到含有一种以上的对应不同波长的滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管，最后在将微流控芯片和集成了滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管键合后可以得到一体化的检测装置，制备过程简单，制得的荧光检测装置可以同时检测多种荧光标志物。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片分析技术领域，特别是一种一体化荧光检测装置及其制备方法。
背景技术
荧光检测方法主要包括激光诱导荧光、电化学、化学发光等，其中诱导荧光技术是应用最早的、主流的、灵敏度最高的检测手段之一，传统的激光诱导荧光检测系统的光路设计通常采用正交式、反射式，这种设计需要在激发光源与光电探测器之间加入一系列的透镜、棱镜等元件，导致系统存在体积大、价格高昂等特点，不利于系统集成，采用透射式的光路可以去除一些不必要的分光棱镜，有利于系统的集成便携，但对滤光片与光电探测器的要求更高。
目前常用的光电探测器主要是光电二极管、光电倍增管以及CCD等，这些元件与系统其余部分集成难度较大且较为昂贵，而且要实现多种荧光标志物的检测需要增加更多器件，更不利于系统集成，而由于光源与激发光滤光层的集成可以采用独立器件相互叠加实现，所以系统的关键问题是如何实现含有样品的微流控芯片、发射光滤光层与光电探测器之间的相互集成。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种一体化荧光检测装置及其制备方法，将发射光滤光片、光电探测器以及微流控芯片集成在一起，可以检测多种荧光标志物，并且整体体积小，制备过程简单。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种一体化荧光检测装置，包括用于装载荧光标志物的微流控芯片、发射光滤光片以及用于将光信号转换成电信号的光电探测器，所述微流控芯片、发射光滤光片以及光电探测器依次排列设置，所述发射光滤光片采用光刻技术集成在光电探测器的上表面，所述微流控芯片的下表面与集成了发射光滤光片的光电探测器的上表面键合成一体式结构，所述发射光滤光片包括一个以上的对应不同波长的滤光膜，所述滤光膜平行排列设置在光电探测器的上表面。
进一步，所述微流控芯片包括一个以上的用于装载荧光标志物的测试槽，所述测试槽平行设置并与滤光膜一一对应。
进一步，所述光电探测器为采用薄膜晶体管制备工艺制成的双栅极光电薄膜晶体管。传统的光电二极管、光电倍增管以及CCD等集成难度较大，并且价格昂贵，所以采用双栅极光电薄膜晶体管作为光电探测器。
进一步，还包括用于生成激光的光源以及将激光分解成单色光的激发光滤光片，所述激发光滤光片、光源依次设置在微流控芯片上方。
进一步，所述滤光膜以马赛克式或条纹式或三角形式集成在光电探测器上。设置多种不同波长的滤光片可以实现对多种不同荧光标志物的检测。
一种一体化荧光检测装置的制备方法，包括以下步骤：
将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上，盖上滤光膜遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，得到含有滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管；
采用另一种颜色的光阻树脂重复上述步骤得到含有一个以上的对应不同波长的滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管；
将集成了滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片键合。
进一步，在将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上制备滤光膜时，先在双栅极光电薄膜晶体管上涂布黑色光阻树脂，然后盖上矩阵遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，制得含有黑色矩阵的双栅极光电薄膜晶体管，所述滤光膜集成在黑色矩阵上。黑色矩阵为滤光膜集成时所集成的位置。
进一步，所述滤光膜以马赛克式或条纹式或三角形式的排列方式集成在双栅极光电薄膜晶体管上。根据不同荧光标志物的激发光谱、发射光谱特征，滤光膜的排列方式是多样的，通过设置不同的滤光膜遮挡掩模板来构造滤光膜的排列方式。
进一步，将集成了滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片键合的具体步骤为：
对底部设置有矩形微通道的微流控芯片以及双栅极光电薄膜晶体管进行表面改性处理，并置于等离子清洗机中进行等离子处理；
将处理后的微流控芯片与双栅极光电薄膜晶体管对准，进行键合，其中双栅极光电薄膜晶体管上表面的滤光膜嵌入到微流控芯片底部的矩形微通道中。
进一步，将集成了滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片键合的具体步骤为：
对双栅极光电薄膜晶体管集成了滤光膜的表面进行平坦化处理；
将微流控芯片下表面与双栅极光电薄膜晶体管平坦化后的上表面对准，进行紫外照射以及加热硬化处理。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种一体化荧光检测装置，采用光刻技术将发射光滤光片集成在光电探测器上，并将集成了发射光滤光片的光电探测器与微流控芯片键合成一体化结构，减小体积，而发射光滤光片包括一个以上的对应不同波长的滤光膜，可以用于同时检测多种不同的荧光标志物；
本发明采用的一种一体化荧光检测装置的制备方法，将光阻树脂涂布在双栅极光电薄膜晶体管上，通过曝光、显影、烘烤操作得到含有滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管，再采用其他种类的光阻树脂重复涂布、曝光、显影、烘烤的操作后可以得到含有一种以上的对应不同波长的滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管，最后在将微流控芯片和集成了滤光膜的双栅极光电薄膜晶体管键合后可以得到一体化的检测装置，制备过程简单，制得的荧光检测装置可以同时检测多种荧光标志物。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种一体化荧光检测装置的结构图；
图2是本发明一种一体化荧光检测装置的制备方法的流程图；
图3是实施例1中将滤光膜集成到双栅极光电薄膜晶体管的过程示意图；
图4是实施例1中将微流控芯片和双栅极光电薄膜晶体管键合到一起的过程示意图；
图5是实施例2中将滤光膜集成到双栅极光电薄膜晶体管的过程示意图；
图6是实施例2中将微流控芯片和双栅极光电薄膜晶体管键合到一起的过程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种一体化荧光检测装置，包括依次排列设置的光源4、激发光滤光片5、微流控芯片1、发射光滤光片2以及光电探测器3，其中发射光滤光片2采用光刻技术集成在光电探测器3的上表面，然后光电探测器3和微流控芯片1之间键合成一体式结构，大大简化了传统荧光检测装置体积大的缺点，而发射光滤光片2包括一个以上的滤光膜21，每个滤光膜21对应不同的波长，即可以对应不同的荧光标志物进行检测，实现对多种荧光标志物的同时检测。
常用的光电探测器3有光电二极管、光电倍增管以及CCD等，这些光电探测器3不仅集成难度大，并且价格也相对昂贵，所以本发明选取了价格相对便宜并且集成难度较小的双栅极光电薄膜晶体管作为光电探测器3，但也不局限于双栅极光电薄膜晶体管，对于同样是基于薄膜晶体管制备工艺制成的光电传感器来说，也同样可以应用到本发明中作为光电探测器3。
具体地，本发明的多个滤光膜21集成到光电探测器3上时，排列方式可以是多种类的，例如以马赛克式或条纹式或三角形式的排列方式集成在光电探测器3上，具体地的排列方式可以根据实际情况进行设定，但是滤光膜21必须是处于同一水平面上的，否则就不能实现对多种荧光标志物的检测。
由于本发明存在多种滤光膜21，所以可以通过对荧光标志物的选取实现对多种荧光标志物的同时检测，例如，选取三种激发波长一致、发射光波长对应红光、绿光、蓝光波长的量子点溶液与荧光标志物结合，即可实现对三种荧光标志物的同时检测。
同时，在微流控芯片1内设置有多个测试槽11，测试槽11也是平行设置的，并且与滤光膜21一一对应，每一个测试槽11内装载有一种荧光标志物，与位于其下方的滤光膜21相对应，多个测试槽11内装载多种荧光标志物，即可实现对多种荧光标志物的同时检测。
本发明利用彩色滤光片制作工艺制备荧光检测所需要的发射光滤光片2，对应不同种类的荧光物质可选择不同的彩色光阻制备，例如针对激发光波长对应于红光、绿光、蓝光波长的三种荧光物质，可以直接利用液晶显示面板生产采用的RGB彩色光阻制作。
本发明由于采用的是激发光滤光片5以及集成在光电探测器3上的发射光滤光片2，整体为投射式的光路，不仅减少了一些不必要的分光棱镜的设置，便于装置集成，同时还避免了正交式、反射式的荧光检测装置的复杂光路和光损失。
参照图2，本发明的一种一体化荧光检测装置的制备方法，包括以下步骤：
将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上，盖上滤光膜遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，得到含有滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管；
采用另一种颜色的光阻树脂重复上述步骤得到含有一个以上的对应不同波长的滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管；
将集成了滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片1键合。
具体地，为了在集成滤光膜21时有一个良好的定位并且隔开相邻的滤光膜21防止干扰，需要先在双栅极光电薄膜晶体管上设置好多个定位矩阵，所以在集成滤光膜21之前，先要在双栅极光电薄膜晶体管上涂布黑色光阻树脂，然后盖上矩阵遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，制得含有黑色矩阵的双栅极光电薄膜晶体管，黑色矩阵即为滤光膜21集成时所集成的位置。
采用黑色的光阻树脂作为定位矩阵的原料的原因是因为，黑色可以吸收所有波长的可见光，在进行检测时，不会对检测结果造成影响。
本发明的光阻树脂在照射到紫外光之后会硬化，所以本发明采用的遮挡掩模板所镂空的地方露出的光阻树脂在照射到紫外光后会硬化，在硬化完成后，通过对双栅极光电薄膜晶体管的表面进行清洗以及烘烤等操作，即可将未被照射到的光阻树脂洗去，留下硬化后的树脂。
本发明将制作黑色矩阵的矩阵遮挡掩模板设置成网格状，在覆盖到黑色光阻树脂上经紫外光照射后，会留下网格式的黑色矩阵，黑色矩阵的作用是为了集成滤光膜21时比较方便，同时将相邻的滤光膜21隔开，防止相互之间的干扰。
而滤光膜21的排列方式是多种类的，例如马赛克式或条纹式或三角形式，而滤光膜21是设置在黑色矩阵上的，其排列方式由滤光膜遮挡掩模板决定，将滤光膜21集成到黑色矩阵上的过程和黑色矩阵的生成类似，在不同颜色的滤光膜遮挡掩模板上镂空出与黑色矩阵对应的矩阵框，然后将滤光膜21集成到双栅极光电薄膜晶体管上，其中滤光膜21的排列方式可以是马赛克式的，也可以是条纹式或者三角形式的，具体地排列方式由滤光膜遮挡掩模板决定。不同图案的滤光遮挡掩模板可以得到不同排列方式的滤光膜21，即最终的滤光膜21的排列方式也可以是多样的。
具体地，将集成了滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片1键合的具体步骤为：
对微流控芯片1以及双栅极光电薄膜晶体管进行表面改性处理，并置于等离子清洗机中进行等离子处理，具体过程会在实施例1当中进行说明；
将处理后的微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管对准，进行键合。
具体地，将集成了滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片1键合的具体步骤为：
对双栅极光电薄膜晶体管集成了滤光膜21的表面进行平坦化处理；将微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管对准，进行紫外照射以及加热硬化处理，具体过程会在实施例2中进行说明。
由于一种荧光物质都有与其对应的激发波长和发射波长，所以在制备发射光滤光片2时所选取的滤光膜21的颜色确定之后，需要相应的对激发光滤光片5进行设计，使之与发射光滤光片2相对应，例如当发射光滤光片2选择红绿蓝三种滤光膜进行集成时，就需要在激发光滤光片5上对应的设计红绿蓝三种颜色的滤光片。
以下以两个实施例来阐述本发明的一体化荧光检测装置的制备方法，其中实施例1和实施例2均以红光滤光膜、绿光滤光膜和蓝光滤光膜作为发射光滤光片2集成到双栅极光电薄膜晶体管上，但本发明不局限于这三种颜色的滤光片，也不局限于三种数量的滤光片。
实施例1所采用的微流控芯片1的底部具有一个矩形微通道，所以可以供双栅极光电薄膜晶体管上表面突起的滤光膜21直接嵌入到矩形微通道中。
实施例1：
1.在双栅极光电薄膜晶体管集成滤光膜21：
(1)对制备好的双栅极光电薄膜晶体管进行清洗、干燥(例如双栅极光电薄膜晶体管所在玻璃基片大小为3cm×2cm×2mm)；
(2)利用黑色光阻树脂进行涂布、曝光、显影、烘烤等操作得到黑色矩阵(例如大小为5mm×5mm×0.5mm×3块)；
(3)利用红色光阻树脂(对应透过红光波长)对步骤(2)得到的双栅极光电薄膜晶体管进行清洗、涂布、曝光、显影、烘烤等操作得到对应红光波长的滤光膜21，例如大小为5mm×5mm×1mm；
(4)再依次利用绿光光阻树脂、蓝光光阻树脂重复步骤(3)可得到对应绿光波长和对应蓝光波长的滤光膜阵列；
在每次进行曝光、显影、烘烤之后都需要对双栅极光电薄膜晶体管进行清洗，将未硬化的光阻树脂洗去，制备的过程如图3所示，图3中的各个字母表示制备的过程，其中
a代表制备好的双栅极光电薄膜晶体管；
b为在双栅极光电薄膜晶体管上涂布黑色光阻树脂并遮盖上矩阵遮挡掩模板后进行紫外光照射的示意图；
c为生成了黑色矩阵的双栅极光电薄膜晶体管；
d为将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上；
e为将滤光膜遮挡掩模板置于双栅极光电薄膜晶体管上，并进行紫外光照射；
f为集成了一种滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管；
在f和g之间省略了重复的步骤，即省略了集成其他颜色的滤光膜21的步骤；
g为集成了3种滤光膜21的双栅极光电薄膜晶体管。
2.微流控芯片1的制备：以目前常用的模塑法制备PDMS微流控芯片1为例：
(1)用光刻和蚀刻的方法先制出阳模(所需通道部分突起)；
(2)在阳膜上浇注液态的PDMS材料(例如浇注范围为3cm×2cm)；
(3)固化PDMS材料，并将固化后的PDMS材料与阳模剥离得到具有多个长条形微通道的基片；
(4)用光刻和蚀刻的方法制出盖片上的阳膜(通常为矩形，面积大小要大于上一步骤制备的滤光膜21的面积，如7mm×18mm×1.2mm)；
(5)在阳膜上浇注液态的PDMS材料(例如浇注范围为3cm×2cm)；
(6)固化PDMS材料，并将固化后的PDMS材料与阳模剥离得到具有单个矩形微通道的盖片；
(7)将基片与盖片对准，相互键合，制得PDMS微流控芯片1；
3.将微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管相互键合
(1)对PDMS微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管进行表面改性处理，放入等离子清洗机中，进行等离子处理；
(2)将微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管对准，使得滤光膜
阵列嵌入盖片下表面矩形微通道内；
(3)进行芯片不可逆键合，即可得到封装后的集成化芯片。
键合集成的过程如图4所示，其中微流控芯片1底部设置有矩形微通道，将双栅极光电薄膜晶体管上表面突出的滤光膜21嵌入到微流控芯片1底部的矩形微通道中，进行键合后得到一体化的检测芯片，其中微流控芯片1处于上方，双栅极光电薄膜晶体管处于下方。
实施例2所选取的微流控芯片1底部为平坦的，所以在制备完双栅极光电薄膜晶体管后，要对双栅极光电薄膜晶体管的上表面进行平坦化处理。
实施例2：
1.在双栅极光电薄膜晶体管集成滤光膜21：
(1)对制备好的双栅极光电薄膜晶体管进行清洗、干燥(例如双栅极光电薄膜二极管所在玻璃基片大小为3cm×2cm×2mm)；
(2)利用黑色光阻树脂进行涂布、曝光、显影、烘烤等操作得到黑色矩阵(例如大小为5mm×5mm×0.5mm×3块)；
(3)利用红色光阻树脂(对应透过红光波长)对步骤(2)得到的双栅极光电薄膜晶体管进行清洗、涂布、曝光、显影、烘烤等操作得到对应红光波长的滤光膜21，例如大小为5mm×5mm×1mm；
(4)再依次利用绿光光阻树脂、蓝光光阻树脂重复步骤(3)可得到对应绿光波长和对应蓝光波长的滤光膜阵列；
(5)在双栅极光电薄膜晶体管上涂布一层透明高分子材料(热硬化或者光硬化树脂)形成平坦层，用以保护彩色滤光层以及增加表面的平滑性；
同理，在每次进行曝光、显影、烘烤之后都需要对双栅极光电薄膜晶体管进行清洗，将未硬化的光阻树脂洗去，制备的过程如图5所示，实施例2在将集成滤光膜21到双栅极光电薄膜晶体管上的过程与实施例1基本相同，只是在实施例1的g步骤后再加了一个对双栅极光电薄膜晶体管表面进行平坦化处理的步骤h，目的是为了与底部为平坦的微流控芯片1相对应。
2.微流控芯片1的制备，以目前常用的模塑法制备PDMS微流控芯片1为例：
(1)用光刻和蚀刻的方法先制出阳模(所需通道部分突起)；
(2)在阳膜上浇注液态的PDMS材料(例如浇注范围为3cm×2cm)；
(3)固化PDMS材料，并将固化后的PDMS材料与阳模剥离得到具有微通道的基片；
(4)取一玻璃片作为盖片，对盖片进行清洗、干燥等操作；
(5)对基片与盖片进行表面改性处理，放入等离子清洗机中，进行等离子处理；
3.将微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管相互键合
(1)对双栅极光电薄膜晶体管所在的玻璃基片进行表面清洗等处理；
(2)在玻璃基片上涂布封接胶6(一般由紫外硬化树脂和热硬化树脂构成)；
(3)视封装面积大小决定是否填充Spacer和高分子材料；
(3)将微流控芯片1与双栅极光电薄膜晶体管对准，进行紫外照射、加热硬化处理；
(4)得到封装后的集成化芯片.
键合集成的过程如图6所示，微流控芯片1底部是平坦的，采用封接胶6将微流控芯片1与平坦化处理后的双栅极光电薄膜晶体管封接起来，得到集成化的芯片，芯片包含了微流控芯片1、滤光膜21以及作为光电探测器3的双栅极光电薄膜晶体管。
本发明通过成熟的光刻工艺和特殊的微流控芯片1设计，实现了一种新型的集成化的微流控检测芯片，集成了光电探测器3，大大简化了传统荧光检测系统，克服了其体积大、价格高昂等缺陷，可用于透射式荧光检测系统中，具有制备简单、可定制、易生产、价格低的特点。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种一体化荧光检测装置，其特征在于：包括用于装载荧光标志物的微流控芯片(1)、发射光滤光片(2)以及用于将光信号转换成电信号的光电探测器(3)，所述微流控芯片(1)、发射光滤光片(2)以及光电探测器(3)依次排列设置，所述发射光滤光片(2)采用光刻技术集成在光电探测器(3)的上表面，所述微流控芯片(1)的下表面与集成了发射光滤光片(2)的光电探测器(3)的上表面键合成一体式结构，所述发射光滤光片(2)包括一个以上的对应不同波长的滤光膜(21)，所述滤光膜(21)平行排列设置在光电探测器(3)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种一体化荧光检测装置，其特征在于：所述微流控芯片(1)包括一个以上的用于装载荧光标志物的测试槽(11)，所述测试槽(11)平行设置并与滤光膜(21)一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种一体化荧光检测装置，其特征在于：所述光电探测器(3)为采用薄膜晶体管制备工艺制成的双栅极光电薄膜晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种一体化荧光检测装置，其特征在于：还包括用于生成激光的光源(4)以及将激光分解成单色光的激发光滤光片(5)，所述激发光滤光片(5)、光源(4)依次设置在微流控芯片(1)上方。
5.根据权利要求1所述的一种一体化荧光检测装置，其特征在于：所述滤光膜(21)以马赛克式或条纹式或三角形式的排列方式集成在光电探测器(3)上。
6.一种一体化荧光检测装置的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上，盖上滤光膜遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，得到含有滤光膜(21)的双栅极光电薄膜晶体管；
采用另一种颜色的光阻树脂重复上述步骤得到含有一个以上的对应不同波长的滤光膜(21)的双栅极光电薄膜晶体管；
将集成了滤光膜(21)的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片(1)键合。
7.根据权利要求6所述的一种一体化荧光检测装置的制备方法，其特征在于：在将光阻树脂涂布到双栅极光电薄膜晶体管上制备滤光膜(21)时，先在双栅极光电薄膜晶体管上涂布黑色光阻树脂，然后盖上矩阵遮挡掩模板进行曝光、显影、烘烤以及清洗，制得含有黑色矩阵的双栅极光电薄膜晶体管，所述滤光膜(21)集成在黑色矩阵上。
8.根据权利要求6所述的一种一体化荧光检测装置的制备方法，其特征在于：所述滤光膜(21)以马赛克式或条纹式或三角形式的排列方式集成在双栅极光电薄膜晶体管上。
9.根据权利要求6所述的一种一体化荧光检测装置的制备方法，其特征在于：将集成了滤光膜(21)的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片(1)键合的具体步骤为：
对底部设置有矩形微通道的微流控芯片(1)以及双栅极光电薄膜晶体管进行表面改性处理，并置于等离子清洗机中进行等离子处理；
将处理后的微流控芯片(1)与双栅极光电薄膜晶体管对准，进行键合，其中双栅极光电薄膜晶体管上表面的滤光膜(21)嵌入到微流控芯片(1)底部的矩形微通道中。
10.根据权利要求6所述的一种一体化荧光检测装置的制备方法，其特征在于：将集成了滤光膜(21)的双栅极光电薄膜晶体管与微流控芯片(1)键合的具体步骤为：
对双栅极光电薄膜晶体管集成了滤光膜(21)的表面进行平坦化处理；
将微流控芯片(1)下表面与双栅极光电薄膜晶体管平坦化后的上表面对准，进行紫外照射以及加热硬化处理。
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2018
- 2018-04-09 CN CN201810310735.2A patent/CN108982435A/zh active Pending
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