CN109234158B - 生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统 - Google Patents

生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统 Download PDF

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Abstract

一种生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统，该生物芯片包括衬底基板和多个工作单元。多个工作单元设置在所述衬底基板上，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层。该生物芯片可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。

Description

生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统
技术领域
本公开的实施例涉及一种生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统。
背景技术
随着人类基因组(测序)计划(Human genome project)的逐步实施以及分子生物学相关学科的发展，越来越多的动植物、微生物基因组序列得以测定，基因序列数据正在以前所未有的速度迅速增长。在相关技术的发展驱动下，基因芯片技术应运而生。基因芯片技术是指通过微阵列技术将高密度的基因(DNA)片段通过一定的方式以一定的顺序或排列方式使其附着在玻璃片等固相表面，以荧光标记的DNA探针，通过碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的一种技术。
发明内容
本公开至少一个实施例提供一种生物芯片，包括：衬底基板；多个工作单元，设置在所述衬底基板上；其中，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述电场可控表面修饰层包括电场可控异构化有机分子，所述电场可控异构化有机分子的端部连接到所述金属电极表面。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述电场可控异构化有机分子包括硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子，所述硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子通过端部的巯基连接到所述金属电极表面。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述金属电极的材料包括金或银。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片还包括设置在所述衬底基板上的流道界定层，其中，所述流道界定层包括流道，所述多个工作单元沿所述流道分布，以允许包括所述对象物质的流体经所述流道到达所述多个工作单元至少之一。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述流道包括相对设置的侧壁，所述相对设置的侧壁构成多个支路，所述多个支路呈十字交叉且在交叉点处连通。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，每个所述工作单元还包括开关元件，所述开关元件包括控制端、第一端和第二端，所述工作电极与所述开关元件的第二端电连接，所述开关元件配置为根据控制信号确定是否允许对所述工作电极施加工作电压。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述衬底基板为玻璃基板。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述对象物质包括基因片段，所述基因片段固定在所述工作电极上。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片中，所述基因片段的端部包括巯基、氨基、羟基、羧基、磷酸酯基、烷氧基、胺基、含氟基团、季胺基、季磷基中的一种或多种。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片还包括对置基板，其中，所述对置基板与所述衬底基板相对设置，所述工作单元位于所述对置基板和所述衬底基板之间。
例如，在本公开一实施例提供的生物芯片还包括对置电极，其中，所述对置电极设置在所述对置基板与所述衬底基板相对的表面上且与所述工作单元相对。
本公开至少一个实施例还提供一种生物检测系统，包括本公开任一实施例所述的生物芯片，以及还包括控制单元，其中，所述控制单元配置为对所述生物芯片的多个工作单元施加控制信号。
本公开至少一个实施例还提供一种生物芯片的制造方法，包括：在衬底基板上形成多个工作单元，其中，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层；对所述多个工作单元中的选定工作单元施加控制信号，通过所述选定工作单元的工作电极形成控制电场，所述控制电场控制所述选定工作单元的工作电极的电场可控表面修饰层的性质，以控制包括所述对象物质的流体的操作。
本公开至少一个实施例还提供一种生物芯片的操作方法，包括：对多个工作单元中的选定工作单元施加控制信号，通过所述选定工作单元的工作电极形成控制电场，所述控制电场控制所述选定工作单元的工作电极的电场可控表面修饰层的性质，以控制包括对象物质的流体的操作；其中，每个所述工作单元包括用于与所述对象物质接触的所述工作电极，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的所述电场可控表面修饰层。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为本公开一实施例提供的一种生物芯片的示意框图；
图2为本公开一实施例提供的一种生物芯片的流道分布示意图；
图3为本公开一实施例提供的一种生物芯片的剖面示意图；
图4为硫代十六醇酸的分子结构示意图；
图5为本公开一实施例提供的一种生物芯片的对象物质的示意图；
图6A和图6B为本公开一实施例提供的一种生物芯片的电场可控表面修饰层的状态示意图；
图7为本公开一实施例提供的一种生物芯片的对象物质的流动示意图；
图8为本公开一实施例提供的一种生物芯片的对象物质的固定位置示意图；
图9为本公开一实施例提供的另一种生物芯片的剖面示意图；
图10为本公开一实施例提供的另一种生物芯片的对象物质的流动示意图；
图11为本公开一实施例提供的一种生物检测系统的示意框图；以及
图12为本公开一实施例提供的一种生物芯片的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
单核苷酸多态性(SNP)芯片是基因芯片的一种，SNP芯片通常采用微米阱结合微球结构的方式实现，也即，先将带有地址的寡核苷酸和探针通过氨基连接到玻璃微球上面，之后再将含有不同地址的玻璃微球填充到微米阱中。这里，“地址”是指寡核苷酸的序列，不同的序列表示不同的地址，寡核苷酸通常为包括20个以下碱基的短链核苷酸。
通过上述方式制备的芯片的微球结构的分布位置难以控制，也即，基因片段(例如探针)的分布位置难以控制，分布随机性很强。因此，需要前期先测出每个微球结构上作为地址的寡核苷酸序列才能知道微球结构上对应的探针序列。这些探针的分布信息需要提供给用户，以供用户后期在采用该芯片进行基因检测时对比使用，因此增加了人工成本和时间成本。并且，SNP芯片通常基于微米阱(microwell)或纳米阱(nanowell)技术制备，多采用硅基材料，因此生产成本高。由于采用微球结构嫁接寡核苷酸片段的方式，也导致生产成本增加。
本公开至少一实施例提供一种生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统，该生物芯片可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。
下面，将参考附图详细地说明本公开的实施例。应当注意的是，不同的附图中相同的附图标记将用于指代已描述的相同的元件。
本公开至少一实施例提供一种生物芯片，包括衬底基板和多个工作单元。多个工作单元设置在所述衬底基板上，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层。
图1为本公开一实施例提供的一种生物芯片的示意框图。如图1所示，该生物芯片100包括衬底基板11和多个工作单元12。例如，多个工作单元12设置在衬底基板11上。每个工作单元12包括工作电极121，工作电极121用于与对象物质接触。工作电极121包括金属电极1211和形成在金属电极1211表面的电场可控表面修饰层1212。例如，对象物质为基因片段，基因片段可以包括寡核苷酸、引物、探针、目标脱氧核糖核酸片段或多肽等，本公开的实施例对此不作限制。例如，不同的基因片段可以固定在多个工作电极121中不同的预定的工作电极121上，以实现基因片段的固定位置可控。固定有基因片段的生物芯片100可以用于对另行提供的含有待检测基因的物质进行检测，例如，通过固定在工作电极121上的基因片段与待检测基因进行碱基互补杂交，以对待检测基因进行检测，例如进行基因测序等。该生物芯片100可应用于生物分子检测领域以及其他相关领域。
图2为本公开一实施例提供的一种生物芯片的流道分布示意图；图3为本公开一实施例提供的一种生物芯片的剖面示意图。如图2和图3所示，该生物芯片200包括设置在衬底基板11上的流道界定层13，流道界定层13包括流道131，该流道131可以有助于限定包括对象物质的流体在衬底基板11上的流动方向、液滴大小等。多个工作单元12沿流道131分布，例如均匀分布或非均匀分布。该生物芯片200中工作单元12的数量不受限制，可以为50,000～10,000,000，也可以为其他数量，本公开的实施例对此不作限制。例如，在一个示例中，多个工作单元12呈阵列排布，包括100行和100列，数量为10,000。
例如，流道131用于为包括对象物质的流体(例如，液滴)提供流动通道，以允许包括对象物质的流体经流道131流动并到达多个工作单元12中的至少之一。例如，可以控制包括对象物质的流体沿流道131流动并到达预定的工作单元12，然后控制对象物质(即基因片段)固定在该预定的工作单元12的工作电极121上，由此实现了基因片段的固定位置可控化(关于如何驱动流体进行流动以及如何固定基因片段将在后文进行详细描述)。
例如，流道131包括多个支路。例如，在一个示例中，如图2所示，多个支路呈十字交叉且在交叉点处连通，多个工作单元12沿多个支路分布。通过这种方式，可以使支路遍布整个衬底基板11，且可以使包括对象物质的流体经支路到达任意一个工作单元12。当然，本公开的实施例不限于此，支路可以为任意的分布方式，例如为多个同心圆、多个同心矩形等，这可以根据实际需求而定。
如图3所示，在该生物芯片200中，工作单元12设置在衬底基板11上，且位于流道131内。例如，工作单元12包括彼此电连接的工作电极121和开关元件122，工作电极121设置在开关元件122上，工作电极121位于流道131内且暴露在流道131内，由此可以与经流道131流动的流体接触。
例如，衬底基板11起支撑、保护等作用，可以为玻璃基板、塑料基板、石英基板或其他适用的材料制作的基板，本公开的实施例对此不作限制。由于该生物芯片200兼容常规的半导体制备工艺，因此可以采用上述材料制作的基板，相比于通常的生物芯片(例如SNP芯片)采用硅基材质的基板，可以有效降低生产成本。
开关元件122设置在衬底基板11上，配置为根据控制信号确定是否允许对工作电极121施加工作电压。例如，开关元件122可以为薄膜晶体管等三端元件，并且包括控制端、第一端和第二端。例如，控制端为栅极1221，第一端为第一极1223，第二端为第二极1224，除此之外，开关元件122还包括有源层1222。
栅极1221设置在衬底基板11上，可以采用金属、透明导电材料或其他适用的材料。栅绝缘层14设置在衬底基板11上，且覆盖栅极1221。栅绝缘层14可以采用硅氮化物、硅氧化物或其它适用的材料。
有源层1222设置在栅绝缘层14上，用于提供沟道区域，可以采用多晶硅半导体材料，例如低温多晶硅半导体材料、高温多晶硅半导体材料，或可以采用其他适用的材料，例如氧化物半导体材料，例如氧化铟锌镓(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)，本公开的实施例对此不作限制。
第一极1223和第二极1224设置在栅绝缘层14上，且搭接在有源层1222的两端。例如，第一极1223和第二极1224可以是对称设置的，因此两者的位置可以互换。例如，第一极1223为源极或漏极，相应地，第二极1224为漏极或源极。第一极1223和第二极1224可以采用金、银、铜、铝等任意适用的金属或其合金，本公开的实施例对此不作限制。
需要说明的是，本公开的实施例中，开关元件122不限于薄膜晶体管，也可以为场效应晶体管或其他特性相似的器件。开关元件122为薄膜晶体管时，其可以为底栅型薄膜晶体管，也可以为顶栅型薄膜晶体管。并且，为了提高开关元件122的使用性能，该生物芯片200还可以包括遮光层、缓冲层等膜层，这些膜层的设置可以参考常规设计，此处不再详述。
例如，工作电极121设置在钝化层15上，钝化层15覆盖开关元件122的第一极1223和第二极1224。工作电极121包括金属电极1211和形成在金属电极1211表面的电场可控表面修饰层1212。例如，金属电极1211通过贯穿钝化层15的过孔151与开关元件122的第二端(第二极1224)电连接。例如，金属电极1211可以采用金、银或其他适用的金属。例如，电场可控表面修饰层1212包括电场可控异构化有机分子，电场可控异构化有机分子的端部连接到金属电极1211的表面。例如，电场可控异构化有机分子可以为硫代醇酸(例如硫代十六醇酸，分子结构如图4所示)或硫代醇酸衍生物分子。当金属电极1211采用金或银时，硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子通过端部的巯基与金属电极1211中的金属原子(或离子)发生化学键合，以形成共价键，从而使硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子连接到金属电极1211的表面。
流道131设置在钝化层15上，且包括相对设置的侧壁132。例如，相对设置的侧壁132和钝化层15共同形成的U型槽构成了流道131及其多个支路，从而为包括对象物质的流体(例如，液滴)提供流动通道。工作电极121位于相对设置的侧壁132之间，以便于与包括对象物质的液滴接触。例如，侧壁132的材料可以采用例如光刻胶的光敏有机材料，以便于制作，且具有较低成本。例如，流道131的高度为10μm，宽度为30μm，也即是，侧壁132的高度为10μm，相对设置的侧壁132之间的距离为30μm。需要说明的是，本公开的实施例中，侧壁132的材料不限于光刻胶等光敏有机材料，也可以采用其他适用的材料，侧壁132的高度以及相对设置的侧壁132之间的距离不受限制，侧壁132的高度例如为8-12μm，高度例如为25-35μm，这可以根据实际需求而定。
例如，在一个示例中，侧壁132通过光刻胶(型号：KMH-T546)曝光显影制作。例如，在钝化层15上以300转/分钟旋涂光刻胶(热失重温度为320℃)，在90℃前烘2分钟，重复旋涂一次，然后通过掩模板曝光成目标图案，曝光强度为999mJ，曝光时间为15秒，接着采用显影液显影45秒，在230℃固化30分钟，从而可以得到侧壁132。例如，所得到的侧壁132的高度为9.8μm。需要说明的是，上述制作侧壁132的工艺流程只是示例性的，而非限制性的，侧壁132可以采用任意适用的工艺制作。
例如，在一个示例中，开关元件122的栅极1221与另行设置的扫描线(图中未示出)连接，开关元件122的第一极1223与另行设置的驱动线(图中未示出)连接。扫描线用于施加控制信号至开关元件122的栅极1221(控制端)以控制开关元件122的导通或截止，驱动线用于施加工作电压至开关元件122的第一极1223(第一端)，从而使得开关元件122根据控制信号将工作电压施加至工作电极121。例如，当控制信号有效时，开关元件122导通，将第一极1223接收到的工作电压传输至第二极1224，并进一步传输至工作电极121的金属电极1211，并且，通过调节通过驱动线传输的工作电压的大小，可以控制施加到金属电极1211上的工作电压的大小。当控制信号无效时，开关元件122截止，因此工作电极121的金属电极1211不会接收到工作电压。通过这种方式，可以根据控制信号确定是否对工作电极121施加工作电压，并且工作电压的大小可以调节。例如，扫描线还可以与另行设置的控制单元连接，驱动线还可以与另行设置的控制单元或数字化可控电压源连接，从而分别接收控制信号和工作电压。
例如，在一个示例中，当位于衬底基板11上的多个工作单位12呈阵列排布时，也即，多个开关元件122呈阵列排布时，可以使同一行开关元件122的栅极1221连接到同一条扫描线，使同一列开关元件122的第一极1223连接到同一条驱动线，从而减少信号线的数量。当然，本公开的实施例不限于此，也可以针对每个开关元件122单独设置扫描线和驱动线，在这种方式下，每个开关元件122可以独立控制，不会受同一行或同一列中相邻的开关元件122的影响，从而使得多个开关元件122的导通或截止状态的组合方式多样化。
需要说明的是，本公开的实施例中，生物芯片200还可以包括更多或更少的部件，各个部件的相对位置关系不受限制，可以根据实际需求而定。例如，生物芯片200还可以包括对置基板、缓冲层、遮光层等，以提供更加丰富的功能，提高该生物芯片200的使用性能。
在该生物芯片200中，工作电极121例如与对象物质21接触，并可使对象物质21固定在其上。例如，如图5所示，对象物质21为基因片段，包括功能片段211和端基212。例如，功能片段211可以为寡核苷酸、引物、探针、目标脱氧核糖核酸片段或多肽等，本公开的实施例对此不作限制。例如，当功能片段211为探针时，功能片段211可以与待检测基因进行碱基互补杂交，从而对待检测基因进行检测。例如，端基212为巯基，例如可以采用半胱氨酸(C3H7NO2S)对功能片段211进行修饰得到。当金属电极1211采用金或银时，巯基可以与金属电极1211的金属原子(或离子)发生化学键合，形成共价键，从而使对象物质21(即基因片段)连接到金属电极1211的表面，以实现基因片段的固定。
需要说明的是，图5所示的对象物质21(即基因片段)的形状只是示意性的，并不表示该基因片段的真实形状，并且，端基212与功能片段211在图中的大小比例关系只是为了更清楚地表示和说明，而并不表示真实的大小比例关系。
电场可控表面修饰层1212可以使用电场可控异构化有机分子对金属电极1211进行修饰得到，也即，电场可控表面修饰层1212包括电场可控异构化有机分子。例如，在一个示例中，采用硫代十六醇酸对金属电极1211进行修饰，使硫代十六醇酸端部的巯基与金属电极1211中的金属原子(或离子)形成共价键，从而使硫代十六醇酸连接到金属电极1211的表面，以形成电场可控表面修饰层1212。例如，电场可控异构化有机分子可以包括硫代醇酸(例如硫代十六醇酸)或硫代醇酸衍生物分子，这些分子的端部具有巯基，以便于与金属电极1211进行连接。
需要说明的是，本公开的实施例中，电场可控异构化有机分子的类别不受限制，可以为任意适用的物质的分子。电场可控异构化有机分子的端部的基团不限于巯基，也可以为氨基、羟基、羧基、磷酸酯基、烷氧基、胺基、含氟基团、季胺基、季磷基中的一种或多种，本公开的实施例对此不作限制，这些基团均可以与相应金属材料的金属电极1211进行连接，以实现相应的功能。
电场可控表面修饰层1212的亲水性/疏水性可根据施加的控制电场的方向而变化。例如，在一个示例中，当施加至电场可控表面修饰层1212的控制电场E的方向如图6A所示时，电场可控表面修饰层1212中的电场可控异构化有机分子例如倒伏在金属电极1211的表面上，从而有利于液体流过。此时，在控制电场E的作用下，电场可控表面修饰层1212表现出疏水性，若对象物质21位于该电场可控表面修饰层1212上，则对象物质21不会与金属电极1211接触，且可以在电场可控表面修饰层1212上流动。当施加至电场可控表面修饰层1212的控制电场E的方向如图6B所示时，电场可控表面修饰层1212中的电场可控异构化有机分子例如竖立在金属电极1211的表面上，从而有利于滞留液体。此时，在控制电场E的作用下，电场可控表面修饰层1212表现出亲水性，若对象物质21位于该电场可控表面修饰层1212上，则对象物质21可以与金属电极1211接触，并且通过端部的巯基连接至金属电极1211的表面。
例如，可以控制施加至金属电极1211的工作电压的正负，以与另行设置的用于提供公共电压的公共电极之间形成控制电场E，控制电场E的方向由工作电压的正负以及公共电极与金属电极1211的相对位置关系决定。例如，控制电场E的作用范围不限于金属电极1211与公共电极彼此正对的区域，也可以通过控制工作电压的大小，使控制电场E的作用范围扩大至金属电极1211与公共电极正对区域之外的区域。因此，可以将公共电极设置在衬底基板11上且位于工作电极121下方，也可以将公共电极设置在衬底基板11之外与金属电极1211相对的其他部件(例如对置基板)上。
下面对该生物芯片200的工作原理进行说明。
如图7所示，第一工作单元12_a和第二工作单元12_b为位于流道131内的相邻的两个工作单元，液滴20位于流道131内且包括对象物质21。例如，可以采用常规的电浸润的方式驱动液滴20从一个工作单元12流动到另一个工作单元12(例如，从第一工作单元12_a流动到第二工作单元12_b)，从而使液滴20可以在多个工作单元12之间流动，且可以到达任意一个工作单元12。例如，通过控制施加至与液滴20相邻的工作单元12的工作电极121的工作电压，以控制相应的电场可控表面修饰层1212表现出亲水性或疏水性以及控制亲水性或疏水性的程度，并且控制相邻的工作单元12的金属电极1211的表面的电荷的极性，从而使液滴20流动或被滞留。
例如，在一个示例中，如图7所示，向第一工作单元12_a的第一开关元件122_a施加第一电压和有效的控制信号，从而使第一工作电极121_a的电压为第一电压；向第二工作单元12_b的第二开关元件122_b施加第二电压和有效的控制信号，从而使第二工作电极121_b的电压为第二电压。例如，第一电压为正电压，第二电压为负电压且电压的绝对值较小。例如，该生物芯片200还包括公共电极(图中未示出)，公共电极设置在衬底基板11上且位于第一工作电极121_a和第二工作电极121_b的下方，公共电极用于提供公共电压，例如可以采用氧化铟锌、多晶硅等非金属导电材料或适用的金属材料制备。第一工作电极121_a形成的控制电场E的方向与图6A相同，第二工作电极121_b形成的控制电场E的方向与图6B相同。此时，第一工作电极121_a中的电场可控表面修饰层表现出疏水性，第二工作电极121_b中的电场可控表面修饰层表现出微弱的亲水性。
由于第一工作电极121_a中的金属电极的表面在第一电压的作用下聚集正电荷，因此液滴20与第一工作电极121_a接触的一侧聚集负电荷，相应地，液滴20远离第一工作电极121_a的一侧聚集正电荷。第二工作电极121_b在第二电压的作用下聚集负电荷，因此液滴20远离第一工作电极121_a的一侧与第二工作电极121_b产生吸引作用，以促使液滴20滚动。由此，液滴20从第一工作单元12_a流向第二工作单元12_b，从而实现了液滴20的流动。由于第二工作电极121_b中的电场可控表面修饰层的亲水性极其微弱，不会对液滴20中的对象物质21产生影响。
在液滴20到达预定的工作电极121之前，通过施加正的工作电压，使位于液滴20的流动路径中的多个电场可控表面修饰层1212整体上表现出疏水性，并且通过对工作电压进行微小调整(例如对与液滴20相邻的工作电极121依次施加很小的负电压)，可以使液滴20沿流动路径进行流动。当液滴20到达预定的工作电极121时，对该工作电极121施加绝对值较大的负电压，使相应的电场可控表面修饰层1212表现出亲水性，从而使液滴20中的对象物质21固定在相应的金属电极1211的表面上。通过这种方式，可以使对象物质21固定在预定的工作电极121上，对象物质21与固定位置的对应关系是明确的，当对象物质21为探针时，可以明确地知道每个工作电极121上的探针的序列，以方便后续的检测分析。
需要说明的是，本公开的实施例中，施加至工作电极121的工作电压的正负关系和大小关系可以根据实际需求而定，本公开的实施例对此不作限制，例如根据需要形成的控制电场E的方向而定，只要能控制液滴20流动，并使液滴20中的对象物质21固定在预定的工作电极121上即可。
例如，液滴20的形成可以通过在水相中加入表面活性剂(例如，聚乙二醇(PEG))实现。在使液滴20进入流道131之前，可以先用质量分数为0.2％的牛血清白蛋白(BSA)溶液注满生物芯片200的流道131，并浸泡1小时，以减少流道131的内表面对对象物质21的吸附，之后通过微泵将BSA溶液抽取干净即可。
例如，可以通过多个开关元件122构成的有源矩阵控制施加至多个工作单元12的工作电极121的工作电压，使得包含对象物质21的液滴20通过电浸润的方式流动到预定的工作电极121上。例如，在一个示例中，使包含不同对象物质21的多个液滴20分别在不同的支路中流动，彼此的流动路径不交叉，从而可以同时控制包含不同对象物质21的多个液滴20流动到各自预定的工作电极121上。采用这种多通道的方式可以有效节省时间成本。
通过上述方式，该生物芯片200可以实现对象物质21(即基因片段)的固定位置可控化，用户在使用该生物芯片200时，只需知道检测点的位置即可知道对应的对象物质21的序列，方便快捷。例如，还可以使不同的对象物质21的固定位置相隔较远，从而在对象物质21与待检测基因杂交之后，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且有助于提高检测精确度。该基因芯片200便于进行后续的图像分析识别，有助于增加检测通量。并且，由于对象物质21的固定位置可控，因此可以减少操作步骤，例如，相比于通常的采用微米阱结合微球结构的方式的芯片，可以省略固定基因片段之后的测序步骤。例如，该生物芯片200还可以固定引物进行扩增和测序，具有多功能的作用。该生物芯片200兼容半导体制备工艺，例如可以采用通常的显示面板的制备工艺进行加工，生产成本低，适用于大规模批量生产。
例如，可以在多个工作电极121上固定不同的对象物质21，以提高检测通量。例如，如图8所示，第一工作电极121_a、第二工作电极121_b和第三工作电极121_c上分别固定第一对象物质21_a、第二对象物质21_b和第三对象物质21_c，且第一对象物质21_a、第二对象物质21_b和第三对象物质21_c各不相同。对象物质21的种类的数量可以小于或等于工作电极121的数量。在同一个生物芯片200中，对象物质21的种类越多，则检测通量越大。
图9为本公开一实施例提供的另一种生物芯片的剖面示意图。如图9所示，除了还进一步包括对置基板31、对置电极32、介质层33和疏水层34外，该实施例的生物芯片300与图3所示的生物芯片200基本相同。
在该实施例中，对置基板31与衬底基板11相对设置，工作单元12位于对置基板31和衬底基板11之间。对置基板31起支撑、保护等作用，并且便于设置对置电极32。对置基板31可以为玻璃基板、塑料基板、石英基板或其他适用的材料制作的基板，本公开的实施例对此不作限制。
对置电极32设置在对置基板31与衬底基板11相对的表面上且与工作单元12相对。对置电极32例如为公共电极，用于提供公共电压。例如，与多个工作单元12对应的多个对置电极32连接为一体，也即，对置电极32覆盖对置基板31上与多个工作单元12对应的区域，以简化生产工艺，便于加工。例如，对置电极32可以采用金属、透明导电材料等任意适用的材料，本公开的实施例对此不作限制。
介质层33设置在对置电极32与衬底基板11相对的表面上，起绝缘的作用，例如可以采用二氧化硅等材料。疏水层34设置在介质层33与衬底基板11相对的表面上，并且与相对设置的侧壁132和钝化层15形成封闭的空间，以构成流道131及其多个支路，从而为液滴20提供流动通道。由于流道131为封闭式的，因此该生物芯片300不易受环境影响，抗干扰能力强。疏水层34具有疏水性，以避免液滴20中的对象物质21附着在其表面，造成对象物质21的浪费，并且有利于液滴20的流动。例如，疏水层34可以采用氮化硅等任意适用的材料。例如，疏水层34与钝化层15之间的距离为10μm。
该生物芯片300的工作原理与生物芯片200的工作原理类似。如图10所示，第一工作单元12_a和第二工作单元12_b为位于流道131内的相邻的两个工作单元，液滴20位于流道131内且包括对象物质21。例如，向第一工作单元12_a的第一开关元件122_a施加第三电压和有效的控制信号，从而使第一工作电极121_a的电压为第三电压；向第二工作单元12_b的第二开关元件122_b施加第四电压和有效的控制信号，从而使第二工作电极121_b的电压为第四电压。例如，第三电压为负电压，第四电压为正电压且电压的绝对值较小。向对置电极32提供公共电压，例如接地。此时，第一工作电极121_a形成的控制电场E的方向与图6A相同，第二工作电极121_b形成的控制电场E的方向与图6B相同。因此，第一工作电极121_a中的电场可控表面修饰层表现出疏水性，第二工作电极121_b中的电场可控表面修饰层表现出微弱的亲水性。
由于第一工作电极121_a中的金属电极的表面在第三电压的作用下聚集负电荷，因此液滴20与第一工作电极121_a接触的一侧聚集正电荷，相应地，液滴20远离第一工作电极121_a的一侧聚集负电荷。第二工作电极121_b在第四电压的作用下聚集正电荷，因此液滴20远离第一工作电极121_a的一侧与第二工作电极121_b产生吸引作用，以促使液滴20滚动。由此，液滴20从第一工作单元12_a流向第二工作单元12_b，从而实现了液滴20的流动。由于第二工作电极121_b中的电场可控表面修饰层的亲水性极其微弱，不会对液滴20中的对象物质21产生影响。
当液滴20流动到预定的工作电极121时，对该预定的工作电极121施加绝对值较大的正电压，使该预定的工作电极121的电场可控表面修饰层1212表现出亲水性，从而使液滴20中的对象物质21固定在该预定的工作电极121的金属电极1211的表面上。
需要说明的是，本公开的实施例中，施加至工作电极121的工作电压的正负关系和大小关系可以根据实际需求而定，本公开的实施例对此不作限制，例如根据需要形成的控制电场E的方向而定，只要能控制液滴20流动即可。
该生物芯片300可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。
本公开至少一实施例还提供一种生物检测系统，包括本公开任一实施例所述的生物芯片。该生物检测系统可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。
图11为本公开一实施例提供的一种生物检测系统的示意框图。如图11所示，生物检测系统400包括生物芯片401，生物芯片401为本公开任一实施例所述的生物芯片，例如上述生物芯片100/200/300。生物检测系统400还包括控制单元410，控制单元410配置为对生物芯片401中的多个工作单元12施加控制信号。例如，控制单元410可以通过施加控制信号以使包含对象物质21的液滴20在生物芯片401的流道131中流动，并到达预定的工作单元12，以及固定在相应的工作电极121上，以供用户使用该生物芯片401对待检测基因进行检测。例如，控制单元410还可以配置为提供工作电压，而无需额外设置电压源。例如，控制单元410可以实现为专用或通用的电子硬件(或电路)，本公开的实施例对此不作限制。上述电子硬件的具体构成方式不受限制，可以包括模拟器件、数字芯片或其他适用的器件。
本公开至少一实施例还提供一种生物芯片的制造方法，利用该制造方法，可以制造本公开任一实施例所述的生物芯片。利用该制造方法，可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。
图12为本公开一实施例提供的一种生物芯片的制造方法的流程示意图。例如，在一个示例中，如图12所示，该生物芯片的制造方法包括如下操作：
步骤S510：在衬底基板11上形成多个工作单元12；
步骤S520：对多个工作单元12中的选定工作单元12施加控制信号，通过选定工作单元12的工作电极121形成控制电场，该控制电场控制选定工作单元12的工作电极121的电场可控表面修饰层1212的性质，以控制包括对象物质21的流体的操作。
例如，每个工作单元12包括用于与对象物质21接触的工作电极121，工作电极121包括金属电极1211和形成在金属电极1211表面的电场可控表面修饰层1212。
例如，控制包括对象物质21的流体的操作包括：流体被驱动通过选定工作单元12或使得流体中的对象物质21被固定在选定工作单元12的工作电极121上。
需要说明的是，关于该生物芯片的制造方法的详细描述以及技术效果可以参考本公开的上述实施例中对于生物芯片100/200/300的相应描述，这里不再赘述。
本公开至少一实施例还提供一种生物芯片的操作方法，利用该操作方法，可以使用本公开任一实施例所述的生物芯片。利用该操作方法，可以实现基因片段的固定位置可控化，能够改善相互之间的荧光串扰等问题，并且兼容半导体制备工艺，生产成本低，有助于提高检测精确度和检测通量。
例如，该生物芯片的操作方法包括：对多个工作单元12中的选定工作单元12施加控制信号，通过选定工作单元12的工作电极121形成控制电场，该控制电场控制选定工作单元12的工作电极121的电场可控表面修饰层1212的性质，以控制包括对象物质21的流体的操作。
例如，控制包括对象物质21的流体的操作包括：流体被驱动通过选定工作单元12或使得流体中的对象物质21被固定在选定工作单元12的工作电极121上。
需要说明的是，关于该生物芯片的操作方法的详细描述以及技术效果可以参考本公开的上述实施例中对于生物芯片100/200/300的相应描述，这里不再赘述。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种生物芯片，包括：
衬底基板；
多个工作单元，设置在所述衬底基板上；
其中，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述对象物质包括基因片段，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层，
每个所述工作单元还包括开关元件，所述开关元件包括栅极、栅绝缘层、有源层、第一极和第二极，所述工作电极与所述开关元件的所述第二极电连接，所述开关元件配置为根据控制信号确定是否允许对所述工作电极施加工作电压，
所述栅极设置在所述衬底基板上，
所述栅绝缘层设置在所述衬底基板上且覆盖所述栅极，
所述有源层设置在所述栅绝缘层上并提供沟道区域，以及
所述第一极和所述第二极设置在所述栅绝缘层上且搭接在所述有源层上。
2.根据权利要求1所述的生物芯片，其中，所述电场可控表面修饰层包括电场可控异构化有机分子，所述电场可控异构化有机分子的端部连接到所述金属电极表面。
3.根据权利要求2所述的生物芯片，其中，所述电场可控异构化有机分子包括硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子，所述硫代醇酸或硫代醇酸衍生物分子通过端部的巯基连接到所述金属电极表面。
4.根据权利要求1-3任一所述的生物芯片，其中，所述金属电极的材料包括金或银。
5.根据权利要求1-3任一所述的生物芯片，还包括设置在所述衬底基板上的流道界定层，
其中，所述流道界定层包括流道，所述多个工作单元沿所述流道分布，以允许包括所述对象物质的流体经所述流道到达所述多个工作单元至少之一。
6.根据权利要求5所述的生物芯片，其中，所述流道包括相对设置的侧壁，所述相对设置的侧壁构成多个支路，所述多个支路呈十字交叉且在交叉点处连通。
7.根据权利要求1-3任一所述的生物芯片，其中，所述衬底基板为玻璃基板。
8.根据权利要求1-3任一所述的生物芯片，其中，所述基因片段固定在所述工作电极上。
9.根据权利要求8所述的生物芯片，其中，所述基因片段的端部包括巯基、氨基、羟基、羧基、磷酸酯基、烷氧基、胺基、含氟基团、季胺基、季磷基中的一种或多种。
10.根据权利要求1-3任一所述的生物芯片，还包括对置基板，
其中，所述对置基板与所述衬底基板相对设置，所述工作单元位于所述对置基板和所述衬底基板之间。
11.根据权利要求10所述的生物芯片，还包括对置电极，其中，所述对置电极设置在所述对置基板与所述衬底基板相对的表面上且与所述工作单元相对。
12.一种生物检测系统，包括如权利要求1-11任一所述的生物芯片，以及还包括控制单元，
其中，所述控制单元配置为对所述生物芯片的多个工作单元施加控制信号。
13.一种生物芯片的制造方法，包括：
在衬底基板上形成多个工作单元，其中，每个所述工作单元包括用于与对象物质接触的工作电极，所述对象物质包括基因片段，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的电场可控表面修饰层；
对所述多个工作单元中的选定工作单元施加控制信号，通过所述选定工作单元的工作电极形成控制电场，所述控制电场控制所述选定工作单元的工作电极的电场可控表面修饰层的性质，以控制包括所述对象物质的流体的操作，
每个所述工作单元还包括开关元件，所述开关元件包括栅极、栅绝缘层、有源层、第一极和第二极，所述工作电极与所述开关元件的所述第二极电连接，所述开关元件配置为根据控制信号确定是否允许对所述工作电极施加工作电压，
所述栅极设置在所述衬底基板上，
所述栅绝缘层设置在所述衬底基板上且覆盖所述栅极，
所述有源层设置在所述栅绝缘层上并提供沟道区域，以及
所述第一极和所述第二极设置在所述栅绝缘层上且搭接在所述有源层上。
14.一种生物芯片的操作方法，包括：
对多个工作单元中的选定工作单元施加控制信号，通过所述选定工作单元的工作电极形成控制电场，所述控制电场控制所述选定工作单元的工作电极的电场可控表面修饰层的性质，以控制包括对象物质的流体的操作；
其中，每个所述工作单元包括用于与所述对象物质接触的所述工作电极，所述对象物质包括基因片段，所述工作电极包括金属电极和形成在所述金属电极表面的所述电场可控表面修饰层，
每个所述工作单元还包括开关元件，所述开关元件包括栅极、栅绝缘层、有源层、第一极和第二极，所述工作电极与所述开关元件的所述第二极电连接，所述开关元件配置为根据控制信号确定是否允许对所述工作电极施加工作电压，
所述栅极设置在衬底基板上，
所述栅绝缘层设置在所述衬底基板上且覆盖所述栅极，
所述有源层设置在所述栅绝缘层上并提供沟道区域，以及
所述第一极和所述第二极设置在所述栅绝缘层上且搭接在所述有源层上。
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