CN110168364B - 生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法。该生物检测芯片包括第一衬底基板；多个检测单元，沿行方向和列方向阵列设置在第一衬底基板上，各检测单元包括薄膜晶体管和电极，薄膜晶体管设置在第一衬底基板上且包括栅极、源极和漏极，电极设置在薄膜晶体管远离第一衬底基板的一侧且与漏极相连，电极被配置为承载待检测的生物材料。由此，该生物检测芯片可降低多个检测单元的走线的复杂程度，从而可增加多个检测单元的密度，进而可实现对待检测的生物材料(例如神经细胞)不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及一种生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法。
背景技术
微流控(Microfluidics)技术是一种可在微米尺度对流体进行操控或检测的技术。微流控技术具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上的能力，从而可自动完成生化分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作。微机电系统(MEMS)技术是在微电子、微机械加工基础上发展起来的新型学科，在生物检测领域发挥出越来越大的作用。
神经细胞也叫神经元，是构成哺乳动物神经系统的基本结构和功能单元。从结构上讲，神经元分为细胞体(soma)和突起(neurite)两部分，其中突起又分为树突和轴突。树突多呈树状分支，它可接受刺激并将冲动传向胞体；轴突多呈细长状，且分支较少，它可实现冲动传导。通常，神经元包括一个至多个树突，但轴突只有一条。冲动在神经元之间的传递主要依靠突触，大量神经元通过突触互相接触，组成神经系统。
通常，突触包括两层膜，分别称为突触前膜和突触后膜(厚度范围在7-10纳米)，突触前膜和突触后膜之间为突触间隙(20-30纳米)。当突触前神经元的冲动到达突触小体时，小泡内的递质从突触前膜释放出来，进入突触间隙，并作用于突触后膜。当化学作用效应超过一定阈值后，可引起突触后神经元发生兴奋或抑制反应，从而将冲动传递至突触后神经元。
发明内容
本公开实施例提供一种生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法。该生物检测芯片包括第一衬底基板；多个检测单元，沿行方向和列方向阵列设置在第一衬底基板上，各检测单元包括薄膜晶体管和电极，薄膜晶体管设置在第一衬底基板上且包括栅极、源极和漏极，电极设置在薄膜晶体管远离第一衬底基板的一侧且与漏极相连，电极被配置为承载待检测的生物材料。由此，该生物检测芯片可降低多个检测单元的走线的复杂程度，从而可增加多个检测单元的密度，进而可实现对待检测的生物材料(例如神经细胞)不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制。另一方面，该生物检测芯片还可增大用于培养和检测待检测的生物材料的有效面积，并且可避免待检测的生物材料的电刺激过程对栅线和数据线的干扰。
本公开至少一个实施例提供一种生物检测芯片，其包括：第一衬底基板；多个检测单元，沿行方向和列方向阵列设置在所述第一衬底基板上，各所述检测单元包括薄膜晶体管和电极，所述薄膜晶体管设置在第一衬底基板上且包括栅极、源极和漏极，所述电极设置在所述薄膜晶体管远离所述第一衬底基板的一侧且与所述漏极相连，所述电极被配置为承载待检测的生物材料。
例如，本公开一实施例提供的生物检测芯片还包括：多条栅线；以及多条数据线，与所述多条栅线交叉设置，各所述栅线与同属一行的所述检测单元的所述栅极相连且同层设置，各所述数据线与同属一列的所述检测单元的所述源极相连且同层设置。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测芯片中，所述多个检测单元包括刺激单元和接收单元，所述刺激单元被配置为施加刺激电压，所述接收单元被配置为接收电生理信号。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测芯片中，在所述行方向上，所述刺激单元和所述接收单元交替设置，相邻的一个所述刺激单元和一个所述接收单元关于所述相邻的一个所述刺激单元和一个所述接收单元之间的分隔线呈轴对称。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测芯片中，在所述列方向上，所述刺激单元和所述接收单元交替设置，两个所述刺激单元和两个所述接收单元组成一个检测点，在所述检测点中，两个所述刺激单元在所述衬底基板上的正投影和两个所述接收单元在所述衬底基板上的正投影组成一个2*2的矩阵。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测芯片中，所述检测点在所述第一衬底基板上的正投影大致为矩形，所述矩形的边长范围为4-6微米。
本公开至少一个实施例提供一种生物检测装置，其包括：上述任一项所述的生物检测芯片；以及对置基板，与所述生物检测芯片对盒设置，以在所述生物检测芯片和所述对置基板之间形成培养腔。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测装置中，所述对置基板包括：第二衬底基板；透气膜，位于所述第二衬底基板远离所述生物检测芯片的一侧；以及盖板，位于所述透气膜远离所述第二衬底基板的一侧，所述盖板与所述透气膜间隔设置以形成位于所述盖板和所述透气膜之间的气体通道，所述第二衬底基板上开设有通气孔，所述通气孔在所述第二衬底基板上的正投影位于所述气体通道在所述第二衬底基板上的正投影之内。
例如，本公开一实施例提供的生物检测装置还包括：多个支撑件，位于所述生物检测芯片和所述对置基板之间且围绕所述多个检测单元，所述多个支撑件间隔设置以在相邻的所述支撑件之间形成与所述培养腔相连通的液体流道。
例如，本公开一实施例提供的生物检测装置还包括：试剂模块，通过所述液体流道与所述培养腔相连通，所述试剂模块包括至少两个试剂存储池和试剂混合区，所述至少两个试剂存储池被配置为存储不同种类的检测试剂，所述试剂混合区被配置为将不同种类的检测试剂混合。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测装置中，所述试剂混合区还包括鱼骨混匀结构。
本公开至少一个实施例还提供一种生物检测装置的生物检测方法，所述生物检测装置为上述的生物检测装置，所述生物检测方法包括：在所述生物检测芯片上的所述电极上培养待检测的生物材料，所述待检测的生物材料覆盖至少部分所述检测单元；将所述生物检测芯片和所述对置基板对盒；向所述培养腔通入检测试剂；以及利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述检测试剂对所述待检测的生物材料的影响。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测方法中，所述对置基板包括：第二衬底基板；透气膜，位于所述第二衬底基板远离所述生物检测芯片的一侧；以及盖板，位于所述透气膜远离所述第二衬底基板的一侧，所述盖板与所述透气膜间隔设置以形成位于所述盖板和所述透气膜之间的气体通道，所述第二衬底基板上开设有通气孔，所述通气孔在所述第二衬底基板上的正投影位于所述气体通道在所述第二衬底基板上的正投影之内，所述生物检测方法还包括：向所述气体通道通入气体；以及利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述气体对所述待检测的生物材料的影响。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测方法中，被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元包括位于所述待检测的生物材料的刺激位置的第一检测点和位于所述待检测的生物材料的接收位置的第二检测点，所述利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述检测试剂对所述待检测的生物材料的影响包括：利用所述第一检测点向所述待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及利用所述第二检测点接收所述待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号，所述第一检测点包括至少一个所述检测单元，所述第二检测点包括至少一个所述检测单元。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测方法中，被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元包括位于所述待检测的生物材料的刺激位置的第一检测点和位于所述待检测的生物材料的接收位置的第二检测点，利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述气体对所述待检测的生物材料的影响包括：利用所述第一检测点向所述待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及利用所述第二检测点接收所述待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号，所述第一检测点包括至少一个所述检测单元，所述第二检测点包括至少一个所述检测单元。
例如，在本公开一实施例提供的生物检测方法中，所述待检测的生物材料包括至少一个神经细胞，所述待检测的生物材料的刺激位置包括神经细胞的树突，所述待检测的生物材料的接收位置包括所述刺激位置处的神经细胞的轴突或髓鞘、或与所述刺激位置处的神经细胞相连的另一个神经细胞的轴突或髓鞘。
例如，本公开一实施例提供的生物检测方法还包括：获取所述待检测的生物材料在所述生物检测芯片上的图像；根据所述图像确定被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元以及所述检测单元与所述待检测的生物材料的位置关系；以及根据各所述检测单元与所述待检测的生物材料的位置关系确定所述第一检测点和所述第二检测点。
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为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片的平面示意图；
图2为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片沿图1中AA方向的剖面示意图；
图3为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片进行检测的示意图；
图4为根据本公开一实施例提供的生物检测装置的剖面示意图；
图5为根据本公开一实施例提供的另一种生物检测装置的示意图；以及
图6为根据本公开一实施例提供的生物检测装置的生物检测方法的流程图。
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。“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。
神经细胞的冲动传递主要通电化学的过程实现的。当神经细胞在未收到刺激时，细胞膜两侧保持稳定电位差，称为跨膜静息电位。此时，细胞膜内侧的电位低，细胞膜外侧的电位高，其电位差的变化范围在几十毫伏。当神经细胞受到外界电生理信号刺激时，细胞膜的离子透过性发生急剧变化，从而使得细胞膜两侧的电位差发生变化，并且与相邻的细胞膜形成的电位差引发电位顺序传播，从而实现冲动沿神经细胞的传递。
因此，不同种类的检测试剂、不同浓度的检测试剂、不同种类的气体以及不同浓度的气体对神经细胞和神经系统的影响可采用微电极阵列传感器(Micro-Electrode Array，MEA)来实现检测。通常，微电极阵列传感器(MEA)包括衬底基板和衬底基板上的微电极阵列，当神经细胞或组织培养在微电极阵列传感器的表面上时，可通过将外部施加的电刺激信号(例如，脉冲电压)传输到微电极上，从而刺激神经细胞并使神经细胞产生冲动，并通过其他微电极记录该神经细胞的不同位置的电生理信号，或者其他神经细胞的电生理信号来实现对神经细胞或组织的研究。
然而，由于神经细胞贴壁生长的随机性，不同的神经细胞的突触连接方式、生长位置有很大差异；并且每次细胞培养的神经细胞之间的连接方式也具有随机性。微电极阵列传感器(MEA)上微电极的位置是相对固定的，从而导致研究人员无法对特定位置神经元进行电刺激和冲动检测，不易于评估神经细胞通讯的规律性和神经细胞所构建神经系统的有效性。另一方面，通常的微电极阵列传感器(MEA)上的各微电极需要单独走线连接控制，增加了走线的复杂程度，因此制约了微电极阵列的数量，减少了培养有效面积。并且通常的微电极阵列传感器(MEA)只能使用特定条件来培养神经细胞或神经细胞所构建的神经系统，无法实现培养环境的灵活控制，不易于研究不同检测试剂、检测试剂的浓度、不同气体以及气体的浓度对于神经细胞或者神经系统的功能的影响，具有较大的局限性。
本公开实施例提供一种生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法。该生物检测芯片包括第一衬底基板；多个检测单元，沿行方向和列方向阵列设置在第一衬底基板上，各检测单元包括薄膜晶体管和电极，薄膜晶体管设置在第一衬底基板上且包括栅极、源极和漏极，电极设置在薄膜晶体管远离第一衬底基板的一侧且与漏极相连，电极被配置为承载待检测的生物材料。由于各检测单元包括薄膜晶体管和电极，因此多个检测单元可通过沿行方向和列方向设置的栅线、数据线进行单独驱动；并且，由于栅极、源极和漏极、和电极位于不同的层，因此用于驱动多个检测单元的栅线和数据线可与电极异层设置。由此，该生物检测芯片可降低多个检测单元的走线的复杂程度，从而可增加多个检测单元的密度，增加单位面积内的检测单元的数量，进而可实现对待检测的生物材料(例如神经细胞)不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制。另一方面，该生物检测芯片还可增大用于培养和检测待检测的生物材料的有效面积，并且可避免待检测的生物材料的电刺激过程对栅线和数据线的干扰。
下面，结合附图对本公开实施例提供的生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法进行详细的说明。
本公开一实施例提供一种生物检测芯片。图1为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片的平面示意图；图2为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片沿图1中AA方向的剖面示意图。如图1所示，该生物检测芯片包括第一衬底基板110和多个检测单元120。多个检测单元120沿行方向和列方向阵列设置在第一衬底基板110上。如图2所示，各检测单元120包括薄膜晶体管130和电极140，薄膜晶体管130设置在第一衬底基板110上且包括栅极131、源极132和漏极133，电极140设置在薄膜晶体管130远离第一衬底基板110的一侧且与漏极133相连。电极140可承载待检测的生物材料，例如，可在电极140上培养待检测的生物材料。
例如，如图2所示，薄膜晶体管130还包括栅极绝缘层134和有源层135；栅极131设置在第一衬底基板110上，栅极绝缘层134设置在栅极131远离第一衬底基板110的一侧，有源层135设置在栅极绝缘层134远离栅极131的一侧，且与栅极131相对设置(例如，有源层135在第一衬底基板110上的正投影覆盖栅极131在第一衬底基板110上的正投影)、源极132和漏极133位于栅极绝缘层134和有源层135远离栅极131的一侧。该生物检测芯片还包括钝化层190，位于薄膜晶体管130远离第一衬底基板110的一侧，电极140可通过钝化层190中的过孔195与漏极133电性相连。可见，薄膜晶体管130的栅极131、源极132和漏极133和电极140位于不同的层。
在本公开实施例提供的生物检测芯片中，由于各检测单元包括薄膜晶体管和电极，因此多个检测单元可通过沿行方向和列方向设置的栅线、数据线进行单独驱动，从而可降低多个检测单元的走线数量和复杂程度。例如，当生物检测芯片上具有8*8个检测单元时，通常的生物检测芯片需要设置8*8条信号线，以分别驱动上述的8*8个检测单元；然而，本公开实施例提供的生物检测芯片只需设置(8+8)或者(8+16)条信号线就可驱动8*8个检测单元。因此该生物检测芯片可降低多个检测单元的走线的数量和复杂程度，从而可增加多个检测单元的密度(单位面积内用于走线的区域减小，检测单元的密度就可以增加)，进而可实现对待检测的生物材料不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制。例如，当待检测的生物材料为神经细胞时，若多个检测单元的密度增大，该神经细胞覆盖的检测单元的数量就会增加，从而可对该神经细胞更多的位置进行电刺激和冲动检测，从而可提高检测的准确度。
另一方面，由于栅极、源极和漏极、和电极位于不同的层，因此用于驱动多个检测单元的栅线和数据线可与电极异层设置，此时栅线和数据线在第一衬底基板上的正投影也与电极在第一衬底基板上的正投影距离较近，甚至重叠。由此，该生物检测芯片可进一步增加多个检测单元的密度(增加单位面积内的检测单元的数量)，进一步提高对待检测的生物材料(例如神经细胞)不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制的程度。并且，该生物检测芯片还可增大用于培养和检测待检测的生物材料的有效面积，并且可避免待检测的生物材料的电刺激过程对栅线和数据线的干扰。
例如，在一些示例中，如图1所示，该生物检测芯片还包括多条栅线150和多条数据线160；多条栅线150和多条数据线160交叉设置(异层交叉)，各栅线150与同属一行的检测单元120的栅极131相连且同层设置，各数据线160与同属一列的检测单元120的源极132相连且同层设置。
例如，在一些示例中，栅线150可与对应的栅极131位于同一层；栅线150和栅极131还可通过同一导电层经过一次图案化工艺形成。此时，栅线150与电极140异层设置。
例如，在一些示例中，数据线160可与对应的源极132位于同一层；例如，数据线160、源极132和漏极133可通过同一导电层经过一次图案化工艺形成。此时，数据线160与栅线150和电极140均异层设置。
例如，在一些示例中，如图1和2所示，多个检测单元120包括刺激单元121和接收单元122。刺激单元121被配置为施加刺激电压，例如通过刺激单元121的电极140向待检测的生物材料施加刺激电压；接收单元122被配置为接收电生理信号，例如，通过接收单元122的电极140接收待检测的生物材料上的电生理信号。由此，该生物检测芯片可通过刺激单元和接收单元分别实现对待检测的生物材料的电刺激和冲动检测。需要说明的是，一个刺激单元和一个接收单元可构成一个检测点，对应待检测的生物材料上的一个位置，从而可通过该检测点对待检测的生物材料的一个位置同时进行电刺激和冲动检测；另外，接收单元122接收的电生理信号可通过对应的数据线传导到数据采集系统进过放大等信号处理过程后，被记录或分析。
例如，在一些示例中，如图1所示，在对待检测的生物材料的电刺激和冲动检测的过程中，为了避免施加的刺激电压与检测到的电生理信号之间的相互干扰，同属一列的刺激单元121和接收单元122可采用不同的数据线进行驱动。也就是说，针对同属一列的检测单元120而言，数据线160可包括第一数据线161和第二数据线162，第一数据线161与同属一列的接收单元122的源极132相连，第二数据线162与同属一列的刺激单元121的源极132相连。当然，本公开实施例包括但不限于此，同属一列的刺激单元121和接收单元122可采用相同的数据线采用分时驱动的方式进行驱动。
例如，在一些示例中，当同属一列的刺激单元121和接收单元122可采用不同的数据线时，为了避免第一数据线161和第二数据线162上的信号的相互干扰和方便第一数据线161和第二数据线162的布线，第一数据线161和第二数据线162可分别设置在同属一列的检测单元120的两侧，也就是说，第一数据线161可设置在同属一列的检测单元120的左侧，第二数据线162可设置在同属一列的检测单元120的右侧。此时，在列方向上，刺激单元121和接收单元122交替设置，并且，刺激单元121的薄膜晶体管130对应第一数据线161设置，接收单元122的薄膜晶体管130对应第二数据线162设置。
例如，在一些示例中，如图1所示，在行方向上，刺激单元121和接收单元122交替设置，相邻的一个刺激单元121和一个接收单元122关于相邻的一个刺激单元121和一个接收单元122之间的分隔线呈轴对称，从而可利于改善第一数据线161和第二数据线162的布线，降低该生物检测芯片的制作难度。
例如，在一些示例中，如图1所示，在行方向上，刺激单元121和接收单元122交替设置，在列方向上，刺激单元121和接收单元122交替设置。两个刺激单元121和两个接收单元122组成一个检测点125，在检测点125中，两个刺激单元121在衬底基板110上的正投影和两个接收单元122在衬底基板110上的正投影组成一个2*2的矩阵。由此，每个检测点125中设置有两个刺激单元121和两个接收单元122，且两个刺激单元121分布在上述的2*2的矩阵的对角线的两端，从而可在待检测的生物材料没有完全覆盖检测点125时能够刺激到该检测点125上的待检测的生物材料；另外，两个接收单元122分布在上述的2*2的矩阵的对角线的两端，从而可在待检测的生物材料没有完全覆盖检测点125时能够检测到该检测点125上的待检测的生物材料的电生理信号。
由于通常的神经细胞的树突覆盖的范围的尺寸大于30微米，而轴突和髓鞘的宽度尺寸在5微米以上，在一些示例中，如图1所示，检测点125在第一衬底基板110上的正投影大致为矩形，矩形的边长范围为4-6微米。因此该示例提供的生物检测芯片可更好地匹配神经细胞的轴突的尺寸，从而可更好地实现贴壁神经细胞的电刺激与冲动信号捕获位置的灵活控制。
例如，在检测点125中，各检测单元120中的电极140在第一衬底基板110上的正投影也可为矩形，矩形的边长的范围在1.5-2.5微米。例如，矩形的边长大致为2微米。相邻的检测单元120之间的距离大致为1微米。
例如，在一些示例中，第一衬底基板110采用透明的绝缘材料制作，例如玻璃、石英等无机材料或者聚氯乙烯、聚碳酸酯等有机材料。由此，该生物检测芯片在进行检测时，有利于使用显微镜等设备对待检测的生物材料进行观察。
例如，在一些示例中，电极140可采用透明金属氧化物材料制作，例如氧化铟锡(Indium Tin Oxide)。当然，本公开实施例包括但不限于此，电极140也可采用其他材料制作，例如金、铂等金属材料。
图3为根据本公开一实施例提供的一种生物检测芯片进行检测的示意图。如图3所示，被待检测的生物材料为神经细胞900；神经细胞900包括第一神经细胞910和第二神经细胞920。如图3所示，神经细胞900包括刺激位置901和接收位置902；被神经细胞900覆盖的检测单元120包括位于神经细胞900的刺激位置901的第一检测点1251和位于神经细胞900的接收位置902的第二检测点1252。由此，可通过第一检测点1251向神经细胞900的刺激位置901施加电刺激；以及利用第二检测点1252接收神经细胞900的接收位置902上的电生理信号，从而可对该神经细胞进行电刺激和冲动检测。需要说明的是，上述的接收位置为检测冲动的位置，因此接收位置可同时包括多个位置，例如，如图3所示，接收位置902可包括第一接收位置9021、第二接收位置9022、第三接收位置9023、第四接收位置9024和第五接收位置9025；另外，上述的第一检测点1251可为单独的一个检测单元，也可为一个刺激单元和一个接收单元构成的检测点，或者两个刺激单元和两个接收单元构成的检测点，本公开实施例包括但不限于此。
例如，如图3所示，刺激位置901可为第一神经细胞910的树突，接收位置902可为第一神经细胞910的轴突或髓鞘(例如，第一接收位置9021、第二接收位置9022和第三接收位置9023)，或者第二神经细胞920的轴突或髓鞘(例如，第四接收位置9024和第五接收位置9025)。
本公开一实施例还提供一种生物检测装置。图4为根据本公开一实施例提供的生物检测装置的剖面示意图。如图4所示，该生物检测装置包括上述任一项提供的生物检测芯片。因此，该生物检测装置可降低多个检测单元的走线的数量和复杂程度，从而可增加多个检测单元的密度(单位面积内用于走线的区域减小，检测单元的密度就可以增加)，进而可实现对待检测的生物材料不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制，并可提高检测的准确度。另外，该生物检测装置还可增大用于培养和检测待检测的生物材料的有效面积，并且可避免待检测的生物材料的电刺激过程对栅线和数据线的干扰。相关的具体描述可参见生物检测芯片的相关描述。
例如，在一些示例中，如图4所示，该生物检测装置还包括对置基板200，与生物检测芯片100对盒设置，以在生物检测芯片100和对置基板200之间形成培养腔300。培养腔300可用于培养待检测的生物材料，并提供一定的维持生命的条件，从而使得该生物检测装置更适于对生物材料进行检测和分析。
例如，当待检测的生物材料为神经细胞时，可在培养腔中加入PBS缓冲液(Phosphate Buffer Saline)。PBS缓冲液是生物化学研究中使用最为广泛的一种缓冲液。
例如，培养腔300沿垂直于生物检测芯片100的方向上的尺寸大致为30微米。
例如，在一些示例中，如图4所示，该对置基板200包括第二衬底基板210、透气膜220和盖板230；透气膜220位于第二衬底基板210远离生物检测芯片100的一侧，盖板230位于透气膜220远离第二衬底基板210的一侧。盖板230与透气膜220间隔设置以形成位于盖板230和透气膜220之间的气体通道400，第二衬底基板210上开设有通气孔212，通气孔212在第二衬底基板210上的正投影位于气体通道400在第二衬底基板210上的正投影之内。从而，通气孔212可将气体通道400中的气体通入培养腔300中。由此，可通过调整气体通道400中不同气体的浓度，从而控制培养腔300中的气体的种类和浓度，以检测待检测的生物材料在气体下的影响。例如，当待测的生物材料为神经细胞，可通过调整气体通道400中的氧气的浓度，来检测神经细胞在缺氧环境下的传导能力受损情况。
例如，在一些示例中，第二衬底基板210采用透明的绝缘材料制作，例如玻璃、石英等无机材料或者聚氯乙烯、聚碳酸酯等有机材料。由此，该生物检测装置在进行检测时，有利于使用显微镜等设备对待检测的生物材料进行观察。
例如，通气孔212可通过刻蚀工艺形成。
例如，在一些示例中，透气膜220的材料可包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并通过等离子处理与第二衬底基板210进行键合。
图5为根据本公开一实施例提供的另一种生物检测装置的示意图。如图5所示，该生物检测装置包括多个支撑件500，位于生物检测芯片100和对置基板200之间且围绕多个检测单元120设置。多个支撑件500间隔设置以在相邻的支撑件500之间形成与培养腔300连通的液体流道600。可通过液体流道600向培养腔300中通入各种液体试剂，例如上述的PBS缓冲液。
例如，支撑件500在第二衬底基板210上的正投影可为边长大约为1mm的正方形。相邻的支撑件500之间的距离的范围可为150-250微米，例如200微米。
例如，在一些示例中，如图5所示，该生物检测装置还包括试剂模块700，通过液体流道600与培养腔300相连通，试剂模块700包括至少两个试剂存储池710和试剂混合区720；至少两个试剂存储池710被配置为存储不同种类的检测试剂，试剂混合区720被配置为将不同种类的检测试剂混合。
例如，如图5所示，该试剂模块700包括五个试剂存储池710，包括第一试剂存储池711、第二试剂存储池712、第三试剂存储池713、第四试剂存储池714和第五试剂存储池715。五个试剂存储池710中的任意一个可以用于向培养腔300添加PBS缓冲液，其他的试剂存储池710可用于添加其他检测试剂。
例如，当待测的生物材料为神经细胞，可通过第一试剂存储池711向培养腔300加入PBS缓冲液，然后通过第二试剂存储池712向培养腔300加入多巴胺，从而来检测多巴胺对神经细胞在的传导能力的影响。例如，可通过控制多巴胺和PBS缓冲液的比例来检测不同浓度的多巴胺对神经细胞在的传导能力的影响。当然，本公开实施例中的检测试剂包括但不限于多巴胺，具体的检测试剂的种类和浓度可根据实际情况进行选择。
例如，试剂模块也可两块基板对盒而成，从而形成上述的至少两个试剂存储池和试剂混合区；此时，这两块基板可分别与生物检测芯片和对置基板一体成型。当然，本公开实施例包括但不限于此，试剂模块也可为单独的模块，只要通过液体流道与培养腔相连通即可。
例如，在一些示例中，如图5所示，试剂混合区720还包括鱼骨混匀结构725。当然，本公开实施例包括但不限于此，试剂混合区还可采用其他种类的混匀结构。
例如，在一些示例中，如图5所示，该生物检测装置还包括出液口800，用于将培养腔300中的液体排出。
本公开一实施例还提供一种生物检测装置的生物检测方法。图6为根据本公开一实施例提供的生物检测装置的生物检测方法的流程图。该生物检测装置也可为上述实施例中所描述的任意一种生物检测装置，如图6所示，该生物检测方法包括以下步骤S301-S304。
步骤S301：在生物检测芯片上的电极上培养待检测的生物材料，待检测的生物材料覆盖至少部分检测单元。
例如，待检测的生物材料可为神经细胞；由于神经细胞贴壁生长的随机性，不同的神经细胞的突触连接方式、生长位置有很大差异；并且每次细胞培养的神经细胞之间的连接方式也具有随机性。因此，在阵列设置的检测单元的电极上培养的神经细胞会随机覆盖至少部分检测单元。此时，即使神经细胞贴壁生长具有随机性，可通过显微镜等设备观察培养后的神经细胞，然后通过被神经细胞覆盖的检测单元对神经细胞进行电刺激和冲动检测。
步骤S302：将生物检测芯片和对置基板对盒。
例如，当待检测的生物材料为神经细胞时，可在神经细胞的生物活性基本稳定，并且不同神经细胞之间建立通讯之后，再进行生物检测芯片和对置基板对盒。
步骤S303：向培养腔通入检测试剂。
例如，当待测的生物材料为神经细胞，可向培养腔加入PBS缓冲液和其他检测试剂，例如多巴胺，从而来检测多巴胺对神经细胞在的传导能力的影响。当然，本公开实施例中的检测试剂包括但不限于多巴胺，具体的检测试剂的种类和浓度可根据实际情况进行选择。
步骤S304：利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测检测试剂对待检测的生物材料的影响。
在本公开实施例提供的生物检测方法中，可先在生物检测芯片上的电极上培养待检测的生物材料，然后利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测检测试剂对待检测的生物材料的影响。由于各检测单元包括薄膜晶体管和电极，因此多个检测单元可通过沿行方向和列方向设置的栅线、数据线进行单独驱动，从而可降低多个检测单元的走线数量和复杂程度。由此，该生物检测方法可增加多个检测单元的密度(单位面积内用于走线的区域减小，检测单元的密度就可以增加)，进而可实现对待检测的生物材料不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制。例如，当待检测的生物材料为神经细胞时，若多个检测单元的密度增大，该神经细胞覆盖的检测单元的数量就会增加，从而可对该神经细胞更多的位置进行电刺激和冲动检测，从而可提高检测的准确度。
另一方面，由于栅极、源极和漏极、和电极位于不同的层，因此用于驱动多个检测单元的栅线和数据线可与电极异层设置，此时栅线和数据线在第一衬底基板上的正投影也与电极在第一衬底基板上的正投影距离较近，甚至重叠。由此，该生物检测方法可进一步增加多个检测单元的密度(增加单位面积内的检测单元的数量)，进一步提高对待检测的生物材料(例如神经细胞)不同位置的电刺激和冲动检测的灵活控制的程度。并且，该生物检测方法还可增大用于培养和检测待检测的生物材料的有效面积，并且可避免待检测的生物材料的电刺激过程对栅线和数据线的干扰。
例如，可向培养腔通入不同种类和/或不同浓度的检测试剂，从而利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测不同种类和/或不同浓度的检测试剂对待检测的生物材料的影响。
例如，在一些示例中，被待检测的生物材料覆盖的检测单元包括位于待检测的生物材料的刺激位置的第一检测点和位于待检测的生物材料的接收位置的第二检测点，利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测检测试剂对待检测的生物材料的影响包括：利用第一检测点向待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及利用第二检测点接收待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号。具体的检测过程可参见图3的相关描述，在此不再赘述。
例如，第一检测点可包括至少一个上述的检测单元，第二检测点可包括至少一个上述的检测单元。也就是说，上述的第一检测点可为单独的一个检测单元，也可为一个刺激单元和一个接收单元构成的检测点，或者两个刺激单元和两个接收单元构成的检测点，本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，该生物检测装置可采用如图4所示的生物检测装置，如图4所示，在该生物检测装置中，对置基板200包括：第二衬底基板210；透气膜220，位于第二衬底基板210远离生物检测芯片100的一侧；以及盖板230，位于透气膜220远离第二衬底基板210的一侧，盖板230与透气膜220间隔设置以形成位于盖板230和透气膜220之间的气体通道400，第二衬底基板210上开设有通气孔212，通气孔212在第二衬底基板210上的正投影位于气体通道400在第二衬底基板210上的正投影之内。从而，通气孔212可将气体通道400中的气体通入培养腔300中。此时，该生物检测方法还包括：向气体通道通入气体(例如，不同种类和/或不同浓度的气体)；以及利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测气体对待检测的生物材料的影响。
例如，当待测的生物材料为神经细胞，可通过调整气体通道中的氧气的浓度，来检测神经细胞在缺氧环境下的传导能力受损情况。
例如，在一些示例中，被待检测的生物材料覆盖的检测单元包括位于待检测的生物材料的刺激位置的第一检测点和位于待检测的生物材料的接收位置的第二检测点，利用被待检测的生物材料覆盖的检测单元检测气体对待检测的生物材料的影响包括：利用第一检测点向待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及利用第二检测点接收待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号。具体的检测过程可参见图3的相关描述，在此不再赘述。
例如，第一检测点可包括至少一个上述的检测单元，第二检测点可包括至少一个上述的检测单元。也就是说，上述的第一检测点可为单独的一个检测单元，也可为一个刺激单元和一个接收单元构成的检测点，或者两个刺激单元和两个接收单元构成的检测点，本公开实施例包括但不限于此。例如，在一些示例中，该生物检测方法还包括：获取待检测的生物材料在生物检测芯片上的图像；根据图像确定被待检测的生物材料覆盖的检测单元以及检测单元与待检测的生物材料的位置关系；以及根据各检测单元与待检测的生物材料的位置关系确定第一检测点和第二检测点。例如，可通过显微镜或者图像传感器获取待检测的生物材料在生物检测装置上的图像。
例如，在一些示例中，待检测的生物材料包括至少一个神经细胞，待检测的生物材料的刺激位置包括神经细胞的树突，待检测的生物材料的接收位置包括刺激位置处的神经细胞的轴突或髓鞘、或与刺激位置处的神经细胞相连的另一个神经细胞的轴突或髓鞘。
例如，被待检测的生物材料为神经细胞；神经细胞包括相互连接的第一神经细胞和第二神经细胞。神经细胞包括刺激位置和接收位置；刺激位置可为第一神经细胞的树突，接收位置可为第一神经细胞的轴突或髓鞘，或者第二神经细胞的轴突或髓鞘。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图中，只涉及到与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，本公开同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
以上，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种生物检测芯片，包括：
第一衬底基板；
多个检测单元，沿行方向和列方向阵列设置在所述第一衬底基板上，
其中，各所述检测单元包括薄膜晶体管和电极，所述薄膜晶体管设置在第一衬底基板上且包括栅极、源极和漏极，所述电极设置在所述薄膜晶体管远离所述第一衬底基板的一侧且与所述漏极相连，
所述电极被配置为承载待检测的生物材料,
所述生物检测芯片，还包括：多条栅线；以及多条数据线，与所述多条栅线交叉设置，各所述栅线与同属一行的所述检测单元的所述栅极相连且同层设置，各所述数据线与同属一列的所述检测单元的所述源极相连且同层设置，
所述多个检测单元包括刺激单元和接收单元，所述刺激单元被配置为施加刺激电压，所述接收单元被配置为接收电生理信号，所述数据线包括第一数据线和第二数据线，所述第一数据线与同属一列的所述接收单元的源极相连，所述第二数据线与同属一列的所述刺激单元的源极相连，所述第一数据线和所述第二数据线分别设置在同属一列的所述检测单元的两侧，
在所述行方向上，所述刺激单元和所述接收单元交替设置，相邻的一个所述刺激单元和一个所述接收单元关于相邻的一个所述刺激单元和一个所述接收单元之间的分隔线呈轴对称，在所述列方向上，所述刺激单元和所述接收单元交替设置，两个所述刺激单元和两个所述接收单元组成一个检测点，在所述检测点中，两个所述刺激单元在所述衬底基板上的正投影和两个所述接收单元在所述衬底基板上的正投影组成一个2*2的矩阵。
2.根据权利要求1所述的生物检测芯片，其中，所述检测点在所述第一衬底基板上的正投影大致为矩形，所述矩形的边长范围为4 - 6微米。
3.一种生物检测装置，包括：
根据权利要求1或2所述的生物检测芯片；以及
对置基板，与所述生物检测芯片对盒设置，以在所述生物检测芯片和所述对置基板之间形成培养腔。
4.根据权利要求3所述的生物检测装置，其中，所述对置基板包括：
第二衬底基板；
透气膜，位于所述第二衬底基板远离所述生物检测芯片的一侧；以及
盖板，位于所述透气膜远离所述第二衬底基板的一侧，
其中，所述盖板与所述透气膜间隔设置以形成位于所述盖板和所述透气膜之间的气体通道，所述第二衬底基板上开设有通气孔，所述通气孔在所述第二衬底基板上的正投影位于所述气体通道在所述第二衬底基板上的正投影之内。
5.根据权利要求3所述的生物检测装置，还包括：
多个支撑件，位于所述生物检测芯片和所述对置基板之间且围绕所述多个检测单元，
其中，所述多个支撑件间隔设置以在相邻的所述支撑件之间形成与所述培养腔相连通的液体流道。
6.根据权利要求5所述的生物检测装置，还包括：
试剂模块，通过所述液体流道与所述培养腔相连通，
其中，所述试剂模块包括至少两个试剂存储池和试剂混合区，所述至少两个试剂存储池被配置为存储不同种类的检测试剂，所述试剂混合区被配置为将不同种类的检测试剂混合。
7.根据权利要求6所述的生物检测装置，其中，所述试剂混合区还包括鱼骨混匀结构。
8.一种生物检测装置的生物检测方法，其中，所述生物检测装置为根据权利要求3所述的生物检测装置，所述生物检测方法包括：
在所述生物检测芯片上的所述电极上培养待检测的生物材料，所述待检测的生物材料覆盖至少部分所述检测单元；
将所述生物检测芯片和所述对置基板对盒；
向所述培养腔通入检测试剂；以及
利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述检测试剂对所述待检测的生物材料的影响。
9.根据权利要求8所述的生物检测方法，其中，所述对置基板包括：第二衬底基板；透气膜，位于所述第二衬底基板远离所述生物检测芯片的一侧；以及盖板，位于所述透气膜远离所述第二衬底基板的一侧，所述盖板与所述透气膜间隔设置以形成位于所述盖板和所述透气膜之间的气体通道，所述第二衬底基板上开设有通气孔，所述通气孔在所述第二衬底基板上的正投影位于所述气体通道在所述第二衬底基板上的正投影之内，所述生物检测方法还包括：
向所述气体通道通入气体；以及
利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述气体对所述待检测的生物材料的影响。
10.根据权利要求8所述的生物检测方法，其中，被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元包括位于所述待检测的生物材料的刺激位置的第一检测点和位于所述待检测的生物材料的接收位置的第二检测点，所述利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述检测试剂对所述待检测的生物材料的影响包括：
利用所述第一检测点向所述待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及
利用所述第二检测点元接收所述待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号，
其中，所述第一检测点包括至少一个所述检测单元，所述第二检测点包括至少一个所述检测单元。
11.根据权利要求9所述的生物检测方法，其中，被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元包括位于所述待检测的生物材料的刺激位置的第一检测单元和位于所述待检测的生物材料的接收位置的第二检测单元，利用被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元检测所述气体对所述待检测的生物材料的影响包括：
利用所述第一检测点向所述待检测的生物材料的刺激位置施加电刺激；以及
利用所述第二检测点接收所述待检测的生物材料的接收位置上的电生理信号，
其中，所述第一检测点包括至少一个所述检测单元，所述第二检测点包括至少一个所述检测单元。
12.根据权利要求10或11所述的生物检测方法，其中，所述待检测的生物材料包括至少一个神经细胞，所述待检测的生物材料的刺激位置包括神经细胞的树突，所述待检测的生物材料的接收位置包括所述刺激位置处的神经细胞的轴突或髓鞘、或与所述刺激位置处的神经细胞相连的另一个神经细胞的轴突或髓鞘。
13.根据权利要求10或11所述的生物检测方法，还包括：
获取所述待检测的生物材料在所述生物检测芯片上的图像；
根据所述图像确定被所述待检测的生物材料覆盖的所述检测单元以及所述检测单元与所述待检测的生物材料的位置关系；以及
根据各所述检测单元与所述待检测的生物材料的位置关系确定所述第一检测单元和所述第二检测单元。
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