CN110308195B - 微型毛细管电泳芯片及其制备方法 - Google Patents

微型毛细管电泳芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微型毛细管电泳芯片包括第一层结构，在第一层结构下表面布置至少一组微金属电极，并且贯穿第一层结构开设至少一个进液孔和一个出液孔；第二层结构，在第二层结构上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔；第三层结构，所述第三层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片；所述第一层结构与第二层结构键合，使所述进液孔与所述储液腔或缓冲液腔对齐，所述出液孔与所述第一废液腔或第二废液腔对齐，所述第二层结构与所述CMOS检测电路的上表面的硅芯片键合。本发明芯片结构高度集成化，简化传统的电泳芯片检测装置，减少检测成本，实现快速片上检测。

Description

微型毛细管电泳芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电泳芯片技术领域，特别涉及微型毛细管电泳芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，微流控芯片技术以其集成度高、材料耗费少、检测速度快、成本低等优势得到了人们的广泛关注。在实验室领域，目前微流控芯片技术已经在很多生物医学领域的运用中较为成熟，例如DNA提取与检测、细胞分离、药物分析等。
但目前制约微流控芯片向着产业化发展的主要难点在于微流控芯片的封装技术以及检测技术。对于微流控芯片的封装，尽管各种不同功能的微流控芯片其封装方法可能不相同，但是对于特定的芯片，其封装方法往往是一样的。而对于微流控芯片的检测技术，目前大多数成熟的微流控芯片其信号处理电路以及试剂检测装置都是外设的，例如比较常见的荧光检测技术，往往需要配合荧光显微镜才能进行检测。同样，化学发光检测作为另一种比较普遍的检测技术，同样需要配备化学发光分析仪才能够使用。而大多数光学设备的成本很高，动辄上万甚至是百万，这就限制了微流控芯片在家用以及小型医院和诊所的普及。
因此，为了解决现有技术中出现的上述问题，需要一种微型毛细管电泳芯片及其制备方法。
发明内容
本发明的一个方面在于一种微型毛细管电泳芯片，所述电泳芯片包括：
第一层结构，在第一层结构下表面布置至少一组微金属电极，并且贯穿第一层结构开设至少一个进液孔和一个出液孔；
第二层结构，在第二层结构上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔；
第三层结构，所述第三层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片；
所述第一层结构与第二层结构键合，使所述进液孔与所述储液腔或缓冲液腔对齐，所述出液孔与所述第一废液腔或第二废液腔对齐，所述第二层结构与所述CMOS检测电路的上表面的硅芯片键合。
优选地，在第一层结构下表面布置第一组微金属电极和第二组微金属电极；
所述第一组微金属电极用于对储液腔和第一废液腔上电，所述第二组微电极用于对缓冲液腔和第二废液腔上电。
优选地，贯穿第一层结构开设第一进液孔、第二进液孔，贯穿第一层结构开设第一出液孔和第二出液孔；
所述第一层结构与第二层结构键合，使所述第一进液孔与所述储液腔对齐，所述第二进液孔与所述缓冲液腔对齐，所述第一出液孔与第一废液腔对齐，所述第二出液孔与所述第二废液腔对齐。
优选地，在第二层结构上表面刻蚀呈“蛇”形弯曲的第一微通道；所述第一微通道第一端连通缓冲液腔，第二端连通第二废液腔；
所述第一微通道的第一端刻蚀与第一微通道交叉的第二微通道，所述第二微通道一端连接所述储液腔，另一端连通第一废液腔。
本发明的另一个方面在于提供一种微型毛细管电泳芯片，所述电泳芯片包括：
第一层结构，在第一层结构下表面布置至少一组微金属电极，并且贯穿第一层结构开设至少一个进液孔和一个出液孔；
第二层结构，所述第二层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片；
在所述硅芯片上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔；
所述第一层结构与第二层结构键合，使所述进液孔与所述储液腔或缓冲液腔对齐，所述出液孔与所述第一废液腔或第二废液腔对齐。
优选地，在第一层结构下表面布置第一组微金属电极和第二组微金属电极；
所述第一组微金属电极用于对储液腔和第一废液腔上电，所述第二组微电极用于对缓冲液腔和第二废液腔上电。
优选地，贯穿第一层结构开设第一进液孔、第二进液孔，贯穿第一层结构开设第一出液孔和第二出液孔；
所述第一层结构与第二层结构键合，使所述第一进液孔与所述储液腔对齐，所述第二进液孔与所述缓冲液腔对齐，所述第一出液孔与第一废液腔对齐，所述第二出液孔与所述第二废液腔对齐。
优选地，在第二层结构上表面刻蚀呈“蛇”形弯曲的第一微通道；所述第一微通道第一端连通缓冲液腔，第二端连通第二废液腔；
所述第一微通道的第一端刻蚀与第一微通道交叉的第二微通道，所述第二微通道一端连接所述储液腔，另一端连通第一废液腔。
本发明的又一个方面在于提供一种微型毛细管电泳芯片的制备方法，所述方法包括如下方法步骤：
制备第一层结构，选取基体材料，在基体材料的下表面，通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜，作为微金属电极，并在基体上刻蚀贯穿第一层结构的进液孔和出液孔；
制备第二层结构，选取基体材料，在基体材料上表面，通过光刻胶刻蚀形成微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔；
第一层结构与第二层结构键合，首先用清洁剂和去离子水对第一层结构结构和第二层结构的微通道进行超声波清洗，之后采用热压键合法完成键合；
第二层结构与第三层结构键合，所述第二层结构与CMOS检测电路的上表面的硅芯片，通过高温键合的方式进行键合。
本发明的再一个方面在于提供一种微型毛细管电泳芯片的制备方法，所述方法包括如下方法步骤：
制备第一层结构，选取基体材料，在基体材料的下表面，通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜，作为微金属电极，并在基体上刻蚀贯穿第一层结构的进液孔和出液孔；
制备第二层结构，在CMOS检测电路的上表面的硅芯片上，通过光刻胶刻蚀形成微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔；
第一层结构与第二层结构键合，第一层结构与CMOS检测电路的上表面的硅芯片，通过高温键合的方式进行键合。
本发明提供的的微型毛细管电泳芯片，在CMOS图像传感器的检测电路上直接集成电泳芯片结构，形成的微型毛细管电泳芯片的最终尺寸可缩小至约为9mm×9mm×4mm，提高了微流控芯片技术检测设备的集成化。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，在于将电泳芯片分离后的生物试样检测装置，集成在电泳芯片上，从而降低检测成本、缩短检测周期、进一步提高检测的便携性。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，对生物样品分离操作后直接通过CMOS图像传感器用于生物样品检测，从而简化传统的电泳芯片检测装置，减少检测成本，实现快速片上检测。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，将检测装置直接集成到电泳芯片上，那将大大降低微流控芯片的检测成本，并将推动微流控芯片朝着产业化的方向发展。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第一层结构示意图。
图2示出了本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第二层结构示意图。
图3示出了本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第三层结构示意图。
图4示出了本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片第一层结构、第二层结构和第三层结构键合后的示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
下面通过具体的实施例对本发明提供的微型毛细管电泳芯片及其制备方法进行说明。
实施例一。
如图1所示一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第一层结构示意图，图2所示本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第二层结构示意图，图3所示本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片的第三层结构示意图，图4所示本发明一个实施例中微型毛细管电泳芯片第一层结构、第二层结构和第三层结构键合后的示意图。
结合图1至图4所示，根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片包括第一层结构1，在第一层结构下表面布置至少一组微金属电极，并且贯穿第一层结构开设至少一个进液孔和一个出液孔。
在一些实施例中，贯穿第一层结构开设第一进液孔11、第二进液孔12，贯穿第一层结构开设第一出液孔13和第二出液孔14；在第一层结构下表面布置第一组微金属电极15和第二组微金属电极16。
根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片还包括第二层结构2，在第二层结构上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔。
在一些实施例中，在第二层结构上表面刻蚀呈“蛇”形弯曲的第一微通道24；第一微通道24第一端连通缓冲液腔21，第二端连通第二废液腔25。第一微通道24的第一端刻蚀与第一微通道24交叉的第二微通道26，第二微通26道一端连接储液腔22，另一端连通第一废液腔23。
当一层结构1与第二层结构2键合后，第一组微金属电极15的两极分别对准储液腔22和第一废液腔23，用于对储液腔22和第一废液腔23上电，第二组微电极16的两极分别对准缓冲液腔21和第二废液腔25，用于对缓冲液腔21和第二废液腔25上电。
根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片还包括第三层结构3，第三层结构为CMOS检测电路层(图3中以一个黑箱结构表示CMOS检测电路)，CMOS检测电路的上表面为硅芯片。
第一层结构1与第二层结构2键合，使进液孔与所述储液腔或缓冲液腔对齐，出液孔与所述第一废液腔或第二废液腔对齐。
具体地，本实施例中，第一进液孔11与储液腔22对齐，第二进液孔12与缓冲液腔21对齐。第一出液孔13与第一废液腔23对齐，第二出液孔12与第二废液腔25对齐。第一组微金属电极用于对储液腔和第一废液腔上电，第二组微电极用于对缓冲液腔和第二废液腔上电。
第二层结构与CMOS检测电路的上表面的硅芯片键合，CMOS图像传感器直接获取第一微通道24中试样的荧光信息，从而分析出分离后的试样组分。
本发明微型毛细管电泳芯片，具有特定的生物医式样分离功能，并集成CMOS图像传感器，直接实现生物试剂的片上检测和分析功能。
下面对本实施例三层结构的微型毛细管电泳芯片的制备方法进行说明，根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片的制备方法包括如下方法步骤：
制备第一层结构1，选取基体材料，在基体材料的下表面，通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜，作为微金属电极，并在基体上刻蚀贯穿第一层结构的进液孔和出液孔。
本实施例中，第一层结构选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))材料，PMMA材料具有透光性好、成本低、生物兼容性好的优点。在PMMA材料上通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜作为毛细管电泳芯片的微金属电极。同时，第一层结构中贯穿第一层结构的进液孔和出液孔。
制备第二层结构2，选取基体材料，在基体材料上表面，通过光刻胶刻蚀形成微通道，以及储液腔、缓冲液腔、第一废液腔和第二废液腔。
本实施例中，第二层结构选用甲基丙烯酸甲酯(PMMA))材料，第二层通过光刻胶刻蚀形成微通道，以及储液腔、缓冲液腔、第一废液腔和第二废液腔。
第一层结构1与第二层结构2键合，首先用清洁剂和去离子水对第一层结构结构和第二层结构的微通道进行超声波清洗，之后采用热压键合法完成键合。
由于第一层结构和第二层结构的基体材料都是PMMA材料，在采用热压键合之前，使用等离子体对两层结构的基体材料进行表面改性之后，进行热压键合。
第二层结构2与第三层结构3键合，第二层结构与CMOS检测电路的上表面的硅芯片，通过高温键合的方式进行键合。
CMOS检测电路的上表面的硅芯片，主体材料为硅，第二层结构与硅芯片层之间的键合直接采用高温键合的方式实现。
在一些实施例中，在键合过程中，需要防止由于键合操作引起的第一微通道24和第二微通道26的变形，以及第一组微金属电极、第二微金属电极与各个微腔对准的问题。
通过三层结构进行键合，完成微型毛细管芯片的制备。
本发明第一层结构、第二层结构和三层结构的尺寸一致，在一实施例中，可以先选定CMOS图像传感器的型号，然后根据CMOS图像传感器的尺寸确定整个组合后的芯片的尺寸。
下面对本发明提供的微型毛细管电泳芯片对生物式样进行分离测试的过程进行说明。
完成三层结构键合后，对生物样品进行分离测试。首先通过第一进液孔11向储液腔22中注入适量生物样品，并通过第二进液孔12向缓冲液腔21中注入缓冲液，然后对第一组微金属电极15上电，即对应于储液腔22和第一废液腔23对应的第一微金属电极15上电，在电泳驱动下，储液腔11中的试样通过第二微通道26开始向第一废液腔23中流动。
然后对第二微金属电极16上电，即对应于缓冲液腔21和第二废液腔25对应的第二微金属电极16上电，在缓冲液的作用下，一部分试样进入到第一微通道24中，并且在电泳的驱动下向第二废液腔25流动，在流动的过程中，试剂发生分离。
在试样在第一微通道24中流动过程中，隔固定的时间段，CMOS图像传感器采集一张图片，然后CMOS图像传感器会将采集到的数据传输到FPGA中，FPGA对数据进行分析处理可得出分离后的试样成分。
实施例二。
本实施例与实施例一的区别在于，CMOS图像传感器的CMOSCMOS检测电路的硅芯片上进行表面加工形成微通道。
根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片包括第一层结构，在第一层结构下表面布置至少一组微金属电极，并且贯穿第一层结构开设至少一个进液孔和一个出液孔。
在一些实施例中，贯穿第一层结构开设第一进液孔、第二进液孔，贯穿第一层结构开设第一出液孔和第二出液孔。第一层结构下表面布置第一组微金属电极和第二组微金属电极。
根据本发明的实施例，一种微型毛细管电泳芯片还包括第二层结构，第二层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片。
在硅芯片上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔。
在一些实施例中，在第二层结构上表面刻蚀呈“蛇”形弯曲的第一微通道；所述第一微通道第一端连通缓冲液腔，第二端连通第二废液腔。
所述第一微通道的第一端刻蚀与第一微通道交叉的第二微通道，所述第二微通道一端连接所述储液腔，另一端连通第一废液腔。
第一层结构与第二层结构键合，使进液孔与所述储液腔或缓冲液腔对齐，出液孔与所述第一废液腔或第二废液腔对齐。
具体地，第一进液孔与储液腔对齐，第二进液孔与所述缓冲液腔对齐，所第一出液孔与第一废液腔对齐，第二出液孔与所述第二废液腔对齐。
第一组微金属电极对准储液腔和第一废液腔，用于对储液腔和第一废液腔上电，第二组微电极对准缓冲液腔和第二废液腔，用于对缓冲液腔和第二废液腔上电。
下面对本实施例中一种微型毛细管电泳芯片的制备方法进行说明，根据本发明，一种微型毛细管电泳芯片的制备方法包括如下方法步骤：
制备第一层结构，选取基体材料，在基体材料的下表面，通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜，作为微金属电极，并在基体上刻蚀贯穿第一层结构的进液孔和出液孔。
本实施例中，第一层结构选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))材料，PMMA材料具有透光性好、成本低、生物兼容性好的优点。在PMMA材料上通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜作为毛细管电泳芯片的微金属电极。同时，第一层结构中贯穿第一层结构的进液孔和出液孔
制备第二层结构，在CMOS检测电路的上表面的硅芯片上，通过光刻胶刻蚀形成微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔。
第一层结构与第二层结构键合，第一层结构与CMOS检测电路的上表面的硅芯片，通过高温键合的方式进行键合。
CMOS检测电路的上表面的硅芯片，主体材料为硅，第一层结构与硅芯片层之间的键合直接采用高温键合的方式实现。
本实施例在CMOS检测电路上直接刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔和、第一废液腔和第二废液腔后，与第一层结构键合形成两层结构的微型毛细管电泳芯片，使得结构上更加集成化。
本实施例中，微型毛细管电泳芯片对生物式样进行分离测试的过程与实施例一相同，将不再赘述。
本发明提供的的微型毛细管电泳芯片，在CMOS图像传感器的检测电路上直接集成电泳芯片结构，形成的微型毛细管电泳芯片的最终尺寸可缩小至约为9mm×9mm×4mm，提高了微流控芯片技术检测设备的集成化。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，在于将电泳芯片分离后的生物试样检测装置，集成在电泳芯片上，从而降低检测成本、缩短检测周期、进一步提高检测的便携性。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，对生物样品分离操作后直接通过CMOS图像传感器用于生物样品检测，从而简化传统的电泳芯片检测装置，减少检测成本，实现快速片上检测。
本发明提供的微型毛细管电泳芯片，将检测装置直接集成到电泳芯片上，那将大大降低微流控芯片的检测成本，并将推动微流控芯片朝着产业化的方向发展。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种微型毛细管电泳芯片，其特征在于，所述电泳芯片包括：
第一层结构，在所述第一层结构下表面布置第一组微金属电极和第二组微金属电极，并且贯穿所述第一层结构开设第一进液孔、第二进液孔、第一出液孔和第二出液孔；
第二层结构，在所述第二层结构上表面刻蚀微通道，以及储液腔、缓冲液腔、第一废液腔和第二废液腔；
第三层结构，所述第三层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片；
所述第一层结构与所述第二层结构键合，使所述第一进液孔与所述储液腔对齐，所述第二进液孔与所述缓冲液腔对齐，所述第一出液孔与第一废液腔对齐，所述第二出液孔与所述第二废液腔对齐，所述第二层结构与所述CMOS检测电路的上表面的所述硅芯片键合；
所述第一组微金属电极用于对所述储液腔和所述第一废液腔上电，所述第二组微电极用于对所述缓冲液腔和所述第二废液腔上电；
在所述第二层结构上表面刻蚀呈“蛇”形弯曲的第一微通道；所述第一微通道第一端连通所述缓冲液腔，第二端连通所述第二废液腔；所述第一微通道的第一端刻蚀与所述第一微通道交叉的第二微通道，所述第二微通道一端连接所述储液腔，另一端连通所述第一废液腔；
对样品进行分离测试时：
S1.通过所述第一进液孔向所述储液腔中注入样品，并通过所述第二进液孔向所述缓冲液腔中注入缓冲液；
S2.对所述第一组微金属电极上电，即对应于所述储液腔和所述第一废液腔对应的所述第一微金属电极上电，在电泳驱动下，所述储液腔中的试样通过所述第二微通道开始向所述第一废液腔中流动；
S3.对所述第二微金属电极上电，即对应于所述缓冲液腔和所述第二废液腔对应的所述第二微金属电极上电，在缓冲液的作用下，一部分试样进入到所述第一微通道中，并且在电泳的驱动下向所述第二废液腔流动，在流动的过程中，试剂发生分离；
S4.试样在所述第一微通道中流动过程中，隔固定的时间段，CMOS图像传感器采集一张图片，CMOS图像传感器将采集到的数据传输到FPGA中，FPGA对数据进行分析处理得出分离后的试样成分。
2.根据权利要求1所述的微型毛细管电泳芯片，其特征在于，所述微型毛细管电泳芯片的制备方法包括如下步骤：
制备所述第一层结构，选取基体材料，在所述基体材料的下表面通过光刻胶刻蚀、淀积铜，形成金属薄膜，作为微金属电极，并在所述基体材料上刻蚀贯穿第一层结构的进液孔和出液孔；
制备所述第二层结构，选取与所述第一层结构相同的基体材料，在所述基体材料上表面，通过光刻胶刻蚀形成所述微通道，以及所述储液腔、所述缓冲液腔、所述第一废液腔和所述第二废液腔；
所述第一层结构与所述第二层结构键合，首先用清洁剂和去离子水对所述第一层结构和所述第二层结构的微通道进行超声波清洗，之后采用热压键合法完成键合；
所述第二层结构与所述第三层结构键合，所述第三层结构为CMOS检测电路层，所述CMOS检测电路的上表面为硅芯片，所述第二层结构与所述CMOS检测电路的上表面的所述硅芯片通过高温键合的方式进行键合。
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