CN110846215A - 一种基因芯片载片制作方法、基因芯片 - Google Patents

一种基因芯片载片制作方法、基因芯片 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基因芯片载片制作方法、基因芯片，所述方法中先提供载片，在载片上形成掩膜板，暴露出需要进行表面处理的部分，然后采用等离子体处理对暴露的载片表面进行表面处理，使其表面形成悬挂键，后续再沉积目标物质后，目标物质与悬挂键结合，形成目标物质对应的官能团。由于本发明中采用等离子体刻蚀工艺对载片表面进行表面处理，属于干法刻蚀工艺，相对于现有技术中的湿法腐蚀工艺，能够精确控制刻蚀程度，从而保证载片上固定探针的区域轮廓清晰，相邻区域之间独立相互影响较小，进而能够进一步提高探针固定区域的密度，提高探针密度。由于载片上相邻区域的独立性较强，在基因检测过程中，杂交信号的信噪比也能够相应提高。

Description

一种基因芯片载片制作方法、基因芯片
技术领域
本发明涉及芯片制作技术领域，尤其涉及一种基因芯片载片制作方法、基因芯片。
背景技术
基因芯片，又称DNA芯片或DNA微阵列，包括寡核苷酸微阵列及DNA微阵列，是将大量核酸片段以预先设计的排列方式固定在载片表面组成密集分子排列，并以此作为探针，在一定条件下与样品中待检测的靶基因片段杂交，通过检测杂交信号，实现对样品中靶基因的存在、含量及变异等信息的快速检测。
寡核苷酸或基因片段在载片表面的固定是基因芯片制作第一步，基因芯片载片的材料表面必须有可以进行化学反应的活性官能团，以便与生物分子进行偶联，因此实现寡核苷酸或DNA的有效固定，制备高质量的基因芯片载片是基因芯片研究的关键技术之一。
现有技术中基因芯片载片的制作方法在形成活性官能团的表面处理工艺中可控性差，无法提高探针的密度，而且形成的基因芯片杂交信号信噪比也低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基因芯片载片制作方法、基因芯片，以解决现有技术中基因芯片的探针密度无法提高、杂交信号信噪比较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基因芯片载片制作方法，包括：
提供载片；
在所述载片上形成掩膜板，所述掩膜板暴露部分载片；
对暴露的部分载片进行等离子体刻蚀处理，在所述载片表面形成悬挂键；
沉积目标物质，使得所述目标物质与所述悬挂键结合，并形成与所述目标物质对应的官能团。
优选地，所述等离子体处理时的条件包括：
电源功率范围为300W～1200W，包括端点值；
压力范围：600mt～1500mt，包括端点值；
温度：25℃～300℃，包括端点值；
气体流量：氧气气体流量范围为3000sccm～5000sccm，包括端点值；氮气气体流量范围300sccm～1200sccm，包括端点值；氮气作为催化剂，催化对氧气的分解。
优选地，所述提供载片包括：
提供基底；
在所述基底上形成介质层。
优选地，所述提供载片还包括：
采用混有二氧化碳的水对所述介质层表面进行清洗。
优选地，所述目标物质为氨基化物质，所述对应的官能团为氨基；
或所述目标物质为羟基化物质，所述对应的官能团为羟基；
或所述目标物质为羧基化物质，所述对应的官能团为羧基。
本发明还提供一种基因芯片，包括：
基因芯片载片和固定在所述基因芯片载片上的多个探针；
所述多个探针与所述基因芯片载片表面的官能团连接；
所述基因芯片载片采用上面任意一项所述的基因芯片载片制作方法制作形成。
优选地，所述载片包括基底和位于所述基底表面的介质层。
优选地，所述基底的材质包括玻璃、硅、金、银、铁、锌、铜、壳聚糖、葡聚糖、聚乙烯醇、纤维素、尼龙、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸或聚丙烯酸酯。
优选地，所述介质层包括氧化硅或氮化硅。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的基因芯片载片制作方法，先提供载片，在载片上形成掩膜板，暴露出需要进行表面处理的部分，然后采用等离子体处理对暴露的载片表面进行表面处理，使其表面形成悬挂键，后续再沉积目标物质后，目标物质与悬挂键结合，形成目标物质对应的官能团。由于本发明中采用等离子体处理工艺对载片表面进行表面处理，等离子体处理属于干法刻蚀工艺，相对于现有技术中采用湿法腐蚀工艺，能够精确控制等离子体处理的刻蚀程度，从而保证载片上固定探针的区域轮廓清晰，相邻区域之间独立、相互影响较小，进而能够进一步提高探针固定区域的密度，提高探针密度。由于载片上相邻区域的独立性较强，在基因检测过程中，杂交信号的信噪比也能够相应提高。
同时，等离子体刻蚀处理的载片表面，由于可控性提高，能够使得多个探针固定区域的特性相同，重复性高，因此能够提高探针的一致性。在与现有技术中相同面积的载片基础上，能够精确控制掩膜板线宽的大小，在定位点形成大量的探针陈列，从而能够提高信号灵敏度，提高基因检测结果的准确率。
本发明还提供一种基因芯片，包括基因芯片载片和固定在基因芯片载片上的探针，由于所述基因芯片载片采用上述方法形成，能够提高探针密度，本发明提供的基因芯片的探针密度相对于现有技术中能够提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术采用湿法刻蚀形成的载片表面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基因芯片载片制作方法流程示意图；
图3为载片俯视结构示意图；
图4为涂布光刻胶后的载片表面示意图；
图5为形成掩膜板的载片表面示意图；
图6为对载片进行等离子体刻蚀处理的过程示意图；
图7为经过等离子体活化后的介质层表面示意图；
图8为载片表面氨基化后的结构示意图；
图9为等离子体刻蚀时间与形成像素区域线宽曲线图；
图10为采用现有技术中的刻蚀工艺刻蚀得到的结构图；
图11为采用本发明提供的刻蚀工艺刻蚀得到的结构图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中基因芯片的表面处理工艺可控性较差，无法提高探针的密度，杂交信号信噪比也较低。
发明人发现出现上述问题的原因在于，现有技术中基因芯片载片的表面处理的方法包括原位合成方法和点样合成方法，原位合成方法主要是通过各种化学反应在基材表面引入各种官能团(如氨基、醛基、羧基、环氧基等)，使DNA与表面官能团共价键结合，点样合成方法是将预先合成好的探针通过阵列复制器或阵列点样机准确快速地固定到衬底的相应位置。
但无论哪种方式，在表面处理过程中，均使用适当的腐蚀液做表面处理，由于腐蚀液刻蚀为湿法腐蚀，刻蚀方向性不易控制，造成表面处理可控性差，从而导致固定探针的相邻单元之间的线宽和侧面轮廓不容易控制，如图1所示，通过湿法腐蚀形成的基因芯片表面处理后的结构示意图，在基因芯片的载片1表面形成掩膜板2，然后通过湿法刻蚀，对载片1表面的介质层进行刻蚀，去除部分介质层，在载片1的非掩膜板遮盖的地方形成悬挂键。由于湿法腐蚀工艺，造成在掩膜板覆盖的部分介质层也被去除了部分，如图1中所示，造成形成的单元的线宽(图中的CD所示)和侧面10被刻蚀掉部分。在制作过程中，由于固定探针用的相邻单元之间的线宽和侧面轮廓不容易控制，导致载片上的探针之间的独立性会受到影响，为了保证相邻探针之间的独立性，必然需要将相邻单元之间掩膜板覆盖部分做得较为宽些，避免出现相邻两个单元区域相互影响的问题，因此，探针密度会存在上限值，无法提高探针的密度，在基因检测过程中，杂交信号的信噪比也受到影响，信噪比较低。
基于此，本发明提供一种基因芯片载片制作方法，包括：
提供载片；
在所述衬底上形成掩膜板，所述掩膜板暴露部分载片；
对暴露的部分载片进行等离子体刻蚀处理，在所述载片表面形成悬挂键；
沉积目标物质，使得所述目标物质与所述悬挂键结合，并形成与所述目标物质对应的官能团。
本发明提供的基因芯片载片制作方法，先提供载片，在载片上形成掩膜板，暴露出需要进行表面处理的部分，然后采用等离子体处理对暴露的载片表面进行表面处理，使其表面形成悬挂键，后续再沉积目标物质后，目标物质与悬挂键结合，形成目标物质对应的官能团。由于本发明中采用等离子体处理工艺对载片表面进行表面处理，等离子体处理属于干法刻蚀工艺，相对于现有技术中采用湿法腐蚀工艺，能够精确控制等离子体处理的刻蚀程度，从而保证载片上固定探针的区域轮廓清晰，相邻区域之间独立相互影响较小，进而能够进一步提高探针固定区域的密度，提高探针密度。由于载片上相邻区域的独立性较强，在基因检测过程中，杂交信号的信噪比也能够相应提高。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基因芯片载片制作方法流程示意图；所述基因芯片载片制作方法包括：
S101：提供载片；
需要说明的是，本发明实施例中所述的提供载片包括：提供基底；在所述基底上形成介质层。其中，本实施例中不限定基底的具体材质，所述基底为惰性基底，具有足够的稳定性和良好的生物兼容性，可选的，本实施例中基底的材质可以是玻璃、硅、金、银、铁、锌、铜、壳聚糖、葡聚糖、聚乙烯醇、纤维素、尼龙、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸和聚丙烯酸酯中的任意一种。
而后续基因芯片载片的表面需要形成可以进行化学反应的活性官能团，为了方便形成官能团，本发明实施例中还需要在基底表面形成介质层，本不限定介质层的具体材质，可选的，所述介质层可以是氮化硅或氧化硅等氮氧化物。
为了保证介质层表面清洁，还可以包括对介质层表面进行清洗的步骤，具体的，可以采用混有二氧化碳的水(TSBS)对介质层进行清洗。
S102：在所述载片上形成掩膜板，所述掩膜板暴露部分载片；
需要说明的是，载片为基因芯片探针的支撑体，所述支撑体上包括多个单元，单元和单元之间相互独立，从而保证探针之间的独立性。因此，需要将载片划分为像素区域和隔离像素区域的隔离区，其中，像素区域为后续表面形成官能团，且与探针进行固定连接的区域，而隔离区无需形成官能团。
因此，本实施例中掩膜板的形状可以根据像素区域的形状进行设置。如图3所示，载片包括M*N个像素区域P，掩膜板的形状与像素区域P之外的区域形状相同，从而通过干法刻蚀后，能够形成像素区域P。
对应地，可以在载片的表面覆盖整层光刻胶层，然后通过曝光、显影得到仅覆盖隔离区的光刻胶掩膜板，而暴露出像素区域部分的载片表面。
请参见图4，图4为在载片1上所有区域覆盖光刻胶2的结构示意图；
请参见图5，图5为经过曝光和显影后，暴露出像素区域P，保留下来的光刻胶2形成掩膜板2。
S103：对暴露的部分载片进行等离子体刻蚀处理，在所述载片表面形成悬挂键；
请参见图6，对载片1上掩膜板2未覆盖区域进行等离子体刻蚀处理。本实施例中等离子体处理时的条件包括：
电源功率范围为300W～1200W，包括端点值；
压力范围：600mt～1500mt，包括端点值；其中，一大气压相当于760Torr，mt表示0.0001Torr；
温度：25℃～300℃，包括端点值；
气体流量：氧气气体流量范围为3000sccm～5000sccm，包括端点值；氮气气体流量范围300sccm～1200sccm，包括端点值；氮气作为催化剂，能够加速催化对氧气的分解。
需要说明的是，现有技术中对载片表面进行表面处理的工艺为湿法刻蚀工艺，通过湿法刻蚀工艺，在载片表面形成多个悬挂键，而本发明实施例中，通过等离子体刻蚀工艺，同样也能够形成大量悬挂键。
具体的，等离子体刻蚀形成大量悬挂键的原理如下：
在等离子体刻蚀处理之前，载片表面的介质层表面会存在较多颗粒和有机污染物。
对暴露的部分载片进行等离子体刻蚀处理后，载片表面会发生大量的物理反应和化学反应。其中，当用等离子体处理时，载片表面的颗粒会因为物理溅射原理轰击离开表面形成大量的纳米孔，而有机物(C.H.O)可以与氧气等离子体发生化学反应生成CO2和H2O，从而去除了载片表面的颗粒和有机污染物。
而载片表面经过物理溅射和化学反应后使其表面形成大量的悬挂键，形成大量的羟基(-OH基团)，详细请见附图7，经过等离子体活化后的介质层表面，在掩膜板没有覆盖的区域形成大量羟基。
S104：沉积目标物质，使得所述目标物质与所述悬挂键结合，并形成与所述目标物质对应的官能团。
本实施例中所述目标物质包括氨基化物质、羟基化物质、羧基化物质、醛基化物质等，对应的，形成的官能团分别为氨基、羟基、羧基、醛基等。
在载片表面形成对应的官能团后，实现了载片的制作。如，形成氨基，则代表对载片表面氨基化，形成羟基，则代表对载片表面进行了羟基化。即在探针固定之前，在载片表面衍生出了羟基(后续用于固定寡肽分子形成探针)或氨基(后续用于固定核酸分子形成探针)。
本实施例中对官能团的具体类型不作限定，可选的，当氨基化物与羟基(-OH基团)结合，可以形成稳定的氨基化物，用于固定寡氨酸。具体请参见图8，图8为载片表面氨基化后的结构示意图。
需要说明的是，发明人通过实验验证，采用等离子体刻蚀处理载片表面，能够控制掩膜板的线宽偏差以及像素区域线宽在纳米(nm)量级，随着等离子体刻蚀时间增加，掩膜板的消耗也随之增加，采用本发明，可以通过控制等离子体刻蚀时间，来控制掩膜板消耗的量级在几埃的变化，从而形成像素区域线宽在nm量级，可见控制精度很高。
具体地，如图9所示，横轴为等离子体刻蚀时间，纵轴为像素区域线宽变化，单位为nm；从图9可以看出，随着等离子体刻蚀时间越长，像素区域线宽变化越大，但像素区域线宽变化在nm量级，可以通过控制等离子体刻蚀时间精确控制像素区域线宽，可控制精度很高。
另外，通过图10和图11也可以看出，本发明提供的基因芯片载片制作方法能够精确控制像素区域的线宽。其中，图10为采用现有技术中的刻蚀方法得到的结构，图11为采用本发明提供的采用等离子体刻蚀方法得到的结构；通过对比图10和图11可以看出，图10中的侧壁肉眼可见的呈波浪形式；而图11中的侧壁相对光滑平坦，同样可以说明，本发明提供的方法能够对刻蚀表面实现精细刻蚀，进行精确控制。
本发明提供的基因芯片载片制作方法，先提供载片，在载片上形成掩膜板，暴露出需要进行表面处理的部分，然后采用等离子体处理对暴露的载片表面进行表面处理，使其表面形成悬挂键，后续再沉积目标物质后，目标物质与悬挂键结合，形成目标物质对应的官能团。由于本发明中采用等离子体处理工艺对载片表面进行表面处理，等离子体处理属于干法刻蚀工艺，相对于现有技术中采用湿法腐蚀工艺，能够精确控制等离子体处理的刻蚀程度，从而保证载片上固定探针的区域轮廓清晰，相邻区域之间独立相互影响较小，进而能够进一步提高探针固定区域的密度，提高探针密度。由于载片上相邻区域的独立性较强，在基因检测过程中，杂交信号的信噪比也能够相应提高。
同时，由于等离子体刻蚀处理的载片表面，由于可控性提高，能够使得多个探针固定区域的特性相同，重复性高，因此能够提高探针的一致性。在与现有技术中相同面积的载片基础上，能够精确控制掩膜板线宽的大小，在定位点形成大量的探针陈列，从而能够提高信号灵敏度，提高基因检测结果的准确率。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种基因芯片，基因芯片载片和固定在所述基因芯片载片上的多个探针；
所述多个探针与所述基因芯片载片表面的官能团连接；
所述基因芯片载片采用上面实施例中所述的基因芯片载片制作方法制作形成。
其中，所述载片包括基底和位于所述基底表面的介质层；所述基底的材质包括玻璃、硅、金、银、铁、锌、铜、壳聚糖、葡聚糖、聚乙烯醇、纤维素、尼龙、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸或聚丙烯酸酯。所述介质层包括氧化硅或氮化硅。
所述探针的类型，根据所述官能团的类型不同而不同。
本发明实施例提供的基因芯片，包括基因芯片载片和固定在基因芯片载片上的探针，由于所述基因芯片载片采用上述方法形成，能够提高探针密度，本发明提供的基因芯片的探针密度相对于现有技术中能够提高。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基因芯片载片制作方法，其特征在于，包括：
提供载片；
在所述载片上形成掩膜板，所述掩膜板暴露部分载片；
对暴露的部分载片进行等离子体刻蚀处理，在所述载片表面形成悬挂键；
沉积目标物质，使得所述目标物质与所述悬挂键结合，并形成与所述目标物质对应的官能团。
2.根据权利要求1所述的基因芯片载片制作方法，其特征在于，所述等离子体处理时的条件包括：
电源功率范围为300W～1200W，包括端点值；
压力范围：600mt～1500mt，包括端点值；
温度：25℃～300℃，包括端点值；
气体流量：氧气气体流量范围为3000sccm～5000sccm，包括端点值；氮气气体流量范围300sccm～1200sccm，包括端点值；氮气作为催化剂，催化对氧气的分解。
3.根据权利要求1所述的基因芯片载片制作方法，其特征在于，所述提供载片包括：
提供基底；
在所述基底上形成介质层。
4.根据权利要求3所述的基因芯片载片制作方法，其特征在于，所述提供载片还包括：
采用混有二氧化碳的水对所述介质层表面进行清洗。
5.根据权利要求1所述的基因芯片载片制作方法，其特征在于，
所述目标物质为氨基化物质，所述对应的官能团为氨基；
或所述目标物质为羟基化物质，所述对应的官能团为羟基；
或所述目标物质为羧基化物质，所述对应的官能团为羧基。
6.一种基因芯片，其特征在于，包括：
基因芯片载片和固定在所述基因芯片载片上的多个探针；
所述多个探针与所述基因芯片载片表面的官能团连接；
所述基因芯片载片采用权利要求1-5任意一项所述的基因芯片载片制作方法制作形成。
7.根据权利要求6所述的基因芯片，其特征在于，所述载片包括基底和位于所述基底表面的介质层。
8.根据权利要求7所述的基因芯片，其特征在于，所述基底的材质包括玻璃、硅、金、银、铁、锌、铜、壳聚糖、葡聚糖、聚乙烯醇、纤维素、尼龙、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸或聚丙烯酸酯。
9.根据权利要求7所述的基因芯片，其特征在于，所述介质层包括氧化硅或氮化硅。
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