CN111617813B - 生物检测芯片及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种生物检测芯片及制作方法，包括如下步骤：选取用于芯片制作的基板材料；对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构；形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层；将盖板与所述基板键合，对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路；对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片。本方法是一种基于复合材料的新型芯片制作方法，可以实现低成本批量化的芯片加工，大幅降低检测成本，用于生物化学分析、免疫检测及分子诊断等。

Description

生物检测芯片及制作方法

技术领域

本发明涉及生物检测芯片技术领域，具体涉及一种生物检测芯片的制作方法、采用所述方法制作的芯片以及应用。

背景技术

采用微流体技术制作的生物检测芯片，可以将检测目标的液体反应体系压缩进微米尺度的反应尺度，这样可以大大提高反应的传质传热效率，增强反应效率并且降低反应的检测耗时。微流体生物检测芯片同时也可以实现检测方案的小型化，集成化，不仅提高了自动化程度，同时也为检测技术设备的小型化提供了技术前提，对于实现现场检测大有裨益。聚焦于分子诊断技术，特别是以PCR技术为主要代表的POCT分子诊断技术，可以通过对病原体微生物或者基因物质的直接探测，来提高检测的灵敏度，缩短检测的窗口期，做到早期检测，精准诊断，即时探测。目前阻碍POCT分子诊断技术实现成功商业化的最大障碍是检测成本无法降低，无法做到目前常规大型PCR技术的成本水平，即采用微流控芯片技术来实现分子诊断技术的小型化和集成化的同时，却无法有效降低芯片的成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种生物检测芯片制作方法，本方法是一种基于复合材料的新型芯片制作方法，可以实现低成本批量化的芯片加工，大幅降低检测成本，用于生物化学分析、免疫检测及分子诊断等。

本发明采用如下的技术方案实现：

本发明的第一方面公开了一种生物检测芯片的制作方法，所述方法包括如下步骤：

选取用于芯片制作的基板材料；

对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构；

形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层；

将盖板与所述基板键合，对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路；

对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片。

进一步的，所述基板材料采用金属材料，所述金属材料是：铝、不锈钢、铜或银。

进一步的，所述对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构的步骤包括：

采用钣金模具冲压的工艺对基板进行成型：（1）将所述基板置于冲压模具内，施加压力冲压，使所述基板中形成与模具的阳模上凸出来的部分相匹配的凹槽，形成微流体通道结构；（2）在所述冲压结束后，释放对模具的压力使所述模具与所述基板分离；

或采用CNC机械切削方式对基板进行成型：将所述基板固定于数控机床加工平台，将微流体通道结构的图纸输入数控机床，使用合适的切削刀，在基板上切削出所需微流体通道结构。

进一步的，在所述施加压力冲压过程中，在一整张基板上进行多个相同芯片的一次性冲压，芯片与芯片之间靠连接点来连接。

进一步的，形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层的步骤包括：

在成型的基板的微流体通道内表面进行生物相容性材料的涂敷，所述生物相容性材料随着冲压过程填装到所述微流体通道内部；

进一步的，形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层的步骤包括：

去除基板中除微流体通道内表面部分的其他表面部分的残留的生物相容性材料薄膜。

进一步的，所述生物相容性材料是聚丙烯PP、PET、PC、BSA、水凝胶或二氧化硅颗粒。

进一步的，所述盖板的材料采用玻璃盖板或塑料盖板；若所述盖板是玻璃盖板，采用阳极键合或胶键合的工艺来实现所述玻璃盖板与所述基板的键合；若所述盖板是塑料盖板，采用胶键合、超声键合或热压键合的工艺来实现所述塑料盖板与所述基板的键合。

进一步的，所述采用胶键合的工艺来实现所述盖板与所述基板的键合的步骤包括：

在所述基板的除微流通道内表面部分的上表面部分形成溢胶槽结构，作为点胶处；

采用自动点胶机在所述点胶处进行点胶；

或通过选择性喷涂或丝网印刷的方式，在基板与盖板键合部位涂覆胶水；

根据所述基板的制作尺寸选择治具，所述治具用来承托需要键合的盖板和基板，实现所述整张盖板与所述基板进行胶封接。

本发明的第二方面公开了一种生物检测芯片，采用上述方法制作。

本发明的第三方面公开了一种应用所述生物检测芯片进行聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）实时荧光检测的方法，所述方法包括如下步骤：

使用HBV质粒作为模板；

配制反应体系；

使用移液器将配制好的反应体系加入芯片中；

使用胶垫配合芯片夹具，封闭芯片的进样口与出样口；

将芯片放在避光的温度循环仪器上，仪器上表面为水平，按照升降温程序进行PCR扩增与荧光采集。

综上所述，本发明提供了一种生物检测芯片的制作方法、采用所述方法制作的芯片以及应用，包括如下步骤：选取用于芯片制作的基板材料；对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构；形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层；将盖板与所述基板键合，对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路；对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片。本方法是一种基于复合材料的新型芯片制作方法，可以实现低成本批量化的芯片加工，大幅降低检测成本，用于生物化学分析、免疫检测及分子诊断等。

与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：

本发明的方法是一种基于复合材料的新型芯片制作方法，可以实现低成本批量化的芯片加工，大幅降低检测成本，在生物化学分析、免疫检测及分子诊断中具有非常广泛的用途。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的生物检测芯片的制作过程的示意图；

图2是本发明的另一个实施例的生物检测芯片的制作过程的示意图；

图3是本发明的生物检测芯片结构图；

图4是本发明的生物检测芯片的制作方法的流程图；

图5是本发明的芯片上一个反应孔进行HBV质粒PCR扩增反应前后的荧光强度对比照片；

图6是本发明的实时荧光强度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

技术术语解释：

治具：治具是一个木工、铁工、钳工、机械、电控以及其他一些手工艺品的大类工具，主要是作为协助控制位置或动作（或两者）的一种工具。治具可以分为工艺装配类治具、项目测试类治具和线路板测试类治具三类。

本发明的第一方面提供了一种生物检测芯片的制作方法，该方法包括如下步骤，如图1和图3所示：

步骤S100，选取用于芯片制作的基板材料。

具体的，芯片制作的基板材料采用金属材料，包括但不限于铝、不锈钢、铜或银，金属材料的选择标准是选择延展性良好、易于成型并且具有高的导热系数的材料。

步骤S200，对基板进行成型，以在基板上形成微流体通道结构。

具体的，采用钣金模具冲压的工艺或数控机床CNC切削的工艺对基板进行成型，以在基板上形成微流体通道的结构。

具体的，所述钣金模具冲压的工艺中所采用的模具具有阴模和阳膜两个部分，阳模部分具有用来在铝基板上形成微流体通道的结构，微流体通道结构的特征尺寸可以在30-500微米的范围内，所述特征尺寸指微流体通道结构的宽度和深度。

具体的，采用钣金模具冲压的工艺对基板进行成型的步骤包括：

步骤S210，将基板置于冲压模具内，施加压力冲压，使基板表面形成与模具的阳模上凸出来的部分相匹配的凹槽，形成微流体通道结构；

具体的，压制成型的基板的凹槽的深度在0.3mm-0.5mm之间。

具体的，在所述施加压力冲压的过程中，在一整张基板上进行多个相同芯片的一次性冲压，芯片与芯片之间靠连接点来连接。

步骤S220在所述冲压结束后，释放对模具的压力使所述模具与基板分离。

具体的，采用数控机床CNC切削的工艺对基板进行成型的步骤包括：

将所述基板固定于数控机床加工平台，将微流体通道结构的图纸输入数控机床，使用合适的切削刀，在基板上切削出所需微流体通道结构。

步骤S300，形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层。

具体的，通过表面修饰工艺形成所述形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层，具体步骤包括：

步骤S310，在成型的基板的所述微流体通道内表面进行生物相容性材料的涂敷；

进行生物相容性材料的涂敷以提高芯片与生物反应材料的相容性，降低对生物反应材料的抑制作用。

具体的，生物相容性材料可以选择聚丙烯PP、PET、PC、BSA、水凝胶、二氧化硅颗粒等。

具体的，选取聚丙烯PP，预涂敷的聚丙烯PP随着冲压过程填装到微流体通道内部。

具体的，通过表面修饰工艺形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层的方法中，可以采用选择性表面添加、选择性表面去除等工艺，可分为喷涂、压膜、刮膜等步骤。

步骤S320，去除基板中除微流体通道内表面部分的其他表面部分的残留的生物相容性材料薄膜。

具体的，所述残留的薄膜通过刮除的工艺来去除，以露出基板的表面，用于下一步和盖板的键合。

具体的，所述薄膜可以是聚丙烯PP薄膜。

步骤S400，将盖板与所述基板键合，来对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路。

所述盖板与所述芯片基板的紧密接合可以采用低温阳极键合的方式，也可以采用胶键合工艺来实现，所述低温的范围是200-400℃。

具体的，如果是玻璃盖板和金属基板进行键合，可以采用阳极键合或胶键合的工艺来实现；如果是塑料盖板和金属基板键合，可以采用胶键合、超声键合或热压键合的工艺来实现。胶键合的具体工艺可以采用选择性点胶、选择性喷涂、丝网印刷工艺来实现。

具体的，键合过程中，根据所述基板的制作尺寸选择治具，所述治具用来承托需要键合的盖板和基板，实现所述盖板整张与所述基板进行胶封接。

所述盖板的材料可以选择采用BF33玻璃、PC、PP、PMMA等透光性良好的板材。

步骤S500，对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片。

具体的，如果所述盖板是玻璃盖板，键合完毕后，采用皮秒激光器对玻璃盖板进行切割，分割成独立的芯片。

具体的，由于基板是金属材质，对基板进行预切割，使得基板之间只保留部分点连接，整张基板在与盖板封接前成网格状，后续对基板和盖板同时切割时，只需要将基板点连接处切断即可。

在本发明的另一个实施例中，如图2所示，采用自动点胶机在基板的除微流通道内表面部分的上表面部分进行点胶，胶的材料选择环氧树脂胶或者聚丙烯胶。

具体的，基板点胶处可以制作溢胶槽结构，防止盖板下压封接时漏胶现象。

键合过程中，根据基板制作尺寸选择不同的治具来承托需要键合的盖板和基板，玻璃盖板整张与基板进行胶封接。

本发明的第二方面提供了一种生物检测芯片，所述芯片应用上述方法制作。

如图4所示。

本发明的第三方面提供了一种利用上述生物检测芯片进行聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）实时荧光检测的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S100，使用HBV质粒作为模板；

具体的，所述模板的浓度是10^-4ng/μL；

步骤S200，配制反应体系；

具体的，采用Advanced fast mix 12.5μL、引物探针2μL、灭菌水5.5μL、所述模板5μL进行配制，得到25μL的反应体系；

步骤S300，使用移液器将配制好的反应体系加入芯片中；

步骤S400，使用胶垫配合芯片夹具，封闭芯片的进样口与出样口；

步骤S500，将芯片放在避光的温度循环仪器上，仪器上表面为水平，按照升降温程序进行PCR扩增与荧光采集。

具体的，包括如下步骤：

将所述芯片在95℃加热3min进行预变性；随后进行40个升降温循环的扩增反应，具体为95℃加热10s，55℃加热40s，循环40次。

在每个所述循环进行到55℃时采集芯片上的荧光图像，根据采集得到的荧光强度绘制荧光变化曲线，根据曲线判断芯片能够进行正常的PCR扩增检测。如图5和图6所示。

综上所述，本发明提供了一种生物检测芯片的制作方法、采用所述方法制作的芯片以及应用，包括如下步骤：选取用于芯片制作的基板材料；对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构；形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层；将盖板与所述基板键合，对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路；对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片。本方法是一种基于复合材料的新型芯片制作方法，可以实现低成本批量化的芯片加工，大幅降低检测成本，用于生物化学分析、免疫检测及分子诊断等。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种生物检测芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

选取用于芯片制作的基板材料；所述基板材料采用金属材料，所述金属材料是：铝、不锈钢、铜或银；

对基板进行成型，在基板上形成微流体通道结构；在基板上形成微流体通道结构的步骤包括：采用钣金模具冲压的工艺对基板进行成型：（1）将所述基板置于冲压模具内，施加压力冲压，使所述基板中形成与模具的阳模上凸出来的部分相匹配的凹槽，形成微流体通道结构；（2）在所述冲压结束后，释放对模具的压力使所述模具与所述基板分离；所述施加压力冲压过程中，在一整张基板上进行多个相同芯片的一次性冲压，芯片与芯片之间靠连接点来连接；

形成与基板材料相复合的微流体通道内表面涂层，其步骤包括：在成型的基板的微流体通道内表面进行生物相容性材料的涂敷，所述生物相容性材料随着冲压过程填装到所述微流体通道内部；去除基板中除微流体通道内表面部分的其他表面部分的残留的生物相容性材料薄膜；

将盖板与所述基板键合，对所述微流体通道进行密封，形成闭合的流体通路；

对盖板和基板进行切割，分割成独立的芯片；

所述生物相容性材料是聚丙烯PP、PET、PC、BSA、水凝胶；所述盖板的材料采用玻璃盖板或塑料盖板，若所述盖板是玻璃盖板，采用阳极键合或胶键合的工艺来实现所述玻璃盖板与所述基板的键合；若所述盖板是塑料盖板，采用胶键合、超声键合或热压键合工艺来实现所述塑料盖板与所述基板的键合；所述采用胶键合的工艺来实现所述盖板与所述基板的键合的步骤包括：

在所述基板的除微流通道内表面部分的上表面部分形成溢胶槽结构，作为点胶处；

采用自动点胶机在所述点胶处进行点胶；

或通过选择性喷涂或丝网印刷的方式，在基板与盖板键合部位涂覆胶水；

根据所述基板的制作尺寸选择治具，所述治具用来承托需要键合的盖板和基板，实现所述整张盖板与所述基板进行胶封接。

2.一种生物检测芯片，采用权利要求1所述的生物检测芯片的制作方法制作。

3.一种应用权利要求2所述的一种生物检测芯片进行聚合酶链式反应实时荧光检测的方法，所述方法包括如下步骤：

使用HBV质粒作为模板；

配制反应体系；

使用移液器将配制好的反应体系加入芯片中；

使用胶垫配合芯片夹具，封闭芯片的进样口与出样口；

将芯片放在避光的温度循环仪器上，仪器上表面为水平，按照升降温程序进行PCR扩增与荧光采集。

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