CN112858418A - 一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，该方法将3D打印技术与微电子技术结合，制备出的传感器结构包括衬底、绝缘层、传感层，两个测试电极和溶液装载区，绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于两个测试电极之间。本发明基于细胞外基质pH的准确测量，实现肿瘤细胞检测工作。本发明可用于临床肿瘤细胞的实时、准确测定。

Description

一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法
技术领域
本发明属于微电子学和医学交叉领域，具体涉及一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法。
背景技术
肿瘤是人类健康的重要威胁，其重要特点是肿瘤细胞外基质呈弱酸性，pH约为6.5。正常细胞外基质呈弱碱性，pH为7.35-7.45。所以，可通过测试细胞外基质pH对细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)进行判断。目前，医学领域pH检测方法主要包括玻璃电极检测、试纸检测和成像检测等。以上方法都存在一定缺陷：玻璃电极检测要求样本体积较大；试纸检测分辨率较低；成像检测受限于探针敏感性和毒性等。因此，开发高分辨率、无毒性、对待测样本体积要求较小的pH检测方法是非常有必要的。
以MOSFET为代表的微电子器件具有尺寸小、可批量生产等特点，并且电学参数(开态电流、关态电流、阈值电压等)对外加偏置和外界环境敏感，可应用于传感器研发工作。已有多个研究团队报道了基于商用MOSFET器件的pH传感器，最具代表性的两种技术是：延伸栅型场效应晶体管(extended gate field effect transistor，EGFET)和离子敏感型场效应晶体管(ion sensitive field effect transistor，ISFET)。EGFET和ISFET传感器工作原理基于晶体管电流-电压(current-voltage，I-V)曲线，通过配置参考电极对晶体管施加额外的工作电压，使电流-电压曲线发生水平平移或电流增减，以表征阈值电压和/或开态电流的方式读取溶液pH。EGFET和ISFET传感器均能很好地完成对小体积溶液pH的测量。然而，这两种传感器灵敏度存在能斯特(Nernst)理论极限，为59.2mV/pH(25℃)。当溶液pH变化范围很小时(例如肿瘤细胞和正常细胞外基质)，测试结果不够明显、准确。因此，以微电子器件为基础，开发新结构、新原理的pH传感器，对于肿瘤细胞检测有重要研究价值和应用意义。
3D打印技术兴起于20世纪80年代，在近些年逐渐发展成熟。常见的3D打印技术包括光固化打印、热熔沉积式打印、和墨水直写式打印。墨水直写技术是挤出式的3D打印技术，通过打印机墨头运动路径与材料挤出相配合完成图形打印，无需经过光刻、刻蚀等工艺，即可灵活地实现平面和空间几何结构图形化，有利于传感器研发工作。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法。该传感器工作机理是通过测量细胞外基质pH来确定细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)，所测试的pH范围是pH＝6～8。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，所述传感器结构如图1，主要包括衬底、绝缘层、传感层，两个测试电极和溶液装载区，绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于两个测试电极之间。具体制备工艺流程如下：
(1)将衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗；
(2)采用原子层淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，在衬底表面淀积绝缘层；
(3)采用原子层淀积工艺或磁控溅射工艺，在绝缘层上淀积传感层；
(4)采用3D打印工艺，在传感层上淀积两个测试电极和溶液装载区，溶液装载区位于测试电极之间；
(5)采用退火工艺，完成用于肿瘤细胞检测的传感器的制备。
所述衬底为n型或p型重掺杂硅衬底。
所述绝缘层为氧化硅、氧化铝、以及高介电常数绝缘材料中的一种或者多种的组合，所述绝缘层厚度为10-100纳米。
所述传感层为氧化锌薄膜、掺杂氧化锌薄膜或氧化铟薄膜、掺杂氧化铟薄膜，所述传感层厚度为5-100纳米。对于掺杂氧化锌薄膜和掺杂氧化铟薄膜，掺杂元素为铝、锡、钼、钛等金属元素，硅、碳、磷等无机非金属元素，或镧、铒、钕等稀土元素中的一种或者多种的组合。掺杂氧化锌薄膜和掺杂氧化铟薄膜中掺杂元素的含量为：掺杂元素0.1％-30％。
其中，3D打印工艺采用金属银材料，测试电极和溶液装载区分别由金属银薄膜构成，所述测试电极厚度为10-500纳米，溶液装载区厚度为0.5-500微米。
所述退火工艺具体为，退火温度为100-500℃，退火时间为1-5小时，退火气氛为空气、氧气、真空等。
本发明将3D打印技术与微电子工艺相结合，制备的传感器中溶液装载区置于传感层之上，所测试的细胞外基质与传感层直接接触。本发明使用移液器将正常细胞及肿瘤细胞外基质置于溶液装载区，测试传感器电学特性，测试方法：(1)在两个测试电极上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感层电阻；(2)在两个测试电极和衬底上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感器开态电流、关态电流、阈值电压等电学参数；(3)将所测参数与标准曲线对比，获得细胞外基质pH。
本发明的优点在于：
(1)本发明可实现小体积溶液的准确测试，良好的规避了医学领域常用pH检测方法的缺陷。
(2)本发明将3D打印技术与微电子技术相结合，无需光刻、刻蚀等加工工艺即可实现传感器图形化，步骤简单、成本低、可批量化生产。
(3)基于本发明所制备传感器，可以从两个方面对细胞外基质pH进行表征，分别是测试传感层电阻和测试传感器电学参数。
附图说明
图1为本发明所制备的肿瘤细胞检测传感器结构，(a)为结构的主视图；(b)为结构的俯视图；
图2为本发明所制备的肿瘤细胞检测传感器具体工艺步骤；
图3为本发明采用的肿瘤细胞检测方案示意图；
其中，1—溶液装载区；2—测试电极；3—传感层；4—绝缘层；5—衬底。
具体实施方式
下面结合说明书附图，通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
本发明提供的用于肿瘤细胞检测的传感器。该传感器制备基于3D打印技术和微电子工艺，工作原理是通过表征传感器参数来测量细胞外基质pH，从而确定细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)。
图1所示的肿瘤细胞传感器结构包括衬底、绝缘层、传感器、两个测试电极和溶液装载区。所述绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于测试电极之间。
本发明的具体制备工艺由图2(a)至图2(c)所示，包括以下步骤：
(1)将硅衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，清洗时间为5分钟。
(2)使用原子层淀积工艺在硅衬底表面淀积氧化铝绝缘层，薄膜厚度为50纳米，工艺温度为200℃，如图2(a)所示；
(3)使用磁控溅射工艺在氧化铝绝缘层上淀积Si掺杂氧化铟传感层，传感层厚度为10纳米，如图2(b)所示；
具体工艺步骤：
(a)将衬底固定于磁控溅射设备托盘；
(b)溅射设备腔体背底气压抽至5×10-4帕；
(c)溅射设备腔体通入氧气和氩气，氧气与氩气流量比例10：90。调整气压控制阀，将腔体气压设置为1帕；
(d)开启托盘转动按钮，转速设置为15转/分钟；
(e)开启射频电源，预溅射2分钟；
(f)转动溅射靶材挡板，正式溅射5分钟；
(g)溅射完成，关闭射频电源，关闭仪器；
(4)使用3D打印工艺，材料选择金属银，在传感层上淀积测试电极和溶液装载区。其中，测试电极金属银薄膜厚度为100纳米，金属银薄膜构成的溶液装载区厚度为10微米，如图2(c)所示；
(5)使用退火炉对传感器进行优化处理，退火温度为200℃，退火时间为1小时，退火气氛为真空。
本发明采用的肿瘤细胞检测方案以图3为例，具体方案由图3(a)和3(b)所示，包括以下步骤：
(1)将细胞培养基置于溶液装载区。传感器测试电极a接地，测试电极b接电压VD。VD扫描范围为-10V到10V，扫描间隔为100mV。测试传感器电极b端电流-电压特性，得到传感层电阻R。根据电阻-溶液pH标准曲线，读取细胞培养基pH，从而确定细胞类型。
(2)将细胞培养基置于溶液装载区。传感器测试电极a接地，测试电极b接电压VD，VD设置为10V；传感器衬底接电压VG，VG扫描范围为-10V到10V，扫描间隔为100mV。测试传感器电极b端电流-电压特性，得到传感层电流I，包括开态电流ION和关态电流IOFF。根据电流-溶液pH标准曲线，读取细胞培养基pH，从而确定细胞类型。

Claims (9)

1.一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)将衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗；
(2)采用原子层淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，在衬底表面淀积绝缘层；
(3)采用原子层淀积工艺或磁控溅射工艺，在绝缘层上淀积传感层；
(4)采用3D打印工艺，在传感层上淀积两个测试电极和溶液装载区，溶液装载区位于测试电极之间；
(5)采用退火工艺，完成用于肿瘤细胞检测的传感器的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，衬底采用n型或p型重掺杂的单晶硅衬底。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，绝缘层为氧化硅、氧化铝、以及高介电常数绝缘材料中的一种或者多种的组合，所述绝缘层厚度为10-100纳米。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，传感层为氧化锌薄膜、掺杂氧化锌薄膜、氧化铟薄膜或掺杂氧化铟薄膜，所述传感层厚度为5-100纳米。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂氧化锌或掺杂氧化铟传感层，掺杂元素为铝、锡、钼、钛金属元素，或硅、碳、磷无机非金属元素，或镧、铒、钕稀土元素中的一种或者多种的组合，掺杂元素的含量为：0.1％-30％。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，3D打印工艺采用金属银材料，测试电极和溶液装载区分别由金属银薄膜构成。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述测试电极厚度为10-500纳米。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溶液装载区厚度为0.5-500微米。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，退火温度为100-500℃，退火时间为1-5小时，退火气氛为空气、氧气或真空。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2008202728A1 (en) * 2002-01-28 2008-07-10 Sru Biosystems, Inc. A guided mode resonant filter biosensor using a linear grating surface structure
CN104940949A (zh) * 2015-06-16 2015-09-30 国家纳米科学中心 一种抗肿瘤多肽纳米药物及其制备方法和应用
RU2565377C1 (ru) * 2014-10-21 2015-10-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства Здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО НижГМА Минздрава России) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО pH ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
CN105651845A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法
CN106957370A (zh) * 2017-01-17 2017-07-18 国家纳米科学中心 一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽
CN106983715A (zh) * 2017-05-23 2017-07-28 天津医科大学口腔医院 pH敏感的大内径多壁碳纳米管双重载药体系及制备方法
CN107703198A (zh) * 2016-08-09 2018-02-16 台湾积体电路制造股份有限公司 用于流体分析的盒和分析仪
CN108614013A (zh) * 2016-12-12 2018-10-02 华邦电子股份有限公司 传感装置、哺乳内衣及其制造方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2008202728A1 (en) * 2002-01-28 2008-07-10 Sru Biosystems, Inc. A guided mode resonant filter biosensor using a linear grating surface structure
RU2565377C1 (ru) * 2014-10-21 2015-10-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства Здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО НижГМА Минздрава России) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО pH ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
CN104940949A (zh) * 2015-06-16 2015-09-30 国家纳米科学中心 一种抗肿瘤多肽纳米药物及其制备方法和应用
CN105651845A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法
CN107703198A (zh) * 2016-08-09 2018-02-16 台湾积体电路制造股份有限公司 用于流体分析的盒和分析仪
CN108614013A (zh) * 2016-12-12 2018-10-02 华邦电子股份有限公司 传感装置、哺乳内衣及其制造方法
CN106957370A (zh) * 2017-01-17 2017-07-18 国家纳米科学中心 一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽
CN106983715A (zh) * 2017-05-23 2017-07-28 天津医科大学口腔医院 pH敏感的大内径多壁碳纳米管双重载药体系及制备方法

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