CN1223857C

CN1223857C - 蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置

Info

Publication number: CN1223857C
Application number: CN 02154807
Authority: CN
Inventors: 韩泾鸿; 张虹
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: CN1504751A

Abstract

一种蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装置，其中包括：一树脂基片，该树脂基片为矩形；一硅片，该硅片制作在树脂基片的一面；一绝缘层，该绝缘层制作在硅片的另一面；一光电阻挡层，该光电阻挡层制作在绝缘层的另一面；一测量池，该测量池为有机玻璃制成，为矩形立方体，在纵向端面分别开有两个长槽，两者在底部连通；侧面有一矩形光源输入窗口，该矩形槽与一长槽连通；在矩形光源输入窗口与一长槽之间有一玻璃制成的光源输入窗栅板密封，玻璃位于测量池一侧有铂金薄膜制成栅格，作为光栅和辅助电极；一LED光源板，该LED光源板嵌入在测量池侧面的矩形槽内。

Description

蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置

技术领域

本发明属于生物传感技术，特别是指一种蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置。

背景技术

蛋白质芯片技术是在蛋白质组学传统技术双向电泳和质谱发展的同时出现的一种新技术。它可以在一张芯片上同时对多个病人进行多种疾病的检测，具有快速、操作简便、样品用量少和可对多样品平行检测等特点，因此，在临床应用有关的研究方面具有显著的优势。例如对肿瘤、糖尿病、传染性疾病等常见病和多发病的临床检验及健康人群检查，均可以应用蛋白芯片技术。蛋白芯片技术出现得较晚，尚处于发展时期，其基本原理是ELISA反应，即利用抗原与其相应抗体特异性结合的免疫学原理，在固相基质上结合多种蛋白质的单克隆抗体，捕捉被检样品中的对应蛋白，再通过标记生物素或特殊酶的单克隆抗体反应，再加底物显色产生光信号，用CCD Camera采集光学图象信号，经由CCD转换为随时间变化的视频信号，再经摄象机内部线路处理CCD转换视频信号，然后经由同轴或光缆或其它传输途径将信号传送至电脑经图象卡处理将信号在显示器上显示。根据光信号强度对蛋白质进行定量检测。目前的蛋白质芯片虽然在疾病检测方面具有多疾病、多样本并行性检测等优点，但也存在许多缺点：1操作复杂，现在的蛋白芯片技术要经过样品杂交、洗涤、标记抗体杂交、洗涤、底物显色、扫描、分析等步骤才能得到结果，操作复杂，耗时长(2-4小时)；2消耗抗体等试剂多；3仪器昂贵，蛋白芯片结果扫描需要特殊的仪器设备，价格昂贵，投入较高。

光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor，LAPS)的基本结构如图1所示。半导体和电解质溶液之间被绝缘层隔开形成EIS结构。调节偏置电压使半导体处于不同的偏置状态。经过强度调制的光源(如LED或激光)从背面对此EIS结构进行照射，在半导体中产生电子空穴对。当半导体与绝缘层接触的表面处于耗尽状态时，这些电子空穴对可能通过扩散作用进入耗尽层。耗尽层中的电场将光生电子空穴对分开，从而在回路中产生光生电流。当半导体表面处于电荷积累状态时，半导体表面的电场为零，电子空穴对不会在此分开，所以光生电流基本为零。

LAPS的敏感原理是基于电场效应使器件对绝缘层与电解质溶液间界面电位变化敏感，但是，在信号采集时，LAPS采用调制光束照射，使器件对该电位变化的响应由光电流所调制，并采用锁相检测技术对响应信号进行检测。

LAPS典型的响应曲线如图2所示。当被测液的浓度发生变化时，响应曲线会向左或向右偏移。通过检测这个偏移量可以检测出溶液浓度的变化。由于敏感膜的存在，敏感膜表面吸附一层离子形成膜电位，从而导致绝缘体和半导体两端的电压产生一定的偏移。光电流一偏置电压曲线也因此产生相应的偏移。曲线的偏移量与溶液中待测离子的浓度是相关的。因此通过测量曲线的偏移量可以检测出待测离子的浓度。测量不同pH值的缓冲溶液得到的实验曲线如图2所示。

本发明提出的蛋白质芯片是采用光寻址检测技术，采集芯片的免疫反应的结果。这种光寻址检测技术是基于光寻址电位传感器(LightAddressable Potentiometric Sensor，LAPS)，该传感器是由美国加利福尼亚的一个分子器件公司在八十年代末发明的。LAPS具有应用范围广、光寻址能力强、极高的灵敏度、较高的稳定性、所需样品少、测量范围宽、检测时间短等优点，成为生物传感技术的新星。已有不少学者在此基础上研究将其功能从单一的H⁺离子敏的LAPS发展到酶LAPS、免疫LAPS以及生物LAPS。我们的发明专利是在此基础上提出的“蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置”。

利用抗原与其相应抗体特异性结合的免疫学原理，在硅片上结合多种生物敏感膜，识别被检样品中的对应物质。

尽管LAPS系统原理具有很多优点，但是将它用于蛋白质芯片的研究，在国外也刚刚起步。主要采用在尼龙膜上结合多种经过酶标记生物敏感膜阵列方法，利用抗原与其相应抗体特异性结合的免疫学原理，贴在LAPS芯片上，读取由于被标记的酶引起的pH变化，识别被检样品中的对应物质。整个分析过程烦琐、成本较高、仪器较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置，其具有结构简单、操作容易和成本低的优点。

本发明一种蛋白质阵列芯片，其特征在于，其中包括：

一树脂基片，该树脂基片为矩形；

一硅片，该硅片制作在树脂基片的一面；

一绝缘层，该绝缘层制作在硅片的另一面；

一光电阻挡层，该光电阻挡层制作在绝缘层的另一面。

其中在树脂基片远离硅片的另一面制作有一芯片电极引线，是本装置的工作电极。

其中光电阻挡层制作成栅格，栅格的空白阵列表面是氮化硅或金，可结合多种蛋白质的单克隆抗体。

本发明一种用于检测权利要求1所述蛋白质阵列芯片的蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装置，其特征在于，其中包括：

一测量池，该测量池为有机玻璃制成，为矩形立方体，在纵向端面分别开有两个长槽，两者在底部连通；侧面有一矩形光源输入窗口，该矩形槽与一长槽连通；

在矩形光源输入窗口与一长槽之间有一玻璃制成的光源输入窗栅板密封，玻璃位于测量池一侧有铂金薄膜制成栅格，作为光栅和辅助电极；

一LED光源板，该LED光源板嵌入在测量池侧面的矩形槽内；

该LED光源板包括：一硅集成LED阵列芯片；一由透明有机物制成的薄膜制作在阵列芯片的表面；一黑色树脂制成的网格制作在有机物制成的薄膜的另一面；一由树脂制成的矩形聚焦透镜阵列板贴在最上面。

其中聚焦透镜阵列、黑色树脂网格与LED阵列均与被检测的蛋白质阵列芯片上的光电阻挡层的栅格状阵列对应。

其中该光源输入窗栅板上的铂金光栅均与与被检测的蛋白质阵列芯片上的光电阻挡层的栅格状阵列对应。

其中测量池上的两个长槽，一是圆柱形槽，另一是矩形槽。

附图说明

图1是现有技术的LAPS结构图；

图2是利用现有技术LAPS装置的测量曲线图；

图3是本发明蛋白质阵列芯片的结构图；

图4是图3蛋白质阵列芯片光电阻挡层栅格状阵列的示意图；

图5是本发明LAPS测量池的结构图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明LAPS测量池的光源结构图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明一种蛋白质阵列芯片a，其中包括：

一树脂基片a1，该树脂基片a1为矩形，在树脂基片a1的一面制作有一芯片电极a2引线；

一硅片a3，该硅片a3制作在树脂基片a1的另一面；

一绝缘层a4，该绝缘层a4制作在硅片a3的另一面；

一光电阻挡层a5，该光电阻挡层a5制作在绝缘层a4的另一面，该光电阻挡层a5制作成栅格状阵列(如图2所示)，该栅格状阵列的空白处可容置单克隆抗体a6。

请参阅图3及图4，本发明一种蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装，其中包括：

一测量池b，该测量池b的外壁b1为有机玻璃制成，为矩形立方体，在纵向端面开有两个长槽b21、b22，侧面有一矩形窗口b5，该矩形窗口b5与一长槽b22之间被光源输入窗栅板b6隔开(如图5及图6所示)，其中测量池b上的两个长槽b21、b22，长槽b21是圆柱形槽，长槽b22是矩形槽(如图4所示)；

光源输入窗栅板b6密封住矩形窗口b5，其中该光源输入窗栅板b6包括一光源输入窗b4和在其上制作的铂金薄膜光栅控制电极b3，该光源输入窗栅板b6上的铂金薄膜光栅控制电极b3均与蛋白质阵列芯片a上的光电阻挡层a5的栅格状阵列对应；

请参阅图5，一LED光源c，该LED光源c嵌入在测量池b侧面的矩形窗口b5内；其中LED光源c包括：一硅集成LED阵列芯片c1，其中该硅集成LED阵列芯片c1上的PN结红外发光二极管光源为c11；一由透明有机物制成的薄膜c2制作在硅集成LED阵列芯片c1的表面；一黑色树脂制成的网格c3制作在有机物制成的薄膜c2的另一面，其中黑色树脂制成的网格c3开有通孔c31；一由树脂制成的矩形聚焦透镜阵列板c4制作在黑色树脂制成的网格c3的另一面，其中矩形聚焦透镜阵列板c4有多个聚焦透镜c44组成(如图7所示)；该聚焦透镜c44是树脂制成的一面平、一面凸的小凸透镜。

其中硅集成LED阵列芯片c1上的红外发光二极管光源为c11、网格c3的通孔c31及矩形聚焦透镜阵列板c4上排列的聚焦透镜c44均与蛋白质阵列芯片a上的光电阻挡层a5的栅格状阵列对应。

本发明“蛋白质阵列芯片及其光寻址快速检测装置”包括芯片、测量池两部分。蛋白质阵列芯片直接由硅片制成，阵列数可以是几个-几百个单元，固定在树脂板上，成为芯片插件。测量池由有机玻璃或其它绝缘材料制成，参比电极池和芯片池两者连通。芯片池与芯片插件能很好配合，既能定位，又能方便插进和拔出。芯片池的芯片侧有一个玻璃的光学窗口，具有密封溶液、光栅、电化学的控制电极三种功能。特殊设计一种红外LED阵列光源，尺寸与光学窗口匹配，每个点光源的光点聚焦在阵列芯片的表面。检测仪表是单片机控制的智能仪表，由恒电位电路给芯片提供稳定的偏置电压，专门的振蘯电路调制红外LED阵列光源的强度，用锁相环电路检测固定频率下的光电流。

本发明提出的蛋白质芯片及其快速光寻址检测装置，具有检测仪具有体积小、检测快，成本低等优点。

Claims

1、一种蛋白质阵列芯片，其特征在于，其中包括：

一树脂基片，该树脂基片为矩形；

一硅片，该硅片制作在树脂基片的一面；

一绝缘层，该绝缘层制作在硅片的另一面；

一光电阻挡层，该光电阻挡层制作在绝缘层的另一面；

其中在树脂基片远离硅片的另一面制作有一芯片电极引线，是本装置的工作电极；

2、一种用于检测权利要求1所述蛋白质阵列芯片的蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装置，其特征在于，其中包括：

一LED光源板，该LED光源板嵌入在测量池侧面的矩形槽内；

3、根据权利要求2所述的蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装置，其特征在于，其中聚焦透镜阵列、黑色树脂网格与LED阵列均与被检测的蛋白质阵列芯片上的光电阻挡层的栅格状阵列对应。

4、根据权利要求2所述的蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装，其特征在于，其中该光源输入窗栅板上的铂金光栅均与与被检测的蛋白质阵列芯片上的光电阻挡层的栅格状阵列对应。

5、根据权利要求2所述的蛋白质阵列芯片光寻址快速检测装置，其特征在于，其中测量池上的两个长槽，一是圆柱形槽，另一是矩形槽。