CN1477208A - 微液滴振荡型硅槽式聚合酶链式反应生物芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微液滴振荡型硅槽式聚合酶链式反应生物芯片。包括微槽，以及微槽背面由绝热槽隔开的恒温区，在微槽背面的电阻式微温度传感器，对称置于该温度传感器两侧的微加热器。在生物基因组研究、法医学、遗传分析、治疗效果评估和医疗诊断等领域中有广泛应用。样品与反应物以微液滴形式在具有三个恒温区的槽中振荡运动以实现聚合酶链式反应(PCR)的变性、退火和延伸过程，减小了生物芯片工作时所需要的驱动压力，避免了可能产生的气泡对芯片功能的影响；集成于芯片上的恒温区有利于PCR反应混合物实现快速的升降温过程，并便于改变工作区温度以优化PCR过程，或实现某些特殊要求；采用硅微加工技术制造，便于大批量生产，尺寸小，成本低。
Description
技术领域
本发明属于医疗仪器领域，特别涉及适于高通量、快速、自动化的核酸PCR临床诊断生物芯片的设计。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR，Polymerase Chain Reaction)是现代核酸分析的重要手段之一，它能够将目标核酸分子的数目在一个循环中扩增近一倍，经过20-30个循环使得有限的核酸分子扩增109倍，从而实现目标分子的富集，为进一步的分析做准备。PCR过程的诞生大大加快了各种生物基因组结构研究的进程，并在法医学、遗传分析、治疗效果评估和医疗诊断方面具有广泛的应用。
近年来随着微加工技术的发展，用于临床检验研究的微芯片得到了广泛的重视。建立在微芯片基础上的微全分析系统(Micro Total Analysis Systems)成为分析化学、临床医学、生物学的研究热点，而作为微全分析系统中的重要组成部分的微PCR芯片吸引了众多研究者注意。自从1993年首次报道了微PCR芯片的工作后，许多研究小组相继投入微PCR芯片的研究工作之中。由于芯片的特征尺度处于微米量级，微PCR芯片能够实现很高的升降温速率(一般在10℃/s的量级或更高)，从而大大提高了PCR过程的时间效率，使得通常需要数小时或数十分钟的检测过程加快至十几甚至几分钟内完成；同时微PCR芯片所需要的样品量非常少(微升甚至纳升的量级)，能够大幅度的降低PCR过程的费用，并减小污染的可能。1999年，我国专利99114416.3提出了一种PCR微阵列探针循环检测型生物芯片，采用常规方法给予实现，其示意图如图1所示。图中1为微通道，2，3，4，5为微反应器，6为PCR反应体系，7为小铁块，8为磁铁。它的工作原理是：PCR反应溶液6事先注入微通道1中的两小铁块7之间，然后以一透明薄膜覆盖密封，试样由注射器或其它进样器穿透薄膜注入PCR反应溶液中，然后以玻璃片压紧固定；轻摇混匀后，即可开始PCR反应，首先在2区进行变性，然后由磁铁8带动微沟槽中的小铁块7连同反应体系溶液1迅速移到3区进行退火，再移到4区进行延伸，延伸后迅速移到2区开始第二个循环，或先移到5区进行杂交反应后再移到2开始第二个循环；如此继续循环过程，直到获得所需结果。上述芯片采用液滴循环通过三个外部实现的恒温区域来完成PCR过程，具有较多优点。该微PCR芯片的不足之处在于：1)不是基于硅微加工技术，与IC工艺不兼容，使得芯片需要较为复杂庞大的外部设备提供控制和通讯等，难以低成本大批量生产；2)结构尺寸大，完成PCR过程时间长；3)对同一阵列各通道内的PCR操作需要具有相同的变性、退火和延伸温度；4)难以实现自动控制，效率低。2001年，我国专利01103687.7提出了一种由MEMS工艺在硅基片上制作的微井式反应室、集成铂电阻加热子和温度传感器于一体，并且封装在PCB板上构成的DNA-PCR生物芯片，采用硅微加工工艺实现，其示意图如图2所示。图中9为微井式反应室，10为微沟槽，11为玻璃盖片，12为进样孔，13为氮化硅薄膜，14为集成于芯片的铂电阻加热子和温度传感器。它的工作原理是：PCR反应溶液由进样孔12经微沟槽10进入微井式反应室9，在铂电阻加热子和温度传感器14以及外流体冷却的作用下实现PCR过程的升降温要求。该微PCR芯片的不足之处在于：1)芯片接近密闭微腔，在PCR变性过程中，由于温度接近工质沸点，容易产生气泡而导致芯片结构毁坏；2)不是基于微流体技术，较难与其他微器件集成构成真正意义的芯片实验室(Lab-on-Chip)；3)该芯片采用外流体(空气)实现降温过程，降温速率较低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种微液滴振荡型硅槽式聚合酶链式反应生物芯片。
本发明的特征在于它是一种以硅作基材且用硅微加工工艺制作的生物芯片，它含有一个直微槽，它使PCR混合液以液滴形式在它的槽中振荡运动以实现PCR的变性、退火和延伸过程；恒温区，它至少有两个，它位于上述直微槽背面，各恒温区之间用绝热微槽彼此相隔开；电阻式微温度传感器，它位于上述恒温区中心；微电加热器：它对称地置于上述电阻式微温度传感器两侧。
试验证明它适于硅微加工，与IC工艺兼容，具有成本低、体积小、速度快、性能好等优点。
附图说明
图1为已有的PCR微阵列探针循环检测型生物芯片的结构示意图；
图2为已有的DNA-PCR生物芯片及使用该芯片的微型热循环器的结构示意图；
图3为本发明的实施例结构正视图；
图4为本发明的实施例结构A-A面剖视图；
图5为本发明的实施例结构B-B面剖视图；
图6为本发明的实施例结构C-C面剖视图；
图7为本发明的硅微加工工艺过程示意图。
具体实施方式
本发明设计的一种微液滴振荡型硅槽式聚合酶链式反应(PCR)生物芯片实施例，结合附图详细说明如下：
本实施例的结构如图3，4，5，6所示，主要由刻蚀在硅基21上，并由玻璃盖片23封闭的微槽道24(样品与反应物的液滴22在其中运动)、三个恒温工作区16以及入口孔15和出口孔17组成；三个恒温区由隔热槽20隔开，每个恒温区上对称布置两个加热器18和一个温度传感器19。硅基21的厚度为300μm；微槽道24长32000μm，横截面为梯形(体硅加工按<110>晶向形成)，上底宽600μm，下底宽1000μm，高280μm；三个恒温区16均为5000μm长，1600μm宽；加热器18的宽度为200μm，长度为4900μm，高度为0.6μm；温度传感器19的宽度为50μm，长度为5000μm，高度为0.6μm。加热器对称布置于温度传感器两侧，它们的距离为1100μm。
本实施例采用硅微加工方法对传感器结构进行加工，基本加工过程如图7所示，由于中心横截面能够完全说明加工过程，因此图7中只完整地画出了芯片中心横截面的加工过程。
首先是在<100>硅片25上下表面用湿热氧化方法形成一层厚为6000的二氧化硅层26，作为湿法腐蚀硅的掩膜(图6-a)；然后通过光刻胶27保护，单面光刻形成制造加热丝、温度传感器和电接触片的窗口(图6-b)；金属化及剥离并生长电阻材料(Cr/Pt，28)形成加热丝、温度传感器和电接触片(图6-c)；硅基另一面光刻去除二氧化硅形成湿法腐蚀开孔(图6-d)；湿法腐蚀(EPW腐蚀液)形成微槽道(图6-e)；漂去微槽道开口侧硅基表面残余二氧化硅(图6-f)，并进行硅—玻璃键合(通道面与玻璃29键合)，形成玻璃载体与完整微槽道(图6-g)；另一侧硅基表面光刻去除二氧化硅形成湿法腐蚀开孔(图6-h)；湿法腐蚀(EPW腐蚀液)形成隔热槽(图6-i)。
本发明的工作原理是基于液滴在具有三个恒温区的微槽内振荡运动来实现PCR过程，但与国内专利99114416.3不同的是：本发明采用适合于硅微加工的方案，能够实现低成本大批量生产，且与IC工艺兼容，可以将控制电路集成；芯片结构尺寸小，完成PCR过程的时间短；恒温区与微槽集成在同一芯片上，可以根据PCR的需要调整同一阵列不同通道的控制温度；能够实现自动控制。与国内专利01103687.7不同的是：本发明采用新型的液滴微流体技术，不仅可以避免在变性阶段可能出现的气泡对芯片的毁坏，同时能够与其他微流体器件集成，构成真正意义的芯片实验室(Lab-on-Chip)；本发明通过PCR反应溶液连续经过三个恒温区来实现PCR过程温度变化的要求，从而能够实现远大于微井式PCR芯片的升降温速率。
本发明的特点和应用范围：
1.采用硅微加工技术来制造，具有尺寸小，成本低，性能好的特点；
2.采用液滴微流体技术，使液滴在具有三个恒温区的微槽内振荡运动来实现PCR过程，升降温速度快，样品与反应物的消耗量小；
3.恒温区与微槽道集成在同一芯片上，可以根据PCR的需要调整同一阵列不同通道的控制温度；
4.本发明可以在不同的场合下应用，特别适合于高度自动化、快速、高通量要求下的临床检测。
Claims (1)
1、微液滴振荡型硅槽式聚合酶链式反应生物芯片含有微反应器和恒温区，其特征在于，它是一种以硅作基材且用硅微加工工艺制作的生物芯片，它含有：
一个直微槽：它使PCR混合液以液滴形式在它的槽中振荡运动以实现PCR的变性、退火和延伸过程；
恒温区：它至少有两个，它位于上述直微槽背面，各恒温区之间用绝热微槽彼此相隔开；电阻式微温度传感器：它位于上述恒温区中心；
微电加热器：它对称地置于上述电阻式微温度传感器两侧。
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