CN208757615U - 用于体液中物质实时检测的微型生物芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于体液中物质实时检测的微型生物芯片，所述微型生物芯片包括流通型微流体芯片和薄膜生物传感器，所述流通型微流体芯片主体上依次包括流体流入管道，微孔，微通道，检测室，微通道，储液池和流体流出管道，组成一个完整流体通路；所述流体流入管道和所述流体流出管道各有一部分伸出所述流通型微流体芯片主体之外；所述薄膜生物传感器包括具有与电极匹配的绝缘层图案开孔的电极绝缘层和各种电极，所述绝缘层图案开孔与各种电极表面形成凹槽。本实用新型的微型生物芯片结构使得芯片的制备难度下降，制备出两端带伸出柱的流通型微流体芯片，使得整体连接简便，密闭性更好。

Description

用于体液中物质实时检测的微型生物芯片

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片领域，尤其是涉及用于体液中物质实时检测的微型生物芯片。

背景技术

在体液的临床检测中，小型化的微透析系统可以克服传统的微透析系统较大的死体积，较长的滞后时间缺点。例如，Gaspar使用了流通型的多传感器芯片，并结合微透析系统，连续监测体液中的葡萄糖：实现更快的响应速度，更小的死体积；但是该微透析系统中没有微流体控制部件，动态响应范围很窄，例如，对于血液中的葡萄糖小于5mM。

可穿戴血糖表设备采用反离子电渗技术，可通过完整皮肤将葡萄糖标本收集到凝胶盘上，进行测定。但是在这样的系统中只有生物传感器没有含微流体生物芯片。微型化侵入式SpectRx的生物光子技术使用激光设备在皮肤的角质层中产生微孔。通过这些微孔和由泵在膜片中收集组织液，进行测定。在这样的系统中只有生物传感器没有使用微流体生物芯片。

另外的一些体外系统，将从体内抽取的血液的一少部分通过多个泵送到体外的葡萄糖传感器，进行血糖的测定；同时，将抽取的血液的绝大部分通过清洗装置清洗后送回体内。这样一个复杂和危险的系统中只有生物传感器没有使用微流体生物芯片。生物传感器置于体液的流通管中，这会阻碍流体的正常流动，也会影响传感器的性能。在现有技术中，缺少可以方便地用于体液中物质实时连续分析的微型生物芯片。

实用新型内容

在一种实施方式中，本实用新型提供一种用于体液中物质实时检测的微型生物芯片，所述微型生物芯片包括：流通型微流体芯片，所述流通型微流体芯片主体上依次包括流体流入管道，微孔，微通道，检测室，微通道，储液池和流体流出管道，组成一个完整流体通路；所述流体流入管道和所述流体流出管道各有一部分伸出所述流通型微流体芯片主体之外；薄膜生物传感器，所述薄膜生物传感器包括工作电极，对电极，参比电极，用于将多个电极与微型芯片外仪器连接的接触垫，连接电极与接触垫的连线，用于插入仪器插口的凸出块，具有与电极匹配的绝缘层图案开孔的电极绝缘层，所述绝缘层图案开孔与各电极表面形成凹槽；和所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器组装成所述微型生物芯片，所述检测室中以串联或并联/串联和并联形式，嵌入一种或多种薄膜生物传感器，使得嵌入的薄膜生物传感器的表面总是与流经的体液接触，连续监测体液中的物质。

在一种实施方式中，所述薄膜生物传感器通过丝网印刷工艺进行制备。

在一种实施方式中，所述流通型微流体芯片通过一体注塑方法进行制备。

在一种实施方式中，所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器各自周围分别设置相匹配的至少一个异形，以便于两者之间组合安装。

在一种实施方式中，所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器之间，放入具有与薄膜生物传感器匹配的图案开孔的薄层双面胶进行组装；或通过盖印方法转移与薄膜生物传感器图案匹配的液体胶进行组装；或通过超声焊接或激光焊接的方法组装流通型微流体芯片和薄膜生物传感器。双面胶的开孔可以通过激光切割的方式，也可以通过机械冲切的方式。双面胶可以是中间带不同PET厚度的双面胶，也可以是中间不带夹层的双面胶，该双面胶可以是压敏性的；也可以是非压敏性的，优选压敏性的。

在一种实施方式中，流通型微流体芯片包括两个以上的检测室，在薄膜生物传感器中具有与检测室数量相匹配的工作电极。

在一种实施方式中，所述体液中的物质是血糖、乳酸、氧气、pH值、血细胞比容、和/或电解质。

在一种实施方式中，所述工作电极是直径小于2mm的圆形单电极，或微电极阵列；制备工作电极的材料是Pt、Pd、Rh、或Ru，优选地是Pt。

在一种实施方式中，所述参比电极是尺寸小于3mm²的环绕工作电极的环形带；制备参比电极的材料是Ag或/和Ag/AgCl。

在一种实施方式中，所述对电极是尺寸小于3mm²的环绕工作电极的环形带；制备对电极的材料是Au、Pt、Pd、Rh、Ru、或C。

在一种实施方式中，所述薄膜生物传感器的工作电极使用多层的生物传感器膜，连续监测体液中的物质。生物传感器膜可以是敏感膜、消除干扰的膜、扩散控制的膜或生物兼容性的膜。

本实用新型的微型生物芯片结构使得芯片的制备难度下降，制备出两端带伸出柱的流通型微流体芯片，使得整体连接简便，密闭性更好。流通型微流体芯片的改进，使得薄膜生物传感器对电极厚度极大的降低，这种降低有利于薄膜生物传感器电极的大规模制备。在该部分，从制备的便利性以及规模性方面考虑，主要采用丝网印刷工艺。通过固化漆的运用，可以实现电极制备高的重现性。该工艺相比于溅射电极，其成本小，制备方便、快速。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请单个检测室的流通型微流体芯片示意图；

图2是本申请单个传感器的电极组及其展开示意图；

图3是本申请实施例中丝网印刷单个传感器的电极组及其展开示意图；

图4是本申请实施例中单个检测室的双面胶示意图；

图5是本申请单检测室及单传感器的生物芯片组装及展开示意图；

图6是本申请多个检测室的流通型微流体芯片示意图；

图7是本申请实施例中丝网印刷多个传感器的电极组及其展开示意图；

图8是本申请多个传感器的电极组及其展开示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一.具有单检测室和单传感器的微型生物芯片

参见图1至图5，微生物芯片电极主要由流通型微流体芯片3、薄膜生物传感器4以及带匹配图案开孔的薄层双面胶5组成。

参见图1，在一种实施方式中，流通型微流体芯片3的微流体线路包括以下几个部分：流体流入管道301，微孔302，微通道303，检测室304，微通道305，储液池306和流体流出管道307；其中流体流入管道301和流体流出管道307各有一部分伸出流通型微流体芯片3主体之外，上述各个部分外依次相互连接贯通，组成一个完整流体通路。

在一些实施方式中，流通型微流体芯片3还包括定位孔308，312。在一些实施方式中，流通型微流体芯片3通过一体注塑工艺制成。在一些实施方式中，为了使流体流入管道301和流体流出管道307在组装时能够区分，流通型微流体芯片3周围至少设置有一个异形。

上述各个部分根据不同需要可以具有不同的尺寸和形状，流体流入管道301和流体流出管道307伸出部分的外径尺寸和伸出长度可以根据外接连接管路的材质和内径尺寸调整。出、入口的伸出管路部分可以是光滑的，也可以是螺纹状的，根据其与外接连接管路的密闭匹配性调整。微孔302的不同大小的尺寸用于调节微流体的流动阻力和体外系统中的背压或阻力；微通道303和305的不同的长度和曲率用于调节微流体的流动阻力和体外系统中的背压或阻力；检测室304不同的尺寸和几何形状、位置及布局，与放置嵌入检测室304的各种尺寸和几何形状的薄膜生物传感器相匹配。定位孔308，312的尺寸与薄膜生物传感器芯片的定位孔匹配和流通型微流体芯片3周围至少设置有一个异形，用于精确组装。微流体生物芯片3的微流体线路的各个部分的各种几何形状和表面，还必须允许体液在微流体生物芯片3中流通顺利并且死体积最小，无气泡。

参见图2，薄膜生物传感器4，薄膜生物传感器4通常由以下几个部分组成：圆形的工作电极401，环绕工作电极401的环带型参比电极403，对电极402，多个电极与仪器连接的接触垫405，多条连接多个电极与多个接触垫的连线404，用于插入仪器插口的凸出块406。

在一些实施方式中，薄膜生物传感器4还包括定位孔407，408。同时，薄膜生物传感器4设置有与流通型微流体芯片3周围设置的异形相匹配的异形。

在一些实施方式中，薄膜生物传感器4电极的绝缘层420，以及与多个电极匹配的绝缘层图案开孔421。

薄膜生物传感器4的上述各个组分都负载于薄膜生物传感器的主体上。

检测室304与嵌入的薄膜生物传感器的工作电极401、对电极402、参比电极403匹配，并确保嵌入的工作电极401、对电极402、参比电极403匹配的表面总是与流经的体液接触，确保连续监测体液中的各种物质。

薄膜生物传感器的性能决定于传感器工作电极上的膜。固定多种不同的生物敏感膜和其它不同功能膜在工作电极上，制成多种不同的生物传感器。例如，在工作电极上固定葡萄糖氧化酶，可制成检测血糖的生物传感器；在电极上固定各种离子选择性膜，可以制成检测体液中离子浓度的离子电极；在电极上固定各种抗体，可以制成检测体液中各种蛋白质浓度的电极。通过控制固定膜的厚度，制成薄膜生物传感器4，然后可与流通型微流体芯片3组装成生物芯片34，用于连续监测体液中的分析物。

丝网印刷技术制备的薄膜生物传感器实例见图3。薄层塑料主体基底上首先制备工作电极401、参比电极403、对电极402以及相应的连线404和接触垫406的基底碳层，然后制备参比电极403的Ag/AgCl层，各电极相应的连线404和接触垫406可根据电阻需要选择是否覆盖Ag/AgCl层，最后在最上层覆盖除图案开孔421、定位孔407和408外的绝缘层，绝缘层的厚度可根据传感器工作电极的膜层厚度需要进行调整。当绝缘层具有一定厚度时，其开孔图案421处与各电极表面形成凹槽。该凹槽可以限定工作电极上不同膜层的铺展，有利于提高传感器的制备重现性(比较见表1和表2)。

表1：工作的电极处不含凹槽的传感器制备重现性

表2：工作的电极处含凹槽的传感器制备重现性

参见图4，带匹配图案开孔的薄层双面胶5：该部分主要由与定位孔以及检测室匹配的开孔图案502,503和501组成。所述组分都负载于薄层双面胶的载体上。

生物芯片电极的组装：参见图5，将刻有流体通路的流通型微流体芯片3和固定了所需膜的薄膜生物传感器4按设计对齐，并调整薄膜生物传感器4，使生物传感膜层朝下。由于芯片和生物传感器基材的外围设计了对位孔结构；同时，薄膜生物传感器4设置有与流通型微流体芯片3周围设置的异形相匹配的异形，便于在组装过程中快速确定组装方向。在流通型微流体芯片3和薄膜生物传感器4之间，放入带匹配的图案开孔的薄层双面胶5；将定位孔407,502,308以及408,503,312对齐，同时开孔501正好位于检测室304上面。然后加压固定，得到组装的生物芯片34。

实施例二.具有单检测室生物芯片电极的应用实例

芯片电极的重复性测试：将组装好的单检测室生物芯片电极与微流泵、流速控制组件、微透析探针、生理缓冲液装置以及废液收集器通过各种管路连接，使其成为一个连贯的流体通路。将芯片电极的接触垫与电化学检测仪器连线接通，微流泵的连接插口与控制器接通。启动仪器后，将微透析探针在8mM和24mM的葡萄糖溶液中多次转换，考察芯片电极对不同浓度葡萄糖溶液更新的实时响应。从测试结果分析，芯片电极的重复性测试性能良好，每次变异系数在5％以内。

芯片电极的长期稳定性测试：将组装好的单检测室生物芯片电极与微流泵、流速控制组件、微透析探针、生理缓冲液装置以及废液收集器通过各种管路连接，使其成为一个连贯的流体通路。将芯片电极的接触垫与电化学检测仪器连线接通，将微流泵的连接插口与控制器接通。启动仪器，将微透析探针放置于已知浓度的葡萄糖溶液后检测其长期稳定性。经过长达2000分钟测试，芯片电极的长期稳定性好，在2000分钟测试测试时间中变异系数小于3％。

实施例三.具有多检测室和多传感器的生物芯片

参见图6-8，具有多检测室以及多传感器的生物芯片34用于连续监测体液中的各种分析物，例如血糖、乳酸、钠离子、钙离子、镁离子、氯离子、碳酸氢根离子以及体液中各种蛋白质等。它由流通型微流体芯片3、薄膜生物传感器4以及带匹配图案开孔的薄层双面胶5组装而成。它可以用于同时连续地检测体液中的多个待分析物。

参见图6，流通型微流体芯片3的微流体线路由以下几个部分组成：流体流入管道301，微孔302，微通道303、310，检测室304和309，微通道305、311、储液池306，以及流体流出管道307。其中流体流入管道301和流体流出管道307个有一部分伸出流通型微流体芯片3主体之外，上述各个部分依次相互连接贯通，组成一个完整流体通路。

在一些实施方式中，流通型微流体芯片3还包括定位孔308，312。在一些实施方式中，流通型微流体芯片3通过一体注塑工艺制成。在一些实施方式中，为了使流体流入管道301和流体流出管道307在组装时能够区分，流通型微流体芯片3周围至少设置有一个异形。

参见图7，薄膜生物传感器4通常是由以下几个部分组成：4个工作电极401、409、410、411，两个对电极402、412，和两个参比电极403和413，多个电极与仪器连接的接触垫405，多条连接多个电极与多个接触垫的连线404，用于插入仪器插口的凸出块406，用于组装的定位孔407，408，电极的绝缘层420，以及与多个电极匹配的绝缘层图案开孔421。上述各个部分都负载于薄膜生物传感器4主体上。

具有多检测室和多传感器的生物芯片与具有单检测室和单传感器的微型生物芯片不同之处：有两个检测室304、309；与之匹配的薄膜生物工作电极组包括4个工作电极401、409、410、411，其中工作电极401、409对应于检测室309，工作电极410、411对应于检测室304。2个微通道310将体液分流入检测室304和309；2个微通道311将分流入检测室304和309的体液汇合在一起。工作电极401、409，对电极402，参比电极403对应于检测室309；工作电极410、411，对电极412、参比电极413对应于检测室304。

在这4个不同的工作电极上可制备4个不同的生物工作电极，例如血糖、乳酸、氧气、pH值生物传感器。工作电极401、409顺联地嵌入检测室309，工作电极410、411顺联地嵌入检测室304，同时工作电极401、409与工作电极410、411并联地置于生物芯片34。因此，可同时接续地监测4种不同的分析物。并将可能有相互干扰的传感器并联置于不同的检测室中，避免了干扰。另外，同一检测室的多个工作电极设计，也可以其中一根作为背景电流的检测，用于扣除另一根电极如血糖等检测的干扰物影响。

具有多检测室和多传感器的生物芯片的制备工艺同单传感器的生物芯片，制备各性能电极后，最后在最上层覆盖除图案开孔421、定位孔407和408外的绝缘层，绝缘层的厚度可根据传感器工作电极的膜层厚度需要进行调整。当绝缘层具有一定厚度时，其开孔图案421处与各电极表面形成凹槽，有利于各个工作电极传感器制备的重现性。

参见图8，将制备好的流通型微流体芯片3和固定了所需膜的薄膜生物传感器4按设计对齐，并调整薄膜生物传感器4，使生物传感膜层朝上。在流通型微流体芯片3和薄膜生物传感器4之间，放入带匹配的图案开孔的薄层双面胶5，对齐；确保定位孔308(312)、407(408)、502(503)很好地对齐，同时开孔501正好位于检测室304上面，开孔504正好位于检测室309上面。然后加压固定，就得到组装的生物芯片34。

应该理解到披露的本实用新型不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本实用新型的范围，本实用新型的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本实用新型的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。

Claims (10)

1.用于体液中物质实时检测的微型生物芯片，其特征在于，所述微型生物芯片包括：

流通型微流体芯片，所述流通型微流体芯片主体上依次包括流体流入管道，微孔，微通道，检测室，微通道，储液池和流体流出管道，组成一个完整流体通路；所述流体流入管道和所述流体流出管道各有一部分伸出所述流通型微流体芯片主体之外；

薄膜生物传感器，所述薄膜生物传感器包括工作电极，对电极，参比电极，用于将多个电极与微型芯片外仪器连接的接触垫，连接电极与接触垫的连线，用于插入仪器插口的凸出块，具有与电极匹配的绝缘层图案开孔的电极绝缘层，所述绝缘层图案开孔与各电极表面形成凹槽；和

所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器组装成所述微型生物芯片，所述检测室中以串联或并联/串联和并联形式，嵌入一种或多种薄膜生物传感器，使得嵌入的薄膜生物传感器的表面总是与流经的体液接触，连续监测体液中的物质。

2.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述薄膜生物传感器通过丝网印刷工艺进行制备，和/或所述流通型微流体芯片通过一体注塑方法进行制备。

3.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器之间，放入具有与薄膜生物传感器匹配的图案开孔的薄层双面胶进行组装；或通过盖印方法转移与薄膜生物传感器图案匹配的液体胶进行组装；或通过超声焊接或激光焊接的方法组装流通型微流体芯片和薄膜生物传感器。

4.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述流通型微流体芯片和所述薄膜生物传感器各自周围分别设置相匹配的至少一个异形，以便于两者之间组合安装。

5.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述流通型微流体芯片包括两个以上的检测室，在薄膜生物传感器中具有与检测室数量相匹配的工作电极。

6.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述体液中的物质是血糖、乳酸、氧气、pH值、血细胞比容、和/或电解质。

7.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述工作电极是直径小于2mm的圆形单电极，或微电极阵列；制备工作电极的材料是Pt、Pd、Rh、或Ru；和/或所述参比电极是尺寸小于3mm ²的环绕工作电极的环形带，制备参比电极的材料是Ag或/和Ag/AgCl。

8.根据权利要求7所述的微型生物芯片，其特征在于，制备工作电极的材料是Pt。

9.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述对电极是尺寸小于3mm ²的环绕工作电极的环形带；制备对电极的材料是Au、Pt、Pd、Rh、Ru、或C。

10.根据权利要求1所述的微型生物芯片，其特征在于，所述薄膜生物传感器的工作电极使用多层的生物传感器膜，连续监测体液中的物质。