CN215947295U - 生物芯片 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种生物芯片。包括：基础电路板，具有第一表面；所述基础电路板为PCB板或采用陶瓷材料制成；反应腔定义层，设于第一表面，反应腔定义层包括沿自身厚度方向上贯穿的反应腔室；反应电极层，包括电极组件，电极组件与反应腔室对应设置，电极组件设于反应腔室的朝向第一表面的一端开口处，反应电极层与基础电路板电连接。本申请提供的生物芯片，具有成本低、生产工艺简单，生产效率高的优点，适合大规模量产。

Description

生物芯片

技术领域

本申请涉及DNA分子测序设备技术领域，具体涉及一种生物芯片。

背景技术

进入21世纪后，基因测序技术的日益完善为人类的各项活动提供了更好的服务，单分子测序技术被誉为第三代测序技术，其显著特征是可以高保真地对DNA片段直接进行识别，单分子测序技术由于能识别到单个核酸分子，其具有比高通量测序技术(统称为二代测序技术)更高的检测灵敏度。

基因芯片是测序技术得以实现的关键部件，然而，单分子测序芯片大多是采用半导体加工工艺制成，加工工艺繁琐且复杂，成本非常高，因此限制了该测序方法的推广以及应用，现阶段急需一种成本低、制作方法简便的测序芯片作为补充替代方案。

实用新型内容

本申请实施例提供一种生物芯片，降低了生产成本、简化了生产工艺、同时提高了生产效率。

第一方面，本申请实施例提供一种生物芯片，包括：基础电路板，具有第一表面；基础电路板为PCB板或采用陶瓷材料制成；反应腔定义层，设于第一表面，反应腔定义层包括沿自身厚度方向上贯穿的反应腔室；反应电极层，包括电极组件，电极组件与反应腔室对应设置，电极组件设于反应腔室的朝向第一表面的一端开口处，其中，反应电极层与基础电路板电连接。

根据本申请实施例的一个方面，电极组件包括层叠设置的反应电极和连接电极，电极组件通过连接电极与基础电路板电连接。

根据本申请实施例的一个方面，连接电极设于基础电路板上，反应电极设于连接电极背离基础电路板的一侧，和/或，反应电极遮住反应腔室的朝向第一表面的一端开口设置。

根据本申请实施例的一个方面，还包括隔离层，反应电极层中的各反应电极通过隔离层绝缘隔离。

根据本申请实施例的一个方面，连接电极背离第一表面的一侧与隔离层密封贴合，且连接电极在基础电路板上的正投影完全覆盖反应电极在基础电路板上的正投影；和/或，隔离层的材质为陶瓷、玻璃或有机材料中的任意一种。

根据本申请实施例的一个方面，隔离层设于反应腔定义层以及基础电路板之间，隔离层中设有与反应腔室对应的电极容纳腔，电极容纳腔在基础电路板上的正投影完全覆盖反应腔定义层在基础电路板上的正投影，电极组件对应设于电极容纳腔中。

根据本申请实施例的一个方面，反应电极采用金属银制成，且反应电极与电极容纳腔之间密封连接；和/或，反应电极与连接电极之间设焊接层。

根据本申请实施例的一个方面，反应电极的背离第一表面的端面与反应腔室的底端平齐，反应电极的朝向第一表面的端面与隔离层的靠近基础电路板的一侧平齐。

根据本申请实施例的一个方面，第一表面内凹形成多个电极容纳槽，电极容纳槽对应反应腔室设置，反应腔定义层电极容纳槽在基础电路板上的正投影完全覆盖电极容纳槽反应腔定义层室在基础电路板上的正投影，且电极容纳槽的深度不大于电极组件的厚度，电极组件设于电极容纳槽中。

根据本申请实施例的一个方面，反应腔室包括反应液容纳腔以及成膜腔，反应液容纳腔邻近基础电路板或隔离层设置，成膜腔设于反应液容纳腔背离基础电路板或隔离层的一侧。

根据本申请实施例的生物芯片，在基础电路板的第一表面上直接设置反应腔定义层，用于形成供测试电解液进行测试的反应腔室，并且对应每个反应腔室设置反应电极层，将反应腔室中进行的反应产生的电信号传输至基础电路板中，通过基础电路板进行传输、放大，或放大可由与基础电路板连接的外部设备完成，本申请的生物芯片生产工艺简单，生产效率高。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。

图1为根据本申请一个实施例提供的生物芯片的结构示意图；

图2为图1中沿A-A的剖面图；

图3为根据本申请另一个实施例提供的生物芯片的剖面结构示意图；

图4为根据本申请又一个实施例提供的生物芯片的剖面结构示意图；

图5为根据本申请再一个实施例提供的生物芯片的结构示意图；

图6为图5中沿B-B的剖面图；

图7为根据本申请一个实施例提供的生物芯片的剖面图。

附体标记说明

1-基础电路板；1a-第一表面；101-电极容纳槽；2-反应腔定义层； 201-反应腔室；201a-反应液容纳腔；201b-成膜腔；3-反应电极层；301-电极组件；301a-反应电极；301b-连接电极；4-隔离层；401-电极容纳腔；402-电极通道；5-焊接层。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述，应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，并不被配置为限定本实用新型，对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施，下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素，在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域，并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

本申请实施例提供了一种生物芯片，用于生物遗传材料的基因测序，下面结合附图对本申请实施例的生物芯片进行详细描述。

在第三代单分子基因测序技术中，将含有遗传基因的物质溶于极性溶剂中，再将其置于生物芯片中进行测序，每个测序单元中，由上至下依次为极性介质层-非极性介质层-极性介质层，其中的非极性介质层中包含两亲分子，会形成两亲性分子膜，两亲分子膜上嵌入纳米孔蛋白，两亲分子膜可以是磷脂双分子层膜或者两亲分子单层膜，两亲分子膜上下两侧的极性溶剂具有导电性，极性溶剂与电极连通，构建的电化学反应体系在两亲分子膜上下两侧具有电势差，当单链DNA通过纳米孔蛋白时，由于单链DNA 上不同碱基的结构各异，因此不同碱基穿过纳米孔蛋白时，会引起两亲分子膜的电阻率发生改变，进而引起电流发生变化，从而实现将单链DNA上的碱基信息转化为电信号，测量电流的变化量可以识别单链DNA对应的碱基信息，完成基因测序工作，本申请实施例提供了一种生物芯片，具有容纳极性溶剂的反应腔室以及传输信号的电极组件，能够高效精确的传输信号，并且生产工艺简单、生产效率高，具体的，请参考如下说明。

图1为根据本申请一个实施例提供的生物芯片的结构示意图；图2示出图1沿A-A的剖面结构示意图。

如图1和图2所示，生物芯片包括基础电路板1、反应腔定义层2以及反应电极层3。

基础电路板1，可以是普通的PCB电路板或为具有电信号传输功能的板状电路，基础电路板1具有第一表面1a，基础电路板1内按阵列设有多条导线，导线的一端从第一表面1a伸出形成连接电极，基础电路板1具有将电信号进行放大的功能或通过与基础电路板连接的外部设备放大，基础电路板1具有将电信号传输至其他信号处理设备的功能。

本申请提供的生物芯片中，采用PCB板制作的基础电路板1，不采用硅等半导体材料，具体的，基础电路板1直接采用PCB电路板整体结构作为基础电路板1；或者采用陶瓷材料制作的基础电路板1，可以用陶瓷板作为基底，在陶瓷基底上按阵列排布多个电极而成。

采用上述的结构，一方面可以降低成本，另一方面，可以使反应电极的选择范围更广，可以使用银、铜等成本较低、易于加工的金属材料，而不限于铂和金，并且，基础电路板1的材质采用陶瓷制作或直接使用PCB 板制作，还能使电极如银在使用特定工艺制备时厚度较厚、疏松多孔、比表面积更大，以利于提高电极反应效率和延长反应持续时长，而采用硅作为基础电路板的材质时，现有制备工艺很难达到以上两方面的效果。

反应腔定义层2设于第一表面1a，反应腔定义层2包括沿自身厚度方向上贯穿的一个或多个反应腔室201，每个反应腔室201均可以容纳极性溶剂，为基因测序工作提供反应空间，反应腔定义层2，可以采用光刻胶在基础电路板上进行光刻图形化而形成。

反应电极层3包括一个或多个电极组件301，电极组件301与反应腔室 201对应设置，电极组件301位于反应腔室201的朝向第一表面1a的一端开口设置，反应电极层3可以在极性溶剂的电化学体系下进行持续的氧化还原反应，在反应腔室201中形成反应电势差，以引导DNA单链分子朝向反应腔室201中移动，并且，反应电极层3与基础电路板1电连接，可以将反应的化学信号转变为电信号并传输至基础电路板1，以进行下一步的数据处理。

根据本申请实施例的生物芯片，在基础电路板1的第一表面1a上直接设置反应腔定义层2，用于形成供测试电解液进行测试的反应腔室201，并且对应每个反应腔室201设置反应电极层3，将反应腔室201中进行的反应产生的电信号传输至基础电路板1中，通过基础电路板1进行放大(或通过与基础电路板1连接的外部设备放大)、传输，本申请的生物芯片生产工艺简单，生产效率高。

在一些实施例中，电极组件301包括层叠设置的反应电极301a和连接电极301b，电极组件301通过连接电极301b与基础电路板1电连接，反应电极301a遮住反应腔室201的朝向第一表面1a的一端开口设置，反应电极301a与反应腔室201内的液体接触，连接电极301b与芯片外部的电路连接，连接电极301b为起到电信号传输的电极，反应电极301a为可在电化学体系下发生氧化还原反应的电极，反应电极301a能够与反应腔室 201内的极性溶剂发生电化学反应交换电子，从而在每个两亲分子膜两侧分别形成电势差，以引导DNA单链分子朝向反应腔室201中的两亲分子膜移动，连接电极301b，用于在DNA分子通过纳米孔的过程中，将其产生的电信号传输至基础电路板1。

在一些实施例中，连接电极301b设于基础电路板1上，反应电极301a 设于连接电极301b背离基础电路板1的一侧，连接电极301b设于基础电路板1上能够便于数据传输，反应电极301a设置在靠近反应腔室201的一侧能够便于与其中的极性溶剂接触构成电化学反应体系。

在一些实施例中，生物芯片还包括隔离层4，反应电极层3中的各反应电极301a通过隔离层4绝缘隔离，绝缘隔离层4为绝缘结构层，将多个反应电极301a相互分隔，每个反应电极301a对应一个反应单元，通过绝缘隔离层4能够防止相邻的反应单元之间的相互干扰，提升测序的精确性，隔离层4的材料可以采用陶瓷、玻璃或有机材料制成以代替硅晶片。

采用陶瓷材料以及玻璃材料制作隔离层4，这两种材料为无机材料具有较好的绝缘性能以及耐腐蚀性能，并且原材料简单易得，通过将反应电极层3预先设于隔离层4上，再直接在陶瓷材料上进行光刻工艺形成反应腔定义层2；或者先在陶瓷材料上进行光刻工艺形成反应腔定义层2之后，再将反应电极301a与隔离层4连接，上述的制作工艺能够缩短芯片的制成周期和降低成本，采用有机材料制作隔离层4，可以预先将反应电极材料与有机材料设置于一体，或者直接采用相匹配的PCB板进行制作，并在 PCB板上形成反应腔定义层2，同样能够有效的缩短生物芯片的制成周期并降低生产成本。

在一些实施例中，隔离层4设于反应腔定义层2以及基础电路板1之间，隔离层4中设有与反应腔室201对应的电极容纳腔401，电极容纳腔 401在基础电路板1上的正投影完全覆盖反应腔定义层2在基础电路板1上的正投影，电极组件301对应设于电极容纳腔401中，电极容纳腔401设于反应腔室201朝向第一表面1a的一侧，极性溶剂能够更好的与电极容纳腔401中的电极组件301进行接触从而发生电化学反应，并且，电极容纳腔401的截面大于反应腔定义层2的截面，防止极性溶剂从反应腔室201 中漏出从而对基础电路板1造成损害。

在一些实施例中，反应电极301a采用金属材料银制成，金属银与氯化银以及极性溶剂可以在电化学体系中发生稳定的氧化还原反应，用于维持电流的持续产生，为测序的持续性和稳定性奠定基础，反应电极301a与电极容纳腔401之间密封连接，反应电极301a可以预先设置于电极容纳腔 401中，以保证电极容纳腔401与反应电极301a之间的密封性能，上述的技术方案，能够更好的防止极性溶剂通过反应电极301a与电极容纳腔401 之间的间隙漏至基础电路板1上。

在一些实施例中，反应电极301a的背离第一表面1a的端面与反应腔室201的底端平齐，反应电极301a的朝向第一表面1a的端面与隔离层4的靠近基础电路板1的一侧平齐，反应电极301a可以为银/氯化银或其他可在电化学体系下进行氧化还原反应的电极材料，反应电极301a可以预设至电极容纳腔401中，形成一个独立的隔离层4结构，在生产时，能够直接在其上进行光刻微阵列结构设置以形成反应腔定义层2，进一步的降低了生产的难度，提升了生产的效率。

如图3所示，在一些实施例中，反应电极301a与连接电极301b之间还设有焊接层5，焊接层5包括多个焊接单元，多个焊接单元对应反应电极301a设置，焊接层5的设置，能够更好的连接反应电极301a与连接电极301b，可以理解的是，在生产的时候可以直接将隔离层4所在的表面通过焊接层5焊接至基础电路板1上，能够使芯片具有量产化的可能。

在一些实施例中，图4是本申请又一个实施例提供的生物芯片的剖面结构示意图，如图4所示生物芯片包括基础电路板1、反应腔定义层2以及反应电极层3，基础电路板1、反应腔定义层2以及反应电极层3与其他实施例中的结构相同，在此不做赘述。

其中，第一表面1a内凹形成多个电极容纳槽101，电极容纳槽101对应反应腔室201设置，电极容纳槽101在基础电路板1上的正投影完全覆盖反应腔室201在基础电路板1上的正投影，即反应腔室201的截面小于或等于电极容纳槽101的截面，以防止反应腔201内极性溶剂与基础电路板内部的连接电极接触发生反应，且电极组件301设于电极容纳槽101中，设置电极容纳槽101能够将电极预设于基础电路板1内，因此在生产时，能够将其进行预先批量生产，提升后续生产环节的效率。

在另一些实施例中，图5是本申请再一个实施例提供的生物芯片的结构示意图，生物芯片包括基础电路板1、反应腔定义层2、反应电极层3，基础电路板1以及反应腔定义层2与其他实施例中的结构相同，在此不做赘述。

基础电路板1中设有电极通道402供连接电极301b沿平行于第一表面 1a的方向与外部设备连接。

如图6所示，基础电路板1的第一表面1a设连接电极301b，反应腔室 201设于连接电极301b背离基础电路板1的一侧，连接电极301b在基础电路板1上的正投影完全覆盖(图6所示具体为大于，也可为等于)反应腔室201在基础电路板1上的正投影，反应电极301a设于反应腔室201朝向第一表面1a的端口处，这样的设置，能够直接在基础电路板1上形成反应电极层3以及反应腔定义层2，且反应电极301a如银在使用特定工艺制备时厚度较厚、疏松多孔、比表面积更大，以利于提高电极反应效率和延长反应持续时长，而采用硅作为基础电路板的材质时，现有制备工艺很难达到以上效果。

在一些实施例中，如图7所示，基础电路板1朝向反应腔定义层2的一侧内凹，形成连接电极容纳槽，连接电极容纳槽用于容置连接电极301b，将反应电极301a置于容纳腔室201中与反应液进行充分反应，将连接电极 301b设于连接电极容纳槽中，能便于生产和制造。

在另一些实施例中，反应腔室201包括相互连通的反应液容纳腔201a 以及成膜腔201b，反应液容纳腔201a邻近基础电路板1设置，成膜腔201b 设于反应液容纳腔201a背离基础电路板1的一侧，通过设置反应液容纳腔 201a以及成膜腔201b，将反应腔室201分隔成两个部分，容纳腔201a可以用于容纳极性溶剂，成膜腔201b用于形成分子膜层。

依照本申请如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该申请仅为所述的具体实施例，显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本申请以及在本申请基础上的修改使用，本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种生物芯片，其特征在于，包括：

基础电路板，具有第一表面；所述基础电路板为PCB板或采用陶瓷材料制成；

反应腔定义层，设于所述第一表面，所述反应腔定义层包括沿自身厚度方向上贯穿的反应腔室；

反应电极层，包括电极组件，所述电极组件与所述反应腔室对应设置，所述电极组件设于所述反应腔室的朝向所述第一表面的一端开口处，

其中，所述反应电极层与所述基础电路板电连接。

2.根据权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述电极组件包括层叠设置的反应电极和连接电极，所述电极组件通过连接电极与所述基础电路板电连接。

3.根据权利要求2所述的生物芯片，其特征在于，所述连接电极设于所述基础电路板上，所述反应电极设于所述连接电极背离所述基础电路板的一侧，

和/或，所述反应电极遮住所述反应腔室的朝向所述第一表面的一端开口设置。

4.根据权利要求2所述的生物芯片，其特征在于，还包括隔离层，所述反应电极层中的各所述反应电极通过所述隔离层绝缘隔离。

5.根据权利要求4所述的生物芯片，其特征在于，所述连接电极背离所述第一表面的一侧与所述隔离层密封贴合，且所述连接电极在所述基础电路板上的正投影完全覆盖所述反应电极在所述基础电路板上的正投影；

和/或，所述隔离层的材质为陶瓷、玻璃或有机材料中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的生物芯片，其特征在于，所述隔离层设于所述反应腔定义层以及所述基础电路板之间，所述隔离层中设有与所述反应腔室对应的电极容纳腔，所述电极容纳腔在所述基础电路板上的正投影完全覆盖所述反应腔定义层在所述基础电路板上的正投影，所述电极组件对应设于所述电极容纳腔中。

7.根据权利要求6所述的生物芯片，其特征在于，所述反应电极采用金属银制成，且所述反应电极与所述电极容纳腔之间密封连接；

和/或，所述反应电极与所述连接电极之间设焊接层。

8.根据权利要求4所述的生物芯片，其特征在于，所述反应电极的背离所述第一表面的端面与所述反应腔室的底端平齐，所述反应电极的朝向所述第一表面的端面与所述隔离层的靠近所述基础电路板的一侧平齐。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的生物芯片，其特征在于，所述第一表面内凹形成多个电极容纳槽，所述电极容纳槽对应所述反应腔室设置，

所述电极容纳槽在所述基础电路板上的正投影完全覆盖所述反应腔室在所述基础电路板上的正投影，且所述电极组件设于所述电极容纳槽中。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的生物芯片，其特征在于，所述反应腔室包括反应液容纳腔以及成膜腔，所述反应液容纳腔邻近所述基础电路板或隔离层设置，所述成膜腔设于所述反应液容纳腔背离所述基础电路板或隔离层的一侧。

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