一種生物檢測晶片的製作方法
2023-04-26 11:37:31
本實用新型涉及一種檢測晶片，尤其涉及一種磁致伸縮生物傳感器生物檢測晶片。
背景技術：
諧振式免疫生物傳感器具有高靈敏度、易操作、無需標記等優點，適於直接、實時、原位、在線的痕量生物檢測。磁致伸縮生物傳感器是近年發展起來的新型諧振式傳感器技術，它是基於磁致伸縮原理設計，傳感器本身為一片基於非晶軟磁材料的條狀彈性體，其表面固定一層可與被測微生物發生特異性結合的生物敏感材料。在磁致伸縮效應作用下，交變磁場中的磁致伸縮傳感器會沿長度方向發生受迫諧振，當被測物與傳感器表面的生物敏感層發生特異性免疫吸附時，傳感器的諧振頻率發生變化，其變化大小與傳感器表面吸附的被測物的質量成正比，因此，可以用頻率的變化表徵液相中被檢測物的濃度、數量。如圖1所示，作為無線無源傳感器，磁致伸縮生物傳感器不需要與檢測系統有任何導線連接，同時，在液相檢測中表現出高品質因子，適於液相中實時、高精度的生物檢測。
然而，目前磁致伸縮生物傳感器技術微型化、集成化比較困難。目前普遍使用螺線圈來激勵傳感器振動並檢測傳感器信號響應，螺線圈一般通過手工纏繞方法製備，很難進行微型化和集成化，如圖2(a)所示；另外，螺線圈結構不利於對磁致伸縮生物傳感器陣列進行檢測。薛的文章(C.Xue,C.Yang,T.Xu,J.Zhan,and X.Li,"A wireless bio-sensing microfluidic chip based on resonating'mu-divers',"Lab on a Chip,vol.15,pp.2318-2326,2015.)中，展示了他們製作的基於磁致伸縮生物傳感器的生物檢測晶片，該系統結合了磁致伸縮生物傳感器、微流道系統和螺線圈，實現了晶片級的生物檢測，如圖2(b)，然而在他們的晶片中， 傳感器的檢測使用螺線圈，螺線圈由手工纏繞，製作後嵌入微流系統，晶片製作複雜，費時耗力，不利於批量生產。同時，薛的晶片中，螺線圈一次只能檢測一個傳感器，無法進行傳感器陣列的檢測。Chai等人的文章(Chai,Y.,Horikawa,S.,Wikle,H.C.,Wang,Z.,&Chin,B.A.(2013).Surface-scanning coil detectors for magnetoelastic biosensors:A comparison of planar-spiral and solenoid coils.Applied Physics Letters,103(17),173510.doi:10.1063/1.4826682)中製備了平面結構線圈用於磁致伸縮生物傳感器的檢測，但目前該技術僅僅用於空氣中傳感器的檢測，沒有實現與微流系統的集成；另一方面，磁致伸縮傳感器為無線傳感器，相對於檢測線圈沒有固定連結，在外加磁場和液體環境中會產生移動，改變傳感器與線圈的相對位置，由於不同位置的磁場分布存在差異，傳感器位置的改變會影響傳感器的諧振頻率的測量，造成誤差。
總之，現有晶片級磁致伸縮生物傳感器技術仍存在以下問題：(1)傳統利用螺線圈技術實現對傳感器激勵和檢測的方法，不利於晶片級檢測系統的集成化，尤其是與微流系統的集成；(2)在液體環境中，尤其在流動的液體中，傳感器相對於線圈的位置容易發生變化，從而影響液體環境中檢測結果的準確性；(3)已有的依賴於螺線圈的檢測系統不利於傳感器陣列的測量。
有鑑於上述的缺陷，本設計人，積極加以研究創新，以期創設一種生物檢測晶片，使其更具有產業上的利用價值。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本實用新型的目的是提供一種生物檢測晶片，該生物檢測晶片集成平面線圈、微流系統和磁致伸縮生物傳感器/磁致伸縮生物傳感器陣列，作為微型傳感器/傳感器陣列生物檢測晶片，該晶片精度高、易集成、抗幹擾、可批量製備、成本低、可同時獲取多個傳感量信息。
本實用新型的一種生物檢測晶片，自下而上依次為基片層、平面 線圈層、定位層、微流系統層以及放置在定位層與微流系統層之間的一個或多個磁致伸縮生物傳感器，所述定位層上設有用於固定所述傳感器的一個或多個定位槽；所述傳感器的長度方向垂直於所述平面線圈層中平面線圈的平行導線；所述微流系統層包括有朝向所述傳感器的檢測區、與檢測區連通的微流甬道，所述微流甬道端部分別設有流體出口和流體入口，所述檢測區與所述檢測區覆蓋的定位層構成檢測室；其中定位槽深度為傳感器厚度的50-300％(約15-100μm)，優選20μm；多個定位槽呈陣列式排列；所述傳感器包括矩形磁致伸縮合金薄片，薄片長度為寬度5倍以上，為厚度30倍以上，所述磁致伸縮生物傳感器表面覆蓋有一層生物識別物質(比如：噬菌體、抗體等)，即可與被測微生物發生特異性結合的生物敏感材料。
進一步的，所述平面線圈層具有一個或多個與傳感器對應的平面線圈，所述平面線圈的兩端分別通過接線引線連接有接線電極；其中平面線圈中導線材料優選Cu，厚度為8-12μm，優選10μm。
進一步的，所述基片層為玻璃、矽、石英、環氧樹脂、PMMA或PDMS等絕緣材料；優選玻璃。
進一步的，所述定位層的材料為光刻膠；優選SU8系列光刻膠。
進一步的，所述微流系統層由固化型聚合物(如PDMS、環氧樹脂、聚氨酯等)、熱塑性聚合物(如PMMA、聚碳酸酯等)、溶劑揮發性聚合物(如丙烯酸、橡膠、氟塑料等)、玻璃或石英，如PDMS材料、環氧樹脂等材料製得；優選PDMS材料。
本實用新型所述生物檢測晶片的製備方法，包括以下步驟：
(1)在基片上採用微加工工藝製備平面線圈層，可採用光刻工藝或薄膜沉積法；
(2)在步驟(1)中得到的所述平面線圈層上覆蓋絕緣材料作為定位層，並在所述定位層上開設一個或多個用於固定傳感器、且與所述平面線圈對應的定位槽；其中，定位層材料優選SU8光刻膠，其中多 個所述定位槽呈陣列式排列；
(3)製備微流系統層，並將微流系統層下表面與定位層粘連或鍵合，使所述檢測區的位置與所述定位槽的位置對應，將所述傳感器注入所述微流甬道中，並利用外加磁場移動所述傳感器至所述定位槽中，得到所述生物檢測晶片；其中，傳感器包括矩形磁致伸縮合金薄片，薄片長度為寬度5倍以上，為厚度30倍以上，表面覆蓋有一層生物識別物質，即可與被測微生物發生特異性結合的生物敏感材料。
進一步的，所述步驟(3)也可先將所述傳感器直接放置於所述定位槽中，再將微流系統層下表面與定位層粘連或鍵合，使所述檢測區的位置與所述定位槽的位置對應，得到所述生物檢測晶片。
進一步的，步驟(1)中，通過濺射工藝在所述基片上形成電鍍種子層，所述的基片為玻璃或矽等絕緣材料，電鍍種子層的材料為Cu層，優選Ti/Cu，其中Ti(厚9-11nm，優選10nm)在下層，Cu(厚18-22nm，優選20nm)在上層，其中Ti用於加強Cu與玻璃之間的吸附力，通過光刻工藝(包括勻膠(優選AZ4620光刻膠)、曝光、顯影)在電鍍種子層上裸露出平面線圈、以及與所述平面線圈的外側接線引線連接的接線電極的圖形，在裸露的電鍍種子層上通過電鍍工藝電鍍導線材料，導線材料優選Cu，厚度為為8-12μm，優選10μm，然後通過洗滌和腐蝕工藝去除光刻膠和光刻膠下的電鍍種子層，得到平面線圈、以及與所述平面線圈的外側接線引線連接的接線電極；在平面線圈上覆蓋絕緣材料，優選SU8光刻膠，並經光刻工藝暴露出平面線圈的中心及兩接線電極的位置，且通過濺射、光刻、電鍍、洗滌和腐蝕工藝製得平面線圈的中心接線引線以及與中心接線引線連接的接線電極。
進一步的，步驟(2)中，在定位層上通過光刻工藝製得定位槽，其中定位槽深度為傳感器厚度的50-300％(約15-100μm)，優選20μm，定位槽的位置事先通過電磁場仿真確定，保證定位槽位於檢測信號最 好的位置。
進一步的，步驟(3)中，通過模具澆鑄工藝獲得微流系統層，其中，所述微流系統層的材料優選PDMS材料，首先製備微流系統層結構的模具，通過在模具上澆鑄微流系統層的材料，待固化後脫模，獲得微流系統層。
本實用新型中，基片層、平面線圈層和定位層構成了生物檢測晶片的底層。本實用新型利用二維的平面線圈對傳感器進行激勵和檢測，一個平面線圈可同時檢測多個傳感器；平面線圈以及其引線、接線電極通過微加工技術直接製備於基片表面，線圈的線寬、線間距等參數通過光刻工藝精確控制，最小線寬和線間距可小於10um，易於與微流系統集成；平面線圈層可包括一個或多個平面線圈，每個平面線圈均可驅動/測量m*n(m≥1且n≥1)個傳感器，整個平面線圈覆蓋密封有絕緣材料。
在平面線圈上通過覆蓋一層SU8光刻膠形成定位層，在定位層上通過光刻工藝製備定位槽，定位槽的形狀、尺寸和位置由優化設計的掩模決定，光刻工藝可以精確控制定位層厚度以及定位槽與線圈的相對位置；檢測時，將傳感器放置於定位槽中，若定位槽有多個，每個定位槽對應放置一個傳感器；定位槽限制傳感器的移動，但不會影響它的諧振，即使在流體中，傳感器也可以保持與平面線圈的相對位置。
本實用新型的微流系統層優選由PDMS材料通過模具澆鑄製得，通過粘接或鍵合的方法固定在定位層上，微流系統層的下表面與定位層粘連，完成生物檢測晶片的集成；粘連固定過程中，保證微流系統層的樣品檢測區位於定位槽正上方，其中檢測區為位於微流系統層最下層的凹槽，其位置與定位層上的定位槽位置對應，固定後，以定位層為底面、以檢測區為上部結構構成樣品檢測室，定位槽位於檢測室底面，樣品檢測在檢測室中完成。
藉由上述方案，本實用新型至少具有以下優點：
本實用新型集成了磁致伸縮生物傳感器、微流系統、定位層以及平面線圈，實現了晶片級的磁致伸縮生物傳感器在液相中生物檢測技術；本實用新型的晶片易集成、低成本、易於大規模製備，可提供高精度的測量，可實現傳感器陣列的集成和檢測；採用平面線圈驅動傳感器並檢測其響應，平面線圈具有二維結構，可通過微加工的技術(如光刻、薄膜沉積等方法)進行製備，易加工、易集成，從而解決了螺線圈技術不易於低成本、大規模加工，以及很難與微流系統集成的問題，同時，與手工加工的螺線圈相比，通過微加工技術可以極大的提高平面線圈製備的精度(如線寬、線間距等)和重複性，線圈易於微型化，因此，可以大幅度提高檢測的靈敏度、精度；本實用新型採用新穎的定位槽固定傳感器與檢測線圈的相對位置，定位槽採用微加工技術製備，可獲得極高的精度，因此，可防止傳感器在檢測過程中，尤其是在液相流體的檢測環境中，發生移動，從而極大地提高檢測的精度，減小檢測誤差；本實用新型中集成的生物檢測晶片可包含一個或多個平面檢測線圈，每個檢測線圈均可驅動/檢測一個或多個傳感器，因此，可以實現對傳感器陣列的檢測，從而實現對多種生物量、多個傳感量的檢測。
上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。
附圖說明
圖1是磁致伸縮生物傳感器的工作原理示意圖；
圖2是現有技術中生物檢測晶片結構示意圖，其中(a)是用於檢測磁致伸縮生物傳感器的螺線圈結構示意圖；(b)是基於螺線圈的磁致伸縮微流生物檢測晶片結構示意圖；
圖3是本實用新型中生物檢測晶片的立體結構示意圖；
圖4是本實用新型中生物檢測晶片的剖面結構圖；
圖5是本實用新型中生物檢測晶片的平面線圈層及定位層製備工藝流程示意圖；
圖6是本實用新型中生物檢測晶片的平面線圈導線結構示意圖，其中(a)是線圈導線、外側引線及接線電極；(b)平面線圈與接線電極的完整結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。
參見圖3至6，本實用新型一較佳實施例所述的一種生物檢測晶片，如圖3所示，自下而上依次為基片層1、平面線圈層2、定位層3、微流系統層4以及放置在定位層3與微流系統層4之間的一個或多個磁致伸縮生物傳感器5，所述定位層3上設有用於固定所述傳感器5的一個或多個定位槽6；所述傳感器5的長度方向垂直於所述平面線圈層2中平面線圈的平行導線；所述微流系統層4包括有朝向所述傳感器5的檢測區9、與檢測區9連通的微流甬道10，所述微流甬道10端部分別設有流體出口8和流體入口7，所述檢測區9與所述檢測區9覆蓋的定位層3構成檢測室；其中定位槽6深度為傳感器5厚度的50-300％(約15-100μm)，優選20μm；多個定位槽6呈陣列式排列；所述傳感器5包括矩形磁致伸縮合金薄片，薄片長度為寬度5倍以上，為厚度30倍以上，所述磁致伸縮生物傳感器5表面覆蓋有一層生物識別物質，即可與被測微生物發生特異性結合的生物敏感材料。
為更進一步實現對多種生物量、多個傳感量的檢測，所述平面線圈層2具有一個或多個與傳感器5對應的平面線圈11，所述平面線圈的兩端分別通過接線引線連接有接線電極；其中平面線圈中導線材 料優選Cu，厚度為8-12μm，優選10μm。
優選的，所述基片層1為玻璃、矽、石英、環氧樹脂、PMMA或PDMS；優選玻璃。
優選的，所述定位層3的材料為光刻膠；優選SU8系列光刻膠。
優選的，所述微流結構層4由固化型聚合物(如PDMS、環氧樹脂、聚氨酯等)、熱塑性聚合物(如PMMA、聚碳酸酯等)、溶劑揮發性聚合物(如丙烯酸、橡膠、氟塑料等)、玻璃或石英等材料製得；優選PDMS材料。
具體實施例如下：
生物檢測晶片的製備，包括以下步驟：
一、基片層：
基片層1的基片材料為玻璃，玻璃襯底先後用丙酮5min超聲清洗和乙醇5min超聲清洗，吹乾後開始之後的製備。
二、平面線圈層：
(1)在4英寸的玻璃圓片上濺射厚度10nm的Ti和厚度20nm的Cu，作為電鍍種子層在基片上，其中Ti用於加強Cu與玻璃之間的吸附力，如圖5(a)所示；
(2)利用AZ4620光刻膠，經過勻膠、曝光、顯影過程在基片上形成平面線圈的圖形，並將電鍍種子層暴露出來，此處膠厚度為12μm，如圖5(b)所示；
(3)通過電鍍工藝，形成平面線圈11的導線，導線厚度為10μm；電鍍結束後，使用丙酮去除光刻膠，之後通過溼法腐蝕的方法，腐蝕線圈導線之間的電鍍種子層(即在步驟(1)中製備的Ti/Cu層)(圖5(c))；此步完成後，平面線圈的導線以及一端的引線(外側引線12)和接線電極13製備完成，平面線圈導線的另一端位於平面線圈中心，如圖6(a)所示；
(4)選用SU8-3010光刻膠覆蓋平面線圈，並經過勻膠、曝光、 顯影過程將平面線圈導線位於中心的一端和兩個接線電極13的位置暴露出來，線圈的其他部分則被光刻膠完全密封，如圖5(d)所示；
(5)製備平面線圈另一端的引線(中心引線14)及其接線電極，該引線需從位於線圈中心的導線一端引出，如圖5(e)所示，在步驟(4)的基礎上，經過步驟(1)、(2)和(3)同樣的步驟和工藝(濺射、光刻、電鍍工藝、腐蝕工藝)，完成另一端接線電極及其引線(中心引線)的製備，該引線及接線電極製備在步驟(4)所述的SU8-3010光刻膠上，SU8光刻膠起到絕緣的作用；至此平面線圈層製備完成，如圖6(b)所示。
三、定位層：
在平面線圈上覆蓋SU8-3010光刻膠，通過勻膠、曝光、顯影的方法製備出深度為20um的定位槽6，定位槽6的位置事先通過電磁場仿真確定，保證定位槽6位於檢測信號最好的位置，如圖5(f)所示。
四、微流系統層：
微流系統層4由模具澆鑄工藝製得，模具澆鑄工藝具體為：利用PDMS材料製備，首先製備微流系統層結構的模具，通過在模具上澆鑄微流系統層的材料，待固化後脫模，獲得微流系統層，微流系統層包括微流甬道10、檢測區9、流體出口8和流體入口7，其中檢測區為位於微流系統層最下層的凹槽。
五、微流系統層的集成：
微流系統層4的下表面與定位層3粘連，完成生物檢測晶片的集成；固定過程中，保證微流系統層4的樣品檢測區位於定位槽6正上方，固定後，以定位層3為底面、以微流系統層4的檢測區9為上部結構構成樣品檢測室。
六、磁致伸縮生物傳感器的製備：
通過切割磁致伸縮合金薄膜獲得矩形磁致伸縮傳感器；傳感器表 面覆蓋一層生物識別物質(比如：噬菌體、抗體等)，用於特異性捕捉和吸附液體環境中的目標微生物。
七、將傳感器注入微流甬道10中，利用外加磁場移動傳感器5至定位槽中，檢測過程中，被檢測樣品液體通過微流甬道10入口注入檢測室中，進行檢測；檢測可在靜態的液相環境中進行，也可在流體環境中進行。
本實施例的生物檢測晶片可以用於單一傳感器的檢測，也可以用於傳感器陣列的檢測；所用傳感器的數量以及位置由定位槽控制。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，並不用於限制本實用新型，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本實用新型的保護範圍。