电极可重复使用的pcr芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种生物微机电系统领域的技术，具体是一种聚合酶链式反应(PCR)芯片。
【背景技术】
[0002]聚合酶链式反应(PCR)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，一般由高温变性、低温退火和适温延伸三步反应组成一个周期，循环进行扩增反应。作为基因检测的最重要方式，PCR技术及其仪器在医学和生物学中得到了广泛应用。然而传统PCR仪普遍存在设备笨重、昂贵，不易携带，加样操作复杂繁琐，样品消耗高(一般最小反应体积为20uL)，反应时间长(2?3h)等缺点，大大限制了它的广泛应用。并且传统PCR仪通常采用板孔反应载体，可对多个反应管内的样本统一温控，但不能对单个反应管的温度进行单独控制。因此，基于微机电系统(MEMS)制作的PCR生物芯片由于体积小、控温灵活、扩增效率高、制造成本低等优点一出现便得到了快速发展。静态腔室PCR芯片的基本结构主要包括:反应腔室、加热元件和温度传感元件。形成反应腔室的键合结构分为:硅-玻璃键合结构、硅-硅键合结构、玻璃或硅-聚合物(如PDMS、PMMA, PET、SU - 8等)键合结构等，一般通过在键合结构中一侧的玻璃、硅或聚合物基片上制作形成反应腔室的凹坑。加热、传感电极多采用多晶硅、铂金(Pt)等热阻线性度好的薄膜材料，集成制作在硅或玻璃衬底上。这些PCR芯片多为反应腔室和加热、传感电极集成在一起，整个PCR芯片(包括:加热、传感电极)多为一次性使用，成本高。
[0003]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102994369A公开(公告)日2013.03.27，公开了一种用于PCR快速反应的芯片结构，包括至上而下依次设置的盖片、介质层、PCR芯片和外部加热结构，盖片上加工有通孔，PCR芯片上设有微腔孔，PCR芯片上覆介质层，介质层通过盖片上的通孔呈现负压吸附盖片，PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触；PCR芯片可以是一层结构，直接加工出微腔孔；或者是多层结构，在至少一层上加工出微腔孔，再与另一基材复合。但该PCR芯片结构没有集成温度传感电极；同一个外部加热结构同时加热多个反应微腔孔，各个微腔孔的温度不能单独控制。
[0004]中国专利文献号CN1804043公开(公告)日2006.07.19，公开了一种微型聚合酶链式反应(PCR)芯片系统及其制备方法，该PCR芯片包括若干个用于DNA扩增的阱式反应池，反应池通过若干流道与进出液口连接。在芯片上集成微加热器和微传感器，通过温度循环控制系统进行DNA扩增。可以在该芯片上设置微泵，在反应池入口处设置微阀，用于DNA引物的导入及反应池间的隔离。也可以在上述系统中设置荧光激发光源、荧光探测装置及荧光信号检测分析系统进行PCR产物的荧光在位检测。采用MEMS技术加工技术或微模型制备该芯片系统，该生物芯片系统提供了高通量和快速的DNA扩增手段，并具有便于携带、成本低和性能可靠的优点。但该技术结构复杂；衬底芯片(集成加热、传感电极)和芯片封盖(含微反应池)通过阳极键合或聚合物键合形成永久键和的整体结构PCR芯片，不能多次使用，成本高；各个微反应池的温度不能单独控制。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术存在的上述不足，发明了一种电极可重复使用的PCR芯片，使用后加热、传感电极芯片和反应腔室芯片可分离，并且电极芯片可重复使用，尤其对于使用贵金属铂(Pt)的电极，PCR芯片的制造成本大为降低；发明了温度相互干扰小的阵列式多反应腔室PCR芯片结构，可在不同温控条件下进行多种基因的并行扩增。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明PCR芯片由上而下包括:腔室芯片和电极芯片两个部分，其中:腔室芯片包括:设有腔室结构的聚合物盖片和上基板；电极芯片包括:绝缘钝化层、至少一个金属电极组合和下基板，其中:聚合物盖片和上基板之间构成的腔室结构位于对应的金属电极组合的正上方。
[0007]所述的腔室芯片和电极芯片在所述的上基板和绝缘钝化层之间通过导热硅脂薄层相贴合以实现可分离的结构和电极芯片的可重复使用。
[0008]所述的电极芯片上的金属电极组合包括:加热电极、传感电极和电极引脚，其中:加热电极、传感电极均为若干次弯折的条状结构，加热电极所形成的加热电极区域包括:线宽部分和缝隙部分。所述的金属电极组合采用双层薄膜金属材料制成，包括:与玻璃基板结合的粘附层金属铬(Cr)或钛(Ti)材料和热阻层金属铂(Pt)。
[0009]所述的传感电极的尺寸小于加热电极的尺寸并嵌入放置于弯折条状结构加热电极中部的缝隙中；所述的加热电极的中部线宽大于两端线宽，且加热电极区域外围，即对应腔室的外围部分的线宽边缘部分设有开放镂空面积和线宽内部设有封闭镂空面积。
[0010]所述的腔室芯片的上基板为厚度0.1?0.2mm的薄玻璃片。
[0011]所述的上基板为透明玻璃制成，其厚度尺寸能实现传热效率和刚度的兼顾。
[0012]所述的腔室片的聚合物盖片，材料为PDMS、PMMA, PET等光学透明聚合物材料中的一种，其上设置的腔室结构包括凹坑腔室、凹陷通道、注样口和出样口，其中所述的凹坑腔室的形状为长菱形。
[0013]当具有两个以上金属电极组合和腔室时，在所述的下基板上设置用于减少各阵列电极组合之间的相互温度干扰的隔热槽。
[0014]本发明涉及上述PCR芯片的制备方法，均采用MEMS微加工工艺制造，包括:电极芯片工艺、腔室芯片工艺和贴合工艺:
[0015]电极芯片制备工艺:
[0016]1.1)在下基板上通过磁控溅射依次沉积Cr和Pt薄膜；
[0017]1.2)光刻，干刻图形化Cr/Pt薄膜，去胶，获得金属电极组合；
[0018]1.3)化学或物理气相沉积氧化硅或氧化铝薄膜钝化层；
[0019]1.4)光刻、湿法刻蚀获得金属电极组合中的裸露的金属引脚；
[0020]1.5)完全切片以获得单个电极芯片或切半厚获得带有隔热槽整片电极芯片。
[0021]腔室芯片制备工艺:
[0022]2.1)在上基板上沉积2微米厚的金属钛并氧化；
[0023]2.2)旋涂SU - 8光刻胶进行UV曝光光刻，获得相应于腔室形状的SU - 8结构模具;
[0024]2.3)配制PDMS预聚物液体浇注在SU - 8结构模具上获得交联固化的PDMS膜；
[0025]2.4)从SU - 8结构模具上揭膜获得带腔室结构的PDMS盖片；用PDMS预聚物将制备的PDMS盖片粘贴于上基板并交联固化，从而获得键合的PDMS腔室芯片。
[0026]贴合工艺:在获得的电极芯片上均匀涂覆导热硅脂薄层，套准电极芯片上的对准符号后贴合腔室芯片。
技术效果
[0027]与现有技术相比，本发明的加热、传感电极芯片和反应腔室芯片可分离，加热、传感电极芯片可重复使用，采用玻璃基板、聚合物腔室并利用MEMS微加工技术批量制造，PCR芯片的成本大为降低；阵列式多反应腔室PCR芯片结构可在不同温控条件下同时进行多种基因的扩增，而传统PCR仪不能实现此功能。
【附图说明】
[0028]图1为实施例1单腔室PCR芯片组装结构的剖面示意图；
[0029]图2为单腔室PCR芯片的分解立体结构示意图；
[0030]图3为金属电极组合的结构示意图；
[0031]图4为实施例2阵列式多腔室PCR芯片的剖面结构示意图；
[0032]图5为阵列式多腔室PCR芯片的俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0034]如图1、图2所示，本实施例为单个腔室的PCR芯片，由上而下依次包括:腔室芯片I和电极芯片2两个部分。其中所述的腔室芯片I包括:设有腔室结构9的聚合物盖片8和上基板7;所述的电极芯片I包括:绝缘钝化层6、金属电极组合5和下基板4。其中:所述的聚合物盖片8和上基板7之间构成的腔室结构9位于对应的金属电极组合5的正上方。
[0035]所述的腔室芯片I和电极芯片2在上基板7和绝缘钝化层6之间通过导热硅脂薄层3相贴合。
[0036]所述的电极芯片I上的金属电极组合5包括:加热电极51、传感电极52和电极引脚53。
[0037]所述的金属电极组合5采用双层薄膜金属材料制成，具体包括:与玻璃基板结合的粘附层金属铬(Cr)或钛(Ti)材料和热阻层金属铂(Pt)。
[0038]如图2和图3所示，所述的加热电极51、传感电极52均为若干次弯折的条状结构，加热电极51所形成的加热电极区域包括:线宽部分51a和缝隙部分51b。
[0039]所述的传感电极52的尺寸小于加热电极51的尺寸并嵌入放置于弯折条状结构加热电极中部的缝隙中。
[0040]为提高腔室结构9所在电极中部区域的温度分布均匀性，加热电极51的中部线宽大于两端线宽，且加热电极区域外围的线宽边缘部分设有开放镂空面积51c和线宽内部设有封闭镂空面积51d，通过局部线宽变细提高加热电阻，以使加热电极51四周边缘区域的温度提高，进而进一步提高其所包围的电极中部区域的温度分布均匀性。
[0041]所述的绝缘钝化层6采用但不限于氧化硅、氧化铝等制成，用来保护电极免受环境腐蚀，并提高电极重复使用的耐磨损性。
[0042]所述的腔室芯片的上基板7为厚度0.1?0.2mm的薄玻璃片，如盖玻片等；该薄玻璃片传热快且两侧温差小，有利于均匀化加热腔室结构9内的液体且不易产生气泡问题。
[0043]所述的腔室芯片的聚合物盖片8采用但不限于PDMS、PMMA、PET等光学透明聚合物材料中的一种，其与上基板7构成的腔室结构9包括:凹坑腔室91、凹陷通道92、注样口 93和出样口 94，其中凹坑腔室91为利