专利名称：用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离体心脏电生理检测以及用于药物作用分析的生物传感器，特别
涉及一种检测离体小鼠心脏的光寻址电位传感器。
背景技术：
在药物监测筛选中，动物活体试验由于生物信号复杂、影响因素多、成本高，因此很难进行大批量药物的筛选。细胞传感器作为一种新型的传感器，具有高通量，成本低，试验周期短等优点，因此被大量使用在药物的初步筛选中。但是在细胞层面的药物作用效果跟实际的在人体和动物体内的药物作用效果往往会有很大的不同，相比之下，在组织器官水平下的药物筛选和动物体具有更高的相似性。目前，微电极阵列(MEA)用于离体心脏电位检测时能够有效地测量心脏的起搏特点以及电兴奋传导特性，但是会受到测量位点的限制，心脏必须与特定测量位点紧密接触才能被检测到。光寻址电位传感器作为一种新型的半导体器件，具有高灵敏度，响应快，良好的生物兼容性，最重要的是光寻址的功能，有效地克服了 MEA等传统电生理检测器件的测量位点的限制，因此在细胞生理测量中得到了广泛的应用。但是，用于细胞电位监测的光寻址电位传感器必须采用正面照射，当此类传感器用于心脏监测时，则由于心脏不透光而导致无法实现。背光照射的光寻址电位传感器一般用于细胞代谢监测，用于电位信号的检测较少，而且传感器的硅基底厚度一般在lOOym以下，机械强度差，容易碎裂，加工和封装难度较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种易于加工和封装的用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器。 光寻址电位传感器是基于硅基底的半导体器件，其加工过程与传统微电子加工完全兼容。背光照射的光寻址电位传感器需要对硅片进行减薄来提高响应，但是传统的光寻址电位传感器在加工过程中，硅片厚度过薄会降低芯片的机械强度，带来很大的加工难度。为解决这个问题，本发明使用局部减薄的方法。 光寻址电位传感器具有光寻址的功能，即测量点由光照区域决定，局部减薄后，控制光照区域仅在减薄区域使其成为测量区域，因此，局部减薄的光寻址电位传感器芯片具有与整体减薄光寻址电位传感器同样的响应幅度。未减薄的部分作为支撑，使得局部减薄芯片的整体机械强度远大于整体减薄的基底，因此，在加工过程中不易碎裂，具有更好的工艺兼容性。 具体地说，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是该用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器主要包括参考电极、封装在腔体中的光源和传感器芯片，所述腔体的上腔体内设有贮液槽，该贮液槽的底部为传感器芯片的绝缘层，参考电极置于贮液槽内的测试液中，所述腔体的下腔体内设有放置光源的第一凹槽，其特征是在所述传感器芯片的工作电极和基底的中心位置设有第二凹槽，该第二凹槽贯穿工作电极且设于基底内，第二凹槽的正上方为基底的测量区，第二凹槽与第一凹槽连通；所述贮液槽、基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的中心轴线相同。 进一步地，本发明所述贮液槽、基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的内径相等。 进一步地，本发明所述传感器芯片的基底的测量区的厚度为50 lOOym。 本发明的光寻址电位传感器作为监测心脏电生理状态的应用是将该光寻址电位
传感器用于监测离体小鼠心脏的表面电位。 与现有技术相比，本发明的有益效果是 (1)由于设有第二凹槽，使得基底的测量区的厚度可以做得较薄以保证传感器有较高灵敏度，而测量区以外的部分可以做得较厚以用于支持基底，从而在保证传感器的机械强度的前提下，有效地提高其灵敏度，并减小加工和封装时的难度。
(2)采用组合式腔体，可快速封装，并易于更换传感器芯片. (3)本发明的贮液槽、传感器芯片的基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的中心轴线相同，保证了贮液槽所在区域都可做为测量点，当离体小鼠心脏放置在贮液槽内并与传感器芯片表面任意一点形成有效接触，则传感器能够响应此测量点的小鼠心脏电位变化，达到有效监测离体小鼠心脏的目的。向贮液槽内通入含有药物的溶液，观察传感器检测到的小鼠心脏生理状态变化，则能够有效地进行药物作用的分析。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的光寻址电位传感器检测心脏电位的原理示意图； 图2为本发明的光寻址电位传感器的整体结构示意图； 图3为本发明的光寻址电位传感器记录的离体小鼠心脏的电位信号图(a)整体电位信号图，(b)峰型提取结果图； 图4为本发明的光寻址电位传感器在贮液槽中加入盐酸胺碘酮后记录的离体小鼠心脏的电位信号图(a)整体电位信号图，(b)峰型提取结果图； 图5为本发明的光寻址电位传感器在贮液槽中加入肾上腺素后记录的离体小鼠心脏的电位信号图(a)整体电位信号图，(b)峰型提取结果图； 图中1.心脏，2.参考电极，3.工作电极，4.基底，5. 二氧化硅层，6.氮化硅层，7.光源，8.基底的测量区，9.第二凹槽，IO.传感器芯片，ll.贮液槽，12.第一凹槽，13.上腔体，14.下腔体，15.接线引脚，16.密封垫圈。
具体实施例方式(1)传感器芯片的制备 本发明选取n型的硅片作为基底材料，化学清洗后进行光刻和湿法腐蚀将硅基底背面中心圆形的区域减薄。减薄完成后将硅片氧化形成二氧化硅，然后用PECVD沉积氮化硅。刻蚀去除硅片背面的Si0ySi3N4后，在背面溅射金属并刻蚀去除掉减薄区域部分后作为工作电极3，制备好的光寻址电位传感器芯片划为小正方形作为实验单元。在图2所示的实施例中，通常选取的硅基底厚度为400 500 ii m，电阻率一般选在10 Q wm左右，制备好的单个传感器芯片10的尺寸可为lcmX lcm，从正面到反面依次为氮化硅层6 (绝缘层)、氧化硅层5 (绝缘层)、基底4和工作电极3。氮化硅层6的厚度一般为50 100nm ;氧化硅层5 厚度一般为30 50nm ;工作电极3 —般采用铝或者金，厚度一般为300nm。传感器芯片10 的工作电极3和基底4的中心位置设有第二凹槽9。第二凹槽9贯穿工作电极3并延伸至 基底4内但不贯穿基底4，使得在基底4内与第二凹槽9正对的未被贯穿的部分形成基底的 测量区8。第二凹槽9的直径一般在6mm左右。基底的测量区8的厚度一般控制在100 y m 以下以保证测量灵敏度，厚度高于100 ii m会导致光在基底传播的大量损耗，引起灵敏度的 下降。当基底的测量区8的厚度为50 100 ii m时，本发明光寻址电位传感器同时兼具较 高的灵敏度和机械强度。 (2)本发明光寻址电位传感器的封装 在图2所示的实施例中，光寻址电位传感器的封装为上下组合式，传感器芯片在 加工成正方形的小单元后，无需附加处理便能直接组合封装在腔体内，方便了芯片的更换 以及清洗。 传感器芯片10封装在腔体内时，传感器芯片10正面的氮化硅层6通过密封垫圈 16与上腔体13密封连接，背面的工作电极3与下腔体14紧密耦合形成良好接触。上腔体 13设有贮液槽ll，贮液槽11的底部为传感器芯片10的氮化硅层6(绝缘层)，参考电极2 置于贮液槽11内。下体14内设有第一凹槽12，第一凹槽12与第二凹槽9连通使第一凹 槽12内的光源7能直接照射到基底的测量区8。贮液槽11、基底的测量区8、第二凹槽9和 第一凹槽12必须保持中心轴线相同。若使贮液槽11、基底的测量区8、第二凹槽9和第一 凹槽12的内径相等，可保证与贮液槽11所在区域相对的传感器芯片10的表面均为有效测 量区域；且所述内径最好均为6mm以使贮液槽11的体积大小适合离体的小鼠心脏。下腔体 14的底部设有电极引脚15，分别电连接到光源7、工作电极3和参考电极2，以方便本发明 的光寻址电位传感器与外接电源进行电连接。上腔体13和下腔体14 一般选用teflon材 料，容易加工且具有良好的生物相容性，贮液槽11的高度一般为8mm左右，参考电极2 —般 选用铂材料，光源7 —般采用红外发光二极管或者红光二极管。
(3)小鼠心脏离体及药物 小鼠心脏离体选用出生10 15天，体重20g左右的小鼠，腹腔麻醉后，开胸迅速 取出心脏置于苔氏液中除去血液，立即以心室部分朝向传感器表面放置于传感器贮液槽ll 中进行测量。 药物苔氏液(138mmol/L NaCl，29,l/L KCI，12,1/L NaHC03， 0. 36mmo1/ LNa^P(V5mmol/L葡萄糖，pH7. 4);盐酸胺碘酮溶液由杭州赛诺非安万特民生制药有限 公司生产的盐酸胺碘酮片用苔氏液配制，浓度为lOym;实验用的肾上腺素为按体积比 1 : 10000添加肾上腺素到苔氏液中得到的溶液。
(5)离体小鼠心脏监测及药物试验 如图l所示，本发明用于检测离体小鼠心脏电位时，在贮液槽ll内加入测试液，参 考电极2置于测试液中；将直流外接电源与本发明的参考电极2和传感器芯片10的工作电 极3分别连接；光源7照射基底的测量区8 ;将刚离体的心脏1置于贮液槽11内正对基底 的测量区8的位置。参考电极2 —般采用铂电极，光源7 —般采用红外，或者波长较长的红 光。 由于贮液槽11体积与选用的小鼠心脏体积相仿，因此，离体小鼠心脏能立即充盈整个贮液槽11并与传感器表面形成良好的接触以进行信号的记录。记录到的离体小鼠心 脏的表面电位信号见图3。从图3可以观察到规律的动作电位信号，得到的信噪比大于10， 放电频率为每O. 8 1. 8s —次。从峰形提取的结果可以看出，所提取的三极形峰形具有良 好的相似性，整体时程约为70ms，与正常心电图的QRS峰群时程相似。由于没有给离体心脏 提供灌流，长时间的测量表明信号的强度和频率都会持续变小，但是时程基本不发生变化。
在对工作点的测量结束后，向贮液槽11中加入浓度为10 ii m的盐酸胺碘酮溶液。 图4为加入盐酸胺碘酮6分钟后测到的信号，与图3中的信号相比，正负向峰峰值基本保持 一致，但是放电频率和时程发生了较明显的变化。放电频率从每0. 8 1. 8s —次降至每 3 10s—次，这很有可能是由于心脏活性减弱引起，与空白对照组类似，无法确定是否由 于药物引起。但是，电位峰的时程从约70ms延长至约100ms，并且延长的主要时段为正相峰 时长。由于空白试验表明时间延长无法改变电位时程，因此心脏电位时程的延长是由药物 作用所引起。 加入盐酸胺碘酮溶液8分钟后，心脏电位幅度开始持续下降并且放电频率小于8s 一次，时程也增加至大于100ms。此时将l : 10000浓度的肾上腺素加入到腔体，测量到的 信号如图5所示。由图中可以看出，加入肾上腺素后，峰值并没有增大，时程依然保持大于 100ms，但是放电频率由8s以上一次增加到2s左右一次，可以确定这是由于肾上腺素对于 心脏的剌激作用所引起的。由试验结果可以看出，该传感器能够有效的监测离体小鼠心脏 的表面电位，对心脏电位活动具有效用的药物，例如延长电位时程，改变放电频率等，都能 通过本传感器进行有效的筛选和验证。
权利要求
一种用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器，它包括参考电极、封装在腔体中的光源和传感器芯片，所述腔体的上腔体内设有贮液槽，该贮液槽的底部为传感器芯片的绝缘层，参考电极置于贮液槽内的测试液中，所述腔体的下腔体内设有放置光源的第一凹槽，其特征是在所述传感器芯片的工作电极和基底的中心位置设有第二凹槽，该第二凹槽贯穿工作电极且设于基底内，第二凹槽的正上方为基底的测量区，第二凹槽与第一凹槽连通；所述贮液槽、基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的中心轴线相同。
2. 根据权利要求1所述的用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器，其特征是所 述贮液槽、基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的内径相等。
3. 根据权利要求1或2所述的用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器，其特征是 所述传感器芯片的基底的测量区的厚度为50 100 ym。
4. 一种权利要求1所述的光寻址电位传感器作为监测心脏电生理状态的应用，其特征 是该光寻址电位传感器用于监测离体小鼠心脏的表面电位。
全文摘要
本发明公开了一种用于离体小鼠心脏监测的光寻址电位传感器及其监测离体小鼠心脏的表面电位的应用。本发明包括参考电极、封装在腔体中的光源和传感器芯片，腔体的上腔体内设有贮液槽，该贮液槽的底部为传感器芯片的绝缘层，参考电极置于贮液槽内的测试液中，腔体的下腔体内设有放置光源的第一凹槽，在传感器芯片的工作电极和基底的中心位置设有第二凹槽，该第二凹槽贯穿工作电极且设于基底内，第二凹槽的正上方为基底的测量区，第二凹槽与第一凹槽连通；贮液槽、基底的测量区、第二凹槽和第一凹槽的中心轴线相同。本发明易于加工和封装、能有效用于离体小鼠心脏监测。
文档编号G01N33/15GK101732046SQ200910154850
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者余辉, 刘清君, 王平 申请人:浙江大学