一种生物检测芯片及其制备方法与流程

本发明涉及一种检测芯片，尤其涉及一种磁致伸缩生物传感器生物检测芯片及其制备方法。

背景技术：

谐振式免疫生物传感器具有高灵敏度、易操作、无需标记等优点，适于直接、实时、原位、在线的痕量生物检测。磁致伸缩生物传感器是近年发展起来的新型谐振式传感器技术，它是基于磁致伸缩原理设计，传感器本身为一片基于非晶软磁材料的条状弹性体，其表面固定一层可与被测微生物发生特异性结合的生物敏感材料。在磁致伸缩效应作用下，交变磁场中的磁致伸缩传感器会沿长度方向发生受迫谐振，当被测物与传感器表面的生物敏感层发生特异性免疫吸附时，传感器的谐振频率发生变化，其变化大小与传感器表面吸附的被测物的质量成正比，因此，可以用频率的变化表征液相中被检测物的浓度、数量。如图1所示，作为无线无源传感器，磁致伸缩生物传感器不需要与检测系统有任何导线连接，同时，在液相检测中表现出高品质因子，适于液相中实时、高精度的生物检测。

然而，目前磁致伸缩生物传感器技术微型化、集成化比较困难。目前普遍使用螺线圈来激励传感器振动并检测传感器信号响应，螺线圈一般通过手工缠绕方法制备，很难进行微型化和集成化，如图2(a)所示；另外，螺线圈结构不利于对磁致伸缩生物传感器阵列进行检测。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，展示了他们制作的基于磁致伸缩生物传感器的生物检测芯片，该系统结合了磁致伸缩生物传感器、微流道系统和螺线圈，实现了芯片级的生物检测，如图2(b)，然而在他们的芯片中，传感器的检测使用螺线圈，螺线圈由手工缠绕，制作后嵌入微流系统，芯片制作复杂，费时耗力，不利于批量生产。同时，薛的芯片中，螺线圈一次只能检测一个传感器，无法进行传感器阵列的检测。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)中制备了平面结构线圈用于磁致伸缩生物传感器的检测，但目前该技术仅仅用于空气中传感器的检测，没有实现与微流系统的集成；另一方面，磁致伸缩传感器为无线传感器，相对于检测线圈没有固定链接，在外加磁场和液体环境中会产生移动，改变传感器与线圈的相对位置，由于不同位置的磁场分布存在差异，如图3所示，传感器位置的改变会影响传感器的谐振频率的测量，造成误差。

总之，现有芯片级磁致伸缩生物传感器技术仍存在以下问题：(1)传统利用螺线圈技术实现对传感器激励和检测的方法，不利于芯片级检测系统的集成化，尤其是与微流系统的集成；(2)在液体环境中，尤其在流动的液体中，传感器相对于线圈的位置容易发生变化，从而影响液体环境中检测结果的准确性；(3)已有的依赖于螺线圈的检测系统不利于传感器阵列的测量。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种生物检测芯片及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种生物检测芯片及其制备方法，该生物检测芯片集成平面线圈、微流系统和磁致伸缩生物传感器/磁致伸缩生物传感器阵列，作为微型传感器/传感器阵列生物检测芯片，该芯片精度高、易集成、抗干扰、可批量制备、成本低、可同时获取多个传感量信息。

本发明的一种生物检测芯片，自下而上依次为基片层、平面线圈层、定位层、微流系统层以及放置在定位层与微流系统层之间的一个或多个磁致伸缩生物传感器，所述定位层上设有用于固定所述传感器的一个或多个定位槽；所述传感器的长度方向垂直于所述平面线圈层中平面线圈的平行导线；所述微流系统层包括有朝向所述传感器的检测区、与检测区连通的微流甬道，所述微流甬道端部分别设有流体出口和流体入口，所述检测区与所述检测区覆盖的定位层构成检测室；其中定位槽深度为传感器厚度的50-300％(约15-100μm)，优选20μm；多个定位槽呈阵列式排列；所述传感器包括矩形磁致伸缩合金薄片，薄片长度为宽度5倍以上，为厚度30倍以上，所述磁致伸缩生物传感器表面覆盖有一层生物识别物质(比如：噬菌体、抗体等)，即可与被测微生物发生特异性结合的生物敏感材料。

进一步的，所述平面线圈层具有一个或多个与传感器对应的平面线圈，所述平面线圈的两端分别通过接线引线连接有接线电极；其中平面线圈中导线材料优选Cu，厚度为8-12μm，优选10μm。

进一步的，所述基片层为玻璃、硅、石英、环氧树脂、PMMA或PDMS等绝缘材料；优选玻璃。

进一步的，所述定位层的材料为光刻胶；优选SU8系列光刻胶。

进一步的，所述微流系统层由固化型聚合物(如PDMS、环氧树脂、聚氨酯等)、热塑性聚合物(如PMMA、聚碳酸酯等)、溶剂挥发性聚合物(如丙烯酸、橡胶、氟塑料等)、玻璃或石英，如PDMS材料、环氧树脂等材料制得；优选PDMS材料。

本发明所述生物检测芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在基片上采用微加工工艺制备平面线圈层，可采用光刻工艺或薄膜沉积法；

(2)在步骤(1)中得到的所述平面线圈层上覆盖绝缘材料作为定位层，并在所述定位层上开设一个或多个用于固定传感器、且与所述平面线圈对应的定位槽；其中，定位层材料优选SU8光刻胶，其中多个所述定位槽呈阵列式排列；

(3)制备微流系统层，并将微流系统层下表面与定位层粘连或键合，使所述检测区的位置与所述定位槽的位置对应，将所述传感器注入所述微流甬道中，并利用外加磁场移动所述传感器至所述定位槽中，得到所述生物检测芯片；其中，传感器包括矩形磁致伸缩合金薄片，薄片长度为宽度5倍以上，为厚度30倍以上，表面覆盖有一层生物识别物质，即可与被测微生物发生特异性结合的生物敏感材料。

进一步的，所述步骤(3)也可先将所述传感器直接放置于所述定位槽中，再将微流系统层下表面与定位层粘连或键合，使所述检测区的位置与所述定位槽的位置对应，得到所述生物检测芯片。

进一步的，步骤(1)中，通过溅射工艺在所述基片上形成电镀种子层，所述的基片为玻璃或硅等绝缘材料，电镀种子层的材料为Cu层，优选Ti/Cu，其中Ti(厚9-11nm，优选10nm)在下层，Cu(厚18-22nm，优选20nm)在上层，其中Ti用于加强Cu与玻璃之间的吸附力，通过光刻工艺(包括匀胶(优选AZ4620光刻胶)、曝光、显影)在电镀种子层上裸露出平面线圈、以及与所述平面线圈的外侧接线引线连接的接线电极的图形，在裸露的电镀种子层上通过电镀工艺电镀导线材料，导线材料优选Cu，厚度为为8-12μm，优选10μm，然后通过洗涤和腐蚀工艺去除光刻胶和光刻胶下的电镀种子层，得到平面线圈、以及与所述平面线圈的外侧接线引线连接的接线电极；在平面线圈上覆盖绝缘材料，优选SU8光刻胶，并经光刻工艺暴露出平面线圈的中心及两接线电极的位置，且通过溅射、光刻、电镀、洗涤和腐蚀工艺制得平面线圈的中心接线引线以及与中心接线引线连接的接线电极。

进一步的，步骤(2)中，在定位层上通过光刻工艺制得定位槽，其中定位槽深度为传感器厚度的50-300％(约15-100μm)，优选20μm，定位槽的位置事先通过电磁场仿真确定，保证定位槽位于检测信号最好的位置。

进一步的，步骤(3)中，通过模具浇铸工艺获得微流系统层，其中，所述微流系统层的材料优选PDMS材料，首先制备微流系统层结构的模具，通过在模具上浇铸微流系统层的材料，待固化后脱模，获得微流系统层。

本发明中，基片层、平面线圈层和定位层构成了生物检测芯片的底层。本发明利用二维的平面线圈对传感器进行激励和检测，一个平面线圈可同时检测多个传感器；平面线圈以及其引线、接线电极通过微加工技术直接制备于基片表面，线圈的线宽、线间距等参数通过光刻工艺精确控制，最小线宽和线间距可小于10um，易于与微流系统集成；平面线圈层可包括一个或多个平面线圈，每个平面线圈均可驱动/测量m*n(m≥1且n≥1)个传感器，整个平面线圈覆盖密封有绝缘材料。

在平面线圈上通过覆盖一层SU8光刻胶形成定位层，在定位层上通过光刻工艺制备定位槽，定位槽的形状、尺寸和位置由优化设计的掩模决定，光刻工艺可以精确控制定位层厚度以及定位槽与线圈的相对位置；检测时，将传感器放置于定位槽中，若定位槽有多个，每个定位槽对应放置一个传感器；定位槽限制传感器的移动，但不会影响它的谐振，即使在流体中，传感器也可以保持与平面线圈的相对位置。

本发明的微流系统层优选由PDMS材料通过模具浇铸制得，通过粘接或键合的方法固定在定位层上，微流系统层的下表面与定位层粘连，完成生物检测芯片的集成；粘连固定过程中，保证微流系统层的样品检测区位于定位槽正上方，其中检测区为位于微流系统层最下层的凹槽，其位置与定位层上的定位槽位置对应，固定后，以定位层为底面、以检测区为上部结构构成样品检测室，定位槽位于检测室底面，样品检测在检测室中完成。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明集成了磁致伸缩生物传感器、微流系统、定位层以及平面线圈，实现了芯片级的磁致伸缩生物传感器在液相中生物检测技术；本发明的芯片易集成、低成本、易于大规模制备，可提供高精度的测量，可实现传感器阵列的集成和检测；采用平面线圈驱动传感器并检测其响应，平面线圈具有二维结构，可通过微加工的技术(如光刻、薄膜沉积等方法)进行制备，易加工、易集成，从而解决了螺线圈技术不易于低成本、大规模加工，以及很难与微流系统集成的问题，同时，与手工加工的螺线圈相比，通过微加工技术可以极大的提高平面线圈制备的精度(如线宽、线间距等)和重复性，线圈易于微型化，因此，可以大幅度提高检测的灵敏度、精度；本发明采用新颖的定位槽固定传感器与检测线圈的相对位置，定位槽采用微加工技术制备，可获得极高的精度，因此，可防止传感器在检测过程中，尤其是在液相流体的检测环境中，发生移动，从而极大地提高检测的精度，减小检测误差；本发明中集成的生物检测芯片可包含一个或多个平面检测线圈，每个检测线圈均可驱动/检测一个或多个传感器，因此，可以实现对传感器阵列的检测，从而实现对多种生物量、多个传感量的检测。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是磁致伸缩生物传感器的工作原理示意图；

图2是现有技术中生物检测芯片结构示意图，其中(a)是用于检测磁致伸缩生物传感器的螺线圈结构示意图；(b)是基于螺线圈的磁致伸缩微流生物检测芯片结构示意图；

图3现有技术中测量磁致伸缩传感器的平面线圈的激励磁场分布差异图；

图4是本发明中生物检测芯片结构示意图，其中(a)为立体结构图，(b)为剖面结构图；

图5是本发明中生物检测芯片的平面线圈层及定位层制备工艺流程示意图；

图6是本发明中生物检测芯片的平面线圈导线结构示意图，其中(a)是线圈导线、外侧引线及接线电极；(b)平面线圈与接线电极的完整结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。参见图4至6，本发明一较佳实施例所述的一种生物检测芯片，如图4所示，自下而上依次为基片层1、平面线圈层2、定位层3、微流系统层4以及放置在定位层3与微流系统层4之间的一个或多个磁致伸缩生物传感器5，所述定位层3上设有用于固定所述传感器5的一个或多个定位槽6；所述传感器5的长度方向垂直于所述平面线圈层2中平面线圈的平行导线；所述微流系统层4包括有朝向所述传感器5的检测区9、与检测区9连通的微流甬道10，所述微流甬道10端部分别设有流体出口8和流体入口7，所述检测区9与所述检测区9覆盖的定位层3构成检测室；其中定位槽6深度为传感器5厚度的50-300％(约15-100μm)，优选20μm；多个定位槽6呈阵列式排列；所述传感器5包括矩形磁致伸缩合金薄片，薄片长度为宽度5倍以上，为厚度30倍以上，所述磁致伸缩生物传感器5表面覆盖有一层生物识别物质，即可与被测微生物发生特异性结合的生物敏感材料。

为更进一步实现对多种生物量、多个传感量的检测，所述平面线圈层2具有一个或多个与传感器5对应的平面线圈，所述平面线圈的两端分别通过接线引线连接有接线电极；其中平面线圈中导线材料优选Cu，厚度为8-12μm，优选10μm。

优选的，所述基片层1为玻璃、硅、石英、环氧树脂、PMMA或PDMS；优选玻璃。

优选的，所述定位层3的材料为光刻胶；优选SU8系列光刻胶。

优选的，所述微流结构层4由固化型聚合物(如PDMS、环氧树脂、聚氨酯等)、热塑性聚合物(如PMMA、聚碳酸酯等)、溶剂挥发性聚合物(如丙烯酸、橡胶、氟塑料等)、玻璃或石英等材料制得；优选PDMS材料。

具体实施例如下：

生物检测芯片的制备，包括以下步骤：

一、基片层：

基片层1的基片材料为玻璃，玻璃衬底先后用丙酮5min超声清洗和乙醇5min超声清洗，吹干后开始之后的制备。

二、平面线圈层：

(1)在4英寸的玻璃圆片上溅射厚度10nm的Ti和厚度20nm的Cu，作为电镀种子层在基片上，其中Ti用于加强Cu与玻璃之间的吸附力，如图5(a)所示；

(2)利用AZ4620光刻胶，经过匀胶、曝光、显影过程在基片上形成平面线圈的图形，并将电镀种子层暴露出来，此处胶厚度为12μm，如图5(b)所示；

(3)通过电镀工艺，形成平面线圈11的导线，导线厚度为10μm；电镀结束后，使用丙酮去除光刻胶，之后通过湿法腐蚀的方法，腐蚀线圈导线之间的电镀种子层(即在步骤(1)中制备的Ti/Cu层)(图5(c))；此步完成后，平面线圈的导线以及一端的引线(外侧引线12)和接线电极13制备完成，平面线圈导线的另一端位于平面线圈中心，如图6(a)所示；

(4)选用SU8-3010光刻胶覆盖平面线圈，并经过匀胶、曝光、显影过程将平面线圈导线位于中心的一端和两个接线电极13的位置暴露出来，线圈的其他部分则被光刻胶完全密封，如图5(d)所示；

(5)制备平面线圈另一端的引线(中心引线14)及其接线电极，该引线需从位于线圈中心的导线一端引出，如图5(e)所示，在步骤(4)的基础上，经过步骤(1)、(2)和(3)同样的步骤和工艺(溅射、光刻、电镀工艺、腐蚀工艺)，完成另一端接线电极及其引线(中心引线)的制备，该引线及接线电极制备在步骤(4)所述的SU8-3010光刻胶上，SU8光刻胶起到绝缘的作用；至此平面线圈层制备完成，如图6(b)所示。

三、定位层：

在平面线圈上覆盖SU8-3010光刻胶，通过匀胶、曝光、显影的方法制备出深度为20um的定位槽6，定位槽6的位置事先通过电磁场仿真确定，保证定位槽6位于检测信号最好的位置，如图5(f)所示。

四、微流系统层：

微流系统层4由模具浇铸工艺制得，模具浇铸工艺具体为：利用PDMS材料制备，首先制备微流系统层结构的模具，通过在模具上浇铸微流系统层的材料，待固化后脱模，获得微流系统层，微流系统层包括微流甬道10、检测区9、流体出口8和流体入口7，其中检测区为位于微流系统层最下层的凹槽。

五、微流系统层的集成：

微流系统层4的下表面与定位层3粘连，完成生物检测芯片的集成；固定过程中，保证微流系统层4的样品检测区位于定位槽6正上方，固定后，以定位层3为底面、以微流系统层4的检测区9为上部结构构成样品检测室。

六、磁致伸缩生物传感器的制备：

通过切割磁致伸缩合金薄膜获得矩形磁致伸缩传感器；传感器表面覆盖一层生物识别物质(比如：噬菌体、抗体等)，用于特异性捕捉和吸附液体环境中的目标微生物。

七、将传感器注入微流甬道10中，利用外加磁场移动传感器5至定位槽中，检测过程中，被检测样品液体通过微流甬道10入口注入检测室中，进行检测；检测可在静态的液相环境中进行，也可在流体环境中进行。

本实施例的生物检测芯片可以用于单一传感器的检测，也可以用于传感器阵列的检测；所用传感器的数量以及位置由定位槽控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。