件下干燥保存待用，得到光电集成电位传感器。
[0044]本发明的工作过程如下:
[0045]1、将细胞培养在传感芯片I表面，细胞培养测试腔体5中加入细胞培养液500 μ 1，将整个传感器放置在CO2细胞培养箱内24h，显微镜下观察细胞呈现贴壁生长，即进行测试。
[0046]2、米用恒电位仪在第一引脚24和外置电极4之间施加直流偏置电压，在娃基底6内部将形成耗尽层；采用3个频率不同的正弦调制的红外LED灯，波长840nm，电压1.5V，通过芯片PCB板2上的透光孔26和传感芯片I的光源照射窗口 7，分别对第一敏感区域8，第二敏感区域9，第三敏感区域10进行背面照射，三个光源的光路完全独立，不会进行相互干扰。光源照射会在硅基底6内部产生光载流子，并在耗尽层的作用下，产生光生电流。光生电流由铝电极19引出，信号通过第一引脚24传导至锁相放大器进行放大、滤波，并通过十六位数据采集卡采集到上位机进行信号分频处理，可以分别得出第一敏感区域8表面产生的细胞外H+离子浓度信号、第二敏感区域9表面产生的胞外氧化还原电位信号、第三敏感区域10表面产生的胞外葡萄糖浓度信号。
【主权项】
1.一种检测细胞外生化参数的光电集成电位传感器，其特征在于，包括:传感芯片(I)、芯片PCB板(2)、外置导线(3)、外置电极(4)和细胞培养测试腔体(5); 所述传感芯片(I)具有硅基底出)，硅基底(6)背面具有三个光源照射窗口(7)，三个光源照射窗口(7)之间间隔至少1mm，在硅基底(6)正面与光源照射窗口(7)相对应的位置分别设有第一敏感区域(8)、第二敏感区域(9)和第三敏感区域(10)，在除第一敏感区域(8)、第二敏感区域(9)和第三敏感区域(10)外的硅基底(6)上表面通过离子注入或扩散形成重掺杂层(11)，在硅基底(6)正面覆盖薄氧化层(12)，作为H+离子敏感材料；在薄氧化层(12)表面第二敏感区域(9)对应的位置覆盖第一金属层(13)，作为氧化还原电位敏感材料；在薄氧化层(12)表面第三敏感区域(10)对应的位置覆盖复合膜(14)，作为葡萄糖的敏感材料；所述复合膜(14)由第二金属层(15)上电镀聚吡咯和葡萄糖氧化酶的混合物形成；传感芯片(I)边缘具有一焊盘(16)，焊盘(16)通过导线(17)与第二金属层(15)相连；第一金属层(13)和复合膜(14)的上表面、薄氧化层(12)上第一敏感区域(8)对应的位置以及焊盘(16)均暴露于传感芯片⑴表面，其他区域均覆盖Si3N4绝缘层(18);娃基底(6)背面的非窗口区域覆盖铝电极(19); 所述芯片PCB板(2)上具有第一接口焊盘(20)、第二接口焊盘(21)、第一引线(22)、第二引线(23)、第一引脚(24)和第二引脚(25)，所述第一接口焊盘(20)的形状和尺寸与传感芯片(I)背面相同，并在光源照射窗口(7)的相对应位置开有透光孔(26);第一接口焊盘(20)通过第一引线(22)与第一引脚(24)相连，第二接口焊盘(21)通过第二引线(23)与第二引脚(25)相连；第一引脚(24)和第二引脚(25)位于芯片PCB板⑵的边缘； 所述外置导线(3) —端连接在传感芯片(I)的焊盘(16)上，另一端连接在第二接口焊盘(21)上；所述细胞培养测试腔体(5)的内侧壁开有凹槽(27)，所述外置电极(4)固定在凹槽(27)内。2.—种权利要求1所述光电集成电位传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)制备背面光源照射窗口(7):选择电阻率为8?10Ω.cm的P型硅片作为硅基底(6)，清洗烘干之后，在硅基底(6)背面旋涂光刻胶，经紫外曝光显影，采用湿法腐蚀，蚀刻出光源照射窗口(7)，光源照射窗口(7)顶部的硅基底剩余厚度为10ym; (2)制备重掺杂层(11):在1000°C高温扩散炉内，通干氧，硅基底(6)正面热氧化生长一层厚氧化层(28)，厚度800?lOOOnm，随后在厚氧化层(28)上旋涂一层光刻胶，经紫外曝光显影，采用湿法腐蚀去除正面暴露的氧化层，然后采用离子注入或扩散法形成P+重掺杂层(11)，与此同时，P+重掺杂层(11)表面也会有少量氧化层形成； (3)制备H+离子敏感膜材料:采用湿法腐蚀将硅基底(6)正面的氧化层全部去除，然后在芯片正面热氧化生长一层薄氧化层(12)，厚度50nm ; (4)制备金属敏感膜材料:在薄氧化层(12)表面旋涂光刻胶，经紫外曝光显影之后，磁控溅射20nm厚的钛化钨薄膜(29)作为粘附层，接着磁控溅射沉积一层金属层，厚度150?200nm，然后采用lift-off工艺将第二敏感区域(9)、第三敏感区域(10)、导线(17)和焊盘(16)以外的金属层进行剥离； (5)制备片上隔离区域:采用LPCVD法在硅基底(6)正面沉积一层Si3N4绝缘层，厚度I μπι，随后旋涂光刻胶，经紫外曝光显影，蚀刻第一敏感区域(8)、第二敏感区域(9)、第三敏感区域(10)、焊盘(16)表面覆盖的Si3N4绝缘层，而其他区域表面的Si3N4绝缘层(18)保留下来，作为片上隔离区域； (6)制备背面铝电极(19):硅基底(6)背面热蒸发沉积金属铝，厚度300nm，并在铝层表面旋涂光刻胶，经曝光显影，蚀刻掉光源照射窗口(7)表面的铝层，保留非窗口区域的铝电极(19)； (7)传感器的封装:利用划片工艺将硅基底(6)分割成IcmXIcm的小片，取出一小片，将背面铝电极(19)涂上导电胶，并粘合在芯片PCB板⑵上的第一接口焊盘(20)处，放置于100°C的烘箱中固化I小时；将外置导线(3)的一端焊接在第二接口焊盘(21)上，将另一端涂上导电胶，粘合在传感芯片(I)表面的焊盘(16)上，放置于100°C的烘箱中固化I小时，使得第二金属层(15)与第二引脚(25)导通；然后将外置电极⑷卡在凹槽(27)内，再用环氧树脂胶水将细胞培养测试腔体(5)封接在芯片PCB板(2)上，并使得传感芯片(I)暴露在细胞培养测试腔体(5)内部； (8)制备复合膜(14):配制单体吡咯和葡萄糖氧化酶的混合溶液，吡咯单体浓度为.0.1M，葡萄糖氧化酶浓度在20?300U/mL范围内，将混合溶液滴加到细胞培养测试腔体(5)内，将第二金属层(15)作为工作电极，第二引脚(25)作为工作电极的信号引出脚，Ag/AgCl作为参比电极(30)，外置电极(4)作为对电极，组成三电极体系，分别与恒电位/电流仪(31)上的工作电极接口(32)、参比电极接口(33)、对电极接口(34)相连，在工作电极上施加恒电流，电流密度为0.0lmA/cm2?1.0mA/cm2，电荷密度为10?40mC/cm2，单体吡咯发生聚合，并包埋葡萄糖氧化酶，在第二金属层(15)表面即可形成复合膜(14)，厚度小于lOOnm，随后采用pH7的磷酸盐缓冲液对传感芯片(I)表面进行清洗，而后放置在4°C条件下干燥保存待用，得到光电集成电位传感器。
【专利摘要】本发明公开了一种检测细胞外生化参数的光电集成电位传感器及其制备方法。所述细胞外生化参数包括细胞代谢过程中产生的胞外酸化率、胞外葡萄糖消耗速率、胞外氧化还原电位三种参数。所述传感器为硅基结构的光电复合器件，芯片正面具有多个敏感区域，用于H+离子、葡萄糖和氧化还原电位的检测，各敏感区域之间通过硅片内部的重掺杂层以及硅片表面沉积的绝缘层进行隔离。其中，H+离子以SiO2为敏感材料，葡萄糖以金属膜上电聚合聚吡咯/葡萄糖氧化酶复合膜为敏感材料，氧化还原电位以金属膜为敏感材料。利用本发明可实现多个胞外生化参数的高灵敏、实时检测，且各敏感区域不存在互相干扰，可为细胞的生理代谢研究提供更全面的信息。
【IPC分类】G01N27/26
【公开号】CN104965011
【申请号】CN201510273970
【发明人】王君, 王平, 邹玲, 王琴, 方佳如
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月26日