专利名称：三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳生物传感器技术领域，是一种微型分析芯片系统的结构设计，特别是可以进行生物样品介电泳分离和阻抗检测的一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片。
背景技术：
降低成本、减少时间是临床医学诊断过程中所关心的重要问题之一，特别是对于分子、细胞水平的诊断。以传感技术为基础发展起来的“现场检测”(point of care testing-POCT)技术，可以说是当前国际上医学检验界发展最快的技术之一。廉价、快速、便携化、多功能化是POCT设备的重要发展趋势，这就需要灵敏、快速响应、高度集成化的微纳传感器支持。随着信息技术、生物技术与纳米技术的发展，这些领域里的研究成果不断被新型微纳传感器吸收，促成了以生物传感器为首的重大技术突破。
自从介电泳现象被应用于微粒分离后，逐渐显示了其巨大的优越性。与传统技术相比，基于介电泳技术的细胞分离器件在分离分辨率、产物纯度、样本大小、器件成本以及便携性等方面都有了突破性的提高。目前，介电泳技术已被广泛应用于微纳尺度微粒的操纵和检测，包括细胞、病毒、细菌和DNA的捕捉、分选及分离探测等领域。由于介电泳技术的广泛应用，很多在蛋白或细胞水平上的生物样品处理技术不断涌现。纵观国内外研究现状，实现蛋白或细胞水平上的介电泳分离主要有两种途径一是利用不同微粒间的速度差使之沿器件分离开来。这种方法的分离原理酷似电泳，只不过被操纵的微粒可以是中性粒子。实现微粒的速率分离，通常要借助流体。二是通过“阱”使靶粒子从混杂了多种粒子的悬浮液中陷落。利用阱可实现微粒的聚焦、捕捉和定位，甚至可实现单分子操纵。这是介电泳所独有的优势，它使粒子的单个控制和微量检测成为可能。
生物阻抗谱检测技术在生物医学中已经有较广泛的应用，在微系统中集成该技术具有重要的意义。特别是结合纳米技术的阻抗谱生化检测技术，在微系统中的应用具有更广阔的发展前景。大量研究表明，采用微电极阵列进行的阻抗谱测量不仅能够区分细胞种类，还能反映细胞的生长、迁移以及一些生理特性。然而，尽管利用微电极阵列对细胞或细菌检测是可行的，其测试灵敏度还有待提高。检测灵敏度较低，一是因为电极设计为平面结构，信号微弱；二是因为电极极化产生寄生干扰，淹没有用信号。采用纳米结构的检测电极是解决测试灵敏度的有效途径之一。最近，UC Berkeley的Mingqiang Yi等人通过理论和试验证明，当电容极板的间距远小于极板双电层的厚度时，电极极化产生的影响就可以忽略。另外，采用三维结构，亦可提高检测灵敏度。他们设计了一种具有纳米间隙的电容式生物传感器，器件间隙为20nm，只用1.2pl的液体就可检测出100nM的ssDNA。
信息技术的发展为生化检测的数据处理提供了简便高速的工具。自从生物芯片技术诞生以来，生化器件与计算机的结合日益紧密，而数据采集点的“阵列”形式是实现这种结合的根本途径。所谓数据采集点的阵列形式，就是把数据采集点按照行和列的形式进行排列。采用“阵列”形式有利于线性执行装置的标准动态控制和计算机的快速高自动化读写。
上述技术为反应灵敏、响应快速、易于程控的微传感器提供了广阔的发展空间。但是，目前将上述原理和技术结合在一起的微纳生物传感器在国内外的研究中还未看到相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片，该生物传感芯片能够实现在蛋白或细胞水平上的介电泳分离和无标记、可寻址的检测，其采用了纳米间隙的三维结构特别适合对痕量生物样品进行快速灵敏的阻抗测量。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供1、一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片，包括绝缘基片、金属微电极、绝缘层和样品池；其特征在于，在一个绝缘基片的上表面，固接一组平行排列的金属微电极组成的下电极阵列，在下电极阵列的上表面，固接一绝缘层，在绝缘层上表面，再固接第二组平行排列的金属微电极组成的上电极阵列；下电极阵列的平行方向，与上电极阵列的平行方向垂直正交，上、下电极阵列构成三维网格结构；在上电极阵列的上表面四周，以聚合物凸起围成一样品点样池，样品点样池的面积大于上、下电极阵列的面积；在上、下电极阵列的每个电极交叉处，于绝缘层内，以交叉处的交叉点为中心围成的特定区域设有生物样品分析微型池，分析微型池的底面为绝缘基片的上表面，数个生物样品分析微型池成阵列排列；分析微型池的上方中心线上裸露出上电极，池底中心线上裸露出下电极，上、下电极在池底的正投影为垂直正交；样品点样池底部与分析微型池相通连。
所述的微电极生物传感芯片，其所述绝缘基片，为硅或玻璃。
所述的微电极生物传感芯片，其所述金属微电极，为金电极，其形状是长条状或叉指状，宽度是均匀的或非均匀的；金属微电极构成的上、下电极阵列，兼有作为分离电极和检测电极的双重功能；并按行和列被外围设备寻址；在上、下电极阵列的各个十字交叉处，都是阻抗分析的数据采集点；各个交叉处的交叉点上、下电极构成纳米间隙阻抗测试传感器。
所述的微电极生物传感芯片，其所述绝缘层，为聚合物材料或二氧化硅，其厚度为微米到纳米量级。
所述的微电极生物传感芯片，其所述绝缘层，上表面裸露处覆盖有金属膜，覆盖的金属膜与金属微电极彼此绝缘，通过引线与外电路相连。
所述的微电极生物传感芯片，其所述绝缘层上表面裸露处覆盖的金属膜，为金膜。
所述的微电极生物传感芯片，其所述分析微型池，是捕捉和收集生物微粒的场所，其形状是圆形、方形或长方形的；分析微型池与整个样品点样池相通，分析微型池的池底及池壁全部裸露于样品溶液中。
所述的微电极生物传感芯片，其所述生物样品，包括细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA悬浮液；其对蛋白或细胞水平上的分离，包括在细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA水平上的分离。
本发明对生物样品的分离和检测是基于介电泳原理和阻抗测量原理的融合。介电泳，就是中性微粒在空间非均匀直流或交流电场的作用下，发生极化而沿场强增加或减少的方向受到净力，并在液体中进行漂移运动的现象。介电泳力正比于场强模值平方的梯度，比例因子的正负取决于微粒种类和交流信号的频率。适当选择频率大小，可以使某种微粒趋向于场强极值点，而其他微粒远离场强极值点。本发明所设计的传感芯片，通过适当的频率选择，微电极阵列产生的交流电场可以使介电泳微粒选择性地“陷落”在微型池中，从而使上、下电极组成的纳隙电容的介电常数在十字交叉处发生变化。通过对上、下电极的阻抗测量就可以确定生物样本的生理状态。
图1为本发明三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片的俯视结构图；图2为本发明三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片的剖面结构图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片的结构图，在一个绝缘基片1的上表面，固接一组平行排列的金属微电极阵列，为下电极阵列6，在下电极阵列6的上表面，固接一绝缘层4，绝缘层4上表面，再固接第二组平行排列的金属微电极阵列，为上电极阵列2；第一组金属微电极阵列的平行方向，与第二组金属微电极阵列的平行方向垂直正交，第二组金属微电极阵列位于第一组金属微电极阵列的上方，上、下电极阵列2、6构成三维网格结构。
在金属微电极2阵列的上表面，再固接一聚合物层31，聚合物层31的面积大于上、下电极阵列2、6的面积。将聚合物层31的中部去除，暴露出上电极阵列2，以及绝缘层4的上表面，四周留下的聚合物凸起围成一样品点样池3。
再将上、下电极阵列2、6的每个电极交叉处，及以交叉处的交叉点为中心的周围特定区域所覆盖的绝缘层4，全部去掉，形成数个生物样品分析微型池5，数个生物样品分析微型池5成阵列排列，分析微型池5的上方中心线上裸露出上电极，池底中心线上裸露出下电极，上、下电极在池底的正投影为垂直正交。样品点样池3底部与分析微型池5相通连。
其中，绝缘基片材料为硅或玻璃。
金属微电极为金电极，其形状可以是长条状或叉指状，宽度是均匀的或非均匀的。金属微电极的尺寸、排列密度以及电极宽度与邻电极间距之比均可以考虑不同工作要求具体确定。
金属微电极构成的上、下电极阵列2、6，兼有作为分离电极和检测电极的双重功能；并可按行和列被外围设备寻址。在上、下电极阵列2、6各个十字交叉处，都是阻抗分析的数据采集点；各个交叉处的交叉点上、下电极构成纳米间隙电容测试传感器。
绝缘层4为聚合物材料，其厚度为纳米量级，可根据生物样本特征具体确定。绝缘层4上表面裸露处可以覆盖任意形状的金属片，覆盖的金属片与金属微电极彼此绝缘，为金片，可通过引线与外电路相连。
分析微型池5是捕捉和收集生物微粒的场所，其形状可以是圆形、方形或长方形的，其大小、尺寸及空间排布均可根据测量要求具体确定。分析微型池5与整个大的样品点样池3相通，分析微型池5的池底及池壁全部裸露于样品溶液中。
本发明的三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片，所用生物样品，包括细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA悬浮液。其对蛋白或细胞水平上的分离，包括在细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA水平上的分离。
下面是本发明的一个具体实施例在1×1cm2的玻璃基片1上利用剥离(lift-off)工艺制作出30μm线宽的金电极阵列，即下电极阵列6，再在制作好下电极阵列6的玻璃片上甩上一层厚度为100个纳米厚的聚酰亚胺薄膜绝缘层4，然后用剥离(lift-off)工艺制作出10μm线宽的上电极阵列2，再甩上2μm厚的SU8胶31，刻出壁厚500μm，开口面积0.5×0.5cm2的样品点样池3，最后采用反应离子刻蚀刻出开口面积50×70μm2的样品分析微型池5。
权利要求
1.一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片，包括绝缘基片、金属微电极、绝缘层和样品池；其特征在于，在一个绝缘基片的上表面，固接一组平行排列的金属微电极组成的下电极阵列，在下电极阵列的上表面，固接一绝缘层，在绝缘层上表面，再固接第二组平行排列的金属微电极组成的上电极阵列；下电极阵列的平行方向，与上电极阵列的平行方向垂直正交，上、下电极阵列构成三维网格结构；在上电极阵列的上表面四周，以聚合物凸起围成一样品点样池，样品点样池的面积大于上、下电极阵列的面积；在上、下电极阵列的每个电极交叉处，于绝缘层内，以交叉处的交叉点为中心围成的特定区域设有生物样品分析微型池，分析微型池的底面为绝缘基片的上表面，数个生物样品分析微型池成阵列排列；分析微型池的上方中心线上裸露出上电极，池底中心线上裸露出下电极，上、下电极在池底的正投影为垂直正交；样品点样池底部与分析微型池相通连。
2.如权利要求1所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述绝缘基片为硅或玻璃。
3.如权利要求1所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述金属微电极，为金电极，其形状是长条状或叉指状；金属微电极构成的上、下电极阵列，兼有作为分离电极和检测电极的双重功能；并按行和列被外围设备寻址；在上、下电极阵列的各个十字交叉处，都是阻抗分析的数据采集点；各个交叉处的交叉点上、下电极构成纳米间隙阻抗测试传感器。
4.如权利要求1所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述绝缘层，为聚合物材料或二氧化硅，其厚度为微米到纳米量级。
5.如权利要求1或4所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述绝缘层，上表面裸露处覆盖有金属膜，覆盖的金属膜与金属微电极彼此绝缘，通过引线与外电路相连。
6.如权利要求5所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述绝缘层上表面裸露处覆盖的金属膜，为金膜。
7.如权利要求1所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述分析微型池，是捕捉和收集生物微粒的场所，其形状是圆形、方形或长方形的；分析微型池与整个样品点样池相通，分析微型池的池底及池壁全部裸露于样品溶液中。
8.如权利要求1所述的微电极生物传感芯片，其特征在于，所述生物样品，包括细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA悬浮液；其对蛋白或细胞水平上的分离，包括在细胞、病毒、细菌、蛋白质大分子及DNA水平上的分离。
全文摘要
一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片，涉及微型分析芯片技术，是在绝缘基片上有一组金电极，电极上面覆盖一层纳米量级厚度的绝缘材料薄膜，绝缘材料上有一组与下面电极垂直交叉的电极，上下电极构成网格结构。上下电极交叉处及其周围的绝缘层被去掉，形成生物样品分析流动微型池。整个芯片上利用聚合物构成一个大的样品分析池。两个平面内的电极阵列可任意组合用于产生分离所需的电场，交叉点的上下电极构成纳米间隙阻抗测试传感器。本发明网格阵列式的纳隙微电极，可以对生物样品进行分离和可寻址的检测。
文档编号C12Q1/02GK101046458SQ20061006654
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月30日 优先权日2006年3月30日
发明者赵湛, 刘泳宏 申请人:中国科学院电子学研究所