专利名称：一种阵列式微聚合酶链式反应芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及脱氧核糖核酸(DNA)扩增技术领域，主要内容是利用聚合酶链式反应 技术实现特定脱氧核糖核酸(DNA)片段的体外快速扩增。
背景技术：
聚合酶链式反应技术可以实现特脱氧核糖核酸(DNA)片段的体外快速扩增，在生 命科学、生物医学、法医鉴定等众多领域中的应用十分广泛。经过几十年的发展，聚合酶链式反应(PCR)技术已经日趋成熟。现在市场上销售 的台式聚合酶链式反应(PCR)扩增仪也是种类繁多，功能各异。但它们一般都有体积大、质 量重、升降温速率慢、所需试剂量多等缺点。利用微电子机械系统(MEMQ技术把传统聚合 酶链式反应(PCR)扩增实验从台式扩增仪移到微小的生物芯片上实现，即制作成芯片上的 实验室(Lab-on-Chip)，可以很好的弥补台式仪的缺陷，具有小、轻、快、省等等诸多优点。但不可否认的是，基于微电子机械系统(MEMS)技术的聚合酶链式反应(PCR)芯 片在使用和推广的过程中，也面临着诸多困难和挑战。譬如，微电子机械系统(MEMS)工艺 材料(如硅、玻璃等)和聚合酶链式反应(PCR)试剂的生物兼容性问题、聚合酶链式反应 (PCR)的污染问题等。这些问题的存在严重制约了微型化聚合酶链式反应(PCR)的发展和 应用，综上所述，研制一种新型的聚合酶链式反应(PCR)扩增方法，使其既能克服传统 台式扩增仪的缺点，又能避免微电子机械系统(MEMQ工艺带来的新问题，有着重要的理论 意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是公开一种阵列式微聚合酶链式反应(PCR)芯片，以克服传统台式 扩增仪的缺点以及解决微型化聚合酶链式反应(PCR)面临的问题，该芯片性能稳定、价格 低廉、体积小，把微加热芯片和微反应腔阵列相分离，做扩增反应简单快捷。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种阵列式微聚合酶链式反应芯片，包括温控系统、加热芯片和反应腔；其加热芯 片和反应腔是分离设置；加热芯片与温控系统电连接，加热芯片包括绝缘基片、加热电极和温度传感器，其 中，在绝缘基片上表面溅射有加热电极和温度传感器；加热电极为环形圆盘状，环形圆盘的 中间径向、在绝缘基片上表面有一条沟道，温度传感器探头嵌入在沟道中；绝缘基片下表 面，相对于加热电极和温度传感器设有凹槽，使绝缘基片侧剖面为倒凹形；反应腔包括框架和反应池，框架包括侧边、顶面，侧边固接于顶面周缘、正交向下， 侧边围成的形状与绝缘基片的形状相适配；反应池口设于顶面，池体向下延伸，反应池为 圆、方或多边形柱体，反应池底面为平面，反应池底面面积与加热电极面积相适配；加热芯片和反应腔中反应池数目相等，至少为四个，成阵列设置；
使用时，将反应腔对准加热电极后按下，使反应腔下表面与加热电极上表面紧密 贴连，向反应池内注入样品液，然后启动。所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其所述绝缘基片为硅片；加热电极和温度 传感器为钼制作，阵列中每个加热芯片的形状、大小、加热电极的电阻值和温度传感器的电 阻值都相同；反应腔为聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作的一次性器件，阵列中每个反应池 的形状和容积完全相同。所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其所述温控系统，包括多路温度采集电路、 信号放大电路、A/D转换电路、微控制器比例积分微分(PID)调节器、执行器件；其中，多路 温度采集电路经信号放大电路、A/D转换电路与微控制器比例积分微分(PID)调节器输入 端电连接，微控制器比例积分微分(PID)调节器输出端与执行器件电连接；微控制器比例积分微分(PID)调节器设有触摸屏；多路温度采集电路的多个输入端与温度传感器电连接，执行器件的多个输出端与 加热电极电连接。所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其所述微控制器比例积分微分(PID)调节 器或外接计算机，并与计算机双向通讯；微控制器比例积分微分(PID)调节器输出端发出 脉宽调制(PWM)信号，以控制执行器件对阵列中每一路加热芯片的温度升温或降温进行顺 序控制。本发明充分综合了微电子机械系统(MEMS)技术的优点和聚二甲基硅氧烷(PDMS) 材料的优良特性，既实现了聚合酶链式反应(PCR)的微型化，具有小、轻、快、省等诸多优 点；同时又避免了生物兼容性和聚合酶链式反应(PCR)污染的问题。由于温控系统的智 能化、自动化以及操作界面的人性化，微型聚合酶链式反应(PCR)的使用灵活方便，容易上手。
图1是本发明中单个加热电极和温度传感器的集成结构示意图；图2是本发明中微加热芯片的制作工艺流程示意图，其中
图2 (a)在硅片的两面上都生长二氧化硅和氮化硅；图2 (b)在硅片正面甩胶并光刻出图案；图2 (C)在硅片的正面溅射钼；图2 (d)在硅片的背面腐蚀挖坑；图3是本发明中微加热芯片的阵列结构示意图；图4是本发明中制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)微反应腔阵列的模具结构示意图；图5是本发明中聚二甲基硅氧烷(PDMS)微反应腔阵列的结构示意图；图6是本发明中温控系统的总体结构方块图。
具体实施例方式一种阵列式微聚合酶链式反应(PCR)芯片，利用微电子机械系统(MEMS)工艺和材 料(如硅、钼等)制作微加热芯片，利用性能稳定、价格低廉的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料 制作微反应腔阵列，并把微加热芯片和微反应腔阵列相分离。每次做扩增反应时，取一块干净的微反应腔阵列粘在微加热芯片上，通过温控系统控制微加热芯片进行温度循环，便可 实现扩增反应。本发明的一种阵列式微聚合酶链式反应(PCR)芯片，主要包括以下三个部分，每 部分的结构和功能如下(1)微加热芯片。微加热芯片是利用微电子机械系统(MEMS)技术和材料制作的， 主要工艺过程包括生长二氧化硅和氮化硅薄膜、甩胶光刻、溅射、去胶等步骤。为了实现一 次扩增多个样品的目的，将芯片上的微加热电极做成阵列式。为了使每个加热电极的温度 分布更加均勻，将加热器设计成环形圆盘状。在圆盘中间留出一个沟道，通过此沟道将温度 传感器嵌入加热电极之中，这样便可以实时准确的监测和控制加热电极的温度。(2)微反应腔阵列。为了解决微型化聚合酶链式反应(PCR)存在的生物兼容性差 和聚合酶链式反应(PCR)污染的问题，本发明采用性能优良的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料 来制作微反应腔。聚二甲基硅氧烷(PDMQ是一种高分子有机聚合物，它具有良好的生物兼 容性、耐高低温性和耐腐蚀性，不会与聚合酶链式反应(PCR)试剂发生化学反应；同时它的 价格低廉，用它制作一次性使用的微反应腔阵列成本很低，而且制作工艺简单。因此，聚二 甲基硅氧烷(PDMS)是一种非常适合做微反应腔阵列的材料。(3)温控系统。为了实现一次扩增多个样品的目的，温控系统设计成可以多路采样 和多路A/D转换的结构。由电桥电路采集到的微弱温度信号送仪表放大器进行放大处理， 然后再送A/D转换器进行数模转换，根据转换的结果得到当前的温度值，然后再通过比较 当前设定值进行比例积分微分(PID)调节，最后通过输出PWM信号控制加热电极的工作状 态，从而实现实时调节加热器温度的目的。本发明的一种阵列式微聚合酶链式反应(PCR)芯片技术特点在于(1)微加热芯片和反应腔阵列的分离性。为了既能实现聚合酶链式反应(PCR)的 微型化，又能解决微型化带来的一些问题，本发明将微加热芯片和微反应腔阵列分离设计。 利用微电子机械系统(MEMS)技术制作微加热芯片实现了聚合酶链式反应(PCR)的微型化， 利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作一次性使用的微反应腔阵列解决了生物兼容性和聚 合酶链式反应(PCR)污染的问题。(2)阵列式。为了提升扩增的效率，本发明将加热电极以及微反应腔都设计成阵列 式，这样一次便可以扩增多个样品。这在基因测序等需要进行大量脱氧核糖核酸(DNA)扩 增的场合有着独特的优势。(3)加热电极和温度传感器的集成性。微加热芯片主要包括两个部分加热电极 和温度传感器，加热电极用来给试剂进行加热，而温度传感器用来实时控制当前温度。本发 明在制作微加热芯片时将二者集成在了一起，这样温度传感器便能更加准确快速的反应出 但前实际温度，改善扩增效果。(4) 一次性使用的微反应腔阵列。微型化聚合酶链式反应(PCR) —个主要的问题 就是容易受污染。如果每次在做扩增实验之前，都要花大量的时间和精力去清洗反应腔，这 无疑会在很大程度上降低扩增的效率。而且随着微型化的发展，清洗工作会变得越来越困 难，一旦清洗不干净，就会造成难以估计的后果。本发明利用价格低廉的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)材料制作一次性使用的微反应腔阵列，每次反应时取一块干净的反应腔阵列粘在加 热芯片上便可进行扩增反应。这样既省去了繁琐的清洗工作，也完全杜绝了聚合酶链式反
5应(PCR)污染的发生。而且由于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的廉价性，即便一次性使用，也不 会增加太多成本。(5)温控系统的多路性。为了配合微加热芯片和微反应腔阵列，将温控系统设计 成了可多路采样、多路转换的控制系统。通过对每一路的循环控制，实现多个反应的同时进 行。(6)温控系统的自动化和智能化。温度控制采用经典的比例积分微分(PID)调节 算法，可以根据当前值和设定值的差值调节脉宽调制信号的占空比，从而控制加热电极的 工作状态。只要在扩增前设置好比例积分微分(PID)调节参数和每个时间段的温度值，扩 增过程中完全不需要人工操作，便可自动完成多次的扩增反应。下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施。如图1所示，将每个加热电极和温度传感器集成在一起做成一个加热单元。其中 线条较粗的圆盘是加热电极，中间较细的线条便是温度传感器。由于二者紧密集成在一起， 因此温度传感器可以实时准确的检测出加热器当前的温度，送至温控系统进行温度控制。图2是制作微加热芯片的一个大概流程图。(a)在清洗干净的硅片上热氧化一层 氧化硅薄膜，再低压化学气相淀积(LPCVD) —层氮化硅薄膜；(b)在硅片正面甩胶、光刻、显 影，得到加热电极和温度传感器的图案；(c)利用Lift_0ff工艺溅射一层钼，用丙酮浸泡去 胶后，便可得到加热电极和温度传感器；(d)为了提高升降温的速率，将硅片背面腐蚀掉一 部分。图3便是制作完成以后整个芯片的阵列结构图，从图中可见，每个芯片上面多个加热 单元排成阵列，以便同时扩增多个样品。图4是制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)微反应腔阵列的模具结构示意图。制作聚二 甲基硅氧烷(PDMS)微反应腔阵列时，先将聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体和固化剂按10 1 的比例完全混合均勻后放入真空腔中抽气以排除混合液里的气泡；然后将混合液灌入图4 所示的模具中后，放入烘箱中烘烤大约1小时便可得到成型的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微反 应腔阵列，如图5所示。由图5可知，每个微反应腔阵列上有多个反应池，而且反应池的结 构、数量与微加热芯片阵列上加热单元的结构、数量相对应。图6是温控系统的总体结构方框图。从图中可知，温控系统大体上可以分成4个 部分温度信号输入部分、温度信号处理部分、控制信号输出部分和操作界面部分。其中，温 度信号的输入又包括信号采集、信号放大以及信号的A/D转换三个部分。为了能采集到微 弱的温度信号，将信号采集部分设计成双臂电桥结构，为了能尽可能的抑制共模、放大温度 信号，信号放大部分采用仪表放大器。信号处理部分的主要作用是根据当前设定温度值与 实际温度值之间的大小关系，利用比例积分微分(PID)调节算法，输出一个占空比可调的 脉宽调制信号，控制加热电极的开关工作状态，进而调节加热电极的温度使其趋于设定值。 操作界面也即人机接口部分，友好的人机接口是一个好的电子产品的重要组成部分，本发 明的人机接口主要包括触摸屏和PC机两部分，用以实现参数设定、过程控制、实时监测等 目的。
权利要求
1.一种阵列式微聚合酶链式反应芯片，包括温控系统、加热芯片和反应腔；其特征在 于加热芯片和反应腔是分离设置；加热芯片与温控系统电连接，加热芯片包括绝缘基片、加热电极和温度传感器，其中， 在绝缘基片上表面溅射有加热电极和温度传感器；加热电极为环形圆盘状，环形圆盘的中 间径向、在绝缘基片上表面有一条沟道，温度传感器探头嵌入在沟道中；绝缘基片下表面， 相对于加热电极和温度传感器设有凹槽，使绝缘基片侧剖面为倒凹形；反应腔包括框架和反应池，框架包括侧边、顶面，侧边固接于顶面周缘、正交向下，侧边 围成的形状与绝缘基片的形状相适配；反应池口设于顶面，池体向下延伸，反应池为圆柱 体，反应池底面为平面，反应池底面面积与加热电极面积相适配；加热芯片和反应腔中反应池数目相等，至少为四个，成阵列设置；使用时，将反应腔对准加热电极后按下，使反应腔下表面与加热电极上表面紧密贴连， 向反应池内注入样品液，然后启动。
2.如权利要求1所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其特征在于所述绝缘基片为 硅片；加热电极和温度传感器为钼制作，阵列中每个加热芯片的形状、大小、加热电极的电 阻值和温度传感器的电阻值都相同；反应腔为聚二甲基硅氧烷材料制作的一次性器件，阵 列中每个反应池的形状和容积完全相同。
3.如权利要求1所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其特征在于所述温控系统，包 括多路温度采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、微控制器比例积分微分(PID)调节器、 执行器件；其中，多路温度采集电路经信号放大电路、A/D转换电路与微控制器比例积分微 分调节器输入端电连接，微控制器比例积分微分调节器输出端与执行器件电连接；微控制器比例积分微分调节器设有触摸屏；多路温度采集电路的多个输入端与温度传感器电连接，执行器件的多个输出端与加热 电极电连接。
4.如权利要求3所述的阵列式微聚合酶链式反应芯片，其特征在于所述微控制器比 例积分微分调节器或外接计算机，并与计算机双向通讯；微控制器比例积分微分调节器输 出端发出PWM调制信号，以控制执行器件对阵列中每一路加热芯片的温度升温或降温进行 顺序控制。
全文摘要
本发明公开了一种阵列式微聚合酶链式反应芯片，涉及脱氧核糖核酸(DNA)扩增技术，包括温控系统、加热芯片和反应腔；其加热芯片和反应腔是分离设置，使用时，将反应腔框架套于绝缘基片外圆后，按下，使反应池底面下表面与加热电极上表面紧密贴连，向反应池内注入样品液，然后启动。每次只需取一块干净的一次性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微腔阵列粘在加热芯片上即可进行扩增反应。本发明的反应芯片，既可将聚合酶链式反应(PCR)微型化，实现小、轻、快、省的目的，又可解决微型化难以克服的生物兼容性和聚合酶链式反应(PCR)污染的问题。
文档编号C12M1/38GK102071136SQ20091024153
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者丁国杰, 于留波, 方震, 赵湛 申请人:中国科学院电子学研究所