专利名称：一种定容量的生物芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物芯片及其制备方法。
背景技术：
生物芯片是90年代中期发展起来的一种具有划时代意义的微量分析技术。它将大量的生物分子探针按需要的方式排列在特殊载体的反应区上，在特定条件下与待检样品进行作用，通过精密的扫描仪器对目的分子进行检测。目前制备芯片的载体材料有玻璃片、硅片、金属片、尼龙膜等。玻璃片由于具有低 荧光背景、相对较好的机械强度、化学稳定性好、透光性好的优点，是生物芯片常用的载体材料。对载体进行表面修饰是生物芯片制作的必要环节，主要方法是通过化学处理或涂覆有机分子，使载体表面附着氨基、羟基等化学基团，通过化学键的作用载体可以吸附生物分子，形成并固定生物探针。生物探针所在的区域用来与物样品反生特异性交互作用，这些区域称为反应区。载体修饰后，可以直接用机械点样仪将生物探针滴到特定区域固定，这些区域便是反应区。此时反应区与非反应区都位于载体表面，两者几乎处于同一高度，因此这样的生物芯片反应区具有平面结构，也可以将载体的反应区位置制成凹陷形状，然后再进行探针固定，此时的生物芯片反应区具有立体结构，这两种制备方法都较为复杂，并且这两种形式的生物芯片存在以下问题I、如果生物芯片的反应区具有平面结构，生物样本易于在芯片表面流动，这会对检测结果产生影响。2、立体结构的反应区对生物样本的流动会产生限制作用，对检测过程有利。但在修饰环节，反应区和非反应区往往都具有固定生物探针的能力，生物探针易于扩散，探针定位不准确。更重要的是，这些立体反应区的容积没有采取可靠的手段进行精确控制，反应区中生物样本容量不确定，这些都会给生物样本中目标分子浓度检测带来误差。
发明内容
本发明是要解决现有生物芯片检测结果不精确以及制备方法复杂的问题，提供了一种定容量生物芯片及其制备方法。本发明的定容量的生物芯片是由带孔硅片层、环氧树脂层和玻璃基底构成的；其中带孔硅片层是由二氧化硅层、氮化硅层和单晶硅层构成，二氧化硅层位于氮化硅层和单晶硅层之间，单晶硅层和玻璃基底通过环氧树脂层粘合在一起；其中带孔硅片层上的孔为反应区。本发明的一种定容量的生物芯片的制备方法是按以下步骤进行一、制备带孔硅片层，具体步骤为a、用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积，使其在表面生成二氧化硅层；b、用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层进行低压化学气相沉积，使其在表面生成氮化硅层；c、通过光刻和腐蚀工艺对单晶硅片上孔所在的位置进行处理，去除二氧化硅层和氮化硅层，用质量百分含量为40%的KOH溶液对去除二氧化硅层和氮化硅层的位置继续腐蚀至硅片全透，得到带孔硅片层；二、通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底上，环氧树脂的厚度为5 15微米，得到环氧树脂层，然后将带孔硅片层置于环氧树脂层上，其中带孔硅片层的单晶硅层与环氧树脂层相接，得到初级生物芯片；三、在温度为80 100°C的条件下对初级生物芯片进行3 5h的固化处理，即得定容量的生物芯片。本发明利用了单晶硅在氢氧化钾溶液腐蚀中的各向异性。所谓各向异性从晶体结构上说就是晶体沿不同方向原子排列的周期性和疏密程度不尽相同由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。因此在氢氧化钾溶液中，硅的(111)晶面腐蚀速度最慢，(100)晶面的腐蚀速率可比(111)面快100倍。腐蚀速率快的晶面在氢氧化钾溶液中很容易被腐蚀而很快消失，而腐蚀速率慢的晶面不容易被腐蚀而被保留，其腐蚀结果则是反应区侧壁全部是倾斜的(111)晶面，与底面有确定的角度54. 7°，并且不随腐蚀时间的延长而变化。而底面(100)晶面则随着时间的延长而逐渐向底部延伸，硅片由此被腐蚀透，形成硅孔，硅孔的上部呈方型，其长和宽平行于〈110〉晶向，孔侧壁是倾斜的(111)晶面。即使再增加腐蚀时间，侧壁也不会有变化，因此这种腐蚀方法获得的反应区容积具有可控性。由于孔周围是没有吸附生物分子能力的氮化硅层，非反应区没有固定生物探针的能力，生物 探针不易扩散。本方法中的环氧树脂既可以固定生物探针又可以起到粘合作用，减少了操作步骤，简化了工艺。
图I是试验I制备的生物芯片的立体结构示意图；图2是试验I制备的生物芯片的带孔硅片层示意图；图3是图I沿A-A向的剖面示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式中一种定容量的生物芯片是由带孔娃片层I、环氧树脂层2和玻璃基底3构成的；其中带孔硅片层是由二氧化硅层1-2、氮化硅层1-3和单晶娃层1_1构成，二氧化娃层1_2位于氮化娃层1-3和单晶娃层1-1之间，单晶娃层1-1和玻璃基底3通过环氧树脂层2粘合在一起；其中带孔硅片层I上的孔为反应区4。本实施方式利用了单晶硅在氢氧化钾溶液腐蚀中的各向异性。所谓各向异性从晶体结构上说就是晶体沿不同方向原子排列的周期性和疏密程度不尽相同由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。因此在氢氧化钾溶液中，硅的(111)晶面腐蚀速度最慢，
(100)晶面的腐蚀速率可比(111)面快100倍。腐蚀速率快的晶面在氢氧化钾溶液中很容易被腐蚀而很快消失，而腐蚀速率慢的晶面不容易被腐蚀而被保留，其腐蚀结果则是反应区侧壁全部是倾斜的(111)晶面，与底面有确定的角度54. 7°，并且不随腐蚀时间的延长而变化。而底面(100)晶面则随着时间的延长而逐渐向底部延伸，硅片由此被腐蚀透，形成硅孔，硅孔的上部呈方型，其长和宽平行于〈110〉晶向，孔侧壁是倾斜的(111)晶面。即使再增加腐蚀时间，侧壁也不会有变化，因此这种腐蚀方法获得的反应区容积具有可控性。由于孔周围是没有吸附生物分子能力的氮化硅层，非反应区没有固定生物探针的能力，生物探针不易扩散。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是所述的玻璃基底3为透明的玻璃片。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是所述的反应区4为阵列式分布于生物芯片上。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式中一种定容量的生物芯片的制备方法是按以下步骤进行一、制备带孔硅片层1，具体步骤为a、用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积，使其在表面生成二氧化硅层1-2 ;b、用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层1-2进行低压化学气相沉积，使其在表面生成氮化硅层1-3 ;c、通过光刻和腐蚀工艺对单晶硅片上孔所在的位置进行处理，去除二氧化硅层1-2和氮化硅层1-3，用质量百分含量为40%的KOH溶液对去除二氧化硅层1-2和氮化硅层1-3的位置继续腐蚀至硅片全透，得到带孔硅片层I ;二、通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底3上，环氧树脂的厚 度为5 15微米，得到环氧树脂层2，然后将带孔硅片层置于环氧树脂层2上，其中带孔硅片层的单晶硅层1-1与环氧树脂层2相接，得到初级生物芯片；三、在温度为80 100°C的条件下对初级生物芯片进行3 5h的固化处理，即得定容量的生物芯片。本实施方式中的环氧树脂既可以固定生物探针又可以起到粘合作用，减少了操作步骤，简化了工艺。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤一中单晶硅片为单晶硅〈100〉晶向硅片，厚度为425微米。其它与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四或五不同的是步骤一中的用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积，其具体方法为将硅片放入离子气相沉积台反应腔室中，将腔室真空度抽至2 X KT3Pa后，通入SiH4和N2O两种气体，流量分别控制在30sccm和25sccm，腔室压强设定为IPa，在反应温度300°C、射频功率200W条件下，沉积二氧化娃2 5h。其它与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四至六之一不同的是步骤一中所述的用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层1-2进行低压化学气相沉积，其具体方法为将生成了二氧化硅层1-2的硅片放入低压化学气相沉积设备的腔室中，将腔室真空度抽至2 X 10_3Pa后，通入SiH2Cl2和NH3两种气体，流量分别控制在20sccm和45sccm，腔室压强设定为27Pa，在反应温度300°C条件下，沉积氮化硅2 5h。其它与具体实施方式
四至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
四至七之一不同的是沉积二氧化娃的时间为4h。其它与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
四至八之一不同的是沉积氮化硅的时间为4h。其它与具体实施方式
四至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
四至九之一不同的是在于步骤二中通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底3上，厚度为10微米。其它与具体实施方式
四至九之一相同。通过以下试验验证本发明的有益效果试验I :一种定容量的生物芯片的制备方法是按以下步骤进行的一、制备带孔硅片层1，具体步骤为a、用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积4h，使其在表面生成二氧化硅层1-2 ;b、用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层1-2进行低压化学气相沉积4h，使其在表面生成氮化硅层1-3 ;c、通过光刻和腐蚀工艺对单晶硅片上孔所在的位置进行处理，去除二氧化硅层1-2和氮化硅层1-3，用质量百分含量为40%的KOH溶液对去除二氧化硅层1-2和氮化硅层1-3的位置继续腐蚀至硅片全透，得到带孔硅片层I ;二、通过旋涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底3上，环氧树脂的厚度为2微米，得到环氧树脂层2，然后将带孔硅片层置于环氧树脂层2上，其中带孔硅片层的单晶硅层1-1与环氧树脂层2相接，得到初级生物芯片；四、在温度为80°C的条件下对初级生物芯片进行5h的固化处理，即得定容量的生物芯片。
图I为本试验制备的生物芯片的立体结构示意图，从图I可已看出本试验制备的定容量的生物芯片是由带孔硅片层I、环氧树脂层2和玻璃基底3构成的；其中带孔硅片层是由二氧化硅层1-2、氮化硅层1-3和单晶硅层1-1构成，二氧化硅层1-2位于氮化硅层1-3和单晶硅层1-1之间，单晶硅层1-1和玻璃基底3通过环氧树脂层2粘合在一起；带孔硅片层I上的孔为反应区4。图2是试验I制备的生物芯片的硅片层示意图，从图2可以看出带孔硅片层是由二氧化硅层1-2、氮化硅层1-3和单晶硅层1-1构成，二氧化硅层1-2位于氮化硅层1-3和单晶娃层1_1之间。图3是试验I制备的生物芯片的剖面示意图，从图3可以看出反应区4呈四方台形，四方孔的长和宽沿〈110〉晶向。图中的角α为54. 7°，是反应区侧壁与底面的角度，反应区的容积固定，可定容量检测生物样品。
权利要求
1.一种定容量的生物芯片，其特征在于定容量的生物芯片是由带孔硅片层(I)、环氧树脂层(2)和玻璃基底(3)构成的；其中带孔硅片层是由二氧化硅层(1-2)、氮化硅层(1-3)和单晶硅层(1-1)构成，二氧化硅层(1-2)位于氮化硅层(1-3)和单晶硅层(1-1)之间，单晶硅层(1-1)和玻璃基底⑶通过环氧树脂层⑵粘合在一起；其中带孔硅片层(I)上的孔为反应区(4)。
2.根据权利要求I所述的一种定容量的生物芯片，其特征在于所述的玻璃基底(3)为透明的玻璃片。
3.根据权利要求I所述的一种定容量的生物芯片，其特征在于所述的反应区(4)为阵列式分布于生物芯片上。
4.如权利要求I所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于定容量的生物芯片的制备方法是按以下步骤进行一、制备带孔硅片层(I)，具体步骤为a、用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积，使其在表面生成二氧化硅层(1-2)；b、用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层(1-2)进行低压化学气相沉积，使其在表面生成氮化硅层(1-3) ;c、通过光刻和腐蚀工艺对单晶硅片上孔所在的位置进行处理，去除二氧化硅层(1-2)和氮化硅层(1-3)，再用质量百分含量为40%的KOH溶液对去除二氧化硅层(1-2)和氮化硅层(1-3)的位置继续腐蚀至硅片全透，得到带孔硅片层⑴；二、通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底(3)上，环氧树脂的厚度为5 15微米，得到环氧树脂层(2)，然后将带孔硅片层置于环氧树脂层(2)上，其中带孔硅片层的单晶硅层(1-1)与环氧树脂层(2)相接，得到初级生物芯片；三、在温度为80 100°C的条件下对初级生物芯片进行3 5h的固化处理，即得定容量的生物芯片。
5.根据权利要求4所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于步骤一中所述的单晶娃片为单晶娃〈100〉晶向娃片，厚度为425微米。
6.根据权利要求4所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于步骤一中所述的用等离子气相沉积台对单晶硅片进行离子增强化学气相沉积，其具体方法为将单晶硅片放入离子气相沉积台的反应腔室中，将腔室真空度抽至2X 10_3Pa后，通入SiH4和N2O两种气体，SiH4的流量控制在30sCCm，N20的流量控制在25sCCm，腔室压强设定为IPa，在反应温度300°C、射频功率200W条件下，沉积二氧化硅2 5h。
7.根据权利要求4所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于步骤一中所述的用低压化学气相沉积设备对二氧化硅层(1-2)进行低压化学气相沉积，其具体方法为将生成了二氧化硅层(1-2)的单晶硅片放入低压化学气相沉积设备的腔室中，将腔室真空度抽至2X 10_3Pa后，通入SiH2Cl2和NH3两种气体，SiH2Cl2的流量控制在20sccm，NH3的流量控制在45sccm，腔室压强设定为27Pa，在反应温度300°C条件下，沉积氮化硅2 5h。
8.根据权利要求6所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于沉积二氧化硅的时间为4h。
9.根据权利要求7所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于沉积氮化硅的时间为4h。
10.根据权利要求9所述的一种定容量的生物芯片的制备方法，其特征在于步骤二中所述通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底(3)上，厚度为10微米。
全文摘要
一种定容量的生物芯片及其制备方法，它涉及一种生物芯片及其制备方法。本发明是要解决现有生物芯片检测结果不精确以及制备方法复杂的问题。定容量的生物芯片是由带孔硅片层、环氧树脂层和玻璃基底构成的。制备方法为一、制备带孔硅片层；二、通过旋涂或喷涂方式将环氧树脂涂覆在玻璃基底上，得到环氧树脂层，然后将带孔硅片层置于环氧树脂层上，其中带孔硅片层的单晶硅层与环氧树脂层相接，得到初级生物芯片；三、对初级生物芯片进行固化处理，即得定容量的生物芯片。本发明的生物芯片可精确检测生物样本中目标分子浓度，本发明方法简便。本发明应用于生物技术与微机械加工交叉领域。
文档编号C23C16/44GK102879556SQ201210361420
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者金建东, 王明伟, 齐虹, 田雷, 王永刚, 刘智辉, 郑丽, 张岩 申请人:中国电子科技集团公司第四十九研究所