一种增强疏水亲油性的器件

1.本实用新型涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种增强疏水亲油性的器件。


背景技术：

2.脂质双层(lipid bilayer)类似于天然细胞膜，由两层磷脂分子紧密排列组成，具有双亲性。由于脂质双层具有高阻抗的特点，而且镶嵌有特定膜蛋白的脂质双层可形成纳米孔通道，因此可用于高灵敏度的生物传感检测，特别是用于dna测序。
3.由于脂质双层的厚度范围为4～5纳米，磷脂分子依靠尾部之间的疏水作用力形成联结，导致采用支撑法(supported lipid bilayer，简称slb)、液滴界面法(droplet interface bilayer，简称dib)和浸尖法(dip
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tip) 等方法形成的脂质双层具有脆弱、稳定性差、寿命短等缺陷。
4.为了解决脂质双层稳定性差的问题，水凝胶支撑的液滴界面脂质双层和“水合
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电诱导”复合方法制备囊泡脂质双层的方法被开发出来，但是这些方法的操作很复杂。同时，也有采用外部机械结构来加强脂质双层的稳定性，但现有机械结构的亲油疏水作用差，导致不能在水相液滴周围形成稳定油膜，进而导致水相界面上的脂质双层的稳定性得不到保证。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中水相界面上的脂质双层的稳定性得不到保证的缺陷，从而提供一种增强疏水亲油性的器件，包括：
6.基板，开设有贯穿上表面及下表面的至少一个第一通孔，在所述第一通孔的侧壁设置有至少一个第一凹槽，及在所述第一通孔的底部设置有电极层，以构成样品池；
7.支撑板，设置在所述基板的样品池的池口所在面，所述支撑板具有至少一个第二通孔，所述第二通孔与所述样品池一一对应设置，所述第二通孔的侧壁具有至少一个第二凹槽；
8.其中，第二通孔的截面面积不小于所述第一通孔的截面面积。
9.优选地，所述支撑板包括多个支撑柱，多个所述支撑柱间隔设置在所述样品池的圆周方向，以形成多个第二通孔；
10.在至少一个第二通孔的至少一个侧壁上设置有第二凹槽。
11.优选地，所述样品池的侧壁表面和所述支撑柱的侧壁表面的开孔率均为30％～70％。
12.优选地，至少一个第一凹槽的侧壁为非光滑表面。
13.优选地，至少一个第二凹槽的侧壁为非光滑表面。
14.优选地，还包括：
15.聚合物材料层，位于所述电极层的侧壁；
16.所述电极层通过所述聚合物材料层与第一通孔的侧壁连接。
17.优选地，还包括：
18.检测电路板，其上设置有焊盘，所述电极层与所述焊盘电连接。
19.优选地，所述电极层包括依次连接的电镀层、导线和焊料凸点，所述焊料凸点与所述焊盘可拆卸连接。
20.优选地，样品池侧壁上的第一凹槽与支撑板侧壁上的第二凹槽的开口宽度比均小于等于5；或
21.样品池侧壁上的第一凹槽与支撑板侧壁上的第二凹槽的开口宽度比均小于等于2；或
22.样品池侧壁上的第一凹槽与支撑板侧壁上的第二凹槽的开口宽度比均小于等于1。
23.优选地，样品池侧壁上的第一凹槽与支撑板侧壁上的第二凹槽的深宽比为7。
24.本实用新型技术方案，具有如下优点：
25.1.本实用新型提供的增强疏水亲油性的器件，相对于光滑侧壁的样品池和第二通孔，样品池的第一凹槽和第二通孔的第二凹槽能够提高样品池和第二通孔的比表面积，进而使亲油疏水的作用增强，有利于在水相液滴周围形成稳定油膜，促进水相界面形成稳定的脂质双层。即由于样品池的侧壁和第二通孔的侧壁具有更强的亲油疏水能力，能够形成“油包水”液滴，进而通过“油
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水替换法”在上下两层水相液体之间形成的脂质双层更加稳定,从而在水相液滴之间形成可靠的电气隔离。
26.2.本实用新型提供的增强疏水亲油性的器件，第一凹槽阵列和第二凹槽阵列可以通过多层光刻工艺形成，深宽比较小，能有效降低工艺难度，相对容易制备。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型增强疏水亲油性的器件的一种轴测图；
29.图2为本实用新型增强疏水亲油性的器件的俯视图；
30.图3为图2中c
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c方向的局部剖视图；
31.图4为本实用新型增强疏水亲油性的器件的主视图；
32.图5为图4中d
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d方向的剖视图；
33.图6为图4中j
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j方向的剖视图；
34.图7为第一凹槽和第二凹槽的局部剖视图；
35.图8为单个脂质双层生成单元进行dna测序的原理示意图；
36.图9为本实用新型增强疏水亲油性的器件的另一种轴测图。
37.附图标记说明：
38.1、基板；2、样品池；21、第一凹槽；3、支撑柱；31、第二凹槽；4、电极层；41、电镀层；42、导线；43、焊料凸点；5、检测电路板；51、焊盘；61、公共电极；62、dna链；63、膜蛋白；64、脂质双层；65、油相； 66、水相。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
43.实施例1
44.本实施例提供了一种增强疏水亲油性的器件，如图1和图3所示，包括基板1和支撑板，基板1上至少开设有一个贯穿基板1的第一通孔，在第一通孔的侧壁上设置有至少一个第一凹槽21，且在第一通孔的底部设置有电极层4，从而在基板1上构成至少一个样品池2，即电极层4与样品池 2连通，并封闭第一通孔的其中一个开口。
45.如图1
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图3所示，支撑板设置在基板1具有样品池2的池口的一侧，支撑板上具有至少一个第二通孔，第二通孔与样品池2一一对应设置，且第二通孔的截面面积不小于第一通孔的截面面积。在第二通孔的侧壁上具有至少一个第二凹槽31。在本实施例中，第一凹槽21和第二凹槽31可以为盲孔，盲孔的截面形状可以为圆形、矩形或三角形等，第一通孔和第二通孔的截面形状也可以为圆形、矩形或三角形等。
46.在上述实施例中，相对于光滑侧壁的样品池和第二通孔，样品池2的第一凹槽21和第二通孔的第二凹槽31能够提高样品池2和第二通孔的比表面积，进而使亲油疏水的作用增强，有利于在水相液滴周围形成稳定油膜，促进水相界面形成稳定的脂质双层。即由于样品池2的侧壁和第二通孔的侧壁具有更强的亲油疏水能力，能够形成“油包水”液滴，进而通过“油
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水替换法”在上下两层水相液体之间形成的脂质双层更加稳定。
47.如图1和图2所示，支撑板可以包括多个支撑柱3，在本实施例中，四个支撑柱3间隔设置在一个样品池2的圆周方向上，以形成一个第二通孔。在一些实施例中，也可以三个、五个等多个支撑柱3间隔设置在样品池2 的圆周方向，以形成一个第二通孔。
48.当基板1上具有多个样品池2时，样品池2可呈阵列形式排布在基板1 上，同时每个样品池2的圆周方向均可以间隔设置三个、四个或五个等多个支撑柱3，即支撑柱3位于样品池2的间隔处，以在基板1上形成多个第二通孔。第二凹槽31至少设置在一个第二通孔的至少一个侧壁上，在本实施例中，每个支撑柱3的侧壁上均设置有至少一个第二凹槽31，在一
些实施例中，每个支撑柱3也可以只在朝向样品池2的侧壁上设置第二凹槽31。
49.在一些实施例中，如图9所示，相邻的支撑柱3可以依次连接形成一个整体，即支撑板上设有一个或多个无缺口的第二通孔。
50.为了进一步加强样品池2和第二通道的亲油疏水的能力，第一凹槽21 和/或第二凹槽31的侧壁可以为非光滑表面，例如第一凹槽21和第二凹槽31的侧壁可以具有纹路结构或盲孔等。在一些实施例中，第一凹槽21和/ 或第二凹槽31的侧壁也可以为光滑表面。
51.为了保证亲油疏水的效果，又不加大所述增强疏水亲油性的器件的制作难度，样品池2的侧壁表面和/或支撑柱3的侧壁表面的开孔率均可以为 30％～70％，例如开孔率可以为45％、60％和65％等。所述开孔率为在样品池2 的侧壁表面或支撑柱3的侧壁表面上开设凹槽的面积总和分别占用样品池2 的侧壁表面积或支撑柱3的侧壁表面积的比例。
52.如图3所示，样品池2所在层的下方层为具有绝缘性、疏水性的聚合物材料层，所述聚合物材料层与基板1的材料有较好的粘附性。聚合物材料层位于电极层4的侧壁上(即电极层4镶嵌在聚合物材料层上)，电极层 4通过聚合物材料层与第一通孔(即样品池2)的侧壁连接。
53.为实现对dna链的检测，如图3所示，所述增强疏水亲油性的器件还包括检测电路板5，检测电路板5上设置有焊盘51，电极层4与焊盘51电连接。在本实施例中，基板1和聚合物材料层可以采用硅晶圆材料，并可通过硅通孔工艺(tsv)在聚合物材料层上设置电极层4，电极层4可为“ag/agcl层
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银导线
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焊料凸点”组成的复合结构，通过所述复合结构与检测电路板5上的焊盘51电气连接。即电极层4包括依次连接的电镀层41、导线42和焊料凸点43，焊料凸点43与焊盘51组成可拆卸的紧密接触连接，使得检测电路板5具有可重复使用的特点。其中电镀层41为ag/agcl层，导线42为银导线，可延长电极层4的使用寿命，多组样品池2、支撑柱3、电极层4和检测电路板5上的焊盘51组成检测单元,可实现对dna链的高通量检测。在一些实施例中，电极层4也可以单独由一种金属/合金组成。
54.在本实施例中，如图4
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图6所示，样品池2的侧壁表面具有多个微米尺寸的第一凹槽21，多个第一凹槽21可按照一定规律呈阵列形式排布在样品池2的侧壁表面上；第二通孔侧壁上具有多个微米尺寸的第二凹槽31，多个第二凹槽31可按照一定规律呈阵列形式排布在第二通孔的侧壁表面上。样品池2侧壁上的第一凹槽21阵列和支撑柱3侧壁上的第二凹槽31 阵列可通过多层光刻胶的叠加而成，可通过将仅开有圆孔的阵列层与带有锯齿边缘的圆孔阵列层交替叠加、贴合以形成封闭结构，从而形成第一凹槽阵列和第二凹槽阵列。
55.如图7所示，图7中a为纵向局部剖视图，其说明了样品池2侧壁的第一凹槽21分布和开口宽度h1的情况和支撑柱3侧壁的第二凹槽31分布和开口宽度h2的情况；图7中b为横向局部剖视图，其说明了样品池2侧壁的第一凹槽21分布、开口宽度w1和深度t1的情况；图7中c为横向局部剖视图，其说明了支撑柱3侧壁的第二凹槽31分布、开口宽度w2和深度t2的情况。
56.样品池2侧壁的第一凹槽沿样品池2轴向的开口宽度h1和支撑柱3侧壁的第二凹槽沿样品池2轴向的开口宽度h2取决于单层光刻材料(例如光刻胶干膜)的厚度。单层光刻材料的厚度在10～30μm之间，因此带有锯齿边缘的圆孔阵列的膜材料在进行光刻时，结构深宽比较小，工艺难度较低。在本实施例中，样品池2侧壁第一凹槽21阵列和支撑板侧壁第二凹槽 31阵列可通过多次“覆胶
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光刻
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覆胶”工艺来叠加形成，每次光刻工艺的深宽比不大于5。
57.样品池2侧壁上的第一凹槽21的开口宽度比(h1：w1)与支撑板侧壁上的第二凹槽31的开口宽度(h2：w2)比均小于等于5，此时所述器件的亲油疏水的性能好，但成型工艺难度较大；或
58.样品池2侧壁上的第一凹槽21的开口宽度比(h1：w1)与支撑板侧壁上的第二凹槽31的开口宽度(h2：w2)比均小于等于2；或
59.样品池2侧壁上的第一凹槽21的开口宽度比(h1：w1)与支撑板侧壁上的第二凹槽31的开口宽度(h2：w2)比均小于等于1。
60.样品池2侧壁上的第一凹槽21的深宽比(t1：w1)和支撑板侧壁上的第二凹槽31的深宽比(t2：w2)优选为7，在其他实施例中，样品池2侧壁上的第一凹槽21的深宽比(t1：w1)和支撑板侧壁上的第二凹槽31的深宽比(t2：w2)也可以为6。
61.如图8所示，具体使用本实施例所提供的增强疏水亲油性的器件生成脂质双层时：
62.1.利用下层的样品池2侧壁和上层的支撑柱3侧壁的亲油疏水作用形成“油包水”液滴，即油相65包裹水相66，在此基础上通过“油
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水替换法”在上下两层水相66界面处形成稳定的脂质双层64。
63.2.利用公共电极61施加偏置电压，驱使水相66中的膜蛋白63(例如α溶血素)横穿并镶嵌在所制备的脂质双层64之上，形成纳米孔通道。利用电极4和检测电路板5等，采集dna链62上不同碱基穿过纳米通道时所形成的不同电流信号，经后端数据分析获得dna链62上的碱基相关信息，从而实现dna测序。
64.本实施例提供的所述器件利用提高的比表面积增强疏水亲油性，使得生成的脂质双层具有稳定可靠、工艺难度低的优点，其容易与电路检测模块集成，与电路检测模块中的多个检测单元可组成检测阵列，所制备的脂质双层结合纳米通道测序技术，有望在纳米通道dna测序上实现自动化、高通量的目标。
65.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。