一种细胞多参数检测微纳传感器

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1.本实用新型涉及细胞检测与微纳传感器技术领域，具体涉及一种细胞多参数检测微纳传感器。


背景技术：
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2.在生物学领域，温度、电导率、ph值等参数是生命科学领域研究生物体生命进程不可或缺的重要指标。在生命科学研究中，一方面，活细胞内不断进行着各式各样的生理、化学反应，与这些反应密切相关的表现即为温度、电导率、ph值的改变。另一方面，受到外界刺激的情况下，细胞会迅速调整其代谢活动以应对环境变化，同样也会伴随着明显的温度、电导率、ph值等参数变化。因此，实现细胞温度、电导率、ph值等参数的实时检测，无论是对于细胞生理功能及异质性研究，还是从细胞对外界环境的适应性和应激反应的角度出发，都具有重要意义。细胞自身参数变化微小，容易受到细胞外环境的影响，所以细胞参数检测方法需要精度高、响应速度快，才能准确检测到细胞的参数波动。目前还没有形成成熟有效的检测手段，尤其还没有形成成熟有效的细胞温度、电导率、ph值等参数的检测手段。
3.随着微流控和微机械加工技术的不断完善和发展，微全分析系统(micro total analysissystem，μ
‑
tas)在细胞水平上的生物学研究和临床实验诊断等领域里的优势日趋显著。微流控芯片因功能单元尺寸与细胞大小相当、精度高和检测快速方便等优点，在细胞分析方面表现出了明显的优势。该技术可以将现行所有的细胞分析步骤和过程(如细胞操纵、细胞捕捉/筛选、细胞培养以及在线实时动态监测分析等)整合于一块微芯片上，实现分析操作的一体化，可以减少操作过程中对细胞样本的损伤和污染，非常适合少量细胞特征参数的快速高灵敏检测。本实用新型细胞多参数检测微纳传感器就是此种微流控传感器，也叫作微流控芯片。
4.目前，针对单细胞检测发展了一系列新型的微流控芯片及装置，主要可以分为以下几类： (1)利用乳液滴单元，包裹单个细胞，为细胞检测提供独立的空间。再利用微结构操纵液滴融合，实现单细胞的裂解和核酸扩增，如专利文献cn109988821a。(2)利用微腔结构单元，捕获单个细胞，再通过微阀结构控制特定通道开闭，通入裂解液裂解细胞并驱动裂解产物流入微反应腔内扩增，如专利文献cn106065391a。(3)利用介电电泳原理，在微芯片内集成电极，捕获单细胞，然后施加高电压裂解细胞，如专利文献cn107267382a。而微流控芯片内细胞基因检测方法主要有：(1)在核酸扩增试剂中加入特异性taqman探针，根据荧光信号分析基因表达。(2)回收核酸扩增产物，采用二代测序技术检测目标核酸。(3)采用原位核酸杂交技术，无需裂解细胞即可分析基因。
5.以上这些应用于单细胞参数检测的微流控装置，仍旧存在以下几点问题：1)、只能实现单一参数的检测，而不能实现多个参数的一体化同时检测与实时在线连续监测。2)能够实现细胞检测一体化的芯片，结构复杂，需要外接的进样或者操控设备。3)结构简单的芯片只是实现了单细胞捕获和裂解，没有将所有检测步骤集成化。
6.聚二甲基硅氧烷，英文名称polydimethylsiloxane，简称pdms。是一种高分子有机
聚合物，具有光学透明与内部细微结构的多孔性，而且生物兼容性很好。pdms的应用包括在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜。液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称做硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，其端基和侧基全为烃基(如甲基、乙基、苯基等)。


技术实现要素：
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7.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种细胞多参数检测微纳传感器，将细胞捕获、多参数检测功能集成于一体。
8.为了解决上述技术问题，本实用新型细胞多参数检测微纳传感器所采用的技术方案为：
9.一种细胞多参数检测微纳传感器，包括相互贴合的玻璃基片与pdms片，所述pdms片的贴合面为开槽结构面，所述pdms片的贴合面开设流槽，与所述玻璃基片贴合后在玻璃基片上面形成检测时供细胞溶液流经的流道，流槽的两端分别开设打穿pdms片的通孔，形成进样孔与出样孔；其特征在于，所述流槽中设置供细胞溶液流入并留置的开口围坝，所述开口围坝的开口朝向进样注入方向；所述玻璃基片的贴合面上在所述开口围坝对应位置设置有2个以上分别用于检测传感不同参数的微型电极块，使所述各微型电极块位于所述开口围坝所占区域的下方，所述开口围坝与玻璃基片之间保留检测时供试样流体与空气流过的高度间隙，该高度间隙小于待测细胞个体外径；各微型电极块各自设置pt材质的引出线。
10.以下为本实用新型细胞多参数检测微纳传感器进一步的方案：
11.所述流槽中的开口围坝的高度低于所述pdms片的贴合面，该高度差(h)作为pdms片与玻璃基片贴合后的开口围坝与玻璃基片之间的高度间隙。
12.所述开口围坝为设有开口的呈c字形圆环的c型坝，c型坝的开口宽度大于c型坝的坝内半径；或者，所述开口围坝为一边开口的呈口字形方环的方型坝，方型坝的开口宽度大于方型坝的开口边内侧边长的一半；所述流槽在开口围坝所在处可开设圆弧形凹口。
13.所述开口围坝的坝高度为50um，所述开口围坝与玻璃基片之间的高度间隙为5um；所述c型坝的坝内直径为150um，或者，方型坝的内侧边长为150um。
14.所述流槽在pdms片上呈具有开口的矩形环状布置，以进样孔与出样孔为矩形环开口的 2个端口；矩形环另外3边的流槽中分别设置所述开口围坝。
15.所述微型电极块包括温度检测电极块、电导率检测电极块、ph值检测电极块，ph值检测电极块还设置有与其对应的参比电极块。
16.所述温度检测电极块与电导率检测电极块包括先溅射在玻璃基片上面的一层厚度为500a 的ti作为粘附层，与溅射厚度为1500a的pt层，共同形成一层厚度为500/1500a的ti/pt 层，并在ti/pt层上面沉积一层厚度为5000a的si3n4层，作为绝缘层；所述ph值检测电极块包括溅射在玻璃基片上面的一层厚度为2500a的ti层；所述参比电极块包括一层厚度为 2500a的ag/agcl层。
17.所述各微型电极块还包括离子检测电极、orp检测电极。
18.各微型电极块的引出线的底端位于玻璃基片的侧边缘；其中，所述温度检测电极块呈pt 丝来回迂回折返的形状，温度检测电极块的两端分别连接其2侧引出线，温度检测电极块位于其2侧引出线的顶端。
19.本实用新型细胞多参数检测微纳传感器，采用玻璃基片作为基底材料，在玻璃片表面制备多种传感器，与pdms片相键合，实现微环境内温度、电导率、ph值等参数实时在线连续监测。为细胞研究提供一种新型微环境成分变化监测的微系统，为微环境参数变化对细胞的生长状态影响情况提供实时数据。本实用新型多参数检测微纳传感器既可以实时观测到细胞在分裂、死亡等状态下的电导率、温度、ph值等值的变化，又可以通过开口围坝很好地控制细胞在微纳传感器内的生长分布，有效地解决阵列芯片细胞分布无序的难题。其中温度传感器检测准确度为
±
0.01℃，响应时间≤0.1s；电导率传感器检测准确度为
±
0.0005s/m，响应时间≤0.1s；ph传感器检测范围为ph值1
‑
14，检测准确度为
±
0.005ph。
20.本实用新型细胞多参数检测微纳传感器可以在不影响细胞正常生理功能的前提下，实时在线连续监测细胞温度、电导率、ph值等参数变化。主要由两部分器件键合而成，分别是玻璃片上的电极层和具有流槽的pdms片。前者利用光刻、溅射、和湿法去胶工艺，后者则是利用光刻、深反应离子刻蚀(drie)、su8胶光刻工艺。虽然同为光刻工艺，但两者处理上却有明显不同。为方便在显微镜下观察细胞形态，电极部分溅射在玻璃片上，并在pt电极上做一层si3n4，防止电极与水接触后导电。以上完成后将玻璃片划片。在硅片上光刻出需要的结构后，通过环氧胶倒模工艺，将硅片模具上的图案结构转移到pdms上，此时在pdms薄膜上会出现所需要的微流控芯片通道，用切割刀将固化好pdms薄膜切割好并打孔。最后将处理好的 pdms芯片和划片好的电极芯片进行等离子体清洗，清洗后快速在显微镜下对准键合，然后置于105℃热板上加热2h，使两者键合牢固。
21.因细胞的直径大于c型坝或方型坝结构下的通道高度，因此可将细胞截留在开口围坝内，而各微型电极块位于所述开口围坝所占区域的下方，因此该微流控芯片可以精确的检测粘附细胞生长、增殖过程中的温度、电导率、ph值等参数变化情况，实时检测细胞在正常生理活动中(代谢、分裂、凋亡等)以及药物刺激下的温度、电导率、ph值等参数变化情况。此外，本实用新型细胞多参数检测微纳传感器可批量化制造，成本低，检测灵敏度高等特点，具有重要的实际应用价值。
附图说明
22.图1为本实用新型细胞多参数检测微纳传感器外观立体示意图。
23.图2为本实用新型细胞多参数检测微纳传感器pdms片与玻璃基片分离状态立体示意图。
24.图3为pdms片立体示意图。
25.图4为玻璃基片立体示意图。
26.图5为图3中局部a放大示意图。
27.图6为图4中局部b放大示意图。
28.图7为c型坝俯视示意图。
29.图8为方型坝俯视示意图。
30.图9为pdms片制作过程中各工序截面形状变化示意图。
31.图10为玻璃基片制作过程中各工序截面形状变化示意图。
32.注：图9、图10是示意性的，并不与pdms片或玻璃基片的实际剖面形状相对应。
具体实施方式
33.以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
34.本实用新型细胞多参数检测微纳传感器，如图1所示，包括相互贴合的玻璃基片1与pdms 片2。如图2所示，pdms片2的贴合面为开槽结构面，pdms片2的贴合面开设流槽7，与玻璃基片1贴合后在玻璃基片1上面形成检测时供细胞溶液流经的流道，流槽7的两端分别开设打穿pdms片2的通孔，形成进样孔5与出样孔6。如图3所示，流槽7中设置供细胞溶液流入并留置的开口围坝，开口围坝的开口朝向进样注入方向。如图2所示，玻璃基片1的贴合面上在开口围坝对应位置设置有2个以上分别用于检测传感不同参数的微型电极块，使各微型电极块位于开口围坝所占区域的下方，开口围坝与玻璃基片1之间保留检测时供试样流体与空气流过的高度间隙，该高度间隙小于待测细胞个体外径。如图2、图4所示，各微型电极块各自设置pt材质的引出线4。由于绝大多数的细胞直径为10
‑
20um，此高度间隙可设置为5um。
35.如图5、图7所示，开口围坝为设有开口的呈c字形圆环的c型坝8，c型坝8的开口宽度大于c型坝8的坝内半径。或者，如图8所示，开口围坝为一边开口的呈口字形方环的方型坝，方型坝的开口宽度大于方型坝的开口边内侧边长的一半。如图3、图5所示，流槽7 在开口围坝所在处可开设圆弧形凹口16。因为绝大多数的细胞直径10
‑
20um，所以被测细胞不能通过缝隙而被限制在c型环内，因此特殊的c型结构可将细胞固定在微电极上，同时由于开口围坝与玻璃基片1之间5um的高度间隙的存在，不影响空气和液体的流通，所以也就不影响被测单细胞存活。采用方型坝也是同样道理。如图3所示，流槽7的宽度应至少略大于开口围坝的外径，流槽7在开口围坝所在处可开设圆弧形凹口16，以利于待测细胞溶液继续向前流动。
36.上述开口围坝与玻璃基片1之间的高度间隙可如此实现：如图3、图5所示，流槽7中的开口围坝的高度低于pdms片2的贴合面5um，该高度差h作为pdms片2与玻璃基片1贴合后的开口围坝与玻璃基片1之间的高度间隙。开口围坝的坝高度为50um，开口围坝与玻璃基片1的之间的高度间隙为5um；c型坝8的坝内直径为150um，或者，方型坝的内侧边长为 150um。
37.如图3所示，流槽7在pdms片2上呈具有开口的矩形环状布置，以进样孔5与出样孔6 为矩形环开口的2个端口；矩形环另外3边的流槽7中分别设置开口围坝，即沿流槽7设置 3个开口围坝。3个开口围坝下方的玻璃基片1上分别设置各微型电极块。细胞溶液在流槽7 中流动，流经3个开口围坝时，由3个开口围坝分别捕捉到待测细胞，待测细胞在各自的开口围坝内接受下面各微型电极块的检测传感。
38.如图4、图6所示，附图所示实施例中，微型电极块包括温度检测电极块3、电导率检测电极块13、ph值检测电极块14，ph值检测电极块14还设置有与其对应的参比电极块15。温度检测电极块3与电导率检测电极块13包括先溅射在玻璃基片1上面的一层厚度为500a 的ti作为粘附层，与溅射厚度为1500a的pt层，共同形成一层厚度为500/1500a的ti/pt 层17，并在ti/pt层17上面沉积一层厚度为5000a的si3n4层12，作为绝缘层；ph值检测电极块14包括溅射在玻璃基片1上面的一层厚度为2500a的ti层18；参比电极块15包括一层厚度为2500a的ag/agcl层20。
39.各微型电极块的设置，除了附图所示实施例中的温度检测电极块3、电导率检测电极块 13、ph值检测电极块14，还可根据需要增设或转换离子检测电极、orp检测电极。
40.如图4、图6所示，各微型电极块的引出线4的底端位于玻璃基片1的侧边缘；其中，温度检测电极块3呈pt丝来回迂回折返的形状，温度检测电极块3的两端分别连接其2侧引出线4，温度检测电极块3位于其2侧引出线4的顶端。
41.本实用新型细胞多参数检测微纳传感器，包括可不分先后各自进行的pdms片 2的制作与玻璃基片1的制作，及其二者的键合，pdms片2的制作首先包括作为其模具的硅基片9的制备与pdms片2的制作。
42.如图9所示，pdms片2的制作具体包括以下步骤：
43.步骤1、硅基片9的预处理：由98％h
2s
o4、30％h2o2，以7:3比例混合配制成piranha溶液，将硅基片9在120℃piranha溶液中持续浸泡30min，随后取出硅基片9并用去离子水反复清洗，将硅基片9放在甩干机内，甩干其表面水分备用；参见图9
‑
1。
44.步骤2、涂胶：使用涂胶机将lc100a光刻胶10均匀的涂覆在硅基片9表面；参见图9
‑
2。
45.步骤3、光刻：曝光15s后显影，得到需要的图案；参见图9
‑
3。
46.步骤4、刻蚀：用深反应离子刻蚀法，将硅基片9向下刻蚀5um的深度；参见图9
‑
4。
47.步骤5、去胶：使用piranha溶液去掉lc100a光刻胶10；参见图9
‑
5。
48.步骤6、涂胶：在清洗干净的硅基片9基底上甩凃su8
‑
3050光刻胶11，厚度为50um，水平静置2h；参见图9
‑
6。
49.步骤7、光刻：曝光10s后，显影、硬烘后得到需要的硅基片9；参见图9
‑
7。
50.步骤8：在硅基片9上浇筑已经抽好真空的pdms，参见图9
‑
8；静置半小时后，放在90℃烘箱内烘1h。
51.步骤9、脱模：用切割刀切成单个pdms片2备用；参见图9
‑
9。
52.如图10所示，玻璃基片1的制作具体包括以下步骤：
53.步骤10、溅射：在整块玻璃基板上溅射一层厚度为500/1500a的ti/pt层17；参见图 10
‑
1、图10
‑
2。
54.步骤11、涂胶：使用涂胶机将lc100a光刻胶10均匀的涂覆在金属表面；参见图10
‑
3。
55.步骤12、光刻：曝光15s后显影，得到需要的图案；参见图10
‑
4。
56.步骤13、刻蚀：使用深反应离子刻蚀法，在玻璃基板上向下刻蚀2000a，去除多余ti/pt 层17，只保留温度检测电极块3、电导率检测电极块13和电极引线的ti/pt层17；参见图 10
‑
5。
57.步骤14、去胶：使用丙酮去胶，将各电极表面的lc100a光刻胶10去掉；参见图10
‑
6。
58.步骤15、溅射：在以上图形的基础上溅射一层厚度为2500a的ti层18；参见图10
‑
7。
59.步骤16、涂胶：使用涂胶机将lc100a光刻胶10均匀的涂覆在金属表面；参见图10
‑
8。
60.步骤17、光刻：曝光15s后显影，得到需要的图案；参见图10
‑
9。
61.步骤18、刻蚀：使用深反应离子刻蚀法，在玻璃基板上向下刻蚀2500a，只保留ph值检测电极块14上的ti层18，去除其它处的ti层18；参见图10
‑
10。
62.步骤19、去胶：使用丙酮去胶，将电极表面的lc100a光刻胶10去掉；参见图10
‑
11。
63.步骤20、涂胶：使用涂胶机将lc100a光刻胶10均匀的涂覆在以上图形上；参见图
10
‑
12。
64.步骤21、光刻：曝光15s后显影，得到需要的图案；参见图10
‑
13。
65.步骤22、真空电镀：使用真空电镀法，在参比电极块15上镀一层厚度为2500a的ag层 19，再使用电化学工作站电解氯化，形成ag/agcl层20；参见图10
‑
14。
66.步骤23、去胶：使用干法刻蚀去胶，将lc100a光刻胶10去掉；参见图10
‑
15。
67.步骤24、pdcvd：用气相沉积法沉积一层厚度为5000a的si3n4层12，作为绝缘层；参见图10
‑
16。
68.步骤25、涂胶：使用涂胶机将lc100a光刻胶10均匀的涂覆在si3n4层12表面；参见图 10
‑
17。
69.步骤26、光刻：曝光15s后显影，得到需要的图案；参见图10
‑
18。
70.步骤27、刻蚀：使用深反应离子刻蚀法，向下刻蚀5000a，去除多余的si3n4层12，即去掉引出线、ph值检测电极块14、参比电极块15上面的si3n4层12，其余部分保留；参见图 10
‑
19。
71.步骤28、去胶：使用干法去胶去掉多余的lc100a光刻胶10，得到玻璃基片1备用；参见图10
‑
20。
72.步骤29、使用电化学的恒电位沉积法在参比电极块15的ag层19上制备一层ag/agcl薄膜，形成ag/agcl参比电极；参见图10
‑
21。得到加工好的玻璃基片1备用。
73.步骤30、键合：将处理过的pdms片和玻璃基底一起清洗，取出后以结构面相迎合的方式迅速在显微镜下对准键合，然后置于105℃热板上加热2h，使两者键合牢固。
74.步骤31、贴片：将键合后的芯片粘在pcb板上，即贴片，采用金丝球焊打线。
75.步骤32、包封：手动焊后端引线，用ab胶密封所有电极引线接口，完成整个器件制备。
76.以上细胞多参数检测微纳传感器是针对设置有温度检测电极块3、电导率检测电极块13、ph值检测电极块14的温度、电导率、ph值3参数检测微纳传感器。包括检测其它参数细胞多参数检测微纳传感器可参照此制作方法并作相应调整。