專利名稱：一種定容量的生物芯片及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種生物芯片及其制備方法。
背景技術：
生物芯片是90年代中期發展起來的一種具有劃時代意義的微量分析技術。它將大量的生物分子探針按需要的方式排列在特殊載體的反應區上，在特定條件下與待檢樣品進行作用，通過精密的掃描儀器對目的分子進行檢測。目前制備芯片的載體材料有玻璃片、硅片、金屬片、尼龍膜等。玻璃片由于具有低 熒光背景、相對較好的機械強度、化學穩定性好、透光性好的優點，是生物芯片常用的載體材料。對載體進行表面修飾是生物芯片制作的必要環節，主要方法是通過化學處理或涂覆有機分子，使載體表面附著氨基、羥基等化學基團，通過化學鍵的作用載體可以吸附生物分子，形成并固定生物探針。生物探針所在的區域用來與物樣品反生特異性交互作用，這些區域稱為反應區。載體修飾后，可以直接用機械點樣儀將生物探針滴到特定區域固定，這些區域便是反應區。此時反應區與非反應區都位于載體表面，兩者幾乎處于同一高度，因此這樣的生物芯片反應區具有平面結構，也可以將載體的反應區位置制成凹陷形狀，然后再進行探針固定，此時的生物芯片反應區具有立體結構，這兩種制備方法都較為復雜，并且這兩種形式的生物芯片存在以下問題I、如果生物芯片的反應區具有平面結構，生物樣本易于在芯片表面流動，這會對檢測結果產生影響。2、立體結構的反應區對生物樣本的流動會產生限制作用，對檢測過程有利。但在修飾環節，反應區和非反應區往往都具有固定生物探針的能力，生物探針易于擴散，探針定位不準確。更重要的是，這些立體反應區的容積沒有采取可靠的手段進行精確控制，反應區中生物樣本容量不確定，這些都會給生物樣本中目標分子濃度檢測帶來誤差。

發明內容
本發明是要解決現有生物芯片檢測結果不精確以及制備方法復雜的問題，提供了一種定容量生物芯片及其制備方法。本發明的定容量的生物芯片是由帶孔硅片層、環氧樹脂層和玻璃基底構成的；其中帶孔硅片層是由二氧化硅層、氮化硅層和單晶硅層構成，二氧化硅層位于氮化硅層和單晶硅層之間，單晶硅層和玻璃基底通過環氧樹脂層粘合在一起；其中帶孔硅片層上的孔為反應區。本發明的一種定容量的生物芯片的制備方法是按以下步驟進行一、制備帶孔硅片層，具體步驟為a、用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積，使其在表面生成二氧化硅層；b、用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層進行低壓化學氣相沉積，使其在表面生成氮化硅層；c、通過光刻和腐蝕工藝對單晶硅片上孔所在的位置進行處理，去除二氧化硅層和氮化硅層，用質量百分含量為40%的KOH溶液對去除二氧化硅層和氮化硅層的位置繼續腐蝕至硅片全透，得到帶孔硅片層；二、通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底上，環氧樹脂的厚度為5 15微米，得到環氧樹脂層，然后將帶孔硅片層置于環氧樹脂層上，其中帶孔硅片層的單晶硅層與環氧樹脂層相接，得到初級生物芯片；三、在溫度為80 100°C的條件下對初級生物芯片進行3 5h的固化處理，即得定容量的生物芯片。本發明利用了單晶硅在氫氧化鉀溶液腐蝕中的各向異性。所謂各向異性從晶體結構上說就是晶體沿不同方向原子排列的周期性和疏密程度不盡相同由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同。因此在氫氧化鉀溶液中，硅的(111)晶面腐蝕速度最慢，(100)晶面的腐蝕速率可比(111)面快100倍。腐蝕速率快的晶面在氫氧化鉀溶液中很容易被腐蝕而很快消失，而腐蝕速率慢的晶面不容易被腐蝕而被保留，其腐蝕結果則是反應區側壁全部是傾斜的(111)晶面，與底面有確定的角度54. 7°，并且不隨腐蝕時間的延長而變化。而底面(100)晶面則隨著時間的延長而逐漸向底部延伸，硅片由此被腐蝕透，形成硅孔，硅孔的上部呈方型，其長和寬平行于〈110〉晶向，孔側壁是傾斜的(111)晶面。即使再增加腐蝕時間，側壁也不會有變化，因此這種腐蝕方法獲得的反應區容積具有可控性。由于孔周圍是沒有吸附生物分子能力的氮化硅層，非反應區沒有固定生物探針的能力，生物 探針不易擴散。本方法中的環氧樹脂既可以固定生物探針又可以起到粘合作用，減少了操作步驟，簡化了工藝。


圖I是試驗I制備的生物芯片的立體結構示意圖；圖2是試驗I制備的生物芯片的帶孔硅片層示意圖；圖3是圖I沿A-A向的剖面示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式中一種定容量的生物芯片是由帶孔娃片層I、環氧樹脂層2和玻璃基底3構成的；其中帶孔硅片層是由二氧化硅層1-2、氮化硅層1-3和單晶娃層1_1構成，二氧化娃層1_2位于氮化娃層1-3和單晶娃層1-1之間，單晶娃層1-1和玻璃基底3通過環氧樹脂層2粘合在一起；其中帶孔硅片層I上的孔為反應區4。本實施方式利用了單晶硅在氫氧化鉀溶液腐蝕中的各向異性。所謂各向異性從晶體結構上說就是晶體沿不同方向原子排列的周期性和疏密程度不盡相同由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同。因此在氫氧化鉀溶液中，硅的(111)晶面腐蝕速度最慢，
(100)晶面的腐蝕速率可比(111)面快100倍。腐蝕速率快的晶面在氫氧化鉀溶液中很容易被腐蝕而很快消失，而腐蝕速率慢的晶面不容易被腐蝕而被保留，其腐蝕結果則是反應區側壁全部是傾斜的(111)晶面，與底面有確定的角度54. 7°，并且不隨腐蝕時間的延長而變化。而底面(100)晶面則隨著時間的延長而逐漸向底部延伸，硅片由此被腐蝕透，形成硅孔，硅孔的上部呈方型，其長和寬平行于〈110〉晶向，孔側壁是傾斜的(111)晶面。即使再增加腐蝕時間，側壁也不會有變化，因此這種腐蝕方法獲得的反應區容積具有可控性。由于孔周圍是沒有吸附生物分子能力的氮化硅層，非反應區沒有固定生物探針的能力，生物探針不易擴散。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述的玻璃基底3為透明的玻璃片。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是所述的反應區4為陣列式分布于生物芯片上。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式中一種定容量的生物芯片的制備方法是按以下步驟進行一、制備帶孔硅片層1，具體步驟為a、用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積，使其在表面生成二氧化硅層1-2 ;b、用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層1-2進行低壓化學氣相沉積，使其在表面生成氮化硅層1-3 ;c、通過光刻和腐蝕工藝對單晶硅片上孔所在的位置進行處理，去除二氧化硅層1-2和氮化硅層1-3，用質量百分含量為40%的KOH溶液對去除二氧化硅層1-2和氮化硅層1-3的位置繼續腐蝕至硅片全透，得到帶孔硅片層I ;二、通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底3上，環氧樹脂的厚 度為5 15微米，得到環氧樹脂層2，然后將帶孔硅片層置于環氧樹脂層2上，其中帶孔硅片層的單晶硅層1-1與環氧樹脂層2相接，得到初級生物芯片；三、在溫度為80 100°C的條件下對初級生物芯片進行3 5h的固化處理，即得定容量的生物芯片。本實施方式中的環氧樹脂既可以固定生物探針又可以起到粘合作用，減少了操作步驟，簡化了工藝。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中單晶硅片為單晶硅〈100〉晶向硅片，厚度為425微米。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四或五不同的是步驟一中的用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積，其具體方法為將硅片放入離子氣相沉積臺反應腔室中，將腔室真空度抽至2 X KT3Pa后，通入SiH4和N2O兩種氣體，流量分別控制在30sccm和25sccm，腔室壓強設定為IPa，在反應溫度300°C、射頻功率200W條件下，沉積二氧化娃2 5h。其它與具體實施方式
四或五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟一中所述的用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層1-2進行低壓化學氣相沉積，其具體方法為將生成了二氧化硅層1-2的硅片放入低壓化學氣相沉積設備的腔室中，將腔室真空度抽至2 X 10_3Pa后，通入SiH2Cl2和NH3兩種氣體，流量分別控制在20sccm和45sccm，腔室壓強設定為27Pa，在反應溫度300°C條件下，沉積氮化硅2 5h。其它與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四至七之一不同的是沉積二氧化娃的時間為4h。其它與具體實施方式
四或五相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是沉積氮化硅的時間為4h。其它與具體實施方式
四至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四至九之一不同的是在于步驟二中通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底3上，厚度為10微米。其它與具體實施方式
四至九之一相同。通過以下試驗驗證本發明的有益效果試驗I :一種定容量的生物芯片的制備方法是按以下步驟進行的一、制備帶孔硅片層1，具體步驟為a、用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積4h，使其在表面生成二氧化硅層1-2 ;b、用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層1-2進行低壓化學氣相沉積4h，使其在表面生成氮化硅層1-3 ;c、通過光刻和腐蝕工藝對單晶硅片上孔所在的位置進行處理，去除二氧化硅層1-2和氮化硅層1-3，用質量百分含量為40%的KOH溶液對去除二氧化硅層1-2和氮化硅層1-3的位置繼續腐蝕至硅片全透，得到帶孔硅片層I ;二、通過旋涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底3上，環氧樹脂的厚度為2微米，得到環氧樹脂層2，然后將帶孔硅片層置于環氧樹脂層2上，其中帶孔硅片層的單晶硅層1-1與環氧樹脂層2相接，得到初級生物芯片；四、在溫度為80°C的條件下對初級生物芯片進行5h的固化處理，即得定容量的生物芯片。
圖I為本試驗制備的生物芯片的立體結構示意圖，從圖I可已看出本試驗制備的定容量的生物芯片是由帶孔硅片層I、環氧樹脂層2和玻璃基底3構成的；其中帶孔硅片層是由二氧化硅層1-2、氮化硅層1-3和單晶硅層1-1構成，二氧化硅層1-2位于氮化硅層1-3和單晶硅層1-1之間，單晶硅層1-1和玻璃基底3通過環氧樹脂層2粘合在一起；帶孔硅片層I上的孔為反應區4。圖2是試驗I制備的生物芯片的硅片層示意圖，從圖2可以看出帶孔硅片層是由二氧化硅層1-2、氮化硅層1-3和單晶硅層1-1構成，二氧化硅層1-2位于氮化硅層1-3和單晶娃層1_1之間。圖3是試驗I制備的生物芯片的剖面示意圖，從圖3可以看出反應區4呈四方臺形，四方孔的長和寬沿〈110〉晶向。圖中的角α為54. 7°，是反應區側壁與底面的角度，反應區的容積固定，可定容量檢測生物樣品。
權利要求
1.一種定容量的生物芯片，其特征在于定容量的生物芯片是由帶孔硅片層(I)、環氧樹脂層(2)和玻璃基底(3)構成的；其中帶孔硅片層是由二氧化硅層(1-2)、氮化硅層(1-3)和單晶硅層(1-1)構成，二氧化硅層(1-2)位于氮化硅層(1-3)和單晶硅層(1-1)之間，單晶硅層(1-1)和玻璃基底⑶通過環氧樹脂層⑵粘合在一起；其中帶孔硅片層(I)上的孔為反應區(4)。
2.根據權利要求I所述的一種定容量的生物芯片，其特征在于所述的玻璃基底(3)為透明的玻璃片。
3.根據權利要求I所述的一種定容量的生物芯片，其特征在于所述的反應區(4)為陣列式分布于生物芯片上。
4.如權利要求I所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于定容量的生物芯片的制備方法是按以下步驟進行一、制備帶孔硅片層(I)，具體步驟為a、用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積，使其在表面生成二氧化硅層(1-2)；b、用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層(1-2)進行低壓化學氣相沉積，使其在表面生成氮化硅層(1-3) ;c、通過光刻和腐蝕工藝對單晶硅片上孔所在的位置進行處理，去除二氧化硅層(1-2)和氮化硅層(1-3)，再用質量百分含量為40%的KOH溶液對去除二氧化硅層(1-2)和氮化硅層(1-3)的位置繼續腐蝕至硅片全透，得到帶孔硅片層⑴；二、通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底(3)上，環氧樹脂的厚度為5 15微米，得到環氧樹脂層(2)，然后將帶孔硅片層置于環氧樹脂層(2)上，其中帶孔硅片層的單晶硅層(1-1)與環氧樹脂層(2)相接，得到初級生物芯片；三、在溫度為80 100°C的條件下對初級生物芯片進行3 5h的固化處理，即得定容量的生物芯片。
5.根據權利要求4所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于步驟一中所述的單晶娃片為單晶娃〈100〉晶向娃片，厚度為425微米。
6.根據權利要求4所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于步驟一中所述的用等離子氣相沉積臺對單晶硅片進行離子增強化學氣相沉積，其具體方法為將單晶硅片放入離子氣相沉積臺的反應腔室中，將腔室真空度抽至2X 10_3Pa后，通入SiH4和N2O兩種氣體，SiH4的流量控制在30sCCm，N20的流量控制在25sCCm，腔室壓強設定為IPa，在反應溫度300°C、射頻功率200W條件下，沉積二氧化硅2 5h。
7.根據權利要求4所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于步驟一中所述的用低壓化學氣相沉積設備對二氧化硅層(1-2)進行低壓化學氣相沉積，其具體方法為將生成了二氧化硅層(1-2)的單晶硅片放入低壓化學氣相沉積設備的腔室中，將腔室真空度抽至2X 10_3Pa后，通入SiH2Cl2和NH3兩種氣體，SiH2Cl2的流量控制在20sccm，NH3的流量控制在45sccm，腔室壓強設定為27Pa，在反應溫度300°C條件下，沉積氮化硅2 5h。
8.根據權利要求6所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于沉積二氧化硅的時間為4h。
9.根據權利要求7所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于沉積氮化硅的時間為4h。
10.根據權利要求9所述的一種定容量的生物芯片的制備方法，其特征在于步驟二中所述通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底(3)上，厚度為10微米。
全文摘要
一種定容量的生物芯片及其制備方法，它涉及一種生物芯片及其制備方法。本發明是要解決現有生物芯片檢測結果不精確以及制備方法復雜的問題。定容量的生物芯片是由帶孔硅片層、環氧樹脂層和玻璃基底構成的。制備方法為一、制備帶孔硅片層；二、通過旋涂或噴涂方式將環氧樹脂涂覆在玻璃基底上，得到環氧樹脂層，然后將帶孔硅片層置于環氧樹脂層上，其中帶孔硅片層的單晶硅層與環氧樹脂層相接，得到初級生物芯片；三、對初級生物芯片進行固化處理，即得定容量的生物芯片。本發明的生物芯片可精確檢測生物樣本中目標分子濃度，本發明方法簡便。本發明應用于生物技術與微機械加工交叉領域。
文檔編號C23C16/44GK102879556SQ201210361420
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者金建東, 王明偉, 齊虹, 田雷, 王永剛, 劉智輝, 鄭麗, 張巖 申請人:中國電子科技集團公司第四十九研究所