電極可重復(fù)使用的pcr芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種生物微機電系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)是體外酶促合成特異DNA片段的一種方法，一般由高溫變性、低溫退火和適溫延伸三步反應(yīng)組成一個周期，循環(huán)進(jìn)行擴增反應(yīng)。作為基因檢測的最重要方式，PCR技術(shù)及其儀器在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)PCR儀普遍存在設(shè)備笨重、昂貴，不易攜帶，加樣操作復(fù)雜繁瑣，樣品消耗高(一般最小反應(yīng)體積為20uL)，反應(yīng)時間長(2?3h)等缺點，大大限制了它的廣泛應(yīng)用。并且傳統(tǒng)PCR儀通常采用板孔反應(yīng)載體，可對多個反應(yīng)管內(nèi)的樣本統(tǒng)一溫控，但不能對單個反應(yīng)管的溫度進(jìn)行單獨控制。因此，基于微機電系統(tǒng)(MEMS)制作的PCR生物芯片由于體積小、控溫靈活、擴增效率高、制造成本低等優(yōu)點一出現(xiàn)便得到了快速發(fā)展。靜態(tài)腔室PCR芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:反應(yīng)腔室、加熱元件和溫度傳感元件。形成反應(yīng)腔室的鍵合結(jié)構(gòu)分為:硅-玻璃鍵合結(jié)構(gòu)、硅-硅鍵合結(jié)構(gòu)、玻璃或硅-聚合物(如PDMS、PMMA, PET、SU - 8等)鍵合結(jié)構(gòu)等，一般通過在鍵合結(jié)構(gòu)中一側(cè)的玻璃、硅或聚合物基片上制作形成反應(yīng)腔室的凹坑。加熱、傳感電極多采用多晶硅、鉑金(Pt)等熱阻線性度好的薄膜材料，集成制作在硅或玻璃襯底上。這些PCR芯片多為反應(yīng)腔室和加熱、傳感電極集成在一起，整個PCR芯片(包括:加熱、傳感電極)多為一次性使用，成本高。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN102994369A公開(公告)日2013.03.27，公開了一種用于PCR快速反應(yīng)的芯片結(jié)構(gòu)，包括至上而下依次設(shè)置的蓋片、介質(zhì)層、PCR芯片和外部加熱結(jié)構(gòu)，蓋片上加工有通孔，PCR芯片上設(shè)有微腔孔，PCR芯片上覆介質(zhì)層，介質(zhì)層通過蓋片上的通孔呈現(xiàn)負(fù)壓吸附蓋片，PCR芯片的下底面與外部加熱結(jié)構(gòu)緊密接觸；PCR芯片可以是一層結(jié)構(gòu)，直接加工出微腔孔；或者是多層結(jié)構(gòu)，在至少一層上加工出微腔孔，再與另一基材復(fù)合。但該PCR芯片結(jié)構(gòu)沒有集成溫度傳感電極；同一個外部加熱結(jié)構(gòu)同時加熱多個反應(yīng)微腔孔，各個微腔孔的溫度不能單獨控制。
[0004]中國專利文獻(xiàn)號CN1804043公開(公告)日2006.07.19，公開了一種微型聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)芯片系統(tǒng)及其制備方法，該PCR芯片包括若干個用于DNA擴增的阱式反應(yīng)池，反應(yīng)池通過若干流道與進(jìn)出液口連接。在芯片上集成微加熱器和微傳感器，通過溫度循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行DNA擴增?？梢栽谠撔酒显O(shè)置微泵，在反應(yīng)池入口處設(shè)置微閥，用于DNA引物的導(dǎo)入及反應(yīng)池間的隔離。也可以在上述系統(tǒng)中設(shè)置熒光激發(fā)光源、熒光探測裝置及熒光信號檢測分析系統(tǒng)進(jìn)行PCR產(chǎn)物的熒光在位檢測。采用MEMS技術(shù)加工技術(shù)或微模型制備該芯片系統(tǒng)，該生物芯片系統(tǒng)提供了高通量和快速的DNA擴增手段，并具有便于攜帶、成本低和性能可靠的優(yōu)點。但該技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；襯底芯片(集成加熱、傳感電極)和芯片封蓋(含微反應(yīng)池)通過陽極鍵合或聚合物鍵合形成永久鍵和的整體結(jié)構(gòu)PCR芯片，不能多次使用，成本高；各個微反應(yīng)池的溫度不能單獨控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，發(fā)明了一種電極可重復(fù)使用的PCR芯片，使用后加熱、傳感電極芯片和反應(yīng)腔室芯片可分離，并且電極芯片可重復(fù)使用，尤其對于使用貴金屬鉑(Pt)的電極，PCR芯片的制造成本大為降低；發(fā)明了溫度相互干擾小的陣列式多反應(yīng)腔室PCR芯片結(jié)構(gòu)，可在不同溫控條件下進(jìn)行多種基因的并行擴增。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明PCR芯片由上而下包括:腔室芯片和電極芯片兩個部分，其中:腔室芯片包括:設(shè)有腔室結(jié)構(gòu)的聚合物蓋片和上基板；電極芯片包括:絕緣鈍化層、至少一個金屬電極組合和下基板，其中:聚合物蓋片和上基板之間構(gòu)成的腔室結(jié)構(gòu)位于對應(yīng)的金屬電極組合的正上方。
[0007]所述的腔室芯片和電極芯片在所述的上基板和絕緣鈍化層之間通過導(dǎo)熱硅脂薄層相貼合以實現(xiàn)可分離的結(jié)構(gòu)和電極芯片的可重復(fù)使用。
[0008]所述的電極芯片上的金屬電極組合包括:加熱電極、傳感電極和電極引腳，其中:加熱電極、傳感電極均為若干次彎折的條狀結(jié)構(gòu)，加熱電極所形成的加熱電極區(qū)域包括:線寬部分和縫隙部分。所述的金屬電極組合采用雙層薄膜金屬材料制成，包括:與玻璃基板結(jié)合的粘附層金屬鉻(Cr)或鈦(Ti)材料和熱阻層金屬鉑(Pt)。
[0009]所述的傳感電極的尺寸小于加熱電極的尺寸并嵌入放置于彎折條狀結(jié)構(gòu)加熱電極中部的縫隙中；所述的加熱電極的中部線寬大于兩端線寬，且加熱電極區(qū)域外圍，即對應(yīng)腔室的外圍部分的線寬邊緣部分設(shè)有開放鏤空面積和線寬內(nèi)部設(shè)有封閉鏤空面積。
[0010]所述的腔室芯片的上基板為厚度0.1?0.2mm的薄玻璃片。
[0011]所述的上基板為透明玻璃制成，其厚度尺寸能實現(xiàn)傳熱效率和剛度的兼顧。
[0012]所述的腔室片的聚合物蓋片，材料為PDMS、PMMA, PET等光學(xué)透明聚合物材料中的一種，其上設(shè)置的腔室結(jié)構(gòu)包括凹坑腔室、凹陷通道、注樣口和出樣口，其中所述的凹坑腔室的形狀為長菱形。
[0013]當(dāng)具有兩個以上金屬電極組合和腔室時，在所述的下基板上設(shè)置用于減少各陣列電極組合之間的相互溫度干擾的隔熱槽。
[0014]本發(fā)明涉及上述PCR芯片的制備方法，均采用MEMS微加工工藝制造，包括:電極芯片工藝、腔室芯片工藝和貼合工藝:
[0015]電極芯片制備工藝:
[0016]1.1)在下基板上通過磁控濺射依次沉積Cr和Pt薄膜；
[0017]1.2)光刻，干刻圖形化Cr/Pt薄膜，去膠，獲得金屬電極組合；
[0018]1.3)化學(xué)或物理氣相沉積氧化硅或氧化鋁薄膜鈍化層；
[0019]1.4)光刻、濕法刻蝕獲得金屬電極組合中的裸露的金屬引腳；
[0020]1.5)完全切片以獲得單個電極芯片或切半厚獲得帶有隔熱槽整片電極芯片。
[0021]腔室芯片制備工藝:
[0022]2.1)在上基板上沉積2微米厚的金屬鈦并氧化；
[0023]2.2)旋涂SU - 8光刻膠進(jìn)行UV曝光光刻，獲得相應(yīng)于腔室形狀的SU - 8結(jié)構(gòu)模具;
[0024]2.3)配制PDMS預(yù)聚物液體澆注在SU - 8結(jié)構(gòu)模具上獲得交聯(lián)固化的PDMS膜；
[0025]2.4)從SU - 8結(jié)構(gòu)模具上揭膜獲得帶腔室結(jié)構(gòu)的PDMS蓋片；用PDMS預(yù)聚物將制備的PDMS蓋片粘貼于上基板并交聯(lián)固化，從而獲得鍵合的PDMS腔室芯片。
[0026]貼合工藝:在獲得的電極芯片上均勻涂覆導(dǎo)熱硅脂薄層，套準(zhǔn)電極芯片上的對準(zhǔn)符號后貼合腔室芯片。
技術(shù)效果
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的加熱、傳感電極芯片和反應(yīng)腔室芯片可分離，加熱、傳感電極芯片可重復(fù)使用，采用玻璃基板、聚合物腔室并利用MEMS微加工技術(shù)批量制造，PCR芯片的成本大為降低；陣列式多反應(yīng)腔室PCR芯片結(jié)構(gòu)可在不同溫控條件下同時進(jìn)行多種基因的擴增，而傳統(tǒng)PCR儀不能實現(xiàn)此功能。
【附圖說明】
[0028]圖1為實施例1單腔室PCR芯片組裝結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；
[0029]圖2為單腔室PCR芯片的分解立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為金屬電極組合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4為實施例2陣列式多腔室PCR芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5為陣列式多腔室PCR芯片的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0034]如圖1、圖2所示，本實施例為單個腔室的PCR芯片，由上而下依次包括:腔室芯片I和電極芯片2兩個部分。其中所述的腔室芯片I包括:設(shè)有腔室結(jié)構(gòu)9的聚合物蓋片8和上基板7;所述的電極芯片I包括:絕緣鈍化層6、金屬電極組合5和下基板4。其中:所述的聚合物蓋片8和上基板7之間構(gòu)成的腔室結(jié)構(gòu)9位于對應(yīng)的金屬電極組合5的正上方。
[0035]所述的腔室芯片I和電極芯片2在上基板7和絕緣鈍化層6之間通過導(dǎo)熱硅脂薄層3相貼合。
[0036]所述的電極芯片I上的金屬電極組合5包括:加熱電極51、傳感電極52和電極引腳53。
[0037]所述的金屬電極組合5采用雙層薄膜金屬材料制成，具體包括:與玻璃基板結(jié)合的粘附層金屬鉻(Cr)或鈦(Ti)材料和熱阻層金屬鉑(Pt)。
[0038]如圖2和圖3所示，所述的加熱電極51、傳感電極52均為若干次彎折的條狀結(jié)構(gòu)，加熱電極51所形成的加熱電極區(qū)域包括:線寬部分51a和縫隙部分51b。
[0039]所述的傳感電極52的尺寸小于加熱電極51的尺寸并嵌入放置于彎折條狀結(jié)構(gòu)加熱電極中部的縫隙中。
[0040]為提高腔室結(jié)構(gòu)9所在電極中部區(qū)域的溫度分布均勻性，加熱電極51的中部線寬大于兩端線寬，且加熱電極區(qū)域外圍的線寬邊緣部分設(shè)有開放鏤空面積51c和線寬內(nèi)部設(shè)有封閉鏤空面積51d，通過局部線寬變細(xì)提高加熱電阻，以使加熱電極51四周邊緣區(qū)域的溫度提高，進(jìn)而進(jìn)一步提高其所包圍的電極中部區(qū)域的溫度分布均勻性。
[0041]所述的絕緣鈍化層6采用但不限于氧化硅、氧化鋁等制成，用來保護(hù)電極免受環(huán)境腐蝕，并提高電極重復(fù)使用的耐磨損性。
[0042]所述的腔室芯片的上基板7為厚度0.1?0.2mm的薄玻璃片，如蓋玻片等；該薄玻璃片傳熱快且兩側(cè)溫差小，有利于均勻化加熱腔室結(jié)構(gòu)9內(nèi)的液體且不易產(chǎn)生氣泡問題。
[0043]所述的腔室芯片的聚合物蓋片8采用但不限于PDMS、PMMA、PET等光學(xué)透明聚合物材料中的一種，其與上基板7構(gòu)成的腔室結(jié)構(gòu)9包括:凹坑腔室91、凹陷通道92、注樣口 93和出樣口 94，其中凹坑腔室91為利