專利名稱：用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離體心臟電生理檢測以及用于藥物作用分析的生物傳感器，特別
涉及一種檢測離體小鼠心臟的光尋址電位傳感器。
背景技術(shù)：
在藥物監(jiān)測篩選中，動物活體試驗(yàn)由于生物信號復(fù)雜、影響因素多、成本高，因此很難進(jìn)行大批量藥物的篩選。細(xì)胞傳感器作為一種新型的傳感器，具有高通量，成本低，試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此被大量使用在藥物的初步篩選中。但是在細(xì)胞層面的藥物作用效果跟實(shí)際的在人體和動物體內(nèi)的藥物作用效果往往會有很大的不同，相比之下，在組織器官水平下的藥物篩選和動物體具有更高的相似性。目前，微電極陣列(MEA)用于離體心臟電位檢測時能夠有效地測量心臟的起搏特點(diǎn)以及電興奮傳導(dǎo)特性，但是會受到測量位點(diǎn)的限制，心臟必須與特定測量位點(diǎn)緊密接觸才能被檢測到。光尋址電位傳感器作為一種新型的半導(dǎo)體器件，具有高靈敏度，響應(yīng)快，良好的生物兼容性，最重要的是光尋址的功能，有效地克服了 MEA等傳統(tǒng)電生理檢測器件的測量位點(diǎn)的限制，因此在細(xì)胞生理測量中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，用于細(xì)胞電位監(jiān)測的光尋址電位傳感器必須采用正面照射，當(dāng)此類傳感器用于心臟監(jiān)測時，則由于心臟不透光而導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)。背光照射的光尋址電位傳感器一般用于細(xì)胞代謝監(jiān)測，用于電位信號的檢測較少，而且傳感器的硅基底厚度一般在lOOym以下，機(jī)械強(qiáng)度差，容易碎裂，加工和封裝難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種易于加工和封裝的用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器。 光尋址電位傳感器是基于硅基底的半導(dǎo)體器件，其加工過程與傳統(tǒng)微電子加工完全兼容。背光照射的光尋址電位傳感器需要對硅片進(jìn)行減薄來提高響應(yīng)，但是傳統(tǒng)的光尋址電位傳感器在加工過程中，硅片厚度過薄會降低芯片的機(jī)械強(qiáng)度，帶來很大的加工難度。為解決這個問題，本發(fā)明使用局部減薄的方法。 光尋址電位傳感器具有光尋址的功能，即測量點(diǎn)由光照區(qū)域決定，局部減薄后，控制光照區(qū)域僅在減薄區(qū)域使其成為測量區(qū)域，因此，局部減薄的光尋址電位傳感器芯片具有與整體減薄光尋址電位傳感器同樣的響應(yīng)幅度。未減薄的部分作為支撐，使得局部減薄芯片的整體機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)大于整體減薄的基底，因此，在加工過程中不易碎裂，具有更好的工藝兼容性。 具體地說，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是該用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器主要包括參考電極、封裝在腔體中的光源和傳感器芯片，所述腔體的上腔體內(nèi)設(shè)有貯液槽，該貯液槽的底部為傳感器芯片的絕緣層，參考電極置于貯液槽內(nèi)的測試液中，所述腔體的下腔體內(nèi)設(shè)有放置光源的第一凹槽，其特征是在所述傳感器芯片的工作電極和基底的中心位置設(shè)有第二凹槽，該第二凹槽貫穿工作電極且設(shè)于基底內(nèi)，第二凹槽的正上方為基底的測量區(qū)，第二凹槽與第一凹槽連通；所述貯液槽、基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的中心軸線相同。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述貯液槽、基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的內(nèi)徑相等。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述傳感器芯片的基底的測量區(qū)的厚度為50 lOOym。 本發(fā)明的光尋址電位傳感器作為監(jiān)測心臟電生理狀態(tài)的應(yīng)用是將該光尋址電位
傳感器用于監(jiān)測離體小鼠心臟的表面電位。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 (1)由于設(shè)有第二凹槽，使得基底的測量區(qū)的厚度可以做得較薄以保證傳感器有較高靈敏度，而測量區(qū)以外的部分可以做得較厚以用于支持基底，從而在保證傳感器的機(jī)械強(qiáng)度的前提下，有效地提高其靈敏度，并減小加工和封裝時的難度。
(2)采用組合式腔體，可快速封裝，并易于更換傳感器芯片. (3)本發(fā)明的貯液槽、傳感器芯片的基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的中心軸線相同，保證了貯液槽所在區(qū)域都可做為測量點(diǎn)，當(dāng)離體小鼠心臟放置在貯液槽內(nèi)并與傳感器芯片表面任意一點(diǎn)形成有效接觸，則傳感器能夠響應(yīng)此測量點(diǎn)的小鼠心臟電位變化，達(dá)到有效監(jiān)測離體小鼠心臟的目的。向貯液槽內(nèi)通入含有藥物的溶液，觀察傳感器檢測到的小鼠心臟生理狀態(tài)變化，則能夠有效地進(jìn)行藥物作用的分析。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明的光尋址電位傳感器檢測心臟電位的原理示意圖； 圖2為本發(fā)明的光尋址電位傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的光尋址電位傳感器記錄的離體小鼠心臟的電位信號圖(a)整體電位信號圖，(b)峰型提取結(jié)果圖； 圖4為本發(fā)明的光尋址電位傳感器在貯液槽中加入鹽酸胺碘酮后記錄的離體小鼠心臟的電位信號圖(a)整體電位信號圖，(b)峰型提取結(jié)果圖； 圖5為本發(fā)明的光尋址電位傳感器在貯液槽中加入腎上腺素后記錄的離體小鼠心臟的電位信號圖(a)整體電位信號圖，(b)峰型提取結(jié)果圖； 圖中1.心臟，2.參考電極，3.工作電極，4.基底，5. 二氧化硅層，6.氮化硅層，7.光源，8.基底的測量區(qū)，9.第二凹槽，IO.傳感器芯片，ll.貯液槽，12.第一凹槽，13.上腔體，14.下腔體，15.接線引腳，16.密封墊圈。
具體實(shí)施例方式(1)傳感器芯片的制備 本發(fā)明選取n型的硅片作為基底材料，化學(xué)清洗后進(jìn)行光刻和濕法腐蝕將硅基底背面中心圓形的區(qū)域減薄。減薄完成后將硅片氧化形成二氧化硅，然后用PECVD沉積氮化硅?？涛g去除硅片背面的Si0ySi3N4后，在背面濺射金屬并刻蝕去除掉減薄區(qū)域部分后作為工作電極3，制備好的光尋址電位傳感器芯片劃為小正方形作為實(shí)驗(yàn)單元。在圖2所示的實(shí)施例中，通常選取的硅基底厚度為400 500 ii m，電阻率一般選在10 Q wm左右，制備好的單個傳感器芯片10的尺寸可為lcmX lcm，從正面到反面依次為氮化硅層6 (絕緣層)、氧化硅層5 (絕緣層)、基底4和工作電極3。氮化硅層6的厚度一般為50 100nm ;氧化硅層5 厚度一般為30 50nm ;工作電極3 —般采用鋁或者金，厚度一般為300nm。傳感器芯片10 的工作電極3和基底4的中心位置設(shè)有第二凹槽9。第二凹槽9貫穿工作電極3并延伸至 基底4內(nèi)但不貫穿基底4，使得在基底4內(nèi)與第二凹槽9正對的未被貫穿的部分形成基底的 測量區(qū)8。第二凹槽9的直徑一般在6mm左右?；椎臏y量區(qū)8的厚度一般控制在100 y m 以下以保證測量靈敏度，厚度高于100 ii m會導(dǎo)致光在基底傳播的大量損耗，引起靈敏度的 下降。當(dāng)基底的測量區(qū)8的厚度為50 100 ii m時，本發(fā)明光尋址電位傳感器同時兼具較 高的靈敏度和機(jī)械強(qiáng)度。 (2)本發(fā)明光尋址電位傳感器的封裝 在圖2所示的實(shí)施例中，光尋址電位傳感器的封裝為上下組合式，傳感器芯片在 加工成正方形的小單元后，無需附加處理便能直接組合封裝在腔體內(nèi)，方便了芯片的更換 以及清洗。 傳感器芯片10封裝在腔體內(nèi)時，傳感器芯片10正面的氮化硅層6通過密封墊圈 16與上腔體13密封連接，背面的工作電極3與下腔體14緊密耦合形成良好接觸。上腔體 13設(shè)有貯液槽ll，貯液槽11的底部為傳感器芯片10的氮化硅層6(絕緣層)，參考電極2 置于貯液槽11內(nèi)。下體14內(nèi)設(shè)有第一凹槽12，第一凹槽12與第二凹槽9連通使第一凹 槽12內(nèi)的光源7能直接照射到基底的測量區(qū)8。貯液槽11、基底的測量區(qū)8、第二凹槽9和 第一凹槽12必須保持中心軸線相同。若使貯液槽11、基底的測量區(qū)8、第二凹槽9和第一 凹槽12的內(nèi)徑相等，可保證與貯液槽11所在區(qū)域相對的傳感器芯片10的表面均為有效測 量區(qū)域；且所述內(nèi)徑最好均為6mm以使貯液槽11的體積大小適合離體的小鼠心臟。下腔體 14的底部設(shè)有電極引腳15，分別電連接到光源7、工作電極3和參考電極2，以方便本發(fā)明 的光尋址電位傳感器與外接電源進(jìn)行電連接。上腔體13和下腔體14 一般選用teflon材 料，容易加工且具有良好的生物相容性，貯液槽11的高度一般為8mm左右，參考電極2 —般 選用鉑材料，光源7 —般采用紅外發(fā)光二極管或者紅光二極管。
(3)小鼠心臟離體及藥物 小鼠心臟離體選用出生10 15天，體重20g左右的小鼠，腹腔麻醉后，開胸迅速 取出心臟置于苔氏液中除去血液，立即以心室部分朝向傳感器表面放置于傳感器貯液槽ll 中進(jìn)行測量。 藥物苔氏液(138mmol/L NaCl，29,l/L KCI，12,1/L NaHC03， 0. 36mmo1/ LNa^P(V5mmol/L葡萄糖，pH7. 4);鹽酸胺碘酮溶液由杭州賽諾非安萬特民生制藥有限 公司生產(chǎn)的鹽酸胺碘酮片用苔氏液配制，濃度為lOym;實(shí)驗(yàn)用的腎上腺素為按體積比 1 : 10000添加腎上腺素到苔氏液中得到的溶液。
(5)離體小鼠心臟監(jiān)測及藥物試驗(yàn) 如圖l所示，本發(fā)明用于檢測離體小鼠心臟電位時，在貯液槽ll內(nèi)加入測試液，參 考電極2置于測試液中；將直流外接電源與本發(fā)明的參考電極2和傳感器芯片10的工作電 極3分別連接；光源7照射基底的測量區(qū)8 ;將剛離體的心臟1置于貯液槽11內(nèi)正對基底 的測量區(qū)8的位置。參考電極2 —般采用鉑電極，光源7 —般采用紅外，或者波長較長的紅 光。 由于貯液槽11體積與選用的小鼠心臟體積相仿，因此，離體小鼠心臟能立即充盈整個貯液槽11并與傳感器表面形成良好的接觸以進(jìn)行信號的記錄。記錄到的離體小鼠心 臟的表面電位信號見圖3。從圖3可以觀察到規(guī)律的動作電位信號，得到的信噪比大于10， 放電頻率為每O. 8 1. 8s —次。從峰形提取的結(jié)果可以看出，所提取的三極形峰形具有良 好的相似性，整體時程約為70ms，與正常心電圖的QRS峰群時程相似。由于沒有給離體心臟 提供灌流，長時間的測量表明信號的強(qiáng)度和頻率都會持續(xù)變小，但是時程基本不發(fā)生變化。
在對工作點(diǎn)的測量結(jié)束后，向貯液槽11中加入濃度為10 ii m的鹽酸胺碘酮溶液。 圖4為加入鹽酸胺碘酮6分鐘后測到的信號，與圖3中的信號相比，正負(fù)向峰峰值基本保持 一致，但是放電頻率和時程發(fā)生了較明顯的變化。放電頻率從每0. 8 1. 8s —次降至每 3 10s—次，這很有可能是由于心臟活性減弱引起，與空白對照組類似，無法確定是否由 于藥物引起。但是，電位峰的時程從約70ms延長至約100ms，并且延長的主要時段為正相峰 時長。由于空白試驗(yàn)表明時間延長無法改變電位時程，因此心臟電位時程的延長是由藥物 作用所引起。 加入鹽酸胺碘酮溶液8分鐘后，心臟電位幅度開始持續(xù)下降并且放電頻率小于8s 一次，時程也增加至大于100ms。此時將l : 10000濃度的腎上腺素加入到腔體，測量到的 信號如圖5所示。由圖中可以看出，加入腎上腺素后，峰值并沒有增大，時程依然保持大于 100ms，但是放電頻率由8s以上一次增加到2s左右一次，可以確定這是由于腎上腺素對于 心臟的剌激作用所引起的。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該傳感器能夠有效的監(jiān)測離體小鼠心臟 的表面電位，對心臟電位活動具有效用的藥物，例如延長電位時程，改變放電頻率等，都能 通過本傳感器進(jìn)行有效的篩選和驗(yàn)證。
權(quán)利要求
一種用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器，它包括參考電極、封裝在腔體中的光源和傳感器芯片，所述腔體的上腔體內(nèi)設(shè)有貯液槽，該貯液槽的底部為傳感器芯片的絕緣層，參考電極置于貯液槽內(nèi)的測試液中，所述腔體的下腔體內(nèi)設(shè)有放置光源的第一凹槽，其特征是在所述傳感器芯片的工作電極和基底的中心位置設(shè)有第二凹槽，該第二凹槽貫穿工作電極且設(shè)于基底內(nèi)，第二凹槽的正上方為基底的測量區(qū)，第二凹槽與第一凹槽連通；所述貯液槽、基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的中心軸線相同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器，其特征是所 述貯液槽、基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的內(nèi)徑相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器，其特征是 所述傳感器芯片的基底的測量區(qū)的厚度為50 100 ym。
4. 一種權(quán)利要求1所述的光尋址電位傳感器作為監(jiān)測心臟電生理狀態(tài)的應(yīng)用，其特征 是該光尋址電位傳感器用于監(jiān)測離體小鼠心臟的表面電位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于離體小鼠心臟監(jiān)測的光尋址電位傳感器及其監(jiān)測離體小鼠心臟的表面電位的應(yīng)用。本發(fā)明包括參考電極、封裝在腔體中的光源和傳感器芯片，腔體的上腔體內(nèi)設(shè)有貯液槽，該貯液槽的底部為傳感器芯片的絕緣層，參考電極置于貯液槽內(nèi)的測試液中，腔體的下腔體內(nèi)設(shè)有放置光源的第一凹槽，在傳感器芯片的工作電極和基底的中心位置設(shè)有第二凹槽，該第二凹槽貫穿工作電極且設(shè)于基底內(nèi)，第二凹槽的正上方為基底的測量區(qū)，第二凹槽與第一凹槽連通；貯液槽、基底的測量區(qū)、第二凹槽和第一凹槽的中心軸線相同。本發(fā)明易于加工和封裝、能有效用于離體小鼠心臟監(jiān)測。
文檔編號G01N33/15GK101732046SQ200910154850
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者余輝, 劉清君, 王平 申請人:浙江大學(xué)