一種電化學基因芯片的制作方法

專利名稱：一種電化學基因芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及基因檢測技術領域，更具體地，涉及一種電化學基因芯片。
背景技術：
基因芯片，也叫DNA芯片，大小如指甲蓋一般。每個芯片的基面上都可劃分出數萬至數百萬個小區，在指定的小區內，可固定大量具有特定功能、長約20個堿基序列的核酸分子，該核酸分子也稱為分子探針。
利用分子雜交及平行處理原理，基因芯片可對遺傳物質進行分子檢測，可用于基因研究、法醫鑒定、疾病檢測和藥物篩選等，其具有無可比擬的高效、快速、多參量、高通量、 集約化和低成本等特點,是在傳統的生物技術如檢測、雜交、分型和DNA測序技術等方面的一次重大創新和飛躍。由于基因芯片具有上述特點，其誕生以來就受到科學界的廣泛關注， 正如晶體管電路向集成電路發展的經歷一樣，分子生物學技術的集成化正在使生命科學的研究和應用發生一場革命。目前，市場上應用的基因芯片主要有三種類型:1)固定在聚合物基片(尼龍膜，硝酸纖維膜等)表面上的核酸探針或cDNA片段，通常用同位素標記的靶基因與其雜交，通過放射顯影技術進行檢測。2)用點樣法固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。3)在玻璃等硬質表面上直接合成的寡核苷酸探針陣列，與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。但是上述現有的基因芯片檢測技術，均是采用基因芯片對待檢測液體進行單次的檢測，這是由于現有的液體檢測技術均需要將被檢測的液體用容器裝載，現有的裝載容器均是單向管道，液體在容器內單向的流動，因此在一個容器內的液體只能進行一次的檢測，當需要對液體進行多次或需要進行多個試驗檢測時，則需要手動多次裝載同個樣品或者對多個液體樣品分別進行檢測。目前，這種檢測技術存在著以下問題:1、當需要檢測一種液體的多項指標時，需要對該液體的多個樣品進行檢測，由于不同的指標對應的是不同的樣品，所以會大大減弱檢測結果的準確性。
2、由于同一液體的多項指標需要多個樣品進行多次檢測，樣品和試劑的用量大， 操作復雜耗時，而且重復性差。
3、當對同一個樣品組織進行多次或多項指標的檢測時，則需要手動進行操作，不但自動化程度低，而且還容易使樣品受到污染。
4、對于一張基因芯片，由于已經接觸過同一個液體不同的樣品，可能會發生其他的生物反應，從而造成污染，影響了檢測的結果。
5、對一種液體采用多張基因芯片進行檢測，大大增加了檢測的成本和效率。發明內容
本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種能夠有效提高液體檢測效率的電化學基因芯片。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下:一種電化學基因芯片，包括流體腔、通道模塊，還包括與通道模塊相貼合的探針電路板，通道模塊上設有微流槽，通道模塊與探針電路板貼合后通過微流槽和探針電路板表面相接觸形成微流管道，流體腔與微流管道相通，探針電路板上沿著微流管道設置有用于為電化學伏安掃描提供基準參考電壓的參考電極、用于連通電化學激勵電路的輔助電極和用于連接檢測電路的工作電極，工作電極上固定有單分子層和DNA捕獲探針。
作為一種優選方案，所述參考電極、輔助電極和工作電極沿著微流管道以陣列式方式排列設置。
作為一種優選方案，所述參考電極包括一個，輔助電極包括相互連接的兩個，工作電極包括若干個，其中參考電極位于微流管道的最前端，兩個輔助電極設置在所有工作電極的兩端。
作為進一步的優選方案，任意兩個工作電極之間的間距相等。
作為一種優選方案，所述探針電路板正面上設有若干焊盤，正面上的焊盤鍍金后用作參考電極、輔助電極和工作電極，其中作為參考電極的焊盤表面鍍金后還固化有氯化銀。
作為進一步的優選方案，探針電路板反面上設有與正面上的焊盤一一對應的反面焊盤，探針電路板正面上的焊盤通過探針電路板上的孔與對應的反面焊盤連接。
作為一種優選方案，所述通道模塊上還設有用于提供動力使液體從流體腔輸出經微流管道后回到流體腔的振動腔，流體腔上設置有回收孔和輸出孔，微流管道上設有進液口和排液口，振動腔輸入端與輸出孔連接，振動腔的輸出端與進液口連接，排液口與回收孔連接。
作為進一步的優選方案，所述微流管道為圓弧狀。
作為進一步的優選方案，還包括基板和振動膜，振動膜覆蓋在通道模塊上，其與探針電路板分別位于通道模塊相對的兩側，基板覆蓋在振動膜上，所述流體腔安裝在基板上， 流體腔上的輸出孔通過基板和振動膜與振動腔連接。
作為更進一步的優選方案，所述進液口上設有第一單向閥，所述輸出孔設置有第二單向閥，液體利用第二單向閥由流體腔單向流動到振動腔，再利用第一單向閥有振動腔單向流動到微流管道內。
與現有技術相比，本發明技術方案的有益效果是:(I)本發明沿著微流管道設置工作電極，雜交液通過流體腔進入微流管道中，在固定了捕獲探針的工作電極上流動，捕獲探針與對應的目標DAN片段結合，目標片段在跟信號探針結合，完成雜交。由于工作電極可以根據實際需要設置一個或者多個，使得雜交液在流動過程中與多個捕獲探針進行雜交，可以一次性完成多項指標的檢測，大大提高了檢測的效率。
(2)利用本發明可以一次性對同一樣品完成多項指標的檢測，由于不同的指標對應的是同一種樣品，大大提高了檢測結果的準確性，而且樣品和試劑的用量小，操作簡單， 重復性好。
( 3)本發明中的基因芯片只需接觸同一液體的一個樣品即可完成多項指標的檢測，避免了與不同樣品接觸可能發生的不必要的生物反應，從而避免了基因芯片的污染，保證了檢測的準確性，而且只需使用一張基因芯片即可完成多項指標的檢測，減少了基因芯片的使用量，從而降低了檢測的成本。


圖1為本發明中電化學基因芯片具體實施例1的結構示意圖。
圖2為本發明中電化學基因芯片具體實施例1的結構示意圖。
圖3為本發明的具體實施例1中輔助電極和工作電極的分布示意圖。
圖4為本發明的具體實施例1中探針電路板的結構示意圖。
圖5為本發明的具體實施例1中微流管道和流體腔形成循環回路的結構示意圖。
圖6為本發明的具體實施例1中輔助電極和工作電極以弧形分布的示意圖。
圖7為本發明中電化學基因芯片具體實施例2的結構示意圖。
圖8為本發明的具體實施例2中微流管道和流體腔形成單向循環回路的示意圖。
具體實施方式
附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
實施例1如圖1和2所示，一種電化學基因芯片，包括流體腔1、通道模塊3，還包括與通道模塊 3相貼合的探針電路板2，通道模塊3上設有微流槽33，通道模塊3與探針電路板2貼合后通過微流槽33和探針電路板2表面相接觸形成微流管道31，流體腔I與微流管道31相通， 探針電路板2上沿著微流管道31設置有用于為電化學伏安掃描提供基準參考電壓的參考電極21、用于連通電化學激勵電路的輔助電極22和用于連接檢測電路的工作電極23，工作電極23上固定有單分子層和DNA捕獲探針。
其中，如圖2所示，通道模塊3可以由多層鏤空的薄膜組成，多層薄膜疊合后鏤空部分形成微流槽33，微流槽33最下層與探針電路板2貼合后形成微流管道。
其中，如圖1所示，參考電極21、輔助電極22和工作電極23沿著微流管道31以陣列式方式排列設置；參考電極21包括一個，位于微流管道31的最前端，為電化學伏安掃描提供絕對的基準參考電壓；工作電極23可以根據需要設置不同數目，但受到探針電路板2的大小和微流管道31 液體循環效果限制，設置數量可在2 - 128之間，每個工作電極23可以固定單分子層和和一種特定的DNA捕獲探針，對特定的目標DNA進行檢測，因此，每個工作電極23都是獨立的,每個工作電極23可以通過探針電路板2上的線路和外部檢測電路相互連接；輔助電極22包括兩個，位于所有工作電極23的兩端，且兩個輔助電極22相互連接，其相互連接可以通過探針電路板2上的線路實現，兩個輔助電極22直接連通后可以通過探針電路板2上的線路再與外部的電化學激勵電路相互連通。兩個輔助電極22分別和各個工作電極23組成若干對電極對,進行電化學伏安掃描時對各個電極對輪流掃描檢測,輔助電極22和工作電極23之間施加伏安掃描激勵電壓，并同時檢測回路的電流信號。
基于上述方案，在流體腔I內裝載雜交液，雜交液從流體腔I內流入微流管道31 并在微流管道31內流動，然后與沿著微流管道31設置的工作電極23相接觸，固定在工作電極23上的捕獲探針在雜交液流動時會跟目標DNA片段結合，目標NDA片段再跟信號探針結合，結合后信號探針的信號標志物(如二茂鐵等)近似于緊貼在工作電極23上，在外部電化學激勵電路施加的伏安掃描的電壓激勵下會產生與標志物質量成正比的信號電流，檢測信號電流的大小可以推斷出待檢目標DNA數量的多少，從而實現目標DNA片段的檢測。探針電路板2上的工作電極23在微流管道31和輔助電極22的配合下完成DNA雜交和電化學掃描檢測兩項工作。
由于雜交液順著微流管道31流動，固定在工作電極23上的捕獲探針可以分別與雜交液中的目標DNA片段結合，因此，同一種雜交液樣品可以同時在微流管道3 1內與不同的捕獲探針進行雜交檢測，可以一次性完成多項指標的檢測，不但提高了檢測的效率，還提高了檢測的準確性，簡化了檢測操作，降低了樣品和試劑的用量，節省了檢測的成本。
在具體實施過程中，為了保證各個工作電極23的DNA雜交和電化學掃描的一致性，在微流管道31中，任意兩個工作電極23到兩個輔助電極22的距離之和相等，加上輔助電極22分布在所有工作電極23的兩端，兩個輔助電極22用線路直接連接，作用相同， 在電化學掃描檢測時視為同一點。具體地，如圖3所示，在微流管道中，工作電極a到兩個輔助電極的距離分別為al和a2，工作電極b到兩個輔助電極的距離分別為bl和b2，則 al+a2=bl+b20
在具體實施過程中，為了保證工作電極之間可能存在的相互干擾程度一致，任意兩個工作電極之間的間距相等，如圖3所示，任意兩個工作電極之間的間距為L。
在具體實施過程中，可以通過在探針電路板上設置焊盤來構造參考電極、輔助電極和工作電極。具體地，如圖4所示，探針電路板2正面上設有若干焊盤24，正面上的焊盤 24鍍金后用作參考電極、輔助電極和工作電極，其中，作為工作電極的焊盤鍍金后會再固定上單分子層和DNA捕獲探針，作為參考電極的焊盤24表面鍍金后還固化有氯化銀。作為電極的焊盤24需要進行有別于一般電路板的工藝處理，并且鍍上厚金，確保金面平整、致密和潔凈。作為電化學電極使用時使所有工作電極、輔助電極和參考電極均浸泡在同一種電介質溶液中。
為了便于探針電路板上的參考電極、輔助電極和工作電極連接外部電路，在一個優選的實施方式中，如圖4所示，探針電路板2反面上設有與正面上的焊盤24 —一對應的反面焊盤25，探針電路板2正面上的焊盤24通過探針電路板2上的孔26與對應的反面焊盤25連接。
為了保護探針電路板上的線路圖形，可以在探針電路板正面上焊盤以外的區域及焊盤上除了與微流槽相接觸的區域均覆蓋綠油。
為了能夠進一步降低樣品及試劑的消耗量，同時也降低檢測產生廢物對環境的污染，可以將流體腔和微流管道之間形成的通道設計成循環回路，讓雜交液從流體腔出來經微流管道后能夠回到流體腔內進行回收處理。具體地，如圖1和圖5所示，通道模塊上還設有振動腔32，該振動腔32用于提供動力使液體從流體腔I輸出經微流管道31后回到流體腔1，流體腔I上設置有回收孔11和輸出孔12，微流管道31上設有進液口 311和排液口 312，振動腔32的輸入端與輸出孔12連接，振動腔32的輸出端與進液口 311連接，排液口 312與回收孔11連接。
在一個優選的實施方式中，如圖5所示，流體腔I上還設置有裝載口 13，用于將雜交液裝載到流體腔I中，裝載口 13上可以配置密封蓋來對流體腔I進行密封。
在具體實施過程中，如圖1、5和6所示，為了保證探針電路板上的工作電極23和輔助電極22所在的微流管道31中的液體可靠循環流動，微流管道31設計為弧形狀，工作電極23和輔助電極22對應地分布成弧形狀。
實施例2如圖7所示，在實施例1的基礎上，本實施例2還包括基板4和振動膜5，振動膜5覆蓋在通道模塊3上，其與探針電路板2分別位于通道模塊3相對的兩側，基板4覆蓋在振動膜 5上，流體腔I安裝在基板4上，流體腔I上的輸出孔通過基板4和振動膜5與振動腔32連接。
其中，如圖7所示，通道模塊3可以由多層鏤空的薄膜組成，多層薄膜疊合后鏤空部分形成微流槽，微流槽最下層與探針電路板2貼合后密封，上層與基板4和振動膜5組成密封結構。
進一步地，進液口上設有第一單向閥，輸出孔設置有第二單向閥，液體利用第二單向閥由流體腔單向流動到振動腔，再利用第一單向閥由振動腔單向流動到微流管道內。
其工作原理如圖8所示:當C處的振動膜往左運動，第一單向閥和第二單向閥間的下部管道空間將會變大，相對于兩單向閥的上部會出現一個負壓，由于右側的第二單向閥只能從下往上流動，存放于A處的流體腔內的流體在此負壓的作用下，將通過左側的第一單向閥流入一定的量到兩單向閥之間；當C處的振動膜往右運動，兩單向閥間的下部管道空間將會變小，相對于兩單向閥的上部會出現一個正壓，由于左側的第一單向閥只能從上往下流，兩單向閥間下部管道的流體在此正壓的作用下，將通過右側的第二單向閥流回上部。C處的振動膜不間斷的左右運動，此裝置內的流體就會按逆時針的方向循環。
本發明中通道模塊以及基板、振動膜、第一單向閥、第二單向閥等部件的具體結構可以參考本申請人的另一專利申請:201210590469.6，一種微流管道內驅動裝置，在此不再贅述。
相同或相似的標號對應相同或相似的部件；附圖中描述位置關系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應 包含在本發明權利要求的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電化學基因芯片，包括流體腔、通道模塊，其特征在于，還包括與通道模塊相貼合的探針電路板，通道模塊上設有微流槽，通道模塊與探針電路板貼合后通過微流槽和探針電路板表面相接觸形成微流管道，流體腔與微流管道相通，探針電路板上沿著微流管道設置有用于為電化學伏安掃描提供基準參考電壓的參考電極、用于連通電化學激勵電路的輔助電極和用于連接檢測電路的工作電極，工作電極上固定有單分子層和DNA捕獲探針。
2.根據權利要求I所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述參考電極、輔助電極和工作電極沿著微流管道以陣列式方式排列設置。
3.根據權利要求2所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述參考電極包括一個，輔助電極包括相互連接的兩個，工作電極包括若干個，其中參考電極位于微流管道的最前端，兩個輔助電極設置在所有工作電極的兩端。
4.根據權利要求3所述的電化學基因芯片，其特征在于，任意兩個工作電極之間的間距相等。
5.根據權利要求I所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述探針電路板正面上設有若干焊盤，正面上的焊盤鍍金后用作參考電極、輔助電極和工作電極，其中作為參考電極的焊盤表面鍍金后還固化有氯化銀。
6.根據權利要求5所述的電化學基因芯片，其特征在于，探針電路板反面上設有與正面上的焊盤一一對應的反面焊盤，探針電路板正面上的焊盤通過探針電路板上的孔與對應的反面焊盤連接。
7.根據權利要求I至6所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述通道模塊上還設有用于提供動力使液體從流體腔輸出經微流管道后回到流體腔的振動腔，流體腔上設置有回收孔和輸出孔，微流管道上設有進液口和排液口，振動腔輸入端與輸出孔連接，振動腔的輸出端與進液口連接，排液口與回收孔連接。
8.根據權利要求7所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述微流管道為圓弧狀。
9.根據權利要求7所述的電化學基因芯片，其特征在于，還包括基板和振動膜，振動膜覆蓋在通道模塊上，其與探針電路板分別位于通道模塊相對的兩側，基板覆蓋在振動膜上， 所述流體腔安裝在基板上，流體腔上的輸出孔通過基板和振動膜與振動腔連接。
10.根據權利要求9所述的電化學基因芯片，其特征在于，所述進液口上設有第一單向閥，所述輸出孔設置有第二單向閥，液體利用第二單向閥由流體腔單向流動到振動腔，再利用第一單向閥有振動腔單向流動到微流管道內。
全文摘要
本發明涉及基因檢測技術領域，更具體地涉及一種電化學基因芯片。其包括流體腔、通道模塊、與通道模塊相貼合的探針電路板，通道模塊上設有微流槽，通道模塊與探針電路板貼合后通過微流槽和探針電路板表面相接觸形成微流管道，流體腔與微流管道相通，探針電路板上沿著微流管道設有用于為電化學伏安掃描提供基準參考電壓的參考電極、用于連通電化學激勵電路的輔助電極和用于連接檢測電路的工作電極，工作電極上固定有單分子層和DNA捕獲探針。本發明的工作電極可以根據實際需要設置一個或者多個，使得雜交液從流體腔進入微流管道后在流動過程中能與固定在多個工作電極上的捕獲探針進行雜交，可以一次性完成多項指標的檢測，大大提高了檢測的效率。
文檔編號C12M1/34GK103255052SQ20131016627
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月8日 優先權日2013年5月8日
發明者李明, 洪俊安, 謝劍鋒, 周詩寒 申請人:中山大學達安基因股份有限公司