熒光生物芯片的制作方法

專利名稱：熒光生物芯片的制作方法
技術領域：
本發明屬于生化技術領域，涉及一種用于檢測的生物芯片，尤其涉及一 種熒光生物芯片。
背景技術：
隨著生命科學和環境學的發展，光學探測技術由于其極高的靈敏度，實 時檢測等特性被越來越多的應用到了生物醫學探測儀器，新藥開發，環境監 控儀器以及很多用于基礎研究的設備當中。眾所周知，大部分的光學檢測設 備尤其是用于生物醫學方面的普遍造價不菲、體積龐大，例如光學單分子 探測裝置，這極大地限制了這些儀器的應用范圍及地點。可用于生物檢測的 單分子光學探測器有激光掃描共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯 微鏡等，這些裝置也是體積龐大，構造復雜，價格昂貴，并且無法在室外的 環境下使用，使用步驟也較為繁瑣，樣品準備也很復雜。
目前較為先進的DNA檢驗技術是采用生物芯片來檢驗的，生物芯片主要
是通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建微型生化分析系統，將 大量特定序列和核酸片斷或蛋白有序地固定在載體上，與標記好地待檢核酸 或蛋白分子進行反應，通過檢測熒光信號的強弱而判斷樣本中的靶分子數量， 從而實現對化合物、核酸、蛋白質、細胞及其他生物組分的準確、快速和大
信息量的篩檢。現有的生物芯片通常都是將檢測物，如抗體、目標DNA片段等整合在芯片上；故存在制造工藝復雜，無法大批量生產，且重復利用率 較低等缺點。并且現有的利用熒光的生物芯片只能控制流體，而不能在通過 生物樣本的同時對熒光進行檢測，每次進行檢測的時候都需要將液體洗去， 然后在熒光顯微鏡下進行觀察。因此目前對生物監測尤其是病毒病菌檢測的 主要手段是依靠生化反應，但其缺點是耗時且檢測步驟復雜，而且對檢測環 境的要求很高。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術中，生物芯片通常都是將 檢測物整合在芯片上，故存在制造工藝復雜，無法大批量生產，且重復利用 率較低的缺陷，提供一種制造工藝簡單、可大批量生產、能重復利用、能簡 化檢測步驟、并可實時監測、便攜的熒光生物芯片。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種熒光生物芯片，包括 基體，在基體上設有至少一層對泵浦光高吸收并對熒光高反射的反射膜，反 射膜的上表面設有至少一條中空的樣品管道，以及至少一條與樣品管道垂直 的信號收集波導。
所述反射膜由上下疊合的第一鍍層和第二鍍層組成。
所述第一鍍層優選為SiN鍍層，第二鍍層優選為Si02鍍層，第一鍍層與 第二鍍層交替疊合形成多層的反射膜，其最上層為SiN鍍層，最下層為Si02鍍層。
所述第一鍍層、第二鍍層的厚度滿足下列公式<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，tk為第二鍍層的厚度，te為信號收集波導的厚度，t，為第一鍍層的
厚度，、為激發光波長，X2為熒光信號波長，n,為第一鍍層的折射率，nc 指信號收集波導的折射率，k為奇數，N為整數。
反射膜的上表面間隔設置至少兩條相互平行的中空樣品管道，還間隔設 置至少兩條相互平行并與樣品管道垂直的信號收集波導。
樣品管道的外表面及樣品管道內腔的橫截面都為方形，樣品管道的內腔 底面為反射膜，樣品管道內腔寬度為10 100^im，高度為5 10)im。
所述樣品管道兩端的進、出口設有樣品槽，所述樣品槽與樣品管道的內 腔聯通，樣品管道的進、出口與樣品槽的連接處密封。
所述信號收集波導是由Si02制成的長條狀波導，其橫截面為方形。
信號收集波導的寬度為10 20pm，高度為3 5,。 所述樣品管道的內腔為從進口到出口的貫通腔體，交叉處的信號收集波導 與樣品管道的管壁是一體結構。
本發明的熒光生物芯片集成了光學技術和熒光反應技術以及流式細胞計 技術，在同一芯片上實現對檢測樣品分子的控制、檢測以及信號接收等多種 功能。本發明熒光生物芯片是采用在基體上設有至少一層對泵浦光(泵浦光是根據熒光基團特性選定的特定波長的激光)高吸收并對熒光高反射的反射 膜，反射膜的上表面設有至少一條中空的樣品管道，以及至少一條與樣品管 道垂直的信號收集波導，泵浦光垂直照射在樣品管道與信號收集波導的交叉 處，當待檢樣品分子通過樣品通道和信號收集波導的交叉處時，吸收泵浦光 并產生不同波長的熒光信號， 一部分熒光信號被耦合進入信號收集波導中， 在其中傳輸至信號分析端口進行檢測分析，完成整個檢測任務。其中，控制
生物樣品流動是通過在樣品管道兩端構建生物泵來實現的；而信號收集波導
可將非必要光過濾而且將信號光以特定的方向傳輸，實現了泵浦光和信號光
的非重疊傳輸軌道；設置在基體上的反射膜是用來控制芯片的光傳輸特性的， 反射膜可對特定光的波長進行過濾，對特定基團熒光光路進行傳輸控制。本 發明集成的特性簡化了檢測步驟、并可達到實時監測的目的；同時也確保了 很高的檢測靈敏度，另外本發明結構簡單，大大簡化了集成芯片的制造工藝 要求，可制成整合式的儀器，實現熒光技術的便攜化。
本發明的反射膜要同時滿足在激發光波長、的高吸收率、在熒光信號波 長人2的高反射率，因此組成反射膜的第一鍍層和第二鍍層要滿足公式
的要求，其中，公式(I )是滿足對熒光信號高反射率的條件，公式(II)
(2N —:)是滿足對泵浦光高吸收率的條件，由公式中計算從而確定第一鍍層和第二鍍
層的膜厚度。這兩個鍍層是通過兩種不同折射率的物質-SiN和SK)2制作出來 的，其中SiN的反射率比較高，而Si02的折射率相對來說比較低，通過調節 兩種鍍層的厚度來實現對一個波長的高吸收，對另外一個波長的高反射。
反射膜的上表面間隔設置至少兩條相互平行的中空樣品管道，還間隔設 置至少兩條相互平行并與樣品管道垂直的信號收集波導，這樣的結構可以實
現多樣品的同時檢測檢測時，在平行的多個樣品管道中注入不同的樣品，
每個樣品管道選擇對應一個不與其他樣品管道共用的信號收集波導，在該樣
品管道與信號收集波導的交叉處垂直打入泵浦光，熒光信號通過該信號收集 波導傳輸至信號分析端，樣品之間的檢測互不影響，節省了人力、物力，同 時也加快多樣品的檢測速度。
信號收集波導是由Si02制成的長條狀，由于散射的原因， 一部分泵浦光 也會被耦合進入信號收集波導中，但是在傳輸過程中會被信號收集波導底面 的反射膜吸收，從而不會進入信號分析端，而熒光信號則在信號收集波導外 表面與空氣之間的界面處被全反射，并且反射膜針對特定熒光波長有高反射 率，從而將熒光信號傳輸至信號收集波導端部的信號分析端口 。
樣品管道、信號收集波導的橫截面都為方形，是為了便于控制其光學性 能，滿足本發明光路控制要求。
樣品管道內腔、信號收集波導的大小對檢測結果有一定的影響，樣品管 道內腔、信號收集波導的橫截面積小，其探測性能就比較好一些，但是太小 了也會導致探測時間的延長以及腔體結構的不穩定性，制造工藝也會更加復 雜，因此本發明將樣品管道內腔寬度設為10 100nm，高度設為5 10|im; 信號收集波導的寬度設為10 20fim，高度設為3 5|im。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中 圖1是本發明實施例的結構示意圖； 圖2是本發明實施例的縱向剖視圖； 圖3是本發明實施例的橫向剖視圖4是本發明實施例的樣品管道與信號收集波導交叉處橫向的剖視圖。
具體實施例方式
如圖1、 2、 3所示， 一種熒光生物芯片，包括基體1，在基體1上設有至 少一層對泵浦光高吸收并對熒光高反射的反射膜2，反射膜2的層數根據實際 需要設置， 一般設置一至六層，本實施例為三層，反射膜2的上表面設有至 少一條中空的樣品管道3，以及至少一條與樣品管道3垂直的信號收集波導4， 樣品管道3、信號收集波導4設置的數量是根據實際需要設置，本實施例設置 三條樣品管道3和三條信號收集波導4，樣品管道3之間、信號收集波導4之 間間隔平行設置，樣品管道3垂直于信號收集波導4，所述反射膜2由上下疊 合的第一鍍層2a和第二鍍層2b組成，其中第一鍍層2a為SiN鍍層，第二鍍 層2b為SK)2鍍層，本實施例三層的反射膜2由Si02鍍層和SiN鍍層交替疊 合形成，其最上層為SiN鍍層，最下層為Si02鍍層。樣品管道3橫截面為倒 置的U形，其外表面及樣品管道內腔3a的橫截面都為方形，樣品管道3的內 腔3a底面為反射膜2，樣品管道內腔3a寬度為10 100|im，高度為5 10|im。 所述樣品管道3兩端的進、出口設有樣品槽5，所述樣品槽5與樣品管道3的 內腔3a聯通，樣品管道3的進、出口與樣品槽5的連接處通過密封膠密封，在使用生物泵時，通過樣品槽將樣品順利泵入樣品管道3，控制樣品的流動， 所述信號收集波導4是由Si02制成的長條狀波導，其橫截面為方形，信號收
集波導4的寬度為10 20jim，高度為3 5nm。
如圖4所示，所述樣品管道3的內腔3a為從進口到出口的貫通腔體，交 叉處的信號收集波導4與樣品管道3的管壁是一體結構，制造時，可一次成 型制成信號收集波導4與樣品管道3。
所述第一鍍層2a、第二鍍層2b的厚度滿足下列公式
::::::'
■2
ti = (2N—1>
1
(I )
k買；k = odd
k = t N W = ,2 — A I) 艮i
(ii)
其中，tk為第二鍍層的厚度，te為信號收集波導的厚度，t,為第一鍍層的 厚度，、為激發光波長，X2為熒光信號波長，A為第一鍍層的折射率，nc 指信號收集波導的折射率，k為奇數，N為整數。
利用熒光生物芯片檢測的具體步驟如下
1. 首先將液態的生物化學樣品通過樣品槽注入空心的樣品通道中，并通 過生物泵控制樣品的流動；
2. 泵浦光在外部自上而下垂直打在空心載體通道和信號收集波導的交叉 處，當待檢樣品通過樣品通道和信號收集波導的交叉處時，吸收泵浦光并產
10
A-
，,K
2i
!》
羽生不同波長的熒光信號；
3.熒光信號被耦合進入信號收集波導中，并在其中反射傳輸至信號分析 端口進行分析檢測。
權利要求
1、一種熒光生物芯片，包括基體，其特征在于，在基體上設有至少一層對泵浦光高吸收并對熒光高反射的反射膜，反射膜的上表面設有至少一條中空的樣品管道，以及至少一條與樣品管道垂直的信號收集波導。
2、 根據權利要求l所述的熒光生物芯片，其特征在于，所述反射膜由上下疊合的第一鍍層和第二鍍層組成。
3、 根據權利要求2所述的熒光生物芯片，其特征在于，所述第一鍍層為 SiN鍍層，第二鍍層為Si02鍍層，第一鍍層與第二鍍層交替疊合形成多層的 反射膜，其最上層為SiN鍍層，最下層為Si02鍍層。
4、 根據權利要求3所述的熒光生物芯片，其特征在于，所述第一鍍層、 第二鍍層的厚度滿足下列公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中，tk為第二鍍層的厚度，te為信號收集波導的厚度，t,為第一鍍層的厚度，、為激發光波長，人2為熒光信號波長，n,為第一鍍層的折射率，nc 指信號收集波導的折射率，k為奇數，N為整數。
5、根據權利要求1 4任意一項所述的熒光生物芯片，其特征在于，反射膜的上表面間隔設置至少兩條相互平行的中空樣品管道，還間隔設置至少 兩條相互平行并與樣品管道垂直的信號收集波導。
6、 根據權利要求1 4任意一項所述的熒光生物芯片，其特征在于，樣 品管道的外表面及樣品管道內腔的橫截面都為方形，樣品管道的內腔底面為反射膜，樣品管道內腔寬度為10 100pm，高度為5 10pm。
7、 根據權利要求6所述的熒光生物芯片，其特征在于，所述樣品管道兩 端的進、出口設有樣品槽，所述樣品槽與樣品管道的內腔聯通，樣品管道的 進、出口與樣品槽的連接處密封。
8、 根據權利要求1 4任意一項所述的熒光生物芯片，其特征在于，所 述信號收集波導是由Si02制成的長條狀波導，其橫截面為方形。
9、 根據權利要求8所述的熒光生物芯片，其特征在于，信號收集波導的 寬度為10 20(_im，高度為3 5(mi。
10、根據權利要求1 4任意一項所述的熒光生物芯片，其特征在于，所 述樣品管道的內腔為從進口到出口的貫通腔體，交叉處的信號收集波導與樣 品管道的管壁是一體結構。
全文摘要
本發明公開了一種熒光生物芯片，包括基體，在基體上設有至少一層對泵浦光高吸收并對熒光高反射的反射膜，反射膜的上表面設有至少一條中空的樣品管道，以及至少一條與樣品管道垂直的信號收集波導，本發明提供一種制造工藝簡單、可大批量生產、能重復利用、能簡化檢測步驟、可實時監測、便攜的熒光生物芯片。
文檔編號G02B6/10GK101520417SQ20091010628
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月2日 優先權日2009年4月2日
發明者健 劉, 殷東亮, 羅奇桓, 黃治家 申請人:深圳威誼光通技術有限公司