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CN107930712A - 基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法 - Google Patents

基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法 Download PDF

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CN107930712A
CN107930712A CN201711398988.1A CN201711398988A CN107930712A CN 107930712 A CN107930712 A CN 107930712A CN 201711398988 A CN201711398988 A CN 201711398988A CN 107930712 A CN107930712 A CN 107930712A
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CN201711398988.1A
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朱锦锋
吴秋斌
高云之
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Xiamen Hundred En Core Technology Co Ltd
Original Assignee
Xiamen Hundred En Core Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法，包括微流控芯片、SPR检测芯片、机械夹具和环形LED发光阵列，所述SPR检测芯片主要由衬底、纳米压印胶、铬膜和金膜自下而上复合而成；所述微流控芯片中设置多组利用SU‑8胶光刻和PDMS成膜的方式制作微流通道，微流通道主要由S形微流通道及两端连通的加样通道和流出通道构成。本发明采用微流控技术，通过在纳米压印好的传感器芯片上设置微管道处理或操纵微小流体，可以使用极少的试剂，在小型的芯片上实现多通道并行的快速检测。同时用机械夹具将检测芯片与嵌入式设备连接组成检测系统，可以很方便地利用嵌入式设备的信息处理功能完成自动化的检测过程。

Description

基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法
技术领域
本发明涉及生物医学检测领域，具体是基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法。
背景技术
随着当代科学技术的发展，人们对小型、快速、多种物质并行的检测技术要求越来越高，尤其是在生物医学领域，更小更快的检测方式，可以帮助人们更好地检测自己的身体状况，甚至足不出户就能完成检测。而基于表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance，SPR)技术的传感器则为检测芯片的小型化提供了新的思路。SPR是光波与金属电子相互作用而引起的一种物理光学现象，当沿金属界面传播的光波矢量分量与表面等离子体波的矢量分量相等时，两者发生共振，能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被金属表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少，检测到的反射光强度会大幅度地减弱，称为表面等离子体共振。不同于传统的Western blot、荧光法、液相色谱法等检测技术，SPR检测有着快速简便、不需要标记等优点，而且灵敏度非常高。早期的SPR检测仪采用棱镜结构，体积巨大。随着技术的发展，出现了以金属光栅衍射耦合方式的SPR传感器，其体积小，结构简单。但如何低成本地批量制作纳米级别的周期性纳米结构阵列应用于检测系统集成一直是个难题，而纳米压印技术则完美地解决了这个问题。纳米压印模板是用电子束光刻技术加工而成，可以将模板中的图案通过技术手段进行大量复制。
但仅将传感器芯片小型化依然不够，如何在小型化的芯片上完成大规模的并行检测也是需要解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统，包括微流控芯片、SPR检测芯片、机械夹具和环形LED发光阵列，所述SPR检测芯片主要由衬底、纳米压印胶、铬膜和金膜自下而上复合而成，其中金膜上开设若干个周期性纳米孔；所述微流控芯片中设置多组利用SU-8胶光刻和PDMS成膜的方式制作微流通道，微流通道主要由S形微流通道及两端连通的加样通道和流出通道构成，其中加样通道包括用于分别添加待检测的溶液和检测试剂的加样通道A和加样通道B，加样通道A和加样通道B呈Y状分布；所述微流控芯片有微流通道的一面与SPR传感器芯片有周期性纳米孔的一面通过二氧化硅键合，得到SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片；所述SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片通过机械夹具连接嵌入式设备。
作为本发明进一步的方案：所述机械夹具用于固定嵌入式设备的两端中的一端连接有检测芯片安装筒，检测芯片安装筒朝向嵌入式设备的摄像头的一端开口，且开口内侧固定安装环形LED发光阵列；所述检测芯片安装筒的侧面开设检测芯片插接口，检测芯片插接口与环形LED发光阵列平行设置；所述SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片放置在透明材质制造的卡槽内，并插入到检测芯片插接口内，其中微流控芯片朝向环形LED发光阵列。
作为本发明进一步的方案：所述铬膜的厚度为20nm，金膜的厚度为200nm。
作为本发明进一步的方案：所述周期性纳米孔的直径为250nm，周期为500nm。
基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：制作SPR传感器芯片和微流控芯片；
步骤二：将微流控芯片有微流通道的一面与SPR传感器芯片有周期性纳米孔的一面通过二氧化硅键合，得到SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片；
步骤三：将SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片放置在卡槽内，然后再插入到机械夹具上对应的芯片插接口内；
步骤四：将步骤三中准备好的夹具加持嵌入式设备上，且SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片位于嵌入式设备的摄像头上方。
作为本发明进一步的方案：所述SPR传感器芯片的具体制作步骤如下
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片单面抛光的硅片并吹干，在135℃的真空干燥箱中放置2-4小时；
步骤二：旋涂纳米压印胶：滴加适量的纳米压印胶到步骤一处理过的硅片抛光面上，将硅片置于匀胶机中，设置转速约2000转/分钟，时长约20-40秒，使硅片上所涂的压印胶的厚度为200nm；
步骤三：纳米压印：将表面具有纳米图形的压印模板压在步骤二旋涂好的光刻胶表面，将其从室温加热，然后加压，使压印胶对IPS模板的空腔进行填充，直至达到均衡状态；
步骤四：反应等离子刻蚀：将步骤三中所得的模具用反应等离子刻蚀法除去纳米压印胶；
步骤五：金属层沉积：用电子束蒸镀仪在步骤四所得的基片上先后蒸镀一层20nm厚的铬膜和200nm厚的金膜。
作为本发明进一步的方案：所述SPR传感器芯片制作步骤三中的模板为表面具有纳米图形的软模板，是由表面干净的中间聚合物软膜放在镍模板进行热纳米压印得到的。
作为本发明进一步的方案：所述微流控芯片的具体制作步骤如下：
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片硅片并吹干，然后在180℃的热烘盘上保持5-10分钟；
步骤二：旋涂SU-8光刻胶：滴加适量的SU-8 2100光刻胶到步骤一处理过的硅片上，再置于匀胶机中，设置转速1500转/分，时长30秒，使硅片上所涂的SU-8胶的厚度为200nm；
步骤三：前烘：将步骤二中旋涂了SU-8胶的基片依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上烘干，持续时间分别为5-10分钟、5-10分钟、10-20分钟；
步骤四：曝光：将步骤三烘干后的基片放入光刻机中，盖上掩膜版并紫外曝光3分钟；
步骤五：后烘：将步骤四紫外曝光后的基片立即后烘，依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上分别烘干5分钟、5分钟、30分钟；
步骤六：显影：将步骤五后烘完成的基片放入显影液中15-20分钟，除去未被光刻的胶；
步骤七：PDMS倒模：将配好的PDMS预聚物与固化剂搅拌静置后，真空干燥2分钟，缓慢浇注在步骤六制备好的SU-8微流体检测通道上，除泡后65℃保持两小时，即可得到微流控芯片成型结构。周期性纳米孔的直径为250nm，周期为500nm。
作为本发明进一步的方案：所述微流控芯片制作步骤四中的掩膜版为根据具体需求设计的微流通道结构。
作为本发明进一步的方案：所述微流控芯片制作步骤七中PDMS预聚物与固化剂配比为10:1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明使用纳米压印技术，可以以极低的成本实现大规模生产；利用SPR效应检测，有很高的灵敏度；使用微流控技术，可以用极少的检测试剂完成多组检测；使用机械夹具将检测芯片和嵌入式设备组合成检测系统，方便小巧，便于拆卸拓展；嵌入式设备可以是普通的带摄像头的开发板，甚至是我们常用的智能手机，极大地方便了检测。
本发明可检测的物质，可以是人体的尿液、唾液、血液等，也可以是其他需要检测的溶液。应根据实际的检测需求对传感器芯片做不同的处理，以完成不同物质的检测。
其中采用纳米压印技术制作传感器芯片，具以下优势：
(1)纳米压印技术的本质是将模板中的图案通过技术手段进行大量复制的技术，因而其成本低、量产快，具有很高的经济实用性；
(2)使用纳米压印技术制作的SPR传感器，避免了传统棱镜结构的SPR传感器的体积大、成本高的弊端，可以在极小的芯片上实现检测；
(3)操作步骤简单，稍加培训即可完成芯片的制作流程，便于生产和推广。
采用SU-8胶光刻和PDMS成膜的方式制作微流通道，具有以下特点：
(1)与传统的制作微流控芯片的材料——硅相比，SU-8胶的透光性更好，加工更容易；
(2)PDMS成本低，使用简单，同时具有良好的生物兼容性、透光性级化学惰性，尤其是在固化后，具有很好的热稳定性，而且和硅片很容易键合。因此十分适合制作微流控芯片。
附图说明
图1为SPR检测芯片结构示意图；
图2为微流控芯片结构示意图；
图3是SPR传感器芯片和微流控芯片键合后完整检测芯片结构示意图；
图4为基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的爆炸结构示意图；
图5为嵌入式设备的示意图；
图6为制作SPR检测芯片和微流控芯片的流程示意图。
图中:衬底1、纳米压印胶2、铬膜3、金膜4、微流控芯片5、加样通道A6、加样通道B7、S形微流通道8、流出通道9、SPR检测芯片10、机械夹具11、环形LED发光阵列12、SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13、卡槽14、检测芯片插接口15、嵌入式设备16、嵌入式设备的摄像头17。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，采用微流控芯片5和SPR检测芯片10键合，然后将载有待检测样品的SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13装入夹具，并利用LED灯照射SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13使得其产生SPR效应后，并将放射光传递给嵌入式设备的摄像头17，通过对摄像头内光学探测点阵上接收到的反射光进行分析，得出反射光的光谱信息，并将反射光的光谱信息与数据库的信息比对，得出检测芯片上的待检测物的信息，并最终在屏幕上显示出来。
参阅图1，所述SPR检测芯片10主要由衬底1、纳米压印胶2、铬膜3和金膜4自下而上复合而成，其中金膜4上开设若干个周期性纳米孔。周期性纳米孔的直径为250nm，周期为500nm。
参阅图2，所述微流控芯片5中设置多组利用SU-8胶光刻和PDMS(聚二甲基硅氧烷)成膜的方式制作微流通道，微流通道主要由S形微流通道8及两端连通的加样通道和流出通道9构成，其中加样通道包括用于分别添加待检测的溶液和检测试剂的加样通道A6和加样通道B7，加样通道A6和加样通道B7呈Y状分布。
参阅图3，所述微流控芯片5有微流通道的一面与SPR传感器芯片10有周期性纳米孔的一面通过二氧化硅键合，得到SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13。
参阅图4，所述机械夹具11用于固定嵌入式设备16的两端中的一端连接有检测芯片安装筒，检测芯片安装筒朝向嵌入式设备的摄像头17的一端开口，且开口内侧固定安装环形LED发光阵列12(即LED灯珠环形排布在一个环形基板的结构，且LED灯珠由检测芯片安装筒内置的电池供电)；所述检测芯片安装筒的侧面开设检测芯片插接口15，检测芯片插接口15与环形LED发光阵列12平行设置，以便于照射到检测芯片上，然后在检测芯片上完成检测后，将反射的光信号传输到嵌入式设备的摄像头17内(如图5)，通过软件分析，得出待检测物质的信息；上述嵌入式设备为我们常用的智能手机，通过机械夹具将检测芯片与智能手机的摄像头相连接。
所述SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13放置在透明材质制造的卡槽14内，并插入到检测芯片插接口15内，其中微流控芯片5朝向环形LED发光阵列12。
基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的具体检测过程为：待检测的溶液和检测试剂分别用注射器通过加样通道A6和加样通道B7注入，在S形微流通道8中反应后，将SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片13通过卡槽14固定到机械夹具11的检测芯片插接口15中。在检测芯片下方放置环形LED发光阵列12，再将夹具夹到智能手机的摄像头17上，完成整套检测系统的固定。环形LED发光阵列发出的光作为入射光照射到检测芯片上，在芯片表面产生SPR效应后，反射光经过环形LED发光阵列中间的空白部分入射到智能手机的摄像头上。摄像头接收反射光后，由智能手机内置的APP分析处理，并与数据库中的数据对比，得出被检测物质的信息。反应完的溶液通过流出通道9流出。
如图6所示，所述SPR传感器芯片10的具体制作步骤如下：
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片单面抛光的硅片并吹干，在135℃的真空干燥箱中放置2-4小时；
步骤二：旋涂纳米压印胶：滴加适量的纳米压印胶到步骤一处理过的硅片抛光面上，将硅片置于匀胶机中，设置转速约2000转/分钟，时长约20-40秒，使硅片上所涂的压印胶的厚度为200nm；
步骤三：纳米压印：将表面具有纳米图形的压印模板压在步骤二旋涂好的光刻胶表面，将其从室温加热，然后加压，使压印胶对IPS模板的空腔进行填充，直至达到均衡状态；
步骤四：反应等离子刻蚀：将步骤三中所得的模具用反应等离子刻蚀法除去纳米压印胶；
步骤五：金属层沉积：用电子束蒸镀仪在步骤四所得的基片上先后蒸镀一层20nm厚的铬膜和200nm厚的金膜，即可得到如图1所示的结构。
如图6所示，所述微流控芯片的具体制作步骤如下：
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片硅片并吹干，然后在180℃的热烘盘上保持5-10分钟；
步骤二：旋涂SU-8光刻胶：滴加适量的SU-8 2100光刻胶到步骤一处理过的硅片上，再置于匀胶机中，设置转速1500转/分，时长30秒，使硅片上所涂的SU-8胶的厚度为200nm；
步骤三：前烘：将步骤二中旋涂了SU-8胶的基片依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上烘干，持续时间分别为5-10分钟、5-10分钟、10-20分钟；
步骤四：曝光：将步骤三烘干后的基片放入光刻机中，盖上掩膜版并紫外曝光3分钟；
步骤五：后烘：将步骤四紫外曝光后的基片立即后烘，依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上分别烘干5分钟、5分钟、30分钟；
步骤六：显影：将步骤五后烘完成的基片放入显影液中15-20分钟，除去未被光刻的胶；
步骤七：PDMS倒模：将配好的PDMS搅拌静置后，真空干燥2分钟，缓慢浇注在步骤六制备好的SU-8微流体检测通道上，除泡后65℃保持两小时，即可得到如图2所示的结构。
制备好SPR传感器芯片和微流控芯片后，在SPR传感器芯片表面涂一层二氧化硅，将PDMS制备的微流控芯片通过二氧化硅和SPR传感器芯片键合到一起，组成检测芯片。所得结构如图3所示。
嵌入式设备的软件模块使用图形化界面，便于用户操作。软件系统包括三个部分：数据库部分，其中存有多种待检测物质的信息。数据库是可以拓展的，可以根据实际需求，对需要检测的物质进行测试，并将结果存入数据库中；光谱分析部分，对光学探测点阵上接收到的反射光进行分析，得出反射光的光谱信息；数据分析部分，将反射光的光谱信息与数据库的信息比对，得出检测芯片上的待检测物的信息，并在屏幕上显示出来。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统，其特征在于:包括微流控芯片(5)、SPR检测芯片(10)、机械夹具(11)和环形LED发光阵列(12)，所述SPR检测芯片(10)主要由衬底(1)、纳米压印胶(2)、铬膜(3)和金膜(4)自下而上复合而成，其中金膜(4)上开设若干个周期性纳米孔；所述微流控芯片(5)中设置多组利用SU-8胶光刻和PDMS成膜的方式制作微流通道，微流通道主要由S形微流通道(8)及两端连通的加样通道和流出通道(9)构成，其中加样通道包括用于分别添加待检测的溶液和检测试剂的加样通道A(6)和加样通道B(7)，加样通道A(6)和加样通道B(7)呈Y状分布；所述微流控芯片(5)有微流通道的一面与SPR传感器芯片(10)有周期性纳米孔的一面通过二氧化硅键合，得到SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片(13)；所述SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片(13)通过机械夹具(11)连接嵌入式设备(16)。
2.根据权利要求1所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统，其特征在于，所述机械夹具(11)用于固定嵌入式设备(16)的两端中的一端连接有检测芯片安装筒，检测芯片安装筒朝向嵌入式设备的摄像头(17)的一端开口，且开口内侧固定安装环形LED发光阵列(12)；所述检测芯片安装筒的侧面开设检测芯片插接口(15)，检测芯片插接口(15)与环形LED发光阵列(12)平行设置；所述SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片(13)放置在透明材质制造的卡槽(14)内，并插入到检测芯片插接口(15)内，其中微流控芯片(5)朝向环形LED发光阵列(12)。
3.根据权利要求1所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统，其特征在于，所述铬膜(3)的厚度为20nm，金膜(4)的厚度为200nm。
4.根据权利要求1所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统，其特征在于，所述周期性纳米孔的直径为250nm，周期为500nm。
5.根据权利要求1-4中任一所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制作SPR传感器芯片和微流控芯片；
步骤二：将微流控芯片有微流通道的一面与SPR传感器芯片有周期性纳米孔的一面通过二氧化硅键合，得到SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片；
步骤三：将SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片放置在卡槽内，然后再插入到机械夹具上对应的芯片插接口内；
步骤四：将步骤三中准备好的夹具加持嵌入式设备上，且SPR传感器芯片和微流控芯片键合成的检测芯片位于嵌入式设备的摄像头上方。
6.根据权利要求5所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，所述SPR传感器芯片的具体制作步骤如下：
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片单面抛光的硅片并吹干，在135℃的真空干燥箱中放置2-4小时；
步骤二：旋涂纳米压印胶：滴加适量的纳米压印胶到步骤一处理过的硅片抛光面上，将硅片置于匀胶机中，设置转速约2000转/分钟，时长约20-40秒，使硅片上所涂的压印胶的厚度为200nm；
步骤三：纳米压印：将表面具有纳米图形的压印模板压在步骤二旋涂好的光刻胶表面，将其从室温加热，然后加压，使压印胶对IPS模板的空腔进行填充，直至达到均衡状态；
步骤四：反应等离子刻蚀：将步骤三中所得的模具用反应等离子刻蚀法除去纳米压印胶；
步骤五：金属层沉积：用电子束蒸镀仪在步骤四所得的基片上先后蒸镀一层20nm厚的铬膜和200nm厚的金膜。
7.根据权利要求6所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，所述SPR传感器芯片制作步骤三中的模板为表面具有纳米图形的软模板，是由表面干净的中间聚合物软膜放在镍模板进行热纳米压印得到的。
8.根据权利要求5所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，所述微流控芯片的具体制作步骤如下：
步骤一：基片清洗及烘干：清洗一片硅片并吹干，然后在180℃的热烘盘上保持5-10分钟；
步骤二：旋涂SU-8光刻胶：滴加适量的SU-8 2100光刻胶到步骤一处理过的硅片上，再置于匀胶机中，设置转速1500转/分，时长30秒，使硅片上所涂的SU-8胶的厚度为200nm；
步骤三：前烘：将步骤二中旋涂了SU-8胶的基片依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上烘干，持续时间分别为5-10分钟、5-10分钟、10-20分钟；
步骤四：曝光：将步骤三烘干后的基片放入光刻机中，盖上掩膜版并紫外曝光3分钟；
步骤五：后烘：将步骤四紫外曝光后的基片立即后烘，依次放到35℃、65℃、95℃的热烘盘上分别烘干5分钟、5分钟、30分钟；
步骤六：显影：将步骤五后烘完成的基片放入显影液中15-20分钟，除去未被光刻的胶；
步骤七：PDMS倒模：将配好的PDMS预聚物与固化剂搅拌静置后，真空干燥2分钟，缓慢浇注在步骤六制备好的SU-8微流体检测通道上，除泡后65℃保持两小时，即可得到微流控芯片结构，周期性纳米孔的直径为250nm，周期为500nm。
9.根据权利要求8所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，所述微流控芯片制作步骤四中的掩膜版为根据具体需求设计的微流通道结构。
10.根据权利要求8所述的基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统的制作方法，其特征在于，所述微流控芯片制作步骤七中PDMS预聚物与固化剂配比为10:1。
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