基因测序芯片、设备、制造方法与流程

本发明属于基因测序技术领域，具体涉及一种基因测序芯片、一种基因测序设备、一种基因测序芯片的制造方法。

背景技术：

基因测序是指通过物理、化学、生物手段分析特定基因(具有一定长度的dna分子)中的碱基的排列顺序。dna分子中只包含四种碱基，分别是腺嘌呤(a)、胸腺嘧啶(t)、胞嘧啶(c)

和鸟嘌呤(g)。从1977年第一代sanger法测序开始，基因测序技术已经发展了三代，包括以illumina为代表的第二代高通量测序技术，以pacificbiosciences为主的第三代单分子测序技术。虽然不同代的测序技术都有各自的特点，但是就测序原理而言，所有的测序都是以链终止法为基础的，也就是通过对某一类碱基(a、t、c、g中的一种)的化学修饰，使其之后的链合成反应终止。

由于不同类别的碱基带有不同颜色的荧光基团，因此当用光激发荧光基团发光时，即可通过检测发光颜色确定碱基的种类，从而得到待测基因的序列。

图1示出的是传统的基因测序设备的剖面结构。基因测序芯片的基底1上形成有阵列式排布(排布方式不限于此)的多个微孔结构2。将该基因测序芯片设置在基因测序设备内，每个微孔结构2正对一个检测单元5。待检测的dna分子7被放置在微孔结构2内。待检测的dna分子7与微孔结构2内的带有荧光标记的荧光基团6(具体为碱基基团)结合。在光照条件下，荧光基团6发光。而荧光基团6发光是发散的，出射角(光线方向与基底1法线的夹角)较小的光线被正对的检测单元5检测到，用于对dna分子7的序列进行分析。具体地，检测单元5需要检测光的强度信息和波长信息。出射角较大的光线会射到临近的检测单元6。例如在图1中，中间位置的微孔结构2内的dna分子7当前发光的荧光基团6所发出的光会有一部分射到临近的微孔结构2所对应的检测单元5。由此，不同微孔结构2内发出光会相互串扰。这会降低基因测序结果的准确性，并增大后续计算分析的计算量。

技术实现要素：

本发明至少部分解决现有的基因测序芯片内存在串扰的问题，提供一种基因测序芯片、基因测序设备、基因测序芯片的制造方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种基因测序芯片，包括基底以及设置在基底上的多个微孔结构，相邻的微孔结构之间设置有光阻挡结构，光阻挡结构用于阻挡发自微孔结构的孔底的光射向临近的光阻挡结构所对应的检测单元。

可选地，光阻挡结构包括吸光结构或反光结构。

可选地，光阻挡结构在基底上的正投影包围微孔结构在基底上的正投影。

可选地，光阻挡结构在基底上的正投影的靠近微孔结构的边界与该微孔结构在基底上的正投影的边界重合。

可选地，光阻挡结构在基底上的正投影的靠近微孔结构的边界与该微孔结构在基底上的正投影的边界相距设定距离。

可选地，还包括覆盖光阻挡结构的表面修饰层，表面修饰层用于在基因测序时接受表面修饰。

可选地，表面修饰层在基底上的正投影的靠近微孔结构的边界与该微孔结构在基底上的正投影的边界重合。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种基因测序设备，包括上述的基因测序芯片。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种基因测序芯片的制造方法，包括：在基底上形成多个微孔结构的步骤；在相邻的微孔结构之间形成光阻挡结构的步骤，光阻挡结构用于阻挡发自微孔结构的孔底的光射向临近的光阻挡结构所对应的检测单元。

可选地，还包括形成覆盖光阻挡结构的表面修饰层的步骤，其中，表面修饰层用于在基因测序时接受表面修饰。

附图说明

图1为现有的基因测序芯片的结构示意图；

图2a为本发明的实施例的一种基因测序芯片的剖面图；

图2b为图2a所示基因测序芯片应用于基因测序设备的工作原理图；

图3a为本发明的实施例的另一种基因测序芯片的剖面图；

图3b为图3a所示基因测序芯片应用于基因测序设备的工作原理图；

图3c为图3a的基因测序芯片的俯视透视图；

图3d为图3a所示基因测序芯片的一种变形；

图4为图2a所示基因测序芯片在制造的中间状态的剖面图；

图5a-图5b为图3a所示基因测序芯片在制造的不同中间状态的剖面图；

其中，附图标记为：1、基底；2、微孔结构；3、光阻挡结构；3＇、光阻挡材料层；4、表面修饰层；4＇、表面修饰材料层；5、检测单元；6、荧光基团；7、dna分子；d、直径；h、高度；p、周期；a、第一厚度；d、第二厚度；b、第一间距。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

在本发明中，“构图工艺”是指形成具有特定的图形的结构的步骤，其可为光刻工艺，光刻工艺包括形成材料层、涂布光刻胶、

曝光、显影、刻蚀、光刻胶剥离等步骤中的一步或多步；当然，“构图工艺”也可为压印工艺、喷墨打印工艺等其它工艺。

实施例1：

参见图2a及图3a，本实施例提供一种基因测序芯片，包括基底1以及设置在基底1上的多个微孔结构2，相邻的微孔结构2之间设置有光阻挡结构3，光阻挡结构3用于阻挡发自微孔结构2的孔底的光射向临近的光阻挡结构3所对应的检测单元5。

基底1的材料例如是玻璃、硅、有机树脂类材料。有机树脂类的基底1材料例如是聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。

如图2a所示，微孔结构2的边界可以是形成在基底1以及位于基底1上的光阻挡结构3、表面修饰层4上。又例如图3a所示，微孔结构2的边界形成在基底1和表面修饰层4上。当然微孔结构2的孔底也可以是由基底1和光阻挡结构3之间的其他结构形成，即在基底1与光阻挡结构3之间还存在其他的层结构。例如在基底1上形成有多层电极层、多层绝缘层，微孔结构2的孔底形成在最上层的绝缘层上。本发明对微孔结构2如何形成不做限定。当然，表面修饰层4也是可选的层结构。

相邻的微孔结构2之间设置光阻挡结构3，其目的在于对荧光基团6所发出的大的出射角的光进行阻挡，防止这部分光射向临近的微孔结构2所对应的检测单元5。如此抑制或避免了串扰不良。

可选地，光阻挡结构3包括吸光结构或反光结构。即光阻挡结构3可以将荧光基团6所发出的较大出射角的光吸收，可选择吸光材料形成光阻挡结构3。可选的吸光材料例如是黑色的有机树脂类材料。反光结构的可选材料例如是铝(al)或银(ag)等反光金属材料。只要是能够通过构图工艺形成特定图案且能吸光或反光的材料均可以用作光阻挡结构3的材料。

参见图2b和图3b，图中的箭头表示荧光基团6发出的光。对于较大出射角度的光，其被相邻微孔结构2之间的光阻挡结构3所阻挡。

光阻挡结构3位于相邻微孔结构2之间，也就意味着从基因测序芯片的侧面看去，光阻挡结构3至少部分与微孔结构2是重叠的。对于光阻挡结构3由吸光材料形成的情况，更关注光阻挡结构3的上表面的与微孔结构2孔底的距离。对于光阻挡结构3由反光材料形成的情况，则更关注光阻挡结构3的下表面的与微孔结构2的孔底的距离。具体光阻挡结构3的尺寸及位置如何设置，本领域技术人员可以做出适应性的调整，本发明对此不做限定。当然，可选地，按照图2a和图3a当前视角，光阻挡结构3如果由反光材料形成，那么它的底面应高于微孔结构2的底面。

微孔结构2在基底1上的排布方式可以是如图3c所示的那样呈横列式分布(或者矩阵式分布)。当然微孔结构2在基底1上的排布方式并不限于此。本领域技术人员对此可以做出灵活设定。

微孔结构2的直径d、高度h和周期p均在微米级别。典型值例如是直径d和高度h为1um，周期p为3um。

优选微孔结构2的直径d设置在100nm～2um范围内，微孔结构2的周期p设置在200nm～5um的范围内。微孔结构2的高度h设置在100nm～2um范围内。光阻挡结构3的厚度记为第二厚度d，表面修饰层4的厚度记为第一厚度a，光阻挡结构3的底面距离微孔结构2的底面的距离记为第一间距b，这些均可以依据实际需要灵活设置。

需要说明的是，光阻挡结构3只要设置在相邻微孔结构2之间，即可抑制其中一个微孔结构2内发出的荧光射向相邻微孔结构2所对应的检测单元5即可。例如可以仅在相邻微孔结构2之间的部分区域设置光阻挡结构3。如果光阻挡结构3的顶面或底面的高度h设置合适，光阻挡结构3的形状设计合适，即使光阻挡结构3仅包裹微孔结构2的部分区域，那么对于除最近邻的4个微孔结构2以外的次近邻的微孔结构2所对应的检测单元5，也是不受干扰的。如图3d所示，微孔结构2仅在与最近邻的微孔结构2相对的部分区域内设置光阻挡结构3，在与次近邻的微孔结构2相对的区域不设置光阻挡结构3。如此可以降低光阻挡结构3的材料成本。

可选地，光阻挡结构3在基底1上的正投影包围微孔结构2在基底1上的正投影。

如图2a所示，光阻挡结构3在基底1上的正投影的靠近微孔结构2的边界与该微孔结构2在基底1上的正投影的边界重合。即光阻挡结构3的朝向微孔结构2的边界与微孔结构2的边界是平齐的。

例如图3c所示，光阻挡结构3在基底1上的正投影的靠近微孔结构2的边界与该微孔结构2在基底1上的正投影的边界相距设定距离。即光阻挡结构3的朝向微孔结构2的边界相对微孔结构2的边界是外扩的。这种情况下，后续应用中，光阻挡结构3是不与试剂接触的。

特别说明，图3c中，由于光阻挡结构3被表面修饰层4覆盖，故只用虚线画出了光阻挡结构3的边界，光阻挡层3的形状可结合图3a理解。

结合图3c，光阻挡结构3的形状例如也可以变更为横竖交叉的网格状。当然，这样的话掩模的制作会更简单。本领域技术人员可以在保证光阻挡结构3能够阻挡射向相邻微孔结构2所对应的检测单元5的前提下，考虑光阻挡结构3的材料成本，适当减小光阻挡结构3在基底1上占用的面积。本领域技术人员可以在本实施例所提供方案的基础上做出进一步的优化。

可选地，还包括覆盖光阻挡结构3的表面修饰层4，表面修饰层4用于在基因测序时接受表面修饰。表面修饰层4的材料与基因测序中应用到的试剂的化学兼容性要优于光阻挡结构3。表面修饰层4的材料例如是硅的氧化物、硅的氮化物等，在一些实施方式中，表面修饰层4的材料也可以是有机树脂。多数情况下，表面修饰层4是透光的，故在进行设计时，更关注光阻挡结构3的尺寸即位置参数。

可选地，表面修饰层4在基底1上的正投影的靠近微孔结构2的边界与该微孔结构2在基底1上的正投影的边界重合。即如图2a所示，表面修饰层4的朝向微孔结构2的边界与微孔结构2是平齐的，表面修饰层4、光阻挡结构3、部分基底1材料共同形成了微孔结构2的侧面。当然，如图3a所示的情况，表面修饰层4和部分基底1材料共同形成了微孔结构2的侧面。

实施例2：

本实施例提供一种基因测序设备，包括实施例1的基因测序芯片。

即将实施例1所提供的基因测序芯片应用在基因测序设备中。图2b和图3b中仅示出了基因测序设备中的检测单元5。除基因测序芯片的部分均可按照现有技术进行配置，故在此不做赘述。

应用该基因测序芯片的基因测序设备能够有效抑制或避免串扰问题。

实施例3：

本实施例提供一种基因测序芯片的制造方法，包括：在基底1上形成多个微孔结构2的步骤；在相邻的微孔结构2之间形成光阻挡结构3的步骤，光阻挡结构3用于阻挡发自微孔结构2的孔底的光射向临近的光阻挡结构3所对应的检测单元5。如此制备得到的基因测序芯片能够有效避免串扰问题。

可选地，还包括形成覆盖光阻挡结构3的表面修饰层4的步骤，其中，表面修饰层4用于在基因测序时接受表面修饰。如此，可以使得后续应用中携带dna分子7的试剂与表面修饰层4结合以完成基因测序。

以下介绍两个具体的制造过程的实例。虽然在这两个实例中，微孔结构2的孔底是由基底1构成的，但实际应用中并不限于此。

实例1：

步骤s11、在基底1上依次形成光阻挡材料层3＇、表面修饰材料层4＇。该步骤完成后的产品形态参见图4。

步骤s12、利用一次构图工艺对光阻挡材料层3＇、表面修饰材料层4＇、基底1进行处理得到微孔结构2。具体地，可以采用光刻工艺利用一道掩模版形成光刻胶的图案，当然也可以采用纳米压印的工艺形成刻蚀掩模的图案。然后对光刻胶暴漏出的区域进行干刻或湿刻，去除光刻胶暴漏区域内的表面修饰材料层4＇、光阻挡材料层3＇和部分深度的基底1材料，得到例如图2a中示出的微孔结构2。

采用这种制造方式，掩模板的数量少。

实例2：

步骤s21、利用构图工艺在基底1上形成光阻挡结构3。具体可以是首先在基底1上形成一层光阻挡材料层3＇，然后在该光阻挡材料层3＇上通过光刻的方式得到光刻胶的图案或通过纳米压印的方式形成刻蚀掩模。随后利用干刻或者湿刻的工艺对暴漏的区域进行刻蚀，去除光刻胶暴漏区域内的光阻挡材料层3＇得到光阻挡结构3。该步骤完成后的产品形态参见图5a。

步骤s22、参见图5b，形成覆盖光阻挡结构3的表面修饰材料层4＇。具体可通过沉积的工艺形成一层硅的氧化物、硅的氮化物。当然也可以采用涂覆并固化的方式形成一层有机树脂。

步骤s23、利用构图工艺去除部分区域内的表面修饰材料层4＇以及部分深度的基底1材料，以得到微孔结构2。光阻挡结构3位于该部分区域之外，从而得到如图3a所示的结构。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。