微芯片结构和用于电化学检测的处理的制作方法
【专利说明】微芯片结构和用于电化学检测的处理
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2013年8月7日提交的美国临时申请号61 /863，398的优先权，该临时申请由此通过引用整体并入本文。
【背景技术】
[0002]用于生物标记物分析的、附着到电化学生物感测装置例如纳米结构微电极(NME)内的基底的捕获探针的使用是本领域中已知的。当探针捕获它的带负电的目标时，它引起在电极的表面附近的增加的负电荷，其可在电位被施加时由电流的增加用电化学方法检测至IJ13NME—般用电化学方法被电镀到在玻璃或半导体基底例如硅上的图案化金电极上。常常涉及二氧化硅(S12)或氮化硅(Si3N4)的硅或玻璃晶片光刻方法、层沉积和图案化对电子工业而言被很好地发展，但这些基底一般不设计成暴露于溶液一一在电化学感测应用中的普通实践。二氧化物层趋向于更多孔的，这可引起生物分子吸收或诱捕，这转而对目标的检测造成问题。此外，电解质溶液到基底的底层的渗透可能在电化学感测期间有不希望有的影响。二氧化硅(PH1.7-3.5)和氮化硅(pH9)的等电点明显不同于彼此和不同于在电化学感测期间使用的溶液。此外，用于产生适合于NME生长的硅或玻璃芯片的制造、切割和蚀刻过程有时留下影响水接触角的表面污染物或残留物。这个影响导致可变表面润湿，其在传感器制造、探针沉积、化验和微流体盒功能中有下游效应。因此存在对具有化学表面改性的硅或玻璃基底的需要，该化学表面改性可在涉及处理前面提到的问题的生物感测和湿化学的过程中被利用。也存在对防止溶液的芯吸效应和扩散的一致的疏水表面的需要，当在单个芯片上沉积多个包含探针的液滴以功能化具有独特探针的单独的NME时，溶液的芯吸效应和扩散可出现。
【发明内容】
[0003]本文公开了在样本中的目标的电化学检测中使用的过程和装置。
[0004]根据一个方面，提供了用于制造生物感测装置的过程，该过程包括下列步骤:
(i )提供基底，其具有在其表面上的导电引线；
(ii)将绝缘层施加到基底和引线，所述绝缘层包括二氧化硅或氮化硅中的一个或多个；
(iii)在绝缘层中蚀刻孔以暴露引线的一部分，纳米结构微电极被电镀到引线的一部分上；
(iv)氧化二氧化硅或氮化硅中的一个或多个以形成氧化的二氧化硅或氮化硅；以及 (V)允许氧化的二氧化硅或氮化硅中的一个或多个与功能化硅烷起反应。
[0005]根据另一方面，提供了用于制造生物感测装置的过程，该过程包括下列步骤:
(i )提供基底，其具有在其表面上的导电引线；
(ii)将绝缘层施加到基底和引线，所述绝缘层包括二氧化硅或氮化硅中的一个或多个； (iii)在绝缘层中蚀刻孔以暴露引线的一部分，纳米结构微电极被电镀到引线的一部分上；
(iv)蚀刻表面以清洁和/或氧化表面；以及 (V )允许蚀刻的表面与功能化娃烧起反应。
[0006]根据另一方面，提供了根据本文所述的过程制造的生物感测装置。
[0007]根据另一方面，提供了功能化硅烷的用途，用以修改二氧化硅或氮化硅表面的疏水性。
【附图说明】
[0008]图1示出适合于在根据一些实现的过程中使用的三氯硅烷的例子。
[0009]图2示出根据一些实现使用三氯(1H，1H，2H,2H-全氟辛基)硅烷在二氧化硅表面上形成的自组装单分子层(SAM)的示意图。
[0010]图3描绘用于利用附着到如本文所述的生物感测装置的探针来接收、准备和分析生物样本的药筒系统；
图4描绘根据一些实现的分析检测系统的药筒；以及图5描绘根据一些实现的自动测试系统。
【具体实施方式】
[0011]为了提供对本文所述的系统、装置和方法的全面理解，将描述特定例证性实施例。应理解，虽然被示出用于在细菌感染例如衣原体的诊断系统中使用，本文公开的系统、装置和方法可应用在其它应用中，所述其它应用包括但不限于其它细菌、病毒、真菌、朊病毒、植物物质、动物物质、蛋白质、RNA序列、DNA序列以及癌筛选和遗传测试，包括对遗传特性和遗传病的筛选。
[0012]在基底敷层期间，使用本领域中已知的方法在芯片的表面上使二氧化硅(S12)的层或氮化硅(Si3N4)的层生长。如上面提到的，这些材料具有可能需要对在湿化学和生物感测中的应用的进一步优化的特性。在一个实现中，芯片表面包括二氧化硅的层和氮化硅的层。优选地，二氧化硅的层布置在芯片表面和氮化硅层之间的芯片上，使得氮化硅层布置在二氧化硅层的顶部上。在通常多孔的二氧化硅层的顶部上的氮化硅层的使用降低生物分子的粘合并覆盖在NME电镀期间引起伪金结构的生长的缺陷(即孔)。
[0013]此外，用于产生适合于NME生长的硅芯片的制造、切割和蚀刻过程有时留下影响水接触角的表面污染物或残留物。这个影响导致可变表面润湿，其在传感器制造、探针沉积、化验和微流体盒功能中有下游效应。根据一些实施例，使用以各种侧链来功能化的硅烷来处理硅或玻璃表面以调谐表面湿润特性。用硅烷的这个自组装单分子层(SAM)覆盖芯片的绝缘层通过控制表面的润湿而将芯片表面与样本和电化学溶液隔离。SAM降低表面能量，增加与水的表面接触角，并降低在具有下游感测效应的芯片制造期间产生的表面可变性。这个过程一般涉及表面的氧化和在真空下对反应性硅烷的暴露。二氧化硅和氮化硅对氧等离子体的暴露几分钟移除了污染物并氧化硅或玻璃表面，激活基底用于随后的硅烷化。只有氧化硅与硅烷分子起反应，留下任何被暴露的金表面(现在由氧等离子体清洁)未受影响并对NME电镀做好准备。在存在微量表面水的情况下，以盐酸的形式的氯被消除以形成硅醇中间物，其接着与表面氢氧根团和相邻的硅醇分子起反应以形成网络。
[0014]图1示出适合于二氧化硅或氮化硅的功能化的三氯硅烷的非限制性例子。化学式I的化合物是三氯(1H，1H，2H, 2H-全氟辛基)硅烷。化学式II的化合物是三氯十二烷基硅烷(tricholorododecylsilane)。在另外的实现中，可利用具有功能化烧基侧链的其它三氯娃烷。
[0015]图2示出根据一些实现使用化学式I的化合物将自组装单分子层(SAM)形成到二氧化硅表面上。面板(a)展示化学式I的化合物被带到氧化的氧化硅表面的表面氢氧根团的附近内。如在面板(b)中展示的，在微量表面水存在于二氧化硅表面上的情况下，盐酸的形式的氯被消除以形成硅醇中间物分子。这个中间物接着与表面氢氧根团和任何相邻的硅醇中间物分子起反应以形成向表面提供疏水涂层的自组装网络。只有氧化的硅与硅烷起反应，且装置的其它部件例如被暴露的导电引线(纳米结构微电极沉积到导电引线上)通过这个化学改性而保持未改性。
[0016]—致的疏水表面在NME传感器生产和化验中具有几个优点。例如，控制在表面上的溶液的湿润和随后扩散防止与电触头和仪器电路的接口的不希望有的交互作用。电触头与溶液的隔离也确保NME通道在感测操作期间保持分离。这些疏水表面的被控制的湿润允许通过机械定心钻来使用精确流体处理和探针沉积。通过保持液滴分立和分离，多个探针序列可沉积在具有所需要的最小间隔的相邻NME上。
[0017]可如下生产生物感测装置。在一些实现中，装置可包括具有可用作用于使单个NME生长的工作电极的单个导电引线的玻璃或硅的基底。装置还可包括与基底分离或用光刻法图案化到基底上的反电极和参考电极。在一些实现中，多个导