专利名称：生物医学无痛采血微针芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种带有生物传感器的微机电系统(MEMS)无痛采血微针芯片及其制备方法，属于生物医学检测仪器领域。
背景技术：
采样是人体体液(特别是全血)检测的第一步，也是很关键的一步。很多疾病的检测大部分是通过对人体体液(如血液)进行分析检测，得到生理参数(如血糖、胆固醇、乳酸等)来进行诊断的。采样的方法对血液的检测有直接的影响，若采样方法不当，采出的血液无法用于检测，严重时将影响检测的准确性。
目前血样一般是通过静脉穿刺或通过刺血针对手指进行点刺获得。例如，糖尿病患者可以利用家庭测试仪器通过手指采样测得血糖水平。这些测试仪器要求获得一滴血样放置在仪器中，计算并显示出血样的血糖浓度。为了得到这一滴血样，需要使用刺血设备来刺破皮肤(典型的是在手指处)。然后再挤压刺破处，从手指的表面提取足够的血样；血样再传输到测试仪器上。静脉穿刺的方法是通过皮下注射针从静脉中把血样提取到注射器或小瓶中，再传送到测试仪器中。在这两种方法中，血样注射到传感设备中，它或是载有传感器的小盒，或是试纸条(用作家用血糖分析)或是实验室中测试用的更成熟的仪器。
上述技术的不足在于操作步骤比较繁琐，还会使血样在空气中暴露；另外现有的采血针还会使患者有疼痛感。痛感是随着采血针头的尺寸的增大和采血量的增加而加剧。目前常规的刺血针最小的尺寸也在亚毫米量级，不但容易损伤生物组织，而且由于血样传送到传感设备的效率很低，造成实际采血量要比实际所需的血样多，因此使人会感到明显的痛觉，从而也造成了很多人特别是儿童对血液检测的恐惧心理。
另外，手指采样在皮肤表面挤压和提取血样的过程会导致分析浓度的改变。由于获得的血样容易混合间质液或在周围环境(空气)中暴露，也会影响血样的浓度。鉴于这些原因，手指采样目前的方法不能用来测试如血气参数等内容。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种生物医学无痛采血微针芯片及其制备方法。利用微机电系统(MEMS)技术和生物传感器技术相结合，实现采样和传输于一体，微量定量采血，简化操作步骤，并且使血样不暴露于空气中；同时对生物组织造成创伤小，无痛感。
本发明的技术方案如下一种生物医学无痛采血微针芯片，其特征在于该采血微针芯片是由中间带微管道的上片和其一端部带生物传感器的下片键合而成，它包括针头和针座两部分；所述的生物传感器包括设置在所述微管道中的酶电极和与酶电极相连的金属电极。
本发明的技术特征还在于所述的酶电极基底和金属电极连为一体，其基底均采用金材料；所述的上片和下片采用硅片。
本发明中所述的微管道的断面为三角形。
本发明还提供了一种所述生物医学无痛采血微针芯片的制备方法，该方法包括如下步骤(1)分别在厚度为400μm-500μm的两片硅片的双面生长二氧化硅(SiO2)/氮化硅(Si3N4)层；(2)在第2片硅片的正面光刻、甩胶、溅射金；然后去胶；(3)分别在第1片硅片和第2片硅片的正面进行光刻；(4)对第1片硅片和第2片硅片的正面进行氢氧化钾体硅腐蚀；(5)对第2片硅片背面光刻；将第1片硅片的正面背面去掉二氧化硅/氮化硅；(6)对第1片硅片1和第2片硅片上涂金的部分进行金硅共熔键合，使其紧密结合，形成整体微针；(7)对整体微针进行氢氧化钾体硅腐蚀；(8)把生物酶用纯净水配制成溶液；(9)采用把微针浸入所述的酶溶液中，利用酶和金电极静电力结合的方法进行吸附，待酶固化后，再利用微吸管在管道中吸出多余的酶溶液，凉干微针芯片。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果①利用MEMS技术制备的微针尺寸微小，对皮肤损伤很小，无副作用，实现了无痛采血。特别适用于要频繁进行血糖测试的糖尿病患者、皮肤脆弱的老人和婴儿②整个微针采用硅材料，价格便宜，具有亲水性，再加上封闭微管道尺寸很小，微针刺入皮肤后，利用毛细管作用自动采血，完全不用机械外力，整个过程没有外力挤压血液.另外，采血量可根据微管道的尺寸得到定量采血，控制微管道的容积就可以实现所需血样的体积。
③MEMS技术和生物传感器技术相结合，在微管道中集成生物传感器，实现采样后血样直接与酶接触反应，集采样与传感于一体，简化了操作步骤，也避免了样品在空气中暴露，保证了检测血液的质量。
④具有和分析仪相连接的接口，方便进行信号传输。
图1为本发明提供的微针芯片的总体结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为微针芯片上片的结构示意图。
图4为微针芯片下片的结构示意图。
图5为本发明制备的工艺流程图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的具体结构及优选实施例。
本发明所提供的生物医学无痛采血微针芯片，是由中间带微管道3的上硅片1和其一端部带生物传感器的下硅片2键合而成，包括针头4和针座6两部分。在针座6中设有生物传感器。该生物传感器包括设置在微管道中的酶电极(工作电极9和对电极10)和与酶电极相连的金属电极7、8；金属电极7、8分别和工作电极9和对电极10的金材料基底相连，起到导电的作用。针头4的长度可以在1～6mm，宽度约为100μm左右；微管道3的宽度、高度均在20μm左右，微管道3的断面为三角形，便于实现加工。微针芯片的针头4的末端带有针尖5，采样时，针尖5刺入生物组织(未画出)，从患者皮肤采出血液。利用毛细管力，血液自动吸入微管道3中，直接与工作电极9和对电极10接触，与固化酶反应，产生微电流信号，通过金属电极7、8进行信号传输至外部的分析仪(未画出)，通过放大滤波等信号处理，检测出信号并进行分析。
图5为本发明的制作工艺流程图。一是通过MEMS工艺实现微针及电极的结构；二是利用生物化学中的固化酶技术，进行酶固化，使酶附着在图形化后的电极上，具体工艺步骤如下1)首先在两片厚度为400-500μm的硅片1和硅片2的双面生长二氧化硅(SiO2)/氮化硅(Si3N4)层；2)对硅片2光刻、甩胶、溅射金(Au)、去胶，形成生物传感器的基底，为与硅片1的键合作准备；3)对硅片1和硅片2进行光刻；4)对硅片1和硅片2进行氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀，在硅片1上成了带有开放管道的微针结构；5)对硅片2背面光刻；去掉硅片1正面背面的二氧化硅(SiO2)/氮化硅(Si3N4)层；6)对硅片1和硅片2上涂金的部分进行金硅共熔键合，使硅片1和硅片2紧密结合，形成具有上片1和下片2的立体微针结构；7)对键合后的微针进行氢氧化钾体硅腐蚀；8)固化酶把生物酶按一定浓度用纯净水稀释制备成酶溶液(可以是不同种类的酶，例如固化葡萄糖酶用于血糖测试)；9)不用点样笔点样，直接把微针浸入酶溶液中，利用酶和金电极静电力结合的方法进行吸附，经过一定时间，待酶固化后利用微吸管在管道中吸出多余的酶溶液，凉干微针芯片。
上述工艺方法，是在满足微针芯片结构和功能的条件下，充分考虑了工艺的可行性，尽量减少工艺步骤，节省了成本。两硅片同时加工，省去了相同的工艺流程；溅射金为了实现两硅片更好的键合，同时可以作为电极使用，形成金电极。
键合的目的是使非金属硅和金属金之间形成紧密的结合，从而使两个硅片形成一个微针的立体结构，实现了微针中的微管道3的封闭。微针的上片(硅片1)通过体硅腐蚀工艺形成了带有开放管道的微针结构；下片2(硅片2)主要有两个作用一是和上片1键合，完成微管道3的封闭，实现了流体的传输；二是集成生物传感器(7、8、9、10)。下片2是平面结构，在上面溅射图形化电极比非平面结构的表面要容易的多，并更准确。工作电极9和对电极10在微管道3中，以金材料为基底，上面固化酶，和血液反应产生电流信号。整个过程没有外力挤压血液，也没有在空气中暴露，保证了检测血液的质量。另外，采血量就根据微管道的尺寸得到了定量，控制微管道的容积就可以实现所需血样的体积。
权利要求
1.一种生物医学无痛采血微针芯片，其特征在于该采血微针芯片是由中间带微管道(3)的上片(1)和其一端部带生物传感器的下片键合而成，包括针头和针座两部分；所述的生物传感器包括设置在微管道中的酶电极(9)、(10)和与酶电极相连的金属电极(7)、(8)。
2.按照权利要求1所述的生物医学无痛采血微针芯片，其特征在于所述的酶电极和金属电极连为一体，其基底采用金材料。
3.按照权利要求1或2所述的生物医学无痛采血微针芯片，其特征在于所述的采血微针芯片的上片和下片采用硅片。
4.按照权利要求3所述的生物医学无痛采血微针芯片，其特征在于所述的微管道(3)的断面为三角形。
5.如权利要求1所述的生物医学无痛采血微针芯片的制备方法，该方法包括如下步骤1)在厚度为400μm-500μm的硅片1和硅片2的双面生长二氧化硅/氮化硅层；2)在硅片2的正面光刻、甩胶、溅射金，然后去胶，形成生物传感器底基底材料，并为键合工艺作准备；3)分别在硅片1和硅片2的正面进行光刻；4)对硅片1和硅片2的正面进行氢氧化钾体硅腐蚀，硅片1形成带有开放管道的微针结构；5)对硅片2背面光刻；将硅片1的正面背面去掉二氧化硅/氮化硅；6)对硅片1和硅片2上涂金的部分进行金硅共熔键合，使其紧密结合，形成整体微针；7)对整体微针进行氢氧化钾体硅腐蚀；8)把生物酶用纯净水配制成溶液；9)将微针浸入所述的酶溶液中，利用酶和金电极静电力结合的方法进行吸附，待酶固化后，再利用微吸管在管道中吸出多余的酶溶液，凉干微针芯片。
全文摘要
生物医学无痛采血微针芯片及其制备方法，涉及一种带有生物传感器的采血微针及其制备方法。该微针芯片是由中间带微管道的上片和其一端部带生物传感器的下片键合而成，包括针头和针座两部分；所述的生物传感器包括与所述微管道相连的酶电极和与酶电极相连的金属电极。本发明通过MEMS技术实现微针及电极的结构，并利用生物化学中的固化酶技术，形成采血微针芯片。本发明利用毛细管作用自动采血，完全不用机械外力，微针尺寸微小，对皮肤损伤小，实现了无痛采血；利用微管道体积实现微量定量采血；在微管道中集成生物传感器，集采样与传感于一体，采样后血样直接与酶接触反应，简化了操作步骤，也避免了样品在空气中暴露。保证了检测血液的质量。
文档编号G01N35/00GK1566939SQ0313755
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者周兆英, 刘冉, 王晓浩, 叶雄英 申请人:清华大学