一种细胞传感器阵列和细胞检测芯片的制作方法

本发明属于生物芯片领域，具体涉及一种细胞传感器阵列和细胞检测芯片。

背景技术：

细胞传感器是生物传感器的一种，由于细胞在不同状态下(例如生长、转移、死亡等)的离子浓度不同，因此细胞传感器可以检测到不同的电流信号，通过电流信号的变化能够检测到细胞的状态，可以用来研究细胞生长、转移、死亡等现象，或是用来测试细胞间的讯号传递。

但在相关技术中，细胞传感器中需要通过大量的引线与外围电路板(例如驱动电路板)连接才能进行检测，占用空间较大，难以实现集成化。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种细胞传感器阵列，其能够实时读取细胞传感器上的电流信号，并且能够减少细胞传感器阵列连接外部电路板的引线，进而有利于实现细胞传感器阵列的集成化。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种细胞传感器阵列，包括：

基底；

多个细胞传感器，呈阵列分布在所述基底上；

多条扫描线，设置在所述基底上，多条所述扫描线沿第一方向延伸，每条所述扫描线连接一行所述细胞传感器；

多条读取线，设置在所述基底上，多条所述读取线沿第二方向延伸，每条所述读取线连接一列所述细胞传感器。

本发明提供的细胞传感器阵列，在检测细胞样品时，细胞样品会引起细胞传感器阵列中的至少部分细胞传感器的电流变化，依次扫描各行扫描线，每条扫描线导通与之对应的一行细胞传感器，使各条读取线将当前导通的一行细胞传感器中的各细胞传感器的电流信号读出，通过电流信号可以检测细胞的状态，由于通过多条扫描线和多条读取线的方式连接各个细胞传感器，因此快速读取检测信号(即电流信号)，从而能够实现实时检测细胞样品，并且能够减少细胞传感器阵列连接外部电路板的引线，进而有利于实现细胞传感器阵列的集成化。

优选的是，每个所述细胞传感器包括检测单元和薄膜晶体管；其中，

所述检测单元连接所述薄膜晶体管的源极；所述扫描线连接所述薄膜晶体管的漏极；所述读取线连接所述薄膜晶体管的源极。

优选的是，还包括：多条交变电压线；所述检测单元包括第一电极和第二电极；其中，

多条所述交变电压线连接各个检测单元中的所述第二电极，向所述第二电极施加交变电压；

所述第一电极连接所述薄膜晶体管的源极。

优选的是，所述第一电极和所述第二电极为梳状结构；其中，

所述第一电极具有多个第一导电叉指，所述第二电极具有多个第二导电叉指，多个所述第一导电叉指和多个所述第二导电叉指交替设置。

优选的是，每个所述检测单元中，所述第一电极与所述第二电极之间具有第一绝缘结构。

优选的是，任意相邻的所述细胞传感器之间，具有第二绝缘结构。

相应地，本发明还提供一种细胞检测芯片，包括上述细胞传感器阵列。

优选的是，还包括：

扫描线驱动单元，其连接多条所述扫描线，用于向所述扫描线输入扫描信号；

时序控制单元，其连接所述扫描线驱动单元，用于向所述扫描线驱动单元输入时序信号；

存储单元，其连接多条所述读取线，用于存储各条所述读取线读取的所述细胞传感器的检测信号。

优选的是，多条所述扫描线通过覆晶薄膜连接所述扫描线驱动单元；多条所述读取线通过覆晶薄膜连接所述存储单元。

优选的是，还包括：计算单元，其连接所述存储单元，用于根据所述存储单元中的所述检测信号，计算所述细胞传感器所检测的细胞的阻抗值。

附图说明

图1为本实施例提供的细胞传感器阵列的一种实施例的结构示意图；

图2为本实施例提供的细胞传感器阵列的一种实施例的结构示意图(具体结构)；

图3为本实施例提供的细胞传感器阵列中单个细胞传感器的结构示意图；

图4为本实施例提供的细胞传感器阵列中第一电极和第二电极的结构示意图；

图5为本实施例提供的细胞传感器阵列中细胞传感器的剖面图(沿图3a-b方向)；

图6为本实施例提供的细胞传感器阵列中第一电极上的电流信号随电压变化的关系图；

图7为本实施例提供的细胞传感器阵列中第一导电叉指和第二导电叉指之间的电场的电场分布图；

图8为本实施例提供的细胞传感器阵列中设置对照组的检测示意图；

图9为本实施例提供的细胞检测芯片的一种实施例的结构示意图；

图10为本实施例提供的细胞检测芯片中细胞样品中的细胞在生长状态中不同时间的复阻抗值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是为了便于对本发明实施例的内容的理解。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例中的所采用的晶体管可以为薄膜晶体管或场效应管或其他特性的相同器件，由于采用的晶体管的源极和漏极是对称的，所以其源极、漏极是没有区别的。在本发明实施例中，为区分晶体管的源极和漏极，将其中一极称为第一极，另一极称为第二极，栅极称为控制极。此外按照晶体管的特性区分可以将晶体管分为n型和p型，以下实施例中是以p型晶体管进行说明的，当采用p型晶体管时，第一极为p型晶体管的源极，第二极为p型晶体管的漏极，栅极输入低电平时，源漏极导通；当采用n型晶体管时，第一极为n型晶体管的源极，第二极为n型晶体管的漏极，栅极输入高电平时，源漏极导通。可以想到的是采用n型晶体管实现是本领域技术人员可以在没有付出创造性劳动前提下轻易想到的，因此也是在本发明实施例的保护范围内的。

在此需要说明的是，本发明实施例中以所有晶体管均为采用p型晶体管为例，则工作电平是指使得p型晶体管开启工作的有效电平，即为低电平，非工作电平则指高电平。本发明实施例中的初始控制信号为一固定的工作电平，也即为一固定的低电平信号。

如图1所示，本实施例提供一种细胞传感器阵列，该细胞传感器阵列包括基底1、多个细胞传感器2、多条扫描线3和多条读取线4。

具体地，参见图1，多个细胞传感器2呈阵列分布在基底1上。多条扫描线3设置在基底1上，多条扫描线3沿第一方向延伸，每条扫描线3连接一行细胞传感器2。多条读取线4设置在基底1上，多条读取线4沿第二方向延伸，每条读取线4连接一列细胞传感器2。其中，第一方向和第二方向不平行，第一方向例如可以为行方向，行方向平行于呈阵列排布的细胞传感器2中各行细胞传感器的排布方向，第二方向例如可以为列方向，列方向平行于呈阵列排布的细胞传感器2中各列细胞传感器2的排布方向。当第一方向为行方向，第二方向为列方向时，第一方向和第二方向近似垂直或者相互垂直，在本公开实施例中以第一方向为行方向，第二方向为列方向为例进行描述。

本实施例提供的细胞传感器阵列，在检测细胞样品时，细胞样品会引起细胞传感器阵列中的至少部分细胞传感器2的电流变化，依次扫描各行扫描线3，每条扫描线3导通与之对应的一行细胞传感器2，使各条读取线4将当前导通的一行细胞传感器中的各细胞传感器2的电流信号读出，通过电流信号可以检测细胞样品中细胞的状态，例如，可以通过细胞样品引起的电流信号计算细胞的阻抗，由细胞的阻抗可以观察细胞行为(例如转移、生长、死亡等)，由于通过多条扫描线3和多条读取线4的方式连接各个细胞传感器2，因此能够通过高频率的扫描快速读取细胞传感器2上的检测信号(即电流信号/电压信号，以下以检测信号为电流信号为例)，从而能够实现实时检测细胞样品，并且相比每个细胞传感器都需要独立设置多条引线与外部电路板相连的方式，由于采用扫描线3连接一行细胞传感器2,读取线4连接一列细胞传感器2的方式，因此能够大大减少细胞传感器阵列连接外部电路板所需的引线(例如扫描线3和读取线4)数量，从而有利于实现细胞传感器阵列的集成化。

可选地，如图2、图3、图5所示，图5为沿图3中a-b方向剖切的剖面图。每个细胞传感器2可以包括检测单元21和薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)22，检测单元21设置在薄膜晶体管22背离基底一侧。薄膜晶体管22可以包括设置在基底1之上的栅极(gate)221，设置在栅极背离基底一侧的有源(active)层222，栅极221与有源层222之间设置有栅极绝缘(gi)层01，有源层222背离基底1一侧设置有漏极(drain)223和源极(source)224，漏极223和源极224同层设置，二者背离基底1一侧设置有缓冲保护(buffer)层，以保护薄膜晶体管22的各膜层。薄膜晶体管22与检测单元21之间设置有平坦绝缘层02，平坦绝缘层02用于使薄膜晶体管22与检测单元21之间的电信号互相绝缘，且使薄膜晶体管22之上的膜层平坦化。检测单元21与薄膜晶体管22相连，具体地，检测单元21通过设置在平坦绝缘层02之中的通孔(via)连接薄膜晶体管22的源极224，扫描线3连接薄膜晶体管22的漏极223，读取线4连接薄膜晶体管22的源极224，薄膜晶体管22作为检测单元21的开关器件，在需要检测细胞样品时，依次扫描各条扫描线3，扫描线3向与之相连的薄膜晶体管22的漏极223施加电压，从而薄膜晶体管22导通，使连接在该薄膜晶体管22的源极224上的读取线4，将连接在该薄膜晶体管22的源极224上的检测单元21中的电流信号(也即细胞样品的检测信号)读出，当各扫描线3扫描完成后，即可读出细胞传感器阵列中所有细胞传感器2中的电流信号。

需要说明的是，在本实施例提供的细胞传感器阵列中，在扫描线3导通薄膜晶体管22后，检测单元21上的电流信号实时被读取线4读出，继而不需要设置存储电容来存储电流信号，从而可以减少细胞传感器2所占空间。

需要说明的是，以上薄膜晶体管22的结构仅为示例，本实施例提供的细胞传感器阵列中，薄膜晶体管22可以采用各种类型的晶体管，例如可以采用无定形硅(a-si)类型的薄膜晶体管，也可以采用铟镓锌氧化物(indiumgalliumzincoxide，igzo)型薄膜晶体管，或低温多晶硅型薄膜晶体管，只要能实现薄膜晶体管作为检测单元21的开关器件的功能即可，在此不做限定。

可选地，如图2-图5所示，细胞传感器2的检测单元21可以包括第一电极211和第二电极212，第一电极211和第二电极212之间具有电场，参见图5，细胞样品中的细胞001位于第一电极211与第二电极212之间的电场时会影响该电场，从而引起电流信号的变化，通过检测该电流信号即可检测样品细胞的状态。具体的，细胞样品中的细胞会附着在第一电极211或第二电极212之上，因为细胞膜的特性使得细胞的电性质接近绝缘体，因此细胞的阻抗会随着电极上细胞的覆盖面积的增加而增大，从而被细胞附着的第一电极211和/或第二电极212上的电流会发生改变，当细胞的状态改变，例如细胞转移或死亡，电流的通路会随之改变，从而读出第一电极211上的电流信号可以计算细胞的阻抗，通过细胞的阻抗可以检测到细胞的状态。

进一步地，参见图2、图3、图6,本实施例提供的细胞传感器阵列还包括多条交变电压线5。其中，第一电极211连接薄膜晶体管22的源极224,读取线4通过第一电极211读取电流信号，多条交变电压线5连接各个检测单元21中的第二电极212，交变电压线5向第二电极212施加交变电压，以采用循环伏安法对细胞样品进行检测。具体地，交变电压线5给第二电极212施加循环变化的电压，一次循环中可以从第一电压变化至第二电压，再从第二电压变化至第一电压，以下以第一电压为0v，第二电压为5v为例进行说明，也即交变电压线5给第二电机212施加的交变电压变化为o-5-0v，细胞样品中的细胞附着在第一电极211或第二电极212上，在交变电压的作用下发生不同的离子反应，例如，在交变电压从5v变化至0v时，细胞产生还原反应，产生还原波，第一电极211上的电流信号对应还原的过程，在交变电压从0v变化至5v时，细胞还原反应的产物会重新在第一电极211和/或第二电极212上发生氧化反应，产生氧化波，第一电极211上的电流信号对应氧化的过程，一次电压的变化(0-5-0v)完成一个还原和氧化过程，交变电压线5循环电压的变化过程，读取线4间隔预设时长从第一电极211上读出细胞还原或氧化过程的电流信号，即可通过循环伏安法检测细胞的状态。

可选地，若采用循环伏安法进行细胞测量，第一电极211和第二电极212的材料可以包括氧化铟锡(indiumtinoxide，ito)、铂、玻碳、石墨等中的至少一种，具体的不进行限制，只要第一电极211和第二电极212进行循环伏安法的灵敏度较高即可。参见图6，图6为第一电极211上的电流信号随电压变化的关系图，图6中虚线为循环伏安法中交变电压的上限(如上述中的0-5-0v变化中的5v)。

需要说明的是，对扫描线3进行扫描的频率可以为交变电压线5上电压变化频率的x倍，x大于或等于扫描线3的数量，也即在电压进行一次变化时，保证可以完成一次扫描，即可以读出细胞传感器阵列中所以细胞传感器2上的电流信号。例如若电压变化的频率为10hz，细胞传感器阵列具有100条扫描线3，则扫描的频率可以为1000hz以上。

进一步地，交变电压线5的数量和排布方式可以任意设置，对此不做限制，只要交变电压线5与所有检测单元21中的第二电极212相连，可以同时给细胞传感器2中的所有第二电极212施加相同的电压即可，交变电压线4需要同时给所有第二电极212施加相同的电压，以使各细胞传感器2上的电压变化相同。例如，交变电压线5可以与读取线4平行设置，一条交变电压线5连接一列细胞传感器2中的第二电极212。

可选地，第一电极211和第二电极212可以采用同一结构，且第一电极211和第二电极212可以为各种形状的电极，例如可以为叉指电极，也可以为环形电极，在此不做限定。以下以第一电极211和第二电极212为叉指电极，也即第一电极211和第二电极212为梳状结构为例进行说明。

具体地，参见图3-图5，检测单元21中的第一电极211和第二电极212为梳状结构，其中，第一电极211具有多个第一导电叉指2111，第二电极212具有多个第二导电叉指2121，多个第一导电叉指2111和多个第二导电叉指2121交替设置，且相邻的第一导电叉指2111和第二导电叉指2121的距离可以尽量的近，以减小外界因素对检测结果的影响。例如，第一电极211具有14个第一导电叉指2111，第二电极212具有14个第二导电叉指2121，第一导电叉指2111的长度为500um，宽度为20um，高度为1um，第二导电叉指2121的结构和第一导电叉指2111的结构近似相同，相邻的第一导电叉指2111和第二导电叉指2121的距离为30um，则检测单元21的面积为0.7x1mm。参见图7，图7为第一电极211的第一导电叉指2111和第二电极212的第二导电叉指2121之间的电场的电场分布图，其中左侧纵坐标和横坐标分别表示两个导电叉指之间的间距，由图可见电场主要分布在两个导电叉指间的20um以内的范围，与细胞样品中的细胞在第一电极211和/或第二电极212之间的附着范围高度类似，因此测量第一电极211上的电流信号可以有效测量细胞的阻抗。

可选地，如图5所示，细胞传感器阵列中的每个细胞传感器2的检测单元21中，第一电极211与第二电极212之间具有第一绝缘结构6，且第一绝缘结构6设置在平坦绝缘层02背离基底1一侧，具体的，第一绝缘结构6设置在相邻的第一导电叉指2111和第二导电叉指2121之间，以防止二者短接，且能够降低检测信号的噪声。

进一步地，如图5所述，细胞传感器阵列中任意相邻的细胞传感器2之间，具有第二绝缘结构7，以防止相邻的细胞传感器2之间的信号串扰。第二绝缘结构7设置在平坦绝缘层02背离基底1一侧，且第二绝缘结构7的厚度大于第一绝缘层6的厚度，第二绝缘结构7围绕检测单元21的周边设置，第二绝缘结构7限定出检测区，以容纳待测试的细胞样品，使细胞样品在检测区中被检测单元21检测。

进一步地，第一绝缘结构6和/或第二绝缘结构7的材料可以包括聚酰亚胺等。

可选地，参见图8,细胞样品至少包括细胞培养液，和细胞培养液中的细胞，在进行细胞检测时，为了排除细胞培养液带来的误差，需要给待检测的细胞样品设置细胞培养液的对照组。以检测细胞种类p和细胞种类k为例进行说明，细胞种类p的细胞样品为p1，将细胞样品p1置于细胞传感器阵列中的一细胞传感器2进行检测，则可以在该细胞传感器2相邻的一细胞传感器2中设置不含杂质的细胞培养液p2，细胞培养液p2为细胞样品p1中的细胞培养液。同理，细胞种类k的细胞样品为k1，在检测细胞样品k1的细胞传感器2相邻的细胞传感器2设置细胞培养液k2，细胞培养液k2为细胞样品k1中的细胞培养液。通过对比p1、p2所对应的细胞传感器2的电流信号，对比k1、k2所对应的细胞传感器2的电流信号，可以排除细胞培养液带来的检测误差，使细胞检测的结果更准确。

可选地，基底1可以为各种类型的基底，例如玻璃基底，聚酰亚胺基底，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)基底等，在此不做限定。

相应地，本实施例还提供一种细胞检测芯片，该细胞检测芯片包括上述细胞传感器阵列。

可选地，如图9所示，本实施例提供的细胞检测新坡还包括扫描线驱动单元(g-ic)、时序控制单元(t-con)和存储单元c1。t-con连接g-ic，g-ic连接多条扫描线3，存储单元c1连接多条读取线4。t-con向g-ic输入时序信号，使g-ic按照时序信号的控制时序，依次给扫描线3输入扫描信号，接收到扫描信号的扫描线3给与之相连的细胞传感器2中的薄膜晶体管22施加电压，以开启检测单元21，再由与检测单元21相连的读取线4将检测单元21中的电流信号读出，读取线4将读出的电流信号(即细胞样品的检测信号)存储在存储单元2中，以对细胞的阻抗进行计算。

可选地，也可以采用扫描线驱动阵列(goa)的方式作为扫描线3的驱动，若采用goa，则goa可以设置在基底1上。

可选地，如图9所示，多条扫描线3可以通过覆晶薄膜(chiponflex，cof)的方式连接g-ic，多条读取线4也可以通过cof方式连接存储单元c1。

相应地，如图9所示，细胞检测芯片还可以包括交变电压驱动(hv)，hv连接多条交变电压线5，用于给交变电压线5输入交变电压。交变电压线5可以沿读取线5的延伸方向(即第二方向)延伸，再通过引线与hv相连，引线的延伸方向与扫描线3平行(即第一方向)。交变电压线5可以采用cof的方式连接hv。

需要说明的是，扫描线3还可以采用其他方式连接g-ic，读取线4还可以采用其他方式连接存储单元c1，交变电压线5可以采用其他方式连接hv，例如可以采用插拔的方式进行连接，具体的不做限制。

可选地，本实施例提供的细胞检测新坡还可以包括计算单元(图中未示出)，计算单元可以连接存储单元c1，用于根据存储单元c1中的电流信号(即细胞样品的检测信号)。在交变电压线5给第二电极212施加一次循环电压变化(例如0-5-0v的变化)后，存储单元c1中获得一组各个细胞传感器2的二维电流信号值，二维即为对应的扫描线3和读取线4的交点的位置，也即细胞传感器2在细胞传感器阵列的位置，可以通过如下公式计算细胞的复阻抗z：

其中，ω为交变电压线上交变电压的角频率，θ为电压的相位延迟，v为交变电压的电压，i为读取线读出的电流信号。将一次循环电压变化后得到的一组二维电流信号值中的每个电流信号值都代入上述计算，即可获得细胞样品中细胞的复阻抗，进而可以检测细胞的状态(转移、生长、死亡等状态)。

参见图10，图10为以本实施例提供的细胞检测芯片进行检测，且通过计算单元计算后得出的细胞样品中的细胞在生长状态中不同时间的复阻抗值，其中横坐标为复阻抗的实部，纵坐标为复阻抗的虚部，图中数据曲线的大小代表了电荷转移电阻，也就是第一电极表面电荷通过细胞的细胞膜的阻抗值的大小，时间越长，细胞膜的电阻越小，当细胞死亡裂解时电阻最小。数据曲线与横轴的交点的截距代表电荷转移的难易程度，也即细胞样品的电阻，随着时间推移，细胞样品的电阻逐渐减小，当细胞死亡时，细胞样品的电阻最大。

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。