生物检测装置、生物芯片及其制备方法

1.本公开涉及传感器技术领域，尤其涉及一种生物检测装置、生物芯片及其制备方法。


背景技术：

2.电化学生物检测装置是指以电极作为信号转换元件，以电势或电流作为检测信号的检测装置。由于生物检测装置具有灵敏度高，操作简便，低成本等优点，近年来广泛应用于临床检验，环境分析，食品安全，药物分析等领域。然而，现有的生物检测装置的体积较大，不易携带。


技术实现要素：

3.本公开的目的在于提供一种生物检测装置、生物芯片及生物芯片的制备方法，具有易于携带的优势。
4.根据本公开的一个方面，提供一种生物芯片，包括：
5.基底；
6.电极层，设于所述基底的一侧，且包括间隔设置的多个电极区；
7.绝缘层，覆盖所述电极层，且设有暴露多个所述电极区的第一开口；
8.微流道层，覆盖所述绝缘层，所述微流道层包括依次连通的第一进液口、微流道以及第二开口，所述第二开口暴露所述第一开口的至少部分区域。
9.进一步地，所述第一开口的数量为多个，多个所述第一开口一一对应地暴露多个所述电极区，且各所述第一开口的至少部分区域均通过所述第二开口暴露。
10.进一步地，多个所述电极区包括一个参比电极区和一个或多个工作电极区。
11.进一步地，所述工作电极区背向所述基底的表面设有敏感功能层。
12.进一步地，多个所述电极区包括多个工作电极区，多个所述工作电极区中存在两个工作电极区的表面所设置的敏感功能层不同。
13.进一步地，所述敏感功能层为钠离子敏感功能层、钾离子敏感功能层、钙离子敏感功能层、氢离子敏感功能层或氯离子敏感功能层。
14.进一步地，多个所述电极区包括多个工作电极区，多个所述工作电极区围绕所述参比电极区设置。
15.进一步地，所述工作电极区与所述参比电极区之间的距离为0.8mm-1.2mm。
16.进一步地，所述工作电极区和/或所述参比电极区的形状为矩形，且长边尺寸为5.5mm-6.5mm，短边尺寸为2.5mm-3.5mm。
17.进一步地，所述第二开口的面积大于所述第一进液口的面积。
18.进一步地，所述第一进液口呈圆形，且直径为1mm-2mm。
19.进一步地，所述第二开口呈矩形，且长边尺寸为14mm-20mm，短边尺寸为8mm-9mm。
20.进一步地，所述微流道以及所述第一进液口的数量均为两个，且两个所述第一进
液口一一对应地通过两个所述微流道与所述第二开口连通。
21.进一步地，两个所述微流道呈轴对称分布，两个所述第一进液口呈轴对称分布，两个所述微流道的对称轴与两个所述第一进液口的对称轴重合。
22.进一步地，所述第二开口呈矩形，两个所述微流道的对称轴与所述第二开口的短边或长边平行。
23.进一步地，所述第二开口呈矩形，两个所述微流道一一对应地连接于所述第二开口的两个相邻的角。
24.进一步地，从所述第二开口到所述第一进液口，所述微流道的宽度逐渐减小。
25.进一步地，所述微流道层还包括与所述第二开口连通的出液口。
26.进一步地，所述出液口与所述第一进液口一一对应地位于所述第二开口相对的两侧。
27.进一步地，所述第二开口呈矩形，所述出液口与所述第一进液口位于所述第二开口的短边方向上的两侧。
28.进一步地，所述出液口为出液槽，所述出液槽的宽度为1.5mm-2.5mm。
29.进一步地，所述基底为柔性基底。
30.进一步地，所述生物芯片还包括：
31.贴附层，设于所述微流道层远离所述基底的一侧，且所述贴附层设有与所述第一进液口连通的第二进液口。
32.根据本公开的一个方面，提供一种生物芯片的制备方法，包括：
33.提供基底；
34.在所述基底的一侧形成电极层，所述电极层包括间隔设置的多个电极区；
35.形成覆盖所述电极层的绝缘层，所述绝缘层设有暴露多个所述电极区的第一开口；
36.形成覆盖所述绝缘层的微流道层，所述微流道层包括依次连通的第一进液口、微流道以及第二开口，所述第二开口暴露所述第一开口的至少部分区域。
37.根据本公开的一个方面，提供一种生物检测装置，包括上述的生物芯片。
38.本公开的生物检测装置、生物芯片及生物芯片的制备方法，在使用过程中，第一进液口可以接收样本液，该微流道构成毛细管，在毛细管的作用下第一进液口中的样本液通过微流道进入第二开口，由于电极区通过第一开口暴露，且第二开口暴露第一开口的至少部分区域，从而使进入第二开口的样本液能够与电极区接触，进而进行检测，且生物芯片尺寸小，具有易于携带的优势。
附图说明
39.图1是本公开实施方式的生物芯片的截面示意图。
40.图2是本公开实施方式的生物芯片中电极层的平面示意图。
41.图3是本公开实施方式的生物芯片中绝缘层的平面示意图。
42.图4是本公开实施方式的生物芯片中微流道层的平面示意图。
43.图5是本公开实施方式的生物芯片中贴附层的平面示意图。
44.图6是本公开实施方式的生物芯片中微流道层与贴附层的配合示意图。
45.图7是本公开实施方式的生物芯片的制备方法的流程图。
46.图8是本公开实施方式的生物芯片的电压信号的示意图。
47.图9是本公开实施方式的钠离子检测结果的示意图。
48.图10是本公开实施方式的钾离子检测结果的示意图。
49.图11是本公开实施方式的钙离子检测结果的示意图。
50.图12是本公开实施方式的氯离子检测结果的示意图。
51.图13是本公开实施方式的氢离子检测结果的示意图。
52.附图标记说明：1、基底；2、电极层；201、工作电极区；202、参比电极区；203、信号线；3、绝缘层；301、第一开口；4、微流道层；401、第二开口；402、微流道；403、第一进液口；404、出液口；5、贴附层；501、第二进液口。
具体实施方式
53.这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置的例子。
54.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，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。本公开说明书以及权利要求书中使用的“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”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并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，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
55.本公开实施方式提供一种生物芯片。如图1和图4所示，该生物芯片可以包括基底1、电极层2、绝缘层3以及微流道层4，其中：
56.该电极层2设于基底1的一侧，且包括间隔设置的多个电极区。该绝缘层3覆盖电极层2，且设有暴露多个电极区的第一开口301。该微流道层4覆盖绝缘层3，微流道层4包括依次连通的第一进液口403、微流道402以及第二开口401，第二开口401暴露第一开口301的至少部分区域。
57.本公开实施方式的生物芯片，在使用过程中，第一进液口403可以接收样本液，该微流道402构成毛细管，在毛细管的作用下第一进液口403中的样本液通过微流道402进入第二开口401，由于电极区通过第一开口301暴露，且第二开口401暴露第一开口301的至少部分区域，从而使进入第二开口401的样本液能够与电极区接触，进而进行检测，且生物芯
片尺寸小，方便携带。
58.下面对本公开实施方式的生物芯片的各部分进行详细说明：
59.该基底1可以为刚性基底。其中，该刚性基底可以为玻璃基底或pmma(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)基底等。当然，该基底1还可以为柔性基底，以使本公开的生物芯片具有轻薄柔软、穿戴舒适的优点。其中，该柔性基底可以为pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底、pen(polyethylene naphthalate two formic acid glycol ester，聚萘二甲酸乙二醇酯)基底或pi(polyimide，聚酰亚胺)基底。
60.该电极层2的材料可以为金属材料，例如au、ag、pd、pt等。该电极层2可以包括间隔设置的多个电极区。如图2所示，多个电极区可以包括参比电极区202和工作电极区201。该参比电极区202的数量可以为一个。该工作电极区201的数量可以为一个、两个、三个或更多个。多个工作电极区201中任意两个工作电极区201的形状可以相同。多个工作电极区201中任意两个工作电极区201的尺寸可以相同。该参比电极区202的形状以及尺寸可以与工作电极区201的形状以及尺寸相同。举例而言，该工作电极区201的形状为矩形，该工作电极区201的长边尺寸b可以为5.5mm-6.5mm，例如6mm，该工作电极区201的短边尺寸a可以为2.5mm-3.5mm，例如3mm；该参比电极区202的形状为矩形，该参比电极区202的长边尺寸可以为5.5mm-6.5mm，例如6mm，该参比电极区202的短边尺寸可以为2.5mm-3.5mm，例如3mm。
61.如图2所示，该多个工作电极区201可以围绕参比电极区202设置，以降低参比电极区202对检测结果的影响。以工作电极区201以及参比电极区202的形状均为矩形且工作电极区201的数量为三个为例，三个工作电极区201围绕参比电极区202设置，三个工作电极区201中一个工作电极区201的长边与参比电极区202的长边平行，另一个工作电极区201的长边与参比电极区202的短边平行，剩余一个工作电极区201的长边与参比电极区202的短边平行。此外，该工作电极区201和参比电极区202之间的距离c可以为0.8mm-1.2mm，例如0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm等，且由于工作电极区201的长边尺寸b以及参比电极区202的长边尺寸均为5.5mm-6.5mm，工作电极区201的短边尺寸a以及参比电极区202的短边尺寸均为2.5mm-3.5mm，从而使本公开的生物芯片的电压信号的稳定性最佳，电压信号响应误差在10％范围内。具体地，以工作电极区201和参比电极区202之间的距离c为1mm、工作电极区201的长边尺寸b以及参比电极区202的长边尺寸均6mm且工作电极区201的短边尺寸a以及参比电极区202的短边尺寸均为3mm为例，将本公开的生物芯片用于测量钾离子，该电压信号的示意图如图8所示，s1、s2、s3分别对应钾离子的三次测量结果，其斜率基本一致，表明电压信号的稳定性极佳。此外，如图2所示，该电极层2还可以包括多个信号线203。多个信号线203一一对应地与多个电极区电连接。此外，该电极区的厚度较小，工作时对皮肤无刺激，使得皮肤无损伤。
62.该生物芯片还可以包括敏感功能层。该敏感功能层可以设于上述的工作电极区201背向基底1的表面。该敏感功能层可以包括离子载体，以使工作电极区201形成离子选择电极，进而使生物芯片可以用于测量离子。举例而言，该敏感功能层可以为钠离子敏感功能层、钾离子敏感功能层、钙离子敏感功能层、氢离子敏感功能层或氯离子敏感功能层，以使该生物芯片可以用于测量钠离子、钾离子、钙离子、氢离子、氯离子等。上述工作电极区201中可以存在两个工作电极区201的表面所设置的敏感功能层不同，以使本公开的生物芯片可以同时检测样本液中的多个离子。通过该敏感功能层，只需极微量的样本液就可以实现
高灵敏度和高准确度检测。
63.如图1和图3所示，该绝缘层3可以覆盖上述的电极层2和基底1。该绝缘层3设有暴露多个电极区的第一开口301。在一实施方式中，该第一开口301的数量为一个，多个电极区均通过一个第一开口301暴露。在另一实施方式中，该第一开口301的数量为多个，且多个第一开口301一一对应地暴露多个电极区。
64.如图1所示，该微流道层4的材料可以为绝缘材料。该微流道层4覆盖绝缘层3。如图4所示，该微流道层4可以包括第一进液口403、微流道402、第二开口401以及出液口404。该第一进液口403用于接收样本液。该第一进液口403与第二开口401间隔设置，该微流道402连通第一进液口403与第二开口401，以使第一进液口403接收的样本液通过微流道402进入第二开口401。如图1所示，多个上述第一开口301的至少部分区域均通过第二开口401暴露，且由于电极区通过第一开口301暴露，从而使进入第二开口401的样本液能够与电极区接触。该出液口404与第二开口401连通，以使经过检测的样本液从出液口404流出。
65.该第一进液口403的形状可以为圆形、矩形等。该第二开口401的形状可以为圆形、矩形等。该出液口404可以为出液槽等。举例而言，如图4所示，该第一进液口403的形状为圆形，第一进液口403的直径n可以为1mm-2mm，例如1.5mm；该第二开口401的形状为矩形，第二开口401的长边尺寸d可以为14mm-20mm，例如14.4mm，第二开口401的短边尺寸e可以为8mm-9mm，例如8.5mm；该出液口404为出液槽，且出液槽的宽度f可以为1.5mm-2.5mm，例如2.0mm；在此预设值下，经过模拟，样本液的进样、流动与流出的效率达到最佳。从样本液进样到检测完毕所需时间小于10min。其中，该第二开口401的面积可以大于第一进液口403的面积。从第二开口401到第一进液口403，该微流道402的宽度逐渐减小，如此设置，可以保证样本液的进样效率，使样本液能够快速地从第一进液口403通过微流道402进入第二开口401。
66.如图4所示，该第一进液口403以及微流道402的数量均可以为多个，该第二开口401的数量可以为一个，且多个第一进液口403一一对应地通过多个微流道402与第二开口401连通。举例而言，该第一进液口403以及微流道402的数量均为两个。以第二开口401的形状为矩形为例，两个微流道402一一对应地连接于第二开口401的两个相邻的角。此外，两个微流道402呈轴对称分布，两个第一进液口403也呈轴对称分布，两个微流道402的对称轴可以与两个第一进液口403的对称轴重合。其中，两个微流道402的对称轴可以与呈矩形的第二开口401的短边平行，当然，也可以与长边平行。上述的出液口404可以与第一进液口403一一对应地位于第二开口401相对的两侧。以第二开口401的形状为矩形为例，该出液口404与第一进液口403位于第二开口401的短边方向上的两侧。由微流道402的压降公式以及毛细管压公式可知，减小微流道402的横截面，压降增大；增大微流道402的横截面，体积增大，填充时间延长。
67.如图5和图6所示，本公开的生物芯片还可以包括贴附层5。通过该贴附层5，生物芯片可以贴附于人体皮肤或其他动物皮肤。该贴附层5可以设于微流道层4远离基底1的一侧，且贴附层5设有与第一进液口403连通的第二进液口501。在贴附层5与人体皮肤或其他动物的皮肤接触时，人体或动物产生的汗液可以进入第二进液口501，由于第二进液口501与第一进液口403连通，从而使汗液进入第一进液口403，最终通过微流道402进入微流道层4的第二开口401，以与电极区接触。
68.本公开实施方式还提供一种生物芯片的制备方法，用于制备上述的生物芯片。如图7所示，该生物芯片的制备方法可以包括步骤s100-步骤130，其中：
69.步骤s100、提供基底。
70.步骤s110、在基底的一侧形成电极层，电极层包括间隔设置的多个电极区。
71.步骤s120、形成覆盖电极层的绝缘层，绝缘层设有暴露多个电极区的第一开口。
72.步骤s130、形成覆盖绝缘层的微流道层，微流道层包括依次连通的第一进液口、微流道以及第二开口，第二开口暴露第一开口的至少部分区域。
73.本公开实施方式的生物芯片的制备方法制备的生物芯片与上述生物芯片的实施方式中的生物芯片相同，因此，其具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。
74.下面对本公开实施方式的生物芯片的制备方法的各步骤进行详细说明：
75.在步骤s100中，提供基底。
76.以基底为柔性基底为例，该柔性基底支撑于一载板上。将柔性基底支撑于载板的过程包括：在载板的表面旋涂聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,pdms)；先后用丙酮、乙醇、超纯水和氧气等离子体清洗柔性基底，并将清洗后的柔性基底通过旋涂于载板表面的二甲基硅氧烷粘结于载板，从而将柔性基底支撑于载板上。
77.在步骤s110中，在基底的一侧形成电极层，电极层包括间隔设置的多个电极区。
78.本公开可以通过磁控溅射工艺形成该电极层。具体地，步骤s110可以包括：在基底的一侧形成第一光刻胶层；图案化第一光刻胶层，以在第一光刻胶层上形成暴露基底的多个通孔；以图案化后的第一光刻胶层为掩模，对基底进行磁控溅射，以形成电极材料层，该电极材料层填充多个通孔并覆盖第一光刻胶层背向基底的表面；将电极材料层浸入剥离液30min，剥离电极材料层位于通孔以外的部分，以得到电极层，其中，电极材料层位于各通孔内的部分构成了电极层的电极区。该第一光刻胶层所用的光刻胶可以为az1500光刻胶，但本公开不限于此。该第一光刻胶层的厚度可以为2μm-3μm，例如2μm、2.2μm、2.5μm、3μm等。
79.在步骤s120中，形成覆盖电极层的绝缘层，绝缘层设有暴露多个电极区的第一开口。
80.举例而言，步骤120可以包括：形成覆盖电极层以及上述的第一光刻胶层的第二光刻胶层；图案化第二光刻胶层，以在第二光刻胶层上形成暴露多个电极区的多个第一开口，上述的第一光刻胶层与图案化后的第二光刻胶层构成本公开的绝缘层。其中，该第二光刻胶层所用的光刻胶可以为az1500光刻胶，但本公开不限于此。该第二光刻胶层的厚度可以为2μm-3μm，例如2μm、2.2μm、2.5μm、3μm等。
81.在步骤s130中，形成覆盖绝缘层的微流道层，微流道层包括依次连通的第一进液口、微流道以及第二开口，第二开口暴露第一开口的至少部分区域。
82.举例而言，步骤s130可以包括：形成覆盖绝缘层的第三光刻胶层，图案化第三光刻胶层，以形成依次连通的第一进液口、微流道以及第二开口，其中，图案化后的第三光刻胶层构成本公开的微流道层。该第三光刻胶层可以为su8光刻胶，但本公开不限于此。
83.本公开的生物芯片的制备方法还可以包括：在工作电极区背向基底的表面形成敏感功能层。以敏感功能层为钠离子敏感功能层为例，该钠离子敏感功能层的制备过程为：制备包含钠离子载体x(1％w/w)、na-tfpb(0.5％w/w)、pvc(33％w/w)以及dos(65.5％w/w)的膜混合物，并将100mg的膜混合物溶解在660μl的thf中，以形成离子选择溶液；将10μl的离
multiwall carbon nanotubes添加到膜混合物溶液中，将10μl的离子选择溶液滴铸到参比电极区背向基底的表面以形成功能层。通过在参比电极区的表面形成功能层，可以减小生物芯片的信号漂移，提高检测的准确性。
95.如图9至图13可知，通过上述的敏感功能层，钠离子检测的浓度范围是10-160mm，灵敏度为101mv/decade；钾离子检测的浓度范围是1-20mm，灵敏度为81mv/decade；钙离子检测的浓度范围是0.1-20mm，灵敏度为30mv/decade；氯离子检测的浓度范围是10-120mm，灵敏度为30mv/decade；ph值检测的范围是3-8mm，灵敏度为50mv/decade；同时在重复性测试中，传感器的响应值误差范围在10％以内。通过nafion溶液形成的凝胶层，有效避免了长时间检测下敏感功能层的溶解消耗导致的检测灵敏度降低。
96.本公开实施方式还提供一种生物检测装置。该生物检测装置可以包括上述任一实施方式所述的生物芯片。由于该生物检测装置所包括的生物芯片同上述生物芯片的实施方式中的生物芯片相同，因此，其具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。
97.以上所述仅是本公开的较佳实施方式而已，并非对本公开做任何形式上的限制，虽然本公开已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。