本發(fā)明涉及傳感器芯片，具體而言，涉及一種用于生物分子間結(jié)合動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的傳感器芯片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、生物分子如蛋白質(zhì)、dna和小分子之間的相互作用是維持生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。通過(guò)研究這些分子的結(jié)合特性，可以揭示細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、酶催化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等重要生物過(guò)程的機(jī)制。對(duì)生物分子間的結(jié)合動(dòng)力學(xué)的檢測(cè)，在生物學(xué)、藥物研發(fā)、疾病治療等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義。

2、生物分子相互作用的動(dòng)力學(xué)測(cè)量方法主要包括熒光法、重量法和光學(xué)法。其中，熒光法通過(guò)直接結(jié)合待測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)，尤其適用于細(xì)胞表面等非常規(guī)材料的結(jié)合評(píng)估。然而該方法需要使用標(biāo)記探針對(duì)配體進(jìn)行修飾，這一過(guò)程不僅耗時(shí)費(fèi)力，還可能干擾目標(biāo)生物分子的天然結(jié)合行為，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。相比之下，重量法和光學(xué)法采用非標(biāo)記檢測(cè)原理，避免了探針修飾帶來(lái)的潛在干擾。但這兩類方法對(duì)目標(biāo)分子的大小具有較高要求，對(duì)于低分子量物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度不足。值得注意的是，此類技術(shù)在應(yīng)用層面普遍存在設(shè)備依賴性問(wèn)題——需要配備大型精密儀器，導(dǎo)致檢測(cè)通量受限且研發(fā)成本高昂。這些技術(shù)瓶頸共同制約了它們?cè)诔Ｒ?guī)實(shí)驗(yàn)室和高通量篩選場(chǎng)景中的應(yīng)用推廣。

3、近年來(lái)，越來(lái)越多的基于微納加工技術(shù)的傳感器應(yīng)用于生物分子相互作用的研究，其中基于表面應(yīng)力的生物傳感器是一種常見的免標(biāo)記生物傳感技術(shù)，這種基于表面應(yīng)力的生物傳感器利用生物分子間化學(xué)鍵的結(jié)合能來(lái)測(cè)試被分析物。當(dāng)生物分子與傳感器表面的識(shí)別元素（如抗體、酶、dna等）相互作用時(shí)，會(huì)引起傳感器表面的應(yīng)力變化。這種應(yīng)力變化可以通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)的微小形變或電容、電阻等物理特性的改變來(lái)檢測(cè)和量化。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些物理參數(shù)的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的定性和定量分析。相關(guān)研究主要集中于微懸臂梁式或微薄膜式兩種結(jié)構(gòu)，它們可以制成平行排列的陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的不同表面功能化的傳感單元高靈敏度地同時(shí)檢測(cè)。申請(qǐng)?zhí)枮椋?02010327183.3的專利公開了一種用于生化分子檢測(cè)的中空微納復(fù)合梁的設(shè)計(jì)方法，該方法提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括梁主體和用于生化反應(yīng)的中空微流道。其中梁由硅或硅化合物基底以及柔性薄膜兩種結(jié)構(gòu)材料復(fù)合而成。在柔性薄膜層和硅或硅化合物基底層之間含有液體進(jìn)樣口、液體出樣口、液體進(jìn)樣微通道、液體出樣微通道和待測(cè)樣品反應(yīng)池，反應(yīng)池位于梁的質(zhì)量敏感區(qū)域。該方法提出“液態(tài)反應(yīng)-真空檢測(cè)”的方式，將待測(cè)物吸附在微流道內(nèi)部并將整個(gè)結(jié)構(gòu)置于真空環(huán)境中，這種檢測(cè)方式可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)環(huán)境與檢測(cè)環(huán)境的有效隔離。通過(guò)檢測(cè)待測(cè)物反應(yīng)導(dǎo)致的頻率變化，完成對(duì)生化分子的高靈敏度，原位實(shí)時(shí)的快速檢測(cè)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化工等工程領(lǐng)域。但是該方法需要另外使用抽真空儀器對(duì)其進(jìn)行抽真空操作，從而得到真空環(huán)境，因此其檢測(cè)成本急劇上升。

4、因此，需要提供一種直接以電信號(hào)檢測(cè)生物分子結(jié)合的靈敏而有效的方法，而無(wú)需使用昂貴的附加設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種用于生物分子間結(jié)合動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的傳感器芯片及其制備方法和應(yīng)用，該傳感器芯片靈敏度高，分辨率高，溫度漂移小，成本低，可實(shí)現(xiàn)小型化檢測(cè)。

2、本發(fā)明第一方面提供一種用于生物分子間結(jié)合動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的傳感器芯片，包括：

3、一控制基底，所述控制基底上開設(shè)有至少一進(jìn)樣口和至少一出樣口，所述控制基底的底端挖設(shè)有一反應(yīng)槽和與所述反應(yīng)槽相連通的兩條微流道，所述反應(yīng)槽通過(guò)兩條所述微流道分別與所述進(jìn)樣口和所述出樣口連通；

4、一傳感基底，所述傳感基底的頂端與所述控制基底的底端相鍵合，所述傳感基底的頂端挖設(shè)有被所述反應(yīng)槽覆蓋的至少兩個(gè)第一積液槽，兩個(gè)所述第一積液槽的上方分別架設(shè)有一結(jié)構(gòu)薄膜和一敏感薄膜，所述敏感薄膜的頂端設(shè)有一局部修飾區(qū)，所述結(jié)構(gòu)薄膜和所述敏感薄膜的側(cè)壁上均周向均布有四個(gè)懸臂梁并通過(guò)四個(gè)所述懸臂梁與所述第一積液槽的內(nèi)壁固定連接，每個(gè)所述懸臂梁的頂端均設(shè)有一壓阻，處于同一所述第一積液槽上方的每相鄰的兩個(gè)所述壓阻通過(guò)引線相連接以形成惠斯通電橋，每條所述引線均連接一焊盤。

5、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的用于生物分子間結(jié)合動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的傳感器芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：

6、本發(fā)明中在每個(gè)懸臂梁上設(shè)置獨(dú)立的壓阻，通過(guò)引線將相鄰的壓阻電連接形成具有自補(bǔ)償效益的惠斯通電橋，在敏感薄膜頂端設(shè)置局部修飾區(qū)形成應(yīng)力集中區(qū)域，并且在控制基底的底端集成獨(dú)立的反應(yīng)槽與微流道，通過(guò)將反應(yīng)槽覆蓋各個(gè)第一積液槽形成封閉的反應(yīng)腔室，確保傳感器芯片使用時(shí)目標(biāo)分子結(jié)合型號(hào)的定向捕獲與局域化控制；而進(jìn)樣口、微流道、反應(yīng)槽、出樣口形成的流體回路支持動(dòng)態(tài)樣本循環(huán)與實(shí)時(shí)沖洗，既能維持反應(yīng)環(huán)境穩(wěn)定、避免交叉污染，又可實(shí)現(xiàn)多步驟檢測(cè)流程的自動(dòng)化切換，顯著提升了檢測(cè)通量的同時(shí)，兼顧了微量樣本的高效利用與檢測(cè)條件的一致性調(diào)控。

7、再者，本發(fā)明中選用薄膜式懸臂梁陣列，通過(guò)具有局域特異性反應(yīng)生物敏感層的敏感薄膜和無(wú)特異性反應(yīng)生物敏感層的結(jié)構(gòu)薄膜測(cè)量結(jié)果采取差分處理的方式，有效降低了非特異性吸附問(wèn)題而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

8、在一種可能的實(shí)施方式中，每條所述引線均包括一端相互連接的兩條子引線，每條所述子引線均包括一條重?fù)诫s引線和與所述重?fù)诫s引線連接的一條金屬引線，處于同一所述第一積液槽上方的每相鄰的兩個(gè)所述壓阻依次通過(guò)所述重?fù)诫s引線和所述金屬引線連接。

9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案后，將重?fù)诫s引線作為第一連接段，將金屬引線作為第二連接段，通過(guò)重?fù)诫s引線摻入較高濃度雜質(zhì)元素的特性，使得可傳輸?shù)妮d流子數(shù)量顯著增加，可以提高導(dǎo)電性能。

10、在一種可能的實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)薄膜和所述敏感薄膜的頂端均挖設(shè)有一第二積液槽，所述局部修飾區(qū)中部設(shè)有通孔且所述通孔與所述敏感薄膜上的所述第二積液槽相通。

11、在一種可能的實(shí)施方式中，所述傳感基底的頂端挖設(shè)有被所述反應(yīng)槽覆蓋的四個(gè)所述第一積液槽，且其中一個(gè)所述第一積液槽的上方架設(shè)有一所述結(jié)構(gòu)薄膜，其余三個(gè)所述第一積液槽的上方均架設(shè)有一所述敏感薄膜。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案后，通過(guò)單個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)薄膜進(jìn)行基準(zhǔn)值測(cè)試，通過(guò)三個(gè)區(qū)域的敏感薄膜進(jìn)行實(shí)測(cè)值測(cè)試，相較于單個(gè)區(qū)域敏感薄膜的設(shè)置，能夠進(jìn)一步提高實(shí)測(cè)值的準(zhǔn)確性，降低單個(gè)參量變化導(dǎo)致的誤差影響。

13、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種傳感器芯片的制備方法，包括如下步驟：

14、s1、選擇一包括自下而上的硅支撐層、埋氧層、硅器件層的soi基片；

15、s2、對(duì)soi基片依次進(jìn)行光刻處理、顯影處理和干法刻蝕處理，在硅器件層和埋氧層的表面得凹槽；

16、s3、在凹槽及硅器件層的表面生長(zhǎng)第一sio2層；

17、s4、依次進(jìn)行光刻處理、顯影處理后，經(jīng)過(guò)硼離子輕摻雜處理得壓阻，再經(jīng)過(guò)硼離子重?fù)诫s處理得重?fù)诫s引線；

18、s5、在頂面和底面分別沉積第二sio2層；

19、s6、依次進(jìn)行光刻處理、顯影處理及干法刻蝕處理后，在重?fù)诫s引線的端部得引線孔；

20、依次進(jìn)行濺射金屬處理、光刻處理、顯影處理和腐蝕處理后，得金屬引線和焊盤，并使金屬引線與重?fù)诫s引線形成歐姆接觸；

21、s7、在頂面選擇性濺射至少一層金屬層，通過(guò)金屬剝離方法得到敏感薄膜；

22、s8、在頂面依次沉積第三sio2層和氮化硅層，再進(jìn)行光刻處理、顯影處理，得金屬鈍化層；

23、s9、在頂面依次進(jìn)行光刻處理、顯影處理及干法刻蝕處理后，露出硅支撐層并在局部修飾區(qū)得到通孔，得第二積液槽；

24、s10、進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，得第一積液槽和懸臂梁后，得傳感基底；

25、s11、利用柔性膜制控制基底；

26、s12、將控制基底和傳感基底鍵合后得傳感器芯片。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，該制備方法通過(guò)soi基片與多工藝協(xié)同集成，實(shí)現(xiàn)了傳感器芯片的高精度制造：基于soi異質(zhì)結(jié)構(gòu)的刻蝕與摻雜工藝精確控制懸臂梁納米級(jí)形貌與壓阻特性，確保力學(xué)-電學(xué)性能匹配；多步氧化與鈍化層沉積強(qiáng)化了界面穩(wěn)定性和生物兼容性；濕法腐蝕與鍵合工藝結(jié)合，在確保懸空結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，無(wú)縫集成微流控功能模塊，兼顧了工藝可重復(fù)性與復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的可靠成型，為高性能生物傳感芯片的批量化制備提供了高效、可控的技術(shù)路徑；不僅如此，本發(fā)明提供的制備工藝，均采用常規(guī)成熟的mems加工工藝，該方法成本低、可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量制造。

28、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s1中，所述soi基片中，所述硅器件層的厚度為2.9-3.1μm，所述埋氧層的厚度為0.9-1.1μm，所述硅支撐層的厚度為690-710μm。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)精準(zhǔn)匹配soi基片各功能層的厚度比例，實(shí)現(xiàn)了器件力學(xué)特性與工藝可行性的協(xié)同優(yōu)化：硅器件層厚度確保懸臂梁兼具高靈敏撓曲與抗疲勞強(qiáng)度，埋氧層厚度平衡了蝕刻精度與界面應(yīng)力緩沖作用，而硅支撐層的厚度則為后續(xù)懸空結(jié)構(gòu)釋放提供了足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，三者協(xié)同保障了芯片在納米級(jí)形變傳感與微流控集成中的結(jié)構(gòu)完整性與工藝兼容性，為高成品率制造奠定基礎(chǔ)。

30、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s7中，所述金屬層的材料為金和鉻的混合物或金和鈦的混合物。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)復(fù)合金屬層設(shè)計(jì)兼顧了界面結(jié)合力與生物功能適配性：金與鉻或鈦的混合使用既利用鉻/鈦的高粘附性確保金屬層與硅基底的牢固結(jié)合，又通過(guò)金的化學(xué)惰性為后續(xù)生物分子修飾提供穩(wěn)定、低背景干擾的活性界面，同時(shí)優(yōu)化了電信號(hào)傳遞效率與抗環(huán)境腐蝕能力，使傳感界面在復(fù)雜生化環(huán)境中保持長(zhǎng)效功能穩(wěn)定性。

32、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s8中，所述第三sio2層的厚度為195-205nm，所述氮化硅層的厚度為95-105nm。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控鈍化層厚度比例，在機(jī)械保護(hù)與界面功能間實(shí)現(xiàn)雙重優(yōu)化：第三sio2層提供柔性的應(yīng)力緩沖與電絕緣隔離，氮化硅層則賦予高化學(xué)惰性的表面屏障，二者協(xié)同形成梯度防護(hù)體系，既有效抵御生物流體的侵蝕與離子滲透，又避免過(guò)厚涂層對(duì)懸臂梁微納形變的剛性約束，確保傳感界面在長(zhǎng)期生化反應(yīng)中的穩(wěn)定性與信號(hào)保真度。

34、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s11的具體操作如下：

35、s11、取一單面拋光的單晶硅片，依次通過(guò)光刻處理、顯影處理后得到硅片模具；

36、制備含有柔性膜材料和固化劑的混合液，并將硅片模具放入混合液中，直到其固化，依次通過(guò)脫模處理、切片處理和打孔處理，得到具有進(jìn)樣口、出樣口、反應(yīng)槽和微流道的控制基底。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)單晶硅模具與柔性材料復(fù)型工藝的結(jié)合，在微流控控制件制備中實(shí)現(xiàn)了高精度結(jié)構(gòu)復(fù)制與生物兼容性保障：硅模具的光刻成型確保了反應(yīng)腔室及流道尺寸的嚴(yán)格可控，與傳感件的懸臂梁?jiǎn)卧纬煽臻g匹配；柔性材料的澆注固化工藝則賦予控制件優(yōu)異的形變適應(yīng)能力，既簡(jiǎn)化了復(fù)雜三維流道的加工難度，又通過(guò)化學(xué)惰性表面特性維持了生物反應(yīng)環(huán)境的本征活性，為芯片的高可靠封裝與流體操控提供了高效解決方案。

38、本發(fā)明的第三個(gè)方面提供了一種傳感器芯片在生物分子間結(jié)合動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的應(yīng)用，該方法具有簡(jiǎn)單快速、成本低、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可廣泛用于多類分子結(jié)合平衡常數(shù)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量。