專利名稱：生物機(jī)－電芯片及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物芯片及其應(yīng)用，具體是關(guān)于制作帶有懸臂梁的生物機(jī)—電芯片，在芯片上利用懸臂梁技術(shù)進(jìn)行生化反應(yīng)的結(jié)果檢測(cè)；更明確的說(shuō)，是關(guān)于在生物芯片中利用懸臂梁技術(shù)，對(duì)生物化學(xué)中親和結(jié)合反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行快速的檢測(cè)。
生物芯片這個(gè)名詞出現(xiàn)已經(jīng)有十幾年了，但是在早期，生物芯片多指用于研究生物計(jì)算機(jī)而開(kāi)發(fā)的技術(shù)，作為目前研究很熱門的生物芯片技術(shù)，其研究最早始于80年代中期的歐洲，但其迅猛發(fā)展是在1991年美國(guó)硅谷的Affymax公司宣布開(kāi)始生物芯片的研制以后。隨著1991年Affymax公司的研究人員報(bào)道了利用光刻技術(shù)與光化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制作出的檢測(cè)多肽和寡聚核苷酸的微陣列(Microarray)芯片研究成果以及1992年從Affymax派生出來(lái)的世界上第一家專門生產(chǎn)生物芯片的公司Affymetrix宣告成立，近幾年來(lái)有上百家的生物芯片公司成立，不但有很多現(xiàn)成的技術(shù)被應(yīng)用于生物芯片領(lǐng)域，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出很多新的技術(shù)。但是，不管是哪種生物芯片，都離不開(kāi)檢測(cè)這一步驟。由于一般情況下在生物芯片上進(jìn)行的生化反應(yīng)所需的樣品都比較少，所以，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的靈敏度相對(duì)要求就高。針對(duì)于不同的生物芯片以及分析對(duì)象的不同，各個(gè)公司和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了多種檢測(cè)技術(shù)，如熒光檢測(cè)、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、光波導(dǎo)、二極管陣列檢測(cè)、直接電量變化檢測(cè)等。例如，美國(guó)Sequenom公司采用光敏聯(lián)接技術(shù)，將探針通過(guò)光敏基團(tuán)聯(lián)接在芯片上。當(dāng)雜交結(jié)束后，利用激光切割釋放寡聚核苷酸并用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。由于光學(xué)檢測(cè)方法在生物、化學(xué)等領(lǐng)域被廣泛采用，所以目前大多數(shù)的生物芯片系統(tǒng)都采用光學(xué)的方法來(lái)檢測(cè)，特別是目前應(yīng)用的最廣泛的微陣列芯片基本上都是采用熒光來(lái)檢測(cè)。光學(xué)檢測(cè)有它的優(yōu)點(diǎn)如檢測(cè)靈敏度高，重復(fù)性好等，但是一般而言，光學(xué)系統(tǒng)都比較復(fù)雜，需要有相應(yīng)的光源、驅(qū)動(dòng)及一系列鏡頭與檢測(cè)設(shè)備，且對(duì)環(huán)境要求比較苛刻。隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，生物芯片技術(shù)的用途也日漸廣泛，研究人員也開(kāi)始研發(fā)便攜式的生物芯片系統(tǒng)，同時(shí)也希望生物芯片的檢測(cè)系統(tǒng)能盡量簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的目的在于提供一種能方便快速地檢測(cè)反應(yīng)結(jié)果的生物芯片，由該種生物芯片組成的生物芯片系統(tǒng)可以對(duì)多種生物樣品進(jìn)行檢測(cè)并具有高效、廉價(jià)、檢測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種方便快速地對(duì)生物樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法，該檢測(cè)方法效率高，檢測(cè)結(jié)果可靠。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提出了一種生物機(jī)—電芯片，該生物芯片上含有多個(gè)懸臂梁?jiǎn)卧瑧冶哿荷显O(shè)置有能感應(yīng)懸臂梁之形變的感應(yīng)器件，該感應(yīng)器件輸出反映懸臂梁形變大小的信號(hào)。當(dāng)在每個(gè)懸臂梁上進(jìn)行生化反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)的結(jié)果表現(xiàn)為懸臂梁的形變大小，該形變大小通過(guò)感應(yīng)懸臂梁形變的器件轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的信號(hào)輸出，通過(guò)檢測(cè)這些信號(hào)可以得知在懸臂梁上發(fā)生生化反應(yīng)的結(jié)果。
由于懸臂梁結(jié)構(gòu)在微機(jī)電系統(tǒng)中已有應(yīng)用，如制作微型加速度傳感器、原子力顯微鏡的探針等等，所以對(duì)懸臂梁微量形變的檢測(cè)技術(shù)是比較成熟的，該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以容易地設(shè)計(jì)并采用合適的檢測(cè)儀器來(lái)測(cè)量懸臂梁微量形變。在實(shí)施中，懸臂梁?jiǎn)卧某叽缈梢詮?平方微米至1平方厘米。
在本發(fā)明之生物芯片的懸臂梁表面上可設(shè)置有用于固定生物分子或生物顆粒的功能層。
在這里所述的生物分子或生物顆?？梢允?、但不僅僅限于分子(如cDNA、寡核苷酸、抗體、抗原、酶、肽、糖等等)、分子復(fù)合物(如核酸—蛋白質(zhì)復(fù)合物、糖—蛋白質(zhì)復(fù)合物、核酸—酯復(fù)合物等等)、病毒(如噬菌體、真核病毒等)、以及細(xì)胞、組織等等。
感應(yīng)懸臂梁形變的器件可采用多種不同的器件，而根據(jù)該設(shè)置在懸臂梁上之感應(yīng)器件的工作原理不同，所輸出的信號(hào)類型也不同。如果器件可以感應(yīng)懸臂梁形變后電阻值的改變，則可以輸出電信號(hào)反映懸臂梁形變的大??；如果器件通過(guò)光學(xué)的方法反映懸臂梁的微小形變，則輸出的信號(hào)可以是光信號(hào)。
而對(duì)于這種由感應(yīng)器件直接輸出的信號(hào)的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可靠，檢測(cè)速度快，檢測(cè)手段也比較簡(jiǎn)單，不僅簡(jiǎn)化了生物芯片在反應(yīng)后的信號(hào)檢測(cè)部件，降低了其成本，而且大大簡(jiǎn)化了整個(gè)生物芯片系統(tǒng)，提高了檢測(cè)的效率，并適于系統(tǒng)的縮微化。
本發(fā)明中所述的感應(yīng)器件可設(shè)置在懸臂梁的根部。例如，在懸臂梁的根部加工有能感應(yīng)懸臂梁形變的器件，如壓阻片等。當(dāng)懸臂梁發(fā)生形變時(shí)，壓阻片的電阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)以供檢測(cè)。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述的懸臂梁的根部可設(shè)置有用于誤差補(bǔ)償?shù)钠骷?，例如將器件集成在懸臂梁的根部；在本發(fā)明之生物芯片上可集成有用于溫度補(bǔ)償?shù)钠骷?br> 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述的感應(yīng)器件和用于誤差補(bǔ)償?shù)钠骷刹捎脡鹤杵?，壓阻片與一恒流源相連。
本發(fā)明又提出了一種利用上述之生物芯片對(duì)生物樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法，該檢測(cè)方法包括以下步驟(1)將不同種的生物分子或生物顆粒固定在該生物芯片上不同的懸臂梁表面上；(2)取待檢測(cè)生物樣品，使之與生物芯片上懸臂梁表面的生物分子或生物顆粒發(fā)生生化反應(yīng)；(3)反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)生物芯片做嚴(yán)格度可以控制的清洗；
(4)讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào)，以確定生化反應(yīng)的發(fā)生與否及其程度，從而鑒定出待測(cè)生物樣品中所含有的組成成分及其數(shù)量。
本發(fā)明的這種檢測(cè)方法通過(guò)讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào)以確定檢測(cè)結(jié)果，其檢測(cè)結(jié)果可靠性高，檢測(cè)速度快，檢測(cè)手段也比較簡(jiǎn)單，提高了檢測(cè)的效率，并大大簡(jiǎn)化了整個(gè)生物芯片系統(tǒng)及降低其成本。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述的生物機(jī)—電芯片之實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的生物機(jī)—電芯片上單個(gè)懸臂梁之實(shí)施例的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述的生物機(jī)—電芯片之實(shí)施例工作原理示意圖；圖4為本發(fā)明之實(shí)施例中用于測(cè)量懸臂梁之形變的電路圖。
圖1為本發(fā)明所述的生物機(jī)—電芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。這里展示的是通過(guò)微加工得到的一個(gè)硅基生物機(jī)—電芯片的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖1(A)是硅基生物機(jī)—電芯片上單個(gè)懸臂梁?jiǎn)卧奈⒂^結(jié)構(gòu)俯視圖。圖中1是懸臂梁，2是加工在懸臂梁根部的壓阻片，用于檢測(cè)懸臂梁的形變。圖1(B)是硅基生物機(jī)—電芯片上相臨兩個(gè)測(cè)試單元的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了懸臂梁上形變檢測(cè)器的連線方式，3為焊盤，用于芯片與外部電路之間的連接。圖1(C)是封裝好的硅基生物機(jī)—電芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。在這個(gè)特選實(shí)施例中，硅基生物機(jī)—電芯片上的懸臂梁厚度為20μm，前端平臺(tái)的大小為140μm×140μm，在硅基生物機(jī)—電芯片懸臂梁上修飾功能層，該功能層是用于探針?lè)肿拥墓潭ɑ?br> 在本發(fā)明的實(shí)施例中，在本發(fā)明之生物芯片上固定生物分子或生物顆粒之前，可根據(jù)需固定之生物分子或生物顆粒的類別，在懸臂梁表面設(shè)置用于固定該生物分子或生物顆粒之相應(yīng)的功能層。功能層有多種，例如，功能層可以是如下薄層(但不限于此)單分子層、膜層、膠層、多孔或無(wú)孔的材料層。功能層也可以是生長(zhǎng)在硅基生物機(jī)—電芯片懸臂梁上的一層附屬層(通過(guò)微加工方法得到)。另外，功能層也可以通過(guò)直接對(duì)硅基生物機(jī)—電芯片懸臂梁表面分子進(jìn)行化學(xué)修飾而形成。理想狀態(tài)下，除了探針?lè)肿油?，功能層不與其它分子發(fā)生非特異性結(jié)合，并且與探針?lè)肿拥奶禺惤Y(jié)合是高效的。具體地說(shuō)，功能層可以為親水單分子層或疏水單分子層、親水或疏水薄膜、親水或疏水凝膠層、聚合物層、多孔或無(wú)孔材料和/或者這些材料的組合。還可以在這些功能層表面再修飾上可以和待固定的生物分子或是生物顆粒結(jié)合的功能團(tuán)。單分子層膜是指單分子層(如Langmuir-Blodgett膜)。為固定核酸探針，可以使用在Southern blot和Northern blot所用的結(jié)合材料如硝化纖維或尼龍。蛋白和多肽可以通過(guò)各種物理或化學(xué)手段來(lái)結(jié)合(例如疏水)。例如，為了結(jié)合蛋白或多肽探針?lè)肿涌梢詫⑻囟ǖ氖荏w如抗體或外源凝集素加到功能層上。根據(jù)目標(biāo)分子及在編碼器上所要進(jìn)行的反應(yīng)和分析，可以將不同的分子加到功能層上。這些為固定探針?lè)肿佣拥焦δ軐由系姆肿臃Q為功能團(tuán)。功能團(tuán)可以是(但不局限于)乙醛、二亞胺碳、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體及外源凝集素等。這些功能團(tuán)還包括通過(guò)對(duì)硅基生物機(jī)—電芯片懸臂梁表面進(jìn)行化學(xué)修飾而形成的化學(xué)團(tuán)或分子位點(diǎn)。探針是一種常用于生物芯片上的生物分子或生物顆粒，可固定在懸臂梁表面的功能層上。所作的化學(xué)修飾方法與所要固定探針相對(duì)應(yīng)。
圖2是單個(gè)懸臂梁?jiǎn)卧奈⒂^結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。在懸臂梁的根部，集成兩組壓阻片，每組有兩個(gè)，一組是用于測(cè)量懸臂梁的形變量的壓阻片4，另外一組是用于誤差補(bǔ)償?shù)膲鹤杵?；這四個(gè)壓阻片均與一恒流源I相連；故在芯片使用前接通恒流源，測(cè)量壓阻片的兩端將有V0＝IR0的電壓信號(hào)輸出。當(dāng)該硅基生物機(jī)—電芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，再次測(cè)量壓阻片的兩端將有V＝IR的電壓信號(hào)輸出，比較實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后壓阻片兩端電壓信號(hào)V0和V之間的差別，如果ΔV＝V-V0為零，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)前后懸臂梁的形變沒(méi)有發(fā)生變化，如果ΔV不為零，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)前后懸臂梁發(fā)生形變，也就意味著固定在懸臂梁表面的探針發(fā)生了親和反應(yīng)。這樣通過(guò)直接的電信號(hào)檢測(cè)可以定性地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)懸臂梁的形變與懸臂梁上的生物探針以及探針?biāo)Y(jié)合的生物分子的量之間的關(guān)系做細(xì)致的分析，也可以做到定量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
使用本發(fā)明之生物機(jī)—電芯片時(shí)，將不同種的探針先固定在已加工好的的生物機(jī)—電芯片上的不同的懸臂梁表面上，一種探針固定在一個(gè)懸臂梁上。探針的種類可以是cDNA、寡核苷酸、抗體或抗原、受體、酶、多肽、寡糖、多糖以及細(xì)胞、組織等。這些探針可以與待檢測(cè)樣品中與之對(duì)應(yīng)的生物分子進(jìn)行親和結(jié)合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，發(fā)生親和結(jié)合反應(yīng)的懸臂梁由于其上所附著的生物分子增多，其形變將變大，這樣，通過(guò)外部的檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到這種形變的方法，也就確定了生化反應(yīng)的發(fā)生，從而鑒定出待檢測(cè)樣品中所含有的未知成分。另外，按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例方案的生物機(jī)—電芯片上的懸臂梁?jiǎn)卧?，在其根部還加工有用于誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)钠骷?br> 本發(fā)明所提供的實(shí)施例中所述的生物機(jī)—電芯片，其制作工藝可采用目前基本上已比較成熟的微加工技術(shù)。該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以容易地根據(jù)芯片的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采用合適的加工工藝來(lái)加工生物機(jī)—電芯片。
圖3為本發(fā)明所述的生物機(jī)—電芯片工作原理示意圖。生物機(jī)—電芯片可用于生化反應(yīng)中親和結(jié)合反應(yīng)(如抗體-抗原結(jié)合、核酸雜交等)的檢測(cè)。以免疫檢測(cè)為例，制備用于免疫檢測(cè)的生物機(jī)—電芯片應(yīng)先在懸臂梁的平臺(tái)上固化特定的抗體6，此時(shí)，懸臂梁有一形變?chǔ)う?(如圖3(A)所示)，對(duì)應(yīng)壓阻片的電阻變化為ΔR1，在外加恒定電流I的情況下，可以檢測(cè)到壓阻片兩端有電壓信號(hào)V1＝I×(R0+ΔR1)＝V0+ΔV1；當(dāng)進(jìn)行免疫檢測(cè)時(shí)，若所加入的未知生物樣品中的含有與平臺(tái)上抗體可以特定結(jié)合的抗原7，則會(huì)產(chǎn)生抗體與抗原的特定結(jié)合，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格度清洗后，去除樣品中其他的物質(zhì)，有發(fā)生抗體抗原親和結(jié)合反應(yīng)的懸臂梁產(chǎn)生的形變?yōu)棣う模溅う?+Δδ2(如圖3(B)所示，Δδ2代表親合上的抗體所導(dǎo)致的形變量)，對(duì)應(yīng)壓阻片的電阻變化為ΔR＝ΔR1+ΔR2，通以恒定電流I，檢測(cè)壓阻片兩端的電壓V＝I×(R0+ΔR)＝V0+ΔV1+ΔV2；與反應(yīng)前做比較有ΔV＝ΔV2的差別，由此可以判定未知生物樣品中有與懸臂梁上固體的抗體相對(duì)應(yīng)的特定的抗原存在。由于懸臂梁的尺寸很小，所在在一塊芯片上可以加工出多個(gè)懸臂梁，形成陣列，每個(gè)懸臂梁上放置不同的抗體，這樣在一次實(shí)驗(yàn)中可以檢測(cè)樣品的多個(gè)指標(biāo)，達(dá)到并行處理的目的。
對(duì)于檢測(cè)的靈敏度問(wèn)題，可有多種方法提高其靈敏度。
方法一在制備待測(cè)生物樣品時(shí)，可將待測(cè)樣品與基本上不影響其和生物分子或生物顆粒親和結(jié)合反應(yīng)程度的珠體結(jié)合，從而可通過(guò)珠體的重量增大懸臂梁的形變。
在實(shí)施例中，在制備樣品時(shí)，可以通過(guò)特定的結(jié)合方法(化學(xué)反應(yīng)或非特異性親和結(jié)合)讓未知生物樣品中所含有的抗原與不影響抗體—抗原反應(yīng)發(fā)生的小珠體8結(jié)合，這樣，在發(fā)生抗體抗原親和結(jié)合并經(jīng)過(guò)清洗后，該小珠體仍然留在懸臂梁上，它將引入Δδ3的形變量，使得反應(yīng)前后電壓信號(hào)的差別增大為ΔV＝ΔV2+ΔV3(見(jiàn)圖3(C))；進(jìn)一步，對(duì)生物樣品檢測(cè)時(shí)，在該生物芯片的適當(dāng)位置可放置一個(gè)可與珠體發(fā)生相互作用的珠體作用器件，以增大懸臂梁的形變程度。該珠體作用器件通過(guò)可以對(duì)珠體施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等類型的作用力以增大懸臂梁的形變程度。
例如，若小珠體為磁性珠體9，則在檢測(cè)時(shí)可以在芯片下方放置一磁鐵，這樣將珠體將受到磁鐵的吸引，使得懸臂梁的形變?cè)龃?，即磁鐵的存在將引入Δδ4的形變量，反應(yīng)前后電壓信號(hào)的差別增大為ΔV＝ΔV2+ΔV3+ΔV4；更加便于檢測(cè)(見(jiàn)圖3(D))。
方法二利用這種珠體和珠體作用器件，本發(fā)明可提出另一種生物樣品檢測(cè)方法以提高檢測(cè)靈敏度，該方法包括以下步驟(1)將該生物芯片豎起來(lái)，使芯片的懸臂梁豎置而無(wú)形變；(2)在制備待測(cè)生物樣品時(shí)，將待測(cè)生物樣品與基本上不影響其與生物分子或生物顆粒親和結(jié)合反應(yīng)程度的珠體結(jié)合；(3)取待檢測(cè)生物樣品，使之與生物芯片上懸臂梁表面的生物分子或生物顆粒發(fā)生生化反應(yīng)；(4)生化反應(yīng)完成后，對(duì)生物芯片做嚴(yán)格度可以控制的清洗；(5)采用可與珠體發(fā)生相互作用的珠體作用器件從側(cè)面靠近該豎置的懸臂梁，讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào)，以確定生化反應(yīng)的的發(fā)生與否及其程度，從而鑒定出待測(cè)生物樣品中所含有的組成成分及其數(shù)量。
在實(shí)施例中，將生物機(jī)—電芯片豎起來(lái)，即相應(yīng)的芯片上的懸臂梁豎著放(如圖3(E)所示)，此時(shí)懸臂梁無(wú)形變存在，同時(shí)，利用補(bǔ)償壓阻片可以使壓阻片的輸出電壓為0；未知生物樣品的制備如同方法一，讓抗體與磁性珠體9相連，反應(yīng)完成后讓磁鐵從側(cè)面靠近芯片，若懸臂梁上有親和結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)生，則在磁力的作用下，懸臂梁將有形變產(chǎn)生，壓阻片有電壓輸出(如圖3(F)所示)，若無(wú)親和結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)生，懸臂梁將沒(méi)有任何形變產(chǎn)生，壓阻片的輸出電壓仍為0；采用這種方法將會(huì)避免在懸臂梁上存在其它非特異性吸附帶來(lái)的影響。
在上述兩種檢測(cè)方法的具體實(shí)施中，有以下方案1、所述珠體為磁性珠體，所述的珠體作用器件為磁鐵。對(duì)生物樣品檢測(cè)時(shí)，可以在該生物芯片的適當(dāng)位置放置一磁鐵，利用磁鐵與磁珠之間的相互作用，進(jìn)一步增大懸臂梁的形變程度。
2、所述珠體為對(duì)介電電泳信號(hào)具有響應(yīng)的珠體，例如碳珠體(carbon bead)，所述的珠體作用器件為介電電泳器件。對(duì)生物樣品檢測(cè)時(shí)，可以在該生物芯片的適當(dāng)位置放置一介電電泳器件，通入介電電泳信號(hào)，利用珠體對(duì)介電電泳信號(hào)的響應(yīng)，進(jìn)一步增大懸臂梁的形變程度。
3、所述珠體為帶有電荷的珠體，所述的珠體作用器件為帶有適當(dāng)種類和數(shù)量的電荷的電子器件。對(duì)生物樣品檢測(cè)時(shí)，可以在該生物芯片的適當(dāng)位置放置一帶有適當(dāng)種類和數(shù)量的電荷的電子器件，利用它與珠體之間的相互作用，進(jìn)一步增大懸臂梁的形變程度。
另外，在生物機(jī)—電芯片的懸臂梁上還可以集成上溫度補(bǔ)償電阻，這樣可以校正溫度所帶來(lái)的誤差，使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
關(guān)于壓阻片的電阻值測(cè)量及誤差補(bǔ)償方法的說(shuō)明如下壓阻片隨懸臂梁變形而發(fā)生電阻變化ΔR，ΔR反映了懸臂梁的變形，這個(gè)變化量可以用四臂電橋來(lái)(惠斯頓電橋)測(cè)量。如圖4所示，采用壓阻片作為感應(yīng)懸臂梁形變的感應(yīng)器件，圖中R1、R2為壓阻片，R3、R4為標(biāo)準(zhǔn)電阻。對(duì)角節(jié)點(diǎn)A、C上接電壓為E1的直流電源，另一對(duì)角節(jié)點(diǎn)B、D為電橋輸出端。
根據(jù)歐姆定律可以得到ΔUBD＝E1(ΔR1-ΔR2)/4R其中ΔUBD為B、D兩點(diǎn)之間的電壓差，E1為直流電源的電壓，ΔR1和ΔR2為壓阻片的電阻變化量，R為壓阻片的標(biāo)稱電阻值。
根據(jù)壓阻片的性質(zhì)，ΔR1、ΔR2正比于實(shí)際的應(yīng)變?chǔ)?和ε2。
ΔR1/R＝kε1
ΔR2/R＝kε2其中k為壓阻片的靈敏系數(shù)，R為壓阻片的標(biāo)稱電阻值，ΔR1和ΔR2為壓阻片的電阻變化量，ε1和ε2為測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變。
于是得到ΔUBD＝kE1(ε1-ε2)/4R實(shí)際壓阻片R1和R2分別貼在懸臂梁的根部上面和下面，當(dāng)懸臂梁產(chǎn)生形變時(shí)，這兩處的應(yīng)變大小相等，但一個(gè)受拉一個(gè)受壓，因此符號(hào)相反。
所以得到ΔUBD＝kE1ε/2R關(guān)于溫度補(bǔ)償方法的說(shuō)明如下實(shí)測(cè)時(shí)壓阻片粘貼在懸臂梁上，若溫度發(fā)生變化，因?yàn)閴鹤杵木€膨脹系數(shù)與懸臂梁的并不相同，且壓阻片的電阻也隨溫度變化而改變，所以測(cè)得的應(yīng)變將包含溫度變化的影響，不能真實(shí)反映懸臂梁因受生化反應(yīng)導(dǎo)致的形變。消除溫度變化的影響可以采用了下面兩種溫度補(bǔ)償方法。
1、雙懸臂梁方法采用兩個(gè)懸臂梁，一個(gè)為測(cè)量懸臂梁，一個(gè)為溫度補(bǔ)償懸臂梁。在測(cè)量懸臂梁上固定有探針?lè)肿?，而溫度補(bǔ)償懸臂梁上不固定探針?lè)肿印?br> 壓阻片R1和R2分別貼在兩個(gè)懸臂梁上，可以消除溫度變化產(chǎn)生的誤差。
2、單懸臂梁方法采用一個(gè)懸臂梁，并且固定有探針?lè)肿?。壓阻片R1和R2都貼在懸臂梁的根部附近上，但是方向相互垂直。兩個(gè)電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變分別為
ε1＝ε1P+εTε2＝ε2P+εT＝-με1P+εT其中ε1P是因載荷引起的應(yīng)變，εT是因溫度引起的應(yīng)變。
根據(jù)前面的公式可以得到ΔUBD＝kE1(1+μ)ε/4R這樣也同樣消除了溫度的影響。
本發(fā)明中所述的生物機(jī)—電芯片的材料可以是各種適于加工出懸臂梁結(jié)構(gòu)的剛性或彈性材料如硅，塑料等。所用的微加工工藝可以是光刻、激光刻蝕、鑄模、硅橡膠鑄造、模壓、鑄造等。
本發(fā)明中所述的生物機(jī)—電芯片避開(kāi)了使用光學(xué)等其它復(fù)雜的檢測(cè)手段，可以直接采用電檢測(cè)，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)生物芯片系統(tǒng)，適于系統(tǒng)的縮微化。
以上結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的生物機(jī)—電芯片及其應(yīng)用進(jìn)行了描述。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，上文中所提到的參數(shù)如數(shù)量、尺寸等均是示例性的而不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍有后附的權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種生物芯片，其特征在于該生物芯片上含有多個(gè)懸臂梁?jiǎn)卧?，懸臂梁上設(shè)置有能感應(yīng)懸臂梁之形變的感應(yīng)器件，該感應(yīng)器件輸出反映懸臂梁形變大小的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于在懸臂梁表面上設(shè)置有用于固定生物分子或生物顆粒的功能層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于所述的感應(yīng)器件設(shè)置在懸臂梁的根部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于在懸臂梁的根部集成有用于誤差補(bǔ)償?shù)钠骷?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物芯片，其特征在于在該芯片上集成有用于溫度補(bǔ)償?shù)钠骷?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的生物芯片，其特征在于所述的感應(yīng)器件和用于誤差補(bǔ)償?shù)钠骷捎脡鹤杵?，壓阻片與一恒流源相連。
7.一種利用權(quán)利要求1所述之生物芯片對(duì)生物樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將不同種的生物分子或生物顆粒固定在該生物芯片上不同的懸臂梁表面上；(2)取待檢測(cè)生物樣品，使之與生物芯片上懸臂梁表面的生物分子或生物顆粒發(fā)生生化反應(yīng)；(3)反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)生物芯片做嚴(yán)格度可以控制的清洗；(4)讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào)，以確定生化反應(yīng)的發(fā)生與否及其程度，從而鑒定出待測(cè)生物樣品中所含有的組成成分及其數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物樣品檢測(cè)方法，其特征在于在該生物芯片上固定生物分子或生物顆粒之前，根據(jù)需固定之生物分子或生物顆粒的類別，在懸臂梁表面用于固定該生物分子或生物顆粒之相應(yīng)的功能層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物樣品檢測(cè)方法，其特征在于在制備待測(cè)生物樣品時(shí)，將待測(cè)樣品與基本上不影響其和生物分子或生物顆粒親和結(jié)合反應(yīng)程度的珠體結(jié)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的檢測(cè)方法，其特征在于對(duì)生物樣品檢測(cè)時(shí)，在該生物芯片的適當(dāng)位置放置一個(gè)可與珠體發(fā)生相互作用的珠體作用器件，以增大懸臂梁的形變程度。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物樣品檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟(1)將該生物芯片豎起來(lái)，使芯片的懸臂梁豎置而無(wú)形變；(2)在制備待測(cè)生物樣品時(shí)，將待測(cè)生物樣品與基本上不影響其與生物分子或生物顆粒親和結(jié)合反應(yīng)程度的珠體結(jié)合；(3)取待檢測(cè)生物樣品，使之與生物芯片上懸臂梁表面的生物分子或生物顆粒發(fā)生生化反應(yīng)；(4)生化反應(yīng)完成后，對(duì)生物芯片做嚴(yán)格度可以控制的清洗；(5)采用可與珠體發(fā)生相互作用的珠體作用器件從側(cè)面靠近該豎置的懸臂梁，讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào)，以確定生化反應(yīng)的的發(fā)生與否及其程度，從而鑒定出待測(cè)生物樣品中所含有的組成成分及其數(shù)量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述珠體為磁性珠體，所述的珠體作用器件為磁鐵。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述珠體為對(duì)介電電泳信號(hào)具有響應(yīng)的珠體，所述的珠體作用器件為介電電泳器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述珠體為帶有電荷的珠體，所述的珠體作用器件為帶有適當(dāng)種類和數(shù)量的電荷的電子器件。
全文摘要
一種生物芯片及其應(yīng)用,該生物芯片上含有多個(gè)懸臂梁?jiǎn)卧?懸臂梁上設(shè)置有能感應(yīng)懸臂梁之形變的感應(yīng)器件,該感應(yīng)器件輸出反映懸臂梁形變大小的信號(hào)。本發(fā)明還提供一種對(duì)生物樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法,在該方法中,使待測(cè)生物樣品與固定在懸臂梁表面的生物分子或生物顆粒發(fā)生生化反應(yīng),反應(yīng)及清洗后,讀取能感應(yīng)懸臂梁形變的器件輸出之信號(hào),以鑒定出生物樣品中所含有組分及數(shù)量。本發(fā)明可對(duì)生物樣品進(jìn)行高效率檢測(cè),成本低,檢測(cè)結(jié)果可靠。
文檔編號(hào)G01N27/04GK1372135SQ0111111
公開(kāi)日2002年10月2日 申請(qǐng)日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者許俊泉, 賴亞明, 朱小山, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)