本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種檢測(cè)細(xì)胞生理參數(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器及集成硅芯片。傳感器包括固定在ＰＣＢ板上的腔體和與該腔體相匹配的腔蓋；腔體的底部固定有集成硅芯片，集成硅芯片的中央布置參考電極，參考電極的兩端各布置有一組多位點(diǎn)電極陣列，參考電極的中部的兩側(cè)各布置有一對(duì)阻抗電極，參考電極的兩個(gè)端部的兩側(cè)各布置有一個(gè)第一光尋址電位電極，第一光尋址電位電極的背面設(shè)有凹槽；腔蓋上設(shè)有至少兩個(gè)流體通孔和至少四個(gè)ＬＥＤ通孔，腔蓋的主體部分的端面固定有第二光尋址電位電極陣列；腔蓋的主體部分置于腔體內(nèi)，腔蓋的主體部分的端面與集成硅芯片之間有空隙。本實(shí)用新型專利技術(shù)可對(duì)細(xì)胞生理參數(shù)作長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定、可靠的同步檢測(cè)，并提高檢測(cè)電極信噪比。（*該技術(shù)在2019年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本技術(shù)涉及細(xì)胞電生理學(xué)、微機(jī)電加工技術(shù)、細(xì)胞傳感器等領(lǐng)域。在監(jiān)測(cè)中， 可用于對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞的生理狀態(tài)及生理功能進(jìn)行分析；通過(guò)改變細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境、監(jiān) 測(cè)細(xì)胞各生理參數(shù)的變化響應(yīng)來(lái)對(duì)微環(huán)境進(jìn)行分析。
技術(shù)介紹
細(xì)胞生理學(xué)是在細(xì)胞水平和分子水平研究生理過(guò)程中生物信號(hào)的性質(zhì)及功能的 一門學(xué)科，能對(duì)細(xì)胞膜電特性等功能等進(jìn)行分析，是生命科學(xué)的基礎(chǔ)。細(xì)胞膜上的離子通道 是細(xì)胞正常生理活動(dòng)的重要載體。膜片鉗和熒光染色是研究細(xì)胞膜上離子通道中離子運(yùn)輸 和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的一些重要方法。雖然這些方法比較直接且能較精確地檢測(cè)，但是對(duì)細(xì)胞有損 傷和毒性，因此對(duì)細(xì)胞的長(zhǎng)期活動(dòng)過(guò)程難以檢測(cè)；同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中所需要的設(shè)備比較昂 貴且不易操作。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞的研究平臺(tái)向無(wú)侵入性、長(zhǎng)期檢 測(cè)、高通量、低成本方向發(fā)展。檢測(cè)范圍也從傳統(tǒng)的離子通道研究向整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程及整個(gè)細(xì) 胞的結(jié)構(gòu)功能擴(kuò)展。細(xì)胞阻抗是離體培養(yǎng)細(xì)胞在培養(yǎng)皿壁上生長(zhǎng)時(shí)的貼附、遷移、凋亡等狀態(tài)進(jìn)行研 究的一種手段。當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)在阻抗芯片的電極上時(shí)，由于細(xì)胞膜的絕緣性，使得電極和溶液 之間的接觸空間減小，從而使阻抗變化。細(xì)胞和電極的貼附面積和力度可以用來(lái)表征細(xì)胞 在電極上的生長(zhǎng)狀態(tài)。常用的阻抗電極中，叉指型的電極能增加電極邊緣的周長(zhǎng)，增加細(xì)胞 阻抗檢測(cè)的靈敏度。對(duì)于電興奮性細(xì)胞來(lái)說(shuō)，細(xì)胞的胞內(nèi)動(dòng)作電位檢測(cè)可以對(duì)離子通道的各部分離子 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行表征，同時(shí)也體現(xiàn)在細(xì)胞胞外的電場(chǎng)分布上。在現(xiàn)代的檢測(cè)方法中，場(chǎng)效應(yīng)管和多 位點(diǎn)電極陣列為兩種常用的方法。相比之下多位點(diǎn)電極陣列加工比較簡(jiǎn)單，運(yùn)用較多。通 常，多位點(diǎn)電極的位點(diǎn)尺寸和細(xì)胞大小相匹配，為多通道并行檢測(cè)，可同時(shí)對(duì)細(xì)胞間交流如 心肌合胞體、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞可以同步映射；除此之外，也能通過(guò)胞外的信號(hào)波形對(duì)離 子通道的功能進(jìn)行描繪。由于不是所有的離子都能在胞外電場(chǎng)信號(hào)中得到映射，特別對(duì)于非電興奮細(xì)胞的 信號(hào)來(lái)說(shuō)，細(xì)胞代謝離子并不能大規(guī)模形成集中的電位發(fā)放。因此微生理計(jì)的技術(shù)就 是用來(lái)檢測(cè)細(xì)胞的各種離子的長(zhǎng)時(shí)間代謝，而并非動(dòng)作電位中短暫的大量離子運(yùn)動(dòng)。光尋 址電位電極(LAPS)是利用硅型器件的光電效應(yīng)，在光照下，通過(guò)脈沖激光激勵(lì)在硅中產(chǎn)生 電子_空穴對(duì)形成光生電流。當(dāng)LAPS表面離子濃度變化時(shí)候，整個(gè)電子-空穴對(duì)中的電場(chǎng) 發(fā)生變化從而使得光生電流也變化。這種方法能較快地表征電極表面的離子濃度。由于溶 液中離子成分復(fù)雜，因此在檢測(cè)時(shí)候，要對(duì)LAPS表面進(jìn)行離子選擇性膜處理，以對(duì)目標(biāo)離 子進(jìn)行選擇。將上述三部分功能集成于同一芯片能更全面地對(duì)細(xì)胞胞外生理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而 現(xiàn)有的方法在以下方面有不足1)在加工上，多位點(diǎn)電極陣列和阻抗電極具有一定的相似性，但是和LAPS之間的 區(qū)別較大，器件的結(jié)構(gòu)不同，各層的加工厚度區(qū)別較大。現(xiàn)有的方法中三部分加工方法不能 達(dá)到兼容，并且LAPS背面未被減薄，信噪比不高；2)在采用LAPS檢測(cè)胞外Na+，K+等代謝時(shí)，LAPS表面需要涂布相對(duì)應(yīng)的離子選擇 性膜，在和多位點(diǎn)電極陣列、阻抗電極長(zhǎng)期共同工作時(shí)，由于細(xì)胞培養(yǎng)需要長(zhǎng)時(shí)間在培養(yǎng)液 中浸泡，細(xì)胞培養(yǎng)液容易受到污染，離子選擇性膜容易受到腐蝕，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的不穩(wěn)定；3)在通常的集成芯片設(shè)計(jì)中，由于芯片面積布局及芯片的面積限制，使得各部分 的電極通道數(shù)目有限，因此提供的信息量也不夠充分。因此在保證細(xì)胞全方位的生理活動(dòng)能同時(shí)檢測(cè)，這三部分功能芯片之間的兼容加 工、檢測(cè)等成為了細(xì)胞多參數(shù)檢測(cè)中的關(guān)鍵性問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種可提高檢測(cè)電極信噪比的集成 娃芯片ο本技術(shù)所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種穩(wěn)定、可靠的檢測(cè)細(xì)胞生理參 數(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器。本技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是在集成硅芯片的中央布置有參 考電極，所述參考電極的兩端各布置有一組多位點(diǎn)電極陣列，在參考電極的中部的兩側(cè)各 布置有一對(duì)阻抗電極，在參考電極的兩個(gè)端部的兩側(cè)各布置有一個(gè)第一光尋址電位電極， 所述第一光尋址電位電極的背面設(shè)有凹槽。進(jìn)一步地，本技術(shù)所述參考電極的端部設(shè)有屏蔽框，所述多位點(diǎn)電極陣列的 位點(diǎn)位于屏蔽框內(nèi)。本技術(shù)具有上述集成硅芯片的檢測(cè)細(xì)胞生理參數(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器 主要包括固定在PCB板上的腔體和與該腔體相匹配的腔蓋；在腔體的底部固定有集成硅芯 片，所述集成硅芯片的中央布置有參考電極，在參考電極的兩端各布置有一組多位點(diǎn)電極 陣列，參考電極的中部的兩側(cè)各布置有一對(duì)阻抗電極，在參考電極的兩個(gè)端部的兩側(cè)各布 置有一個(gè)第一光尋址電位電極，所述第一光尋址電位電極的背面設(shè)有凹槽；腔蓋上設(shè)有至 少兩個(gè)流體通孔和至少四個(gè)LED通孔，腔蓋的主體部分的端面固定有第二光尋址電位電極 陣列；腔蓋的主體部分置于腔體內(nèi)，腔蓋的主體部分的端面與集成硅芯片之間有空隙。進(jìn)一步地，本技術(shù)所述參考電極的端部設(shè)有屏蔽框，所述多位點(diǎn)電極陣列的 位點(diǎn)位于屏蔽框內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的有益效果是本技術(shù)設(shè)計(jì)的腔底-腔蓋一體 式傳感器能更全面地對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)、膜電位、胞外代謝離子等生理功能的檢測(cè)，解決了細(xì) 胞培養(yǎng)和LAPS表面離子選擇性膜之間出現(xiàn)互相腐蝕污染的問(wèn)題；腔底上的集成硅芯片將 具有三種功能的芯片采用兼容加工的方法，加工于同一硅基底芯片上，在滿足對(duì)同一次細(xì) 胞培養(yǎng)的多參數(shù)同步檢測(cè)的同時(shí)，也提高了芯片的信噪比等性能。這種腔體一體式傳感器 能提供更多的細(xì)胞生理活動(dòng)有效信息，提供了一個(gè)能對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)及功能進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損 檢測(cè)的穩(wěn)定、可靠的細(xì)胞多參數(shù)光電復(fù)合一體傳感器平臺(tái)，可運(yùn)用于基本的細(xì)胞生理檢測(cè)、 藥物篩選評(píng)估、環(huán)境毒性檢測(cè)等領(lǐng)域。附圖說(shuō)明圖1是本技術(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)是本技術(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器的腔蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 (b)是圖2 (a)的仰視圖。圖3(a)是本技術(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器中的集成硅芯片的正面布局圖。圖3(b)是本技術(shù)的光電復(fù)合一體式傳感器中的集成硅芯片的背面布局圖。圖4(a)是本技術(shù)中的集成硅芯片中的多位點(diǎn)電極陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(b)是本技術(shù)中的集成硅芯片中的第一 LAPS電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5(a)是本技術(shù)中的集成硅芯片的加工流程步驟1-4的示意圖。圖5(b)是本技術(shù)中的集成硅芯片的加工流程步驟5-7的示意圖。圖5(c)是本技術(shù)中的集成硅芯片的加工流程步驟8-9的示意圖。圖6是本技術(shù)中的集成硅芯片的阻抗電極的阻抗譜圖。圖7是人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞ECV304在本技術(shù)中的集成硅芯片中的阻抗電極上 生長(zhǎng)的阻抗指數(shù)曲線圖。圖8是本技術(shù)的集成硅芯片中的多位點(diǎn)電極陣列電極在鍍鉬黑前后的阻抗 幅度特性曲線圖。圖9是本技術(shù)中的多位點(diǎn)電極陣列檢測(cè)的心肌細(xì)胞胞外信號(hào)圖。圖10是本技術(shù)中的LAPS光生電流-偏壓(I_V)曲線圖。圖11是本技術(shù)中的集成硅芯片中的第一 LAPS檢測(cè)細(xì)胞代謝酸化率圖。圖12是本技術(shù)的腔蓋中的第二 LAPS陣列芯片檢測(cè)到的Na+濃度曲線圖。圖中，1集成硅芯片，1. 1多位點(diǎn)電極陣列，1. 1. 1硅片，1. 1.2第二 SiO2層，1. 1.3 第二 Si3N4層，1. 1. 4引線，1. 1本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種集成硅芯片，其特征是：所述集成硅芯片的中央布置有參考電極（１．４），所述參考電極的兩端各布置有一組多位點(diǎn)電極陣列（１．１），在參考電極的中部的兩側(cè)各布置有一對(duì)阻抗電極（１．２），在參考電極的兩個(gè)端部的兩側(cè)各布置有一個(gè)第一光尋址電位電極（１．３），所述第一光尋址電位電極的背面設(shè)有凹槽。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王平，肖麗丹，余暉，胡朝穎，蔡華，劉清君，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：實(shí)用新型
國(guó)別省市：86[中國(guó)|杭州]
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。