一种免疫检测芯片的制作方法

1.本实用新型属于生物芯片制造领域，具体涉及一种免疫检测芯片。


背景技术：

2.荧光检测作为一种重要的现代检测技术，与其他检测技术相比荧光检测具有灵敏度高和方法多样等优点，是诊断学、生物科学、生物工艺学等领域的最常用分析测试技术之一。然而由于样品的多样性和特殊性，荧光检测在实际过程中已有的灵敏度仍然不能满足所有测定的需要，尤其是对弱荧光分子体系和微量目标分子的检测具有很大的局限性。
3.传统的荧光检测技术手段简陋、技术有限，大多需要人工手工操作，导致误差很大，样品的检测结果与检测人员的检测水平有很大关系。生物芯片技术能在微小尺寸上集成的海量信息，能够实现快速高效的测量分析，其是按照预先的设置有序地固定在载体表面，利用生物分子之间的特异性亲和反应，对生物分子进行测量和分析，避免了多次人工操作，减少耗时，降低了检测结果导致的系统偏差，提高了检测效率，在高通量应用方面极具价值。
4.目前生物芯片的常用制备材料有单晶硅片、玻璃和石英。玻璃和石英具有较好的表面性质和光学性质，制作方法主要有标准光刻技术和湿法刻蚀，但是由于此类芯片制作过程繁琐、成本高，同时对于微纳米结构的加工工艺还不成熟。单晶硅作为生物芯片的首要材料，其加工工艺非常成熟，具有强度较大、纯度较高、洁净度较高、散射性较好和耐腐蚀等优点。但是硅材料绝缘性和透光性差，深度刻蚀难度大，硅基片粘合度差，相比于其他材料，硅材料芯片的成本也相对较高。
5.生物芯片技术的发展还处于初期阶段，其复杂的理论和技术还需要进一步研究，故而其准确性和稳定性是十分受影响的。生物芯片通常以硅基底为原材料，常用到光刻膜、离子刻蚀技术，制备成本高、周期长，应用难以普及，严重影响芯片设计与新产品的开发及应用，这是生物芯片技术的局限性。如基因芯片制备过程中光刻掩膜的制备成本高、周期长。生物芯片在我国起步较晚，到目前还没有实现大规模的生产，更多依靠国外进口。中国生物芯片研究始于20世纪90年代，2008年到2019年每年都以超过20％的速度在增长，2019年市场规模已经超过9亿美元，2020因为全球新冠病毒的爆发， 2021年中国市场规模预计超过20亿，后期增长速度将超过40％。全球2014 年生物芯片市场高达39亿美元，2015年～2020年以超过31.6％的增长率发展，2020年已经达到184亿美元，北美地区占据了全球生物芯片市场的主导地位。我国在基础研究领域和新药研发领域的投入相对较小，并且国际芯片产品竞争超过国内产品，国际高水平研究中基本使用的是国际芯片。
6.制备一种通量、灵敏度高、同时适合批量工业化生产的荧光检测生物芯片具有十分巨大的价值。


技术实现要素：

7.本实用新型针对现有技术中存在的至少一种技术问题，提供一种免疫检测芯片，
芯片灵敏度高、通量高，同时生产周期短，可实现批量化生产，用于免疫检测适用范围广。
8.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种免疫检测芯片，包括基底，所述基底采用紫外光固化材料，所述基底表面设置有周期性纳米凹槽阵列，所述基底上表面设置有金属层，所述金属层上表面设置有氧化层，所述氧化层上表面经过高分子层修饰后，将所述凹槽用封闭液封闭。
9.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
10.进一步，所述金属层的厚度为100nm～500nm。
11.进一步，所述金属层包括下层的金属黏附层和上层的贵金属层。
12.优选的，所述金属黏附层厚度为4nm～50nm。
13.优选的，所述贵金属层厚度为100nm～400nm。
14.优选的，所述金属黏附层的材质为cr或ti，或者cr和ti的合金。
15.优选的，所述贵金属层的材质为au、ag、cu或pt，或者au、ag、cu 和pt的合金。
16.进一步，所述周期性纳米凹槽阵列的周期为100nm～3000nm。
17.进一步，所述周期性纳米凹槽阵列的单个凹槽的直径为50nm～2000nm。
18.进一步，所述周期性纳米凹槽阵列的单个凹槽的深度为10nm～500nm。
19.进一步，所述氧化层的厚度为100nm～600nm。
20.进一步，所述氧化层为sio2、zno、al2o3、tio2或mgf2材料层，或者 sio2、zno、al2o3、tio2和mgf2的混合物制备的材料层。
21.本实用新型的有益效果是：本实用新型未采用硅基底，较传统生产方法生产周期短，成本较低，可实现批量化快速生产；本实用新型中芯片以微/ 纳米周期性结构等离激元共振增强荧光，以有机材料微衬底，可显著提高免疫检测的通量和灵敏度；本实用新型用于免疫检测，适应范围极广，如可检测核酸、蛋白和多肽等生物分子；本实用新型对于生物检测微芯片市场的开发具有十分重要的意义，具有十分巨大的经济价值。
附图说明
22.图1是本实用新型的工艺流程示意图；
23.图2是本实用新型的结构示意图；
24.图3是本实用新型实施例和对比例的检测效果图；
25.图4是本实用新型实施例和对比例荧光检测强度图；
26.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
27.1、基底，2、金属层，21、金属黏附层，22、贵金属层，3、氧化层，4、封闭液。
具体实施方式
28.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
29.如图2所示，本实用新型设计的一种免疫检测芯片，包括基底1，所述基底1采用紫外光固化材料，所述基底1表面设置有周期性纳米凹槽阵列，所述基底1上表面设置有金属层2，所述金属层2上表面设置有氧化层3，所述氧化层3上表面经过高分子层修饰后，将所述凹槽用封闭液4封闭。
30.本实用新型的核心在于采用了非硅基材料的基底1，本实用新型的基底 1采用的是紫外光固化材料。
31.目前在芯片领域，特别是精密的芯片制造领域，采用硅基材料作为衬底，利用光刻蚀的方式可以制备出极为精密的芯片结构，配合沉积相应的金属或非金属材料，能够极大的提高芯片的性能。
32.然而，发明人发现，在生物芯片领域，硅基衬底制备成本高、周期长，其高昂的成本直接制约了生物芯片的发展。而且硅材料绝缘性和透光性差，深度刻蚀难度大，硅基片粘合度差，发明人发现在对弱荧光分子体系和微量目标分子的检测，采用硅材料的芯片在荧光检测时通量并不高，检测灵敏度也不足。发明人经过研究，发现这是由于荧光检测的特殊性，对材料的要求不同导致的，同时发现紫外光固化材料的绝缘性和透光性俱佳，十分适合用于生物芯片的制备，因而选用了有机聚合材料制备基底1。
33.采用紫外光固化材料，材料的可加工性较强，可以通过紫外硬化压印光刻技术加工。生物芯片的表面加工处理精度极高，在纳米级。发明人通过实验，最终确定了采用硅材料作为模板，通过紫外硬化压印光刻的工艺，能够利用硅材料光刻加工精度高的优势，制备出高精度的模板，并利用模板在紫外光固化材料表面压印出高精度的微孔阵列。经过发明人反复验证实验，加工出的微孔阵列的精度完全能够满足生物芯片的精度要求。
34.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述金属层2的厚度为100nm～500nm。
35.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述金属层2包括下层的金属黏附层21和上层的贵金属层22。
36.优选的，所述金属黏附层21厚度为4nm～50nm。
37.优选的，所述贵金属层22厚度为100nm～400nm。
38.优选的，所述金属黏附层21的金属为cr、ti中的一种或其合金。
39.优选的，所述贵金属层22的金属为au、ag、cu和pt中的一种或其合金。
40.上述改进方案能使芯片具有较强的灵敏度和光电性能。
41.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述周期性纳米凹槽阵列的周期为100nm～3000nm。
42.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述周期性纳米凹槽阵列的单个凹槽的直径为50nm～2000nm。
43.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述周期性纳米凹槽阵列的单个凹槽的深度为10nm～500nm。
44.上述改进的技术方案能够使得芯片表面具有微/纳米周期性结构，可以获得等离激元共振增强荧光，从而进一步提升芯片的灵敏度。
45.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述氧化层的厚度为100nm～600nm。
46.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述氧化层的氧化物为sio2、zno、al2o3、tio2、mgf2中的一种或一种以上的组合。
47.本实用新型还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述氧化层上表面经过硅烷偶联剂修饰。
48.优选的，所述硅烷偶联剂为(3
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缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷、1h， 1h，2h，2h-全氟辛基三乙氧基硅烷、kh-1332十三氟辛基三乙氧基硅烷和 3-巯基丙基-三甲氧基硅烷中的一种。
49.上述改进的技术方案能够使芯片表面更易于与封闭液4结合。
50.本实用新型的制备方法，包括以下步骤：
51.s1.制备模板：取带有氧化硅层的单晶硅/石英衬底，采用光刻蚀的方式在表面加工出与基底1表面设置的周期性纳米凹槽阵列形状相反的纳米孔阵列，制得模板；
52.s2.制备基底1：利用步骤s1制备的模板，通过紫外硬化压印光刻方式制得带有周期性纳米凹槽阵列的紫外光固化材料的基底1；
53.s3.沉积：在步骤s2制得的基底1上依次沉积金属层2和氧化层3，制得芯片基体；
54.s4.包被抗体：将步骤s3制得的芯片基体表面用高分子层修饰后用封闭液4封闭，制得最终的生物芯片。
55.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
56.所述步骤s1包括以下步骤：
57.1)、取带有氧化硅层的单晶硅/石英衬底，在氧化硅层上涂覆电子束光刻胶层；
58.2)、利用电子束曝光的方法在电子束光刻胶层上刻蚀出与基底1表面设置的周期性纳米凹槽阵列形状相反的纳米孔阵列的加工面，使光刻部分的氧化硅层暴露；
59.3)、对加工面进行化学刻蚀，在单晶硅/石英衬底上加工出与基底1表面设置的周期性纳米凹槽阵列形状相反的纳米孔阵列，刻蚀完毕后清洗剩余胶并吹干，制得模板。
60.优选的，所述化学刻蚀，是通入三氟甲烷气体、氧气先后进行刻蚀处理。
61.所述步骤s2中，所述紫外硬化压印光刻的具体步骤是在模板表面铺一层紫外光固化纳米压印胶并与模板压印，紫外曝光脱模后刻蚀残留层得到基底1。
62.所述步骤s4中，所述高分子层修饰的具体步骤是将芯片基体置于高分子修饰试剂溶液中反应，反应结束后，清洗、干燥。
63.所述高分子修饰试剂为硅烷偶联剂，反应条件为30℃条件下，恒温摇床中反应2h。
64.实施例1
65.取石英衬底(商业购买)，涂覆电子束光刻胶层(采用pmma光刻胶)，利用电子束曝光的方法在电子束光刻胶层上加工出凸面周期性排列而成的圆柱矩阵，矩阵的周期为2200nm，圆柱高度为260nm，直径为1350nm，然后通过显影技术得到衬底a，然后将衬底a置于反应离子刻蚀设备中，向反应离子刻蚀设备中通入三氟甲烷气体，三氟甲烷气流量310sccm、气压 1.65pa、射频功率150w，刻蚀时间280s；三氟甲烷刻蚀完毕后改通入氧气，氧气流量108sccm，气压1.14pa，射频功率110w，刻蚀时间63s；刻蚀完毕后取出，在器皿中滴加0.5ml三甲基氯硅烷，将刻蚀后衬底a放在器皿中并且不与三甲基氯硅烷接触，密封器皿并静置30min，将经过静置处理的衬底a取出，用乙醇清洗后吹干，得到纳米压印模板。
66.取硅基底(商业购买)，在基底上面旋涂紫外光固化纳米压印胶，厚度为600～700nm，然后和纳米压印模板对压，通过模板紫外光照射，使紫外光固化胶固化，脱模后将基底用离子刻蚀设备刻蚀，得到具有周期性纳米矩阵的芯片硅基底b。在芯片基底b上沉积一层24nm的cr层，然后再层积一层2400nm的au层，最后沉积一层25nm的sio2氧化层，得到芯片基底c。
67.将芯片基底c置于含有0.1％(3
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缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷和0.1％ 1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，30℃下摇床2h，然后用乙醇、蒸馏水各洗3次，吹干芯片基底d，然后将生物芯片基底d用封闭液封闭2h，然后去除掉多余的封闭液，将基底吹干，得到最终荧光增前免疫检测芯片。
68.实施例2
69.取石英玻璃衬底(商业购买)，在衬底上涂覆电子束光刻胶层(采用 pmma光刻胶)，利用电子束曝光的方法在电子束光刻胶层上加工出凸面周期性排列而成的长方体矩阵，矩阵的周期为2200nm，长方体高度为260nm，长度为1300nm，然后通过显影技术得到衬底a，然后将衬底a置于反应离子刻蚀设备中，向反应离子刻蚀设备中通入三氟甲烷气体，三氟甲烷气流量 310sccm、气压1.65pa、射频功率150w，刻蚀时间280s；三氟甲烷刻蚀完毕后改通入氧气，氧气流量108sccm，气压1.14pa，射频功率110w，刻蚀时间63s；刻蚀完毕后取出，在器皿中滴加0.5ml三甲基氯硅烷，将刻蚀后衬底a放在器皿中并且不与三甲基氯硅烷接触，密封器皿并静置30min，将经过静置处理的衬底a取出，用乙醇清洗后吹干，得到纳米压印模板。
70.取硅基底(商业购买)，在基底上面旋涂紫外光固化纳米压印胶，厚度为600～700nm，然后和纳米压印模板对压，通过模板紫外光照射，使紫外光固化胶固化，脱模后将基底用离子刻蚀设备刻蚀，得到具有周期性纳米矩阵的芯片硅基底b。在芯片基底b上沉积一层24nm的cr层，然后再层积一层2400nm的au层，最后沉积一层25nm的sio2氧化层，得到芯片基底c。
71.将芯片基底c置于含有0.1％(3
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缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷和0.1％ 1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，30℃下摇床2h，然后用乙醇、蒸馏水各洗3次，吹干芯片基底d，然后将生物芯片基底d用封闭液封闭2h，然后去除掉多余的封闭液，将基底吹干，得到最终荧光增前免疫检测芯片。
72.测试分析：
73.将实施例1、实施例2中的荧光免疫检测生物芯片与常用玻璃基底芯片，分别对某眼底疾病患者的眼组织液进行vegf检测。
74.首先，因为实施例1、实施例2中已经进行了封闭液封闭，常规玻璃基底检测检测是还需进行封闭液处理，用实施例1、实施例2中的芯片进行检测是，检测时间缩短了不低于2h。最后，采用微阵列芯片扫描仪对于生物芯片基底进行免疫荧光检测。
75.实验结果：
76.实施例1和实施例2，以及常规玻璃基底芯片的检测结果见图3。由图3 可知，实施例1和实施例2均明显观察出荧光效果，而常规玻璃基底芯片的荧光检测效果不明显。
77.其次，对实施例1和实施例2，以及常规玻璃基底芯片进行荧光检测强度的检测，结果见图4。由图4可知，三个样品的荧光检测强度分别为18600、 19200、105，实施例1和实施例2较常规玻璃基底芯片的检测强度分别增加了177倍和182倍。同时通过测试得到三个样品的检测限分别为38pg/ml、 42pg/ml、1.2pg/ml，实施例1和实施例2较常规玻璃基底芯片的检测强度分别增加了31倍和35倍。
78.由上述实验可知，本实用新型的生物芯片相对于传统硅材料基底芯片而言，灵敏度和通量都有大幅的提高。
79.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。