專利名稱：生物芯片及其制備方法、以及應(yīng)用生物芯片的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物芯片，特別是一種帶有特征光譜識別光敏傳感器陣列 的生物芯片。本發(fā)明還涉及該生物芯片的制備方法以及使用該生物芯片的 裝置。
背景技術(shù)：
生物芯片(biochip)的原型是80年代中期提出的，發(fā)展至今已成為 現(xiàn)代生命科學(xué)研究的核心技術(shù)之一。生物芯片包括基因芯片和蛋白芯片 等，并廣泛應(yīng)用于生物科研、醫(yī)療診斷、司法鑒定等各個領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù)的基因芯片主要可分為三種類型1)固定在聚合物基片
(尼龍膜、硝酸纖維膜等)表面上的核酸探針或cDNA片段，通常用同位 素標(biāo)記的革E基因與其雜交，并通過放射顯影技術(shù)進(jìn)行檢測；2)用點樣法 固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒光標(biāo)記的靶基因雜交進(jìn)行檢 測；3)在玻璃等硬質(zhì)表面上直接原位合成的寡核苷酸探針陣列，與熒光 標(biāo)記的耙基因雜交進(jìn)行檢測。其中，第一種類型的基因芯片由于其密度太 低、樣品和試劑的需求量大、定量檢測不可靠等較多缺點，目前已基本被 淘汰。而用點樣法制備的基因芯片(通常也稱為低密度基因芯片)和用原 位合成方法制備的基因芯片(通常也稱為高密度基因芯片)在目前都有著 較廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)的蛋白芯片大多是基于抗原-抗體作用；抗原或抗 體可固定在基片上，然后用熒光標(biāo)記的相對應(yīng)的抗原或抗體進(jìn)行檢測。
目前廣泛應(yīng)用的生物芯片基本上都是采用熒光檢測的方法進(jìn)行檢測， 最常用的檢測方法主要有激光共聚焦掃描方法(見圖1)和CCD相機檢測 方法。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的利用生物芯片對基因進(jìn)行檢測的一種裝置。圖 1的檢測裝置由激光源(未示出)、光路系統(tǒng)以及光接收裝置構(gòu)成，其中
6光接收裝置是光電倍增管，而光路系統(tǒng)包括圖中所示的分束器、物鏡、發(fā) 射濾波器、檢測鏡頭、共焦針孔和用于轉(zhuǎn)折光路的反射鏡等。基因芯片置 于圖1所示檢測裝置中的物鏡下，并使待測基因樣品與基因芯片接觸。現(xiàn) 有技術(shù)的基因芯片是制作在玻璃等硬質(zhì)基底上的基因探針陣列，當(dāng)作了熒 光標(biāo)記的待測基因樣品與之接觸時，會發(fā)生雜交反應(yīng)。在激發(fā)光(激光 束)的照射下，與基因探針完全互補匹配的位置會發(fā)出最強的熒光。圖1 所示的檢測裝置用激光共聚焦方法逐點測量熒光的位置和強度，從而可以 對待測基因樣品進(jìn)行分析和檢測。這種檢測方式的探測靈敏度很高，但測
試速度很慢，操作也很復(fù)雜。 一種可行的改進(jìn)方法是用CCD相機取代光
電倍增管，并用寬束激光照射，這種方法可以提高檢測速度，但缺點是探 測靈敏度很低。
在圖1所示利用激光共聚焦掃描方法的檢測裝置中，由于采用高靈敏 度的光電倍增管，所以其探測靈敏度可以很高，但設(shè)備也很昂貴。此外， 由于其采用的是逐點檢測的方法，所以測完整個生物芯片需要耗的時間很
長，不能獲得生物反應(yīng)的實時信息。使用CCD相機檢測方法的優(yōu)點是檢 測速度較快，但需要一套較復(fù)雜的成像系統(tǒng)，造成其有效孔徑較小。并 且，由于熒光發(fā)射基本是全方位的球形發(fā)射，因此這種方法的探測靈敏度 很低。另外，由于成像光學(xué)系統(tǒng)的像差等誤差影響，可能會帶來串音等測 量誤差，尤其是對于高密度基因芯片的檢測更是如此。對于多熒光光譜的 檢測，無論是采用光電倍增管還是CCD相機的檢測裝置都需要進(jìn)行更換 光學(xué)濾光片的操作，這也會帶來一定的誤差，且對獲得實時反應(yīng)信息造成 了限制。
因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)的生物芯片及其檢測方法作進(jìn)一步的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種探測靈敏度高、檢測時間快、且適用于 多熒光光譜檢測的新型生物芯片。本發(fā)明還提供了制備該生物芯片的方法 以及利用該生物芯片對生物樣品進(jìn)行檢測的裝置。
根據(jù)本發(fā)明一種實施例的生物芯片包括至少一個檢測單元以及至少一組生物分子探針，每個檢測單元包括至少一個檢測像素和至少一個參考像 素，每個檢測單元對應(yīng)于一組相同的生物分子探針；每個檢測像素包括陣 列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器以及陣列式光學(xué)濾波片 中的一個光學(xué)濾光片，所述一個光學(xué)濾光片完全覆蓋所述一個半導(dǎo)體光學(xué) 傳感器的表面；每個參考像素包括陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo) 體光學(xué)傳感器；每個光學(xué)濾光片具有特征波長，使得以所述特征波長為中 心的預(yù)定波長寬度范圍內(nèi)的波長能夠經(jīng)過光學(xué)濾光片透射，而所述范圍之 外的波長不能透射。
上述特征波長通常就是待測熒光光譜的波長。根據(jù)本發(fā)明，檢測像素 只接收和測量該熒光光譜的能量；而參考像素用來探測激發(fā)光源的能量， 并將兩種像素的輸出相結(jié)合而得到所需的檢測結(jié)果。為避免因激發(fā)光源的 能量較強而使傳感器飽和，參考像素上可以覆蓋有中性光學(xué)衰減薄膜。已 鍍有光學(xué)濾光片和中性光學(xué)衰減薄膜的陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器的表面可 以再鍍上一層介質(zhì)保護(hù)層，并可以用化學(xué)或機械拋光方法將介質(zhì)保護(hù)層加 工成光滑的完整平面。這樣既可以保護(hù)傳感器的電路，防止可能的液體侵 入，又可以給后續(xù)的生物分子探針加工提供方便。
生物分子探針陣列可以直接用點樣法或原位合成法等方法制作在己經(jīng) 過適當(dāng)表面修飾的所述介質(zhì)保護(hù)層的表面，也可以先制作到另一片透明材 料的基底上，然后以面向介質(zhì)保護(hù)層的方式結(jié)合到介質(zhì)保護(hù)層的表面上。 每個測量單元對應(yīng)于一組相同的生物分子探針。
利用本發(fā)明的生物芯片對生物樣品進(jìn)行檢測的裝置包括生物芯片、激 發(fā)光源以及信息處理部分。以基因檢測為例，此時生物芯片上的生物分子 探針即為基因探針。當(dāng)已作了熒光標(biāo)記的待測基因樣品接觸到所述基因探 針上時，它將與基因探針發(fā)生雜交反應(yīng)，當(dāng)待測基因樣品的某一序列與基 因探針完全互補匹配時，這一雜交反應(yīng)最完全，在適當(dāng)激發(fā)光的照射下， 這一位置發(fā)出最強熒光，該熒光的光譜如果落在光學(xué)濾光片的以特征波長 為中心的所述預(yù)定波長寬度范圍內(nèi)，則將穿過光學(xué)濾光片而被陣列式光學(xué) 傳感器中的檢測像素所接收，得到的熒光的強度和位置信息被輸入到信息 處理部分。參考像素會接收到激發(fā)光的強度分布信息，其結(jié)果也輸入到所述信息處理部分，與熒光強度和位置信息一同進(jìn)行分析處理。
蛋白質(zhì)檢測過程也與之類似，只不過反應(yīng)是基于抗原-抗體反應(yīng)。 優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的生物檢測裝置中還可以加入溫度控制系統(tǒng)，以
幫助控制反應(yīng)，同時還能實時監(jiān)測反應(yīng)過程，例如，實時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
(PCR)檢測。
根據(jù)本發(fā)明，可以利用半導(dǎo)體工藝以低成本、高可靠性、大規(guī)模地制 造出生物芯片，并可以利用這樣的芯片方便地制作出探測靈敏度高、檢測 速度快、能同時檢測多個熒光光譜、能實時監(jiān)測反應(yīng)過程、且體積極小、 成本很低的生物檢測裝置。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種生物芯片掃描儀的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施例的生物芯片的局部俯視示意圖。 圖3是圖2所示生物芯片的局部剖視示意圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的生物芯片上所用的光學(xué)濾光片的示例性透過 率曲線圖。
圖5示出了采用本發(fā)明的生物芯片的生物檢測裝置的一種示例。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實施例進(jìn)行說明，以便更好地理解 本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點。在本申請的說明中，相同的標(biāo)號表示 相同的元件。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施例的生物芯片10的局部俯視示意 圖。在俯視圖中，生物芯片10可以劃分為一個或多個檢測單元100，例 如，圖2的局部俯視圖中示出了四個完整的檢測單元100。每個檢測單元 100包括多個像素，這些像素中包括至少一個檢測像素和至少一個參考像 素。在需要對多個熒光特征波長進(jìn)行檢測的情況下，可以設(shè)置多組檢測像 素，并使各組檢測像素表面所帶的光學(xué)濾光片分別針對不同的波長。例 如，在本實施例中，生物芯片10的每個檢測單元100包括兩組檢測像素，其中， 一組12個檢測像素101用于檢測CY5熒光(其特征波長在 655nm 685nm之間)，另一組12個檢測像素102用于檢測CY3熒光(其 特征波長在565nm 595nm之間)。在本實施例中，每個檢測單元100包 括一個參考像素103。
圖3示出了根據(jù)本實施例的生物芯片IO沿圖2中ni-in線所取的局部 剖視示意圖。根據(jù)本實施例的生物芯片10的結(jié)構(gòu)至少包括基底99以及位 于基底99上方的光譜層98。優(yōu)選地，生物芯片IO還可以包括位于光譜層 98上方的保護(hù)層104以及位于保護(hù)層104上方的表面修飾層105。
基底99包括多個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器，這些半導(dǎo)體光學(xué)傳感器在圖3 所示坐標(biāo)系的x-y平面內(nèi)以陣列方式排列。例如，本發(fā)明中以陣列方式排 列的多個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器可以通過電荷耦合器件(CCD)面陣傳感器、 互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)面陣傳感器、紅外陣列傳感器或雪崩二 極管陣列傳感器等方式實現(xiàn)。在這些傳感器中，雪崩二極管陣列傳感器具 有最高的探測靈敏度。但近年來隨著數(shù)碼相機、可照相手機的迅猛發(fā)展， CCD面陣傳感器和CMOS面陣傳感器的技術(shù)已十分成熟，像素數(shù)最高、 且成本最低，因此是本發(fā)明使用的陣列式的半導(dǎo)體光學(xué)傳感器優(yōu)先選擇。
圖2中的每個檢測像素包括基底99中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器，每 個參考像素也包括基底99中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器。其中，每個檢測 像素101、 102的表面上帶有濾光片，該濾光片能夠完全覆蓋對應(yīng)的檢測 像素101、 102表面，優(yōu)選為使其形狀、大小與對應(yīng)的檢測像素101、 102 表面相同或基本相同。
各個檢測像素101、 102上的光學(xué)濾光片起光學(xué)帶通濾波器作用，它 們分別能夠透射以相應(yīng)的特征波長為中心的預(yù)定寬度范圍內(nèi)的波長；而使 該范圍之外的其他波長不能透射。在本申請中，"不能透射"表示相應(yīng)波 長的透射率低于根據(jù)需要而預(yù)定設(shè)定的閾值，例如，在所述其他波長的透 射率低于1%、 0.1%或0.01%的情況下，即可認(rèn)為其不能透射。圖4中以 檢測CY3熒光的濾光片為例，示出了濾光片的光譜透射率曲線形狀的一種 典型示例。在圖4中，透射的特征波長中心約為575nm，透射的波長寬度 (即帶通濾波器的通帶寬度)約為14nm，對于其相應(yīng)的激發(fā)光(波長為532nm)的透過率小于0.01%。對于檢測其他波長所用的濾光片，其特征 波長的中心也相應(yīng)地位于所述其他波長處；透射的波長寬度可以同樣是 14nm，也可以是其他數(shù)值。各個濾光片透射的波長寬度優(yōu)選為2nm — 50nm之間的數(shù)值。
參考像素103用于檢測激發(fā)光的強度和分布。參考像素103可以保持 為不帶濾光片的狀態(tài)。但是，激發(fā)光的強度通常較強，有可能使參考像素 103的輸出信號飽和，因而參考像素103優(yōu)選地鍍有中性光學(xué)衰減薄膜以 減弱輸入光強度。這里，"中性光學(xué)衰減薄膜"表示可以對半導(dǎo)體光學(xué)傳 感器整個響應(yīng)范圍內(nèi)的波長進(jìn)行大致相同程度衰減的膜層。所述中性光學(xué) 衰減薄膜例如可以包括適當(dāng)厚度的金屬Cr、 Ni、 Ti、 Rh及其合金，其透 過率例如可以在0.1% 10%之間。
由各個檢測像素101、 102上的光學(xué)濾光片構(gòu)成圖3中的光譜層98; 在參考像素103上帶有中性光學(xué)衰減薄膜的情況下，由各個檢測像素 101、 102上的光學(xué)濾光片以及各個參考像素103上的中性光學(xué)衰減薄膜一 同構(gòu)成圖3中的光譜層98。
圖2和圖3所示的生物芯片10可以同時對CY5和CY3兩個熒光特征 波長進(jìn)行檢測，其每個檢測單元100包括總共25個像素，即l個參考像素 和兩組各12個檢測像素。但應(yīng)當(dāng)明白，這些數(shù)目僅僅是示意性的，實際 的檢測單元數(shù)目和每個檢測單元中包括的總像素數(shù)目、檢測像素數(shù)目和參 考像素數(shù)目都可以根據(jù)實際需要來確定。 一般說來，根據(jù)生物分子探針陣 列的密度不同，每個生物芯片的檢測單元數(shù)目可以在1~500，000個之間。 每個檢測單元可以包括1 10組檢測像素，用于對1 10個不同的檢測光譜 范圍進(jìn)行檢測，其中每個組中的光學(xué)濾光片具有相同的特征波長。每個檢 測單元中包括的檢測像素數(shù)目可以在1~40,000個之間，而每個檢測單元中 包括的參考像素數(shù)目例如可以在1~100個之間。
在圖2所示的實施例中，各個檢測單元以矩陣方式排列，但本發(fā)明不 限于此，各個檢測單元也可以以環(huán)狀或其他方式排列。另外，在圖2所示 的實施例中，參考像素103位于檢測單元的中心處，檢測像素在周邊區(qū)域 交替排列。但本發(fā)明的每個檢測單元中檢測像素和參考像素的位置分布不限于圖2所示情況，而可以根據(jù)實際情況來具體選擇。
在本發(fā)明中，每個檢測像素101和102上的光學(xué)濾光片和每個參考像 素103上的光學(xué)衰減薄膜都可以直接制作在半導(dǎo)體光學(xué)傳感器表面上，其 制作可以完全通過半導(dǎo)體工藝來進(jìn)行，或者采用與半導(dǎo)體工藝兼容的制作 工藝。例如，其制作工藝可以包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射、真空蒸 發(fā)、或新型的激化輔助濺射(Radical Assisted Sputtering, RAS)工藝等， 并可以采用光刻加刻蝕、抬離(liftoff)、或刻蝕和抬離相結(jié)合的方法來 進(jìn)行圖案化，還可以包括必要的清洗、拋光、去膠等步驟。
所述光學(xué)濾光片可以包括由交替排列的高折射率介質(zhì)材料層和低折射 率介質(zhì)材料層組成的多層膜結(jié)構(gòu)。其中，高折射率介質(zhì)材料可以包括但不 限于下列材料中的至少一種Ti02、 Nb205、 Ta205、 Hf02、 Si3N4;低折射 率介質(zhì)材料可以包括但不限于下列材料中的至少一種A1203、 MgF2、 Si02。具體的制作工藝在題為"一種用于制作微濾光片陣列的新工藝"的 中國專利申請No. 200610098836.5和題為"特征光譜識別芯片、其制造方 法及使用該芯片的檢測裝置"的中國專利申請No. 200710145713.7中已有 描述，因此這里不再進(jìn)行詳細(xì)敘述。
各檢測像素101和102上的光學(xué)濾光片和參考像素103上的光學(xué)衰減 薄膜厚度通常是不相同的；另外，這些膜層之間還可能存在縫隙。因此， 生物芯片10的表面形貌可能會是高低不平的，并可能對此后的生物分子 探針制作帶來影響。因此，在上述光學(xué)濾光片和光學(xué)衰減薄膜制作完成之 后，優(yōu)選地可以在其上增加保護(hù)層104，并使保護(hù)層104的表面平坦化， 從而使整個生物芯片10的表面平坦，以有利于后續(xù)的生物分子探針制作 過程。另外，保護(hù)層104還可以起到保護(hù)陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的集 成電路的作用，從而可以避免在生物分子探針制作過程中或以后將待測樣 品滴入其內(nèi)時可能造成的液體侵入等不良影響。
保護(hù)層104優(yōu)選為透明的致密介質(zhì)材料。可以采用例如PECVD工藝 制備的&02或SiNx薄膜作為保護(hù)層104，其厚度可以是大約0.05 50,， 優(yōu)選為2 20pm。但是本發(fā)明的制作工藝不限于PECVD，而是也可以采用 其他適宜的加工工藝來進(jìn)行，例如濺射工藝，特別是激化輔助濺射工藝，
12也可以是旋涂等化學(xué)涂敷工藝。在形成保護(hù)層104中的薄膜后，采用化學(xué)
或機械拋光方式，例如化學(xué)機械拋光(CMP)工藝，將整個表面處理成一
個光滑的平面，以利于后道工序的加工。
在制備生物芯片時，希望基底表面是平整、潔凈、均一的，而且自發(fā) 熒光低。用化學(xué)試劑對基底表面進(jìn)行表面修飾可以制備表面富含活性基團(tuán) 的基片，這種活性基團(tuán)適合連接生物分子。在本發(fā)明的上述實施例中，例
如在所述保護(hù)層104是一層二氧化硅膜的情況下，可以通過酸堿處理，在
這層二氧化硅膜上形成很多硅羥基，從而有利于表面鍵合和表面涂敷。其 中，表面鍵合是把含反應(yīng)活性基團(tuán)的化合物通過共價鍵直接連接在基片表 面上形成具有化學(xué)活性的單分子層。有機硅垸化試劑是一類常用的表面處
理化學(xué)試劑，它們大多是偶聯(lián)劑，例如3-氨基丙基三乙氧基硅烷。表面涂 敷是通過非共價鍵方式在基片材料表明形成薄膜層。丙烯酰胺、聚賴氨 酸、硝酸纖維素和瓊脂糖是常用的表面涂敷材料。這些表面涂敷層有時也 含反應(yīng)活性基團(tuán)。
如圖3所示，經(jīng)過上述表面修飾，已經(jīng)過拋光的保護(hù)層104的表面上 可以生成一層由活性有機化合物薄膜構(gòu)成的表面修飾層105，并可以將生 物分子探針陣列200直接制作在表面修飾層105上。
在已處理好的基片上制作生物分子探針陣列200的過程通常稱為"固 定"，即采用濕盒培養(yǎng)、烘烤、紫外交聯(lián)等方法在已處理好的基片上鍵合 各種生物分子，如DNA、蛋白質(zhì)、多肽、酶、抗原、抗體甚至細(xì)胞等。 以基因(DNA)探針為例，固定過程所用的方法可以是點樣法或原位合成 法等方法。點樣法利用高速精密機械手等方式將生物分子放置到芯片表面 上指定的位置，并包括接觸式點樣方法和非接觸式點樣方法。而原位合成 法是基于微電子工業(yè)中廣泛使用的微加工方法，利用光掩膜或微鏡技術(shù)等 方式在預(yù)定位置導(dǎo)入紫外光以引發(fā)原位合成反應(yīng)，從而逐步合成高密度寡 聚核苷酸陣列。對于點樣法的詳細(xì)說明可以參見《生物芯片分析》(科學(xué) 出版社，2004年版)，而原位合成法的詳細(xì)說明可以參見美國專利 5,744,305，這些文獻(xiàn)通過引用而全文結(jié)合于此，而本申請中為簡明起見將 不對這些方法進(jìn)行詳細(xì)說明。在通過固定將生物分子探針陣列200結(jié)合到表面修飾層105上后，還可以用一些試劑對所得的芯片進(jìn)行處理，將芯片 表面沒有固定生物分子的活性基團(tuán)反應(yīng)掉，以降低后期芯片使用過程中表 面的非特異吸附，提高芯片的靈敏度。這一過程通常稱之為"封閉"，所
用的試劑稱為封閉劑。常用的封閉劑有硼氫化鈉、三乙醇胺、BSA等。
在上述固定過程中，在每個檢測單元上固定預(yù)定的生物分子探針，并 使同一檢測單元上的生物分子探針都是相同的，而不同檢測單元上的探針 是不同的。這樣，在使用中即可根據(jù)各檢測單元上的反應(yīng)情況來確定待測 樣品的生物特性。
圖5示出了用本發(fā)明的生物芯片來進(jìn)行生物檢測的一種裝置的實施 例。激發(fā)光源11 (通常為固體激光器或激光二極管)發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)透 鏡12、導(dǎo)光板13、和全息片14后，均勻準(zhǔn)直地照射到生物芯片10上。 以基因檢測為例，由于生物芯片10上已接觸到作了熒光標(biāo)記的待測樣 品，會根據(jù)待測樣品與基因探針的序列匹配與否，發(fā)生程度不一的雜交反 應(yīng)。在激發(fā)光的照射下，根據(jù)雜交反應(yīng)程度的不同，所激發(fā)出的熒光強度 也不同。由各檢測像素測出其對應(yīng)的熒光強度和位置，連同參考像素測出 的各位置的激發(fā)光強度， 一起輸入到信息處理部分20，再與預(yù)知的各檢測 單元上的基因探針序列相比較，即可得到檢測結(jié)果。其中，光學(xué)透鏡12 和導(dǎo)光板13可以幫助激發(fā)光束均勻地照射到基因芯片10上。為了進(jìn)一步 提高光照均勻性并提高光強度，還可以采用并排設(shè)置多個激發(fā)光源的方式
(如激光二極管組)。同時，如果采用不同波長的多個激發(fā)光源(例如 激發(fā)CY5熒光的635nm波長固體激光和激發(fā)CY3熒光的532nm波長固體 激光)并排設(shè)置的方式，還可以實現(xiàn)多熒光光譜同時的實時檢測。全息片 14可以幫助激發(fā)光束基本準(zhǔn)直地照射到基因芯片10上，并抑制斜入射情 況的發(fā)生。此外，全息片14的表面還可以鍍有只透過激發(fā)光波長、而對 其它光波長有高反射率的光學(xué)濾光片，從而可以將向外發(fā)射的熒光也反射 回檢測單元，進(jìn)一步提高檢測效率。
除了基因檢測外，圖5的裝置還可以對其它生物特性進(jìn)行檢測，如蛋 白質(zhì)的抗體-抗原等。對于某些生物特性檢測，需要監(jiān)測反應(yīng)的實時過程， 而且反應(yīng)過程與溫度關(guān)系很大，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)等。在此情況下，該裝置還可以在生物芯片IO附近或生物芯片10上(例如在生物芯片
10的背面?zhèn)?加入溫度控制裝置30，對生物芯片表面的反應(yīng)溫度進(jìn)行控 制?？梢詫囟葦?shù)據(jù)也輸入到信息處理部分20并由其進(jìn)行反饋控制。優(yōu) 選地，溫度控制裝置30可以是半導(dǎo)體加溫、冷卻裝置，該裝置通過對所 加電壓的極性進(jìn)行控制來實現(xiàn)所需的加溫或者冷卻。
現(xiàn)有技術(shù)的檢測裝置，例如圖1所示的裝置，是出于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢測 方式來構(gòu)成的，其中激發(fā)光源、光路系統(tǒng)以及接收裝置等集中設(shè)置在一個 復(fù)雜的檢測裝置中，而生物芯片僅僅作為一種搭載了 "試劑"的測試載體 置于檢測裝置中。根據(jù)本發(fā)明的生物芯片以及檢測裝置提供了與此完全不 同的思路。通過在生物芯片中利用成熟廉價的半導(dǎo)體工藝直接制作陣列式 半導(dǎo)體光學(xué)傳感器，圖5的裝置可以實現(xiàn)并聯(lián)測量方式，而不必通過掃描 來測量熒光分布，因而可以省去傳統(tǒng)測量裝置中復(fù)雜的掃描系統(tǒng)，減小了 體積、成本并大大減少了檢測時間。而且，由于檢測像素與熒光源的距離 非常近，因而省去了傳統(tǒng)測量裝置中復(fù)雜的成像系統(tǒng)，這同樣可以減小體 積、成本，還可以消除像差等影響并大大提高探測靈敏度。此外，該裝置 還可以同時實現(xiàn)多熒光光譜的實時檢測，這是其它現(xiàn)有檢測裝置都不具備 的功能。
圖5的裝置中的激發(fā)光源除了固體激光器外，也可以是其它類型的激 光，或是帶有窄帶濾光片的寬帶光源。光學(xué)透鏡12、導(dǎo)光板13以及全息 片14等元件也可以由相同或類似功能的器件來代替。
需要說明的是，上述實施例只是用于對本發(fā)明進(jìn)行更直觀的說明，本 發(fā)明的范圍不局限于這些具體的實施例，而由權(quán)利要求來限定。
1權(quán)利要求
1.一種生物芯片，其特征在于，所述生物芯片包括至少一個檢測單元以及至少一組生物分子探針，每個所述檢測單元包括至少一個檢測像素和至少一個參考像素，每個所述檢測單元對應(yīng)于一組相同的生物分子探針；每個所述檢測像素包括陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器以及陣列式光學(xué)濾波片中的一個光學(xué)濾光片，所述一個光學(xué)濾光片完全覆蓋所述一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器的表面；每個所述參考像素包括所述陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器；每個所述光學(xué)濾光片具有特征波長，使得以所述特征波長為中心的預(yù)定波長寬度范圍內(nèi)的波長能夠經(jīng)過所述光學(xué)濾光片透射，而所述范圍之外的波長不能透射。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，每個所述檢測單元 中的所述檢測像素被劃分為至少一個組，使每個所述組中的光學(xué)濾光片具 有相同的特征波長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述預(yù)定波長寬度 范圍的大小在2nm—50nm之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，每個所述檢測單元 中的所述檢測像素的數(shù)目為1 40000個。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，每個所述參考像素 的表面覆蓋有中性光學(xué)衰減膜層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物芯片，其特征在于，所述中性光學(xué)衰減 膜層的透過率為0.1%~10%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，每個所述檢測單元 中的參考像素數(shù)目為1 100個。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述光學(xué)濾光片包 括由交替排列的高折射率介質(zhì)材料層和低折射率介質(zhì)材料層組成的多層膜結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述光學(xué)濾光片通 過半導(dǎo)體工藝直接制作在所述半導(dǎo)體光學(xué)傳感器的表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的生物芯片，其特征在于，所述半導(dǎo)體工藝包括從下列處理步驟構(gòu)成的組中選擇的一個或多個處理步驟化學(xué)氣相沉 積、濺射、真空蒸發(fā)、激化輔助濺射、光刻、刻蝕、抬離、清洗、拋光、 去膠。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的生物芯片，其特征在于，所述高折射率介 質(zhì)材料包括下列材料中的至少一種Ti02、 Nb205、 Ta205、 Hf02、 Si3N4。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的生物芯片，其特征在于，所述低折射率介 質(zhì)材料包括下列材料中的至少一種A1203、 MgF2、 Si02。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述半導(dǎo)體光學(xué)傳感器是下列傳感器中的一種電荷耦合器件傳感器、互補金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、紅外光電傳感器陣列或雪崩光電傳感器陣列。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于所述檢測單元的數(shù)目為1~500000個。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述各檢測單元 的表面帶有透明介質(zhì)制成的保護(hù)層，所述保護(hù)層的厚度為0.05/rni 50/mi。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的生物芯片，其特征在于，所述介質(zhì)保護(hù)層的表面為經(jīng)化學(xué)或機械拋光處理而成的光滑平面。
17. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物芯片，其特征在于，至少一組所述光 學(xué)濾光片的特征波長在565nm 595nm之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物芯片，其特征在于，至少一組所述光 學(xué)濾光片的特征波長在655nm 685nm之間。
19. 一種生物芯片的制備方法，包括下列步驟a)提供至少一個檢測單元，其中，每個所述檢測單元包括至少一個檢 測像素和至少一個參考像素；每個所述檢測像素包括陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳 感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器以及陣列式光學(xué)濾波片中的一個光學(xué)濾光片，所述一個光學(xué)濾光片完全覆蓋所述一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器表面；每個 所述參考像素包括所述陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感 器；每個所述光學(xué)濾光片具有特征波長，使得以所述特征波長為中心的預(yù) 定寬度范圍內(nèi)的波長能夠經(jīng)過所述光學(xué)濾光片透射，而所述范圍之外的波 長不能透射，以及b) 在所述至少一個檢測單元上設(shè)置至少一組生物分子探針，使每個所 述檢測單元對應(yīng)于一組相同的生物分子探針。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在所述步驟a)與b)之間，還包括下列步驟c) 給每個所述檢測單元的表面設(shè)置由透明介質(zhì)制成的保護(hù)層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述步驟b)通過執(zhí)行下述步驟來完成bl)用表面修飾方法在所述介質(zhì)保護(hù)層上提供活性有機化合物薄膜；b2)在所述步驟bl)得到的活性有機化合物薄膜上使用直接點樣法或原位合成法制作所述生物分子探針；以及b3)用封閉劑對步驟b2)所得的生物芯片進(jìn)行封閉處理。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述表面修飾方法選 自由鍵合、涂覆、浸涂、旋涂組成的組。
23. —種生物芯片檢測裝置，其特征在于，所述裝置包括激發(fā)光源、信息處理部分以及根據(jù)權(quán)利要求1一18中任 一項所述的生物芯片，其中，所述激發(fā)光源用于發(fā)出照射到待測樣品上以 激發(fā)出熒光的激發(fā)光，所述生物芯片中的所述檢測像素接收所述熒光從而 測出所述熒光的位置和強度，所述生物芯片中的所述參考像素用于測出所 述激發(fā)光的強度和分布，所述信息處理部分用于對所述生物芯片中檢測像 素和參考像素的輸出信號進(jìn)行分析。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述激發(fā)光源是至少 一組窄帶發(fā)光光源。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述窄帶發(fā)光光源包 括下列任意一項激光器、激光二極管、激光二極管組、帶有窄帶光學(xué)濾光片的發(fā)光源。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述激發(fā)光源中至少 有一組的光波長為532nm。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述激發(fā)光源中至少 有一組的光波長為635nm。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述生物芯片檢測裝 置包括溫度控制裝置，用于對所述生物芯片的溫度進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物芯片及其制備方法，以及應(yīng)用該生物芯片的裝置。根據(jù)本發(fā)明的生物芯片包括至少一個檢測單元以及至少一組生物分子探針，每個檢測單元包括至少一個檢測像素和至少一個參考像素，每個檢測單元對應(yīng)于一組相同的生物分子探針；每個檢測像素包括陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器以及陣列式光學(xué)濾波片中的一個光學(xué)濾光片，所述一個光學(xué)濾光片完全覆蓋所述一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器的表面；每個參考像素包括陣列式半導(dǎo)體光學(xué)傳感器中的一個半導(dǎo)體光學(xué)傳感器；每個光學(xué)濾光片具有特征波長，使得以所述特征波長為中心的預(yù)定寬度范圍內(nèi)的波長能夠經(jīng)過光學(xué)濾光片透射，而所述范圍之外的波長不能透射。
文檔編號G01N21/64GK101493411SQ200810000808
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者斌 樊, 邵劍心 申請人:明熒光學(xué)有限公司