專利名稱：Dna－pcr生物芯片及使用該芯片的微型熱循環(huán)器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于進行DNA分子擴增的DNA-PCR生物芯片和控制芯片的微型熱循環(huán)儀器。
PCR(聚合酶鏈反應)技術是分子生物學發(fā)展史上又一個里程碑，它使得DNA分子可以在生物體外進行放大擴增，實現(xiàn)了自動化，快速、靈敏。一經(jīng)問世，在短短的數(shù)年內(nèi)，就被廣泛用于了生命科學的研究中，包括微生物學，遺傳學，腫瘤學，考古學以及法醫(yī)學等許多領域。對基因克隆、DNA系列分析等現(xiàn)代分子生物學技術的發(fā)展起到了很大的推動作用。傳統(tǒng)的PCR熱循環(huán)儀器DNA樣品反應器體積較大，一般在50微升以上，所需要的樣品量較大，同時所需的昂貴的酶試劑較多，由于反應器的體積大，相應的熱容量大，加熱和降低溫度的時間就長，因此工作效率較低。特別是易引起污染，急需改進。MEMS(微電子機械系統(tǒng))是近十多年來發(fā)展起來的新技術，它是指可以用微電子微機械等批量加工工藝制造的集微執(zhí)行器、微傳感器、集成電路等部件于一體的微機電系統(tǒng)。其特點是體積小，性能穩(wěn)定，可批量生產(chǎn)，因而成本低，性能一致性好。儀器的微型化是MEMS技術應用對象中最具有發(fā)展前景的例子之一，即所謂的芯片上的實驗室。
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)技術的不足，利用MEMS技術制作DNA-PCR生物芯片，利用先進的微控制器設計微型熱循環(huán)器，做到大大提高DNA擴增的效率，實現(xiàn)快速、廉價的檢測。同時芯片可以一次性使用，避免DNA分子的污染。
按照本發(fā)明的一方面，一種DNA-PCR生物芯片，在硅片上刻蝕出一個微腔(1)作為反應器，在腔的相對的兩邊刻蝕有進樣流通槽(2)，硅片的上面是玻璃蓋板(3)，蓋板上有兩個進樣孔(4)，其位置分別對應硅片上的兩個進樣流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是鉑薄膜加熱子(6)和溫度傳感器(7)。
按照本發(fā)明的另一方面，一種使用DNA-PCR生物芯片的微型熱循環(huán)器，包括數(shù)據(jù)存儲電路(22)、時鐘電路(23)、基準電源電路(24)與單片機、傳感器前級放大電路(14)和溫度標定電路(19)，各電路部分還與供電電路(25)相連，鉑溫度傳感器前級放大電路(14)把溫度變?yōu)殡妷海?jīng)過A/D變換(15)連接單片機(16)，通過程序控制單片機(16)控制脈寬調制(PWM)電路(17)，連接加熱子功率電路(18)給加熱子(6)加電壓對DNA-PCR生物芯片進行升、降溫度控制，微型熱循環(huán)器還有溫度標定電路(19)、數(shù)字顯示器(20)、按鍵(21)連接單片機(16)。
本發(fā)明進行DNA的擴增反應時，把注入樣品的生物芯片插入熱循環(huán)器中，通過程序設定即可開始PCR反應。DNA-PCR生物芯片及熱循環(huán)器提供了一種快速、低廉、有效的DNA擴增手段。


圖1為本發(fā)明的芯片結構圖。圖中1-反應室，2-進樣槽，3-玻璃蓋板，4-進樣孔，5-氮化硅薄膜，6-加熱子，7-溫度傳感器。
圖2為本發(fā)明的DNA-PCR生物芯片結構圖。圖中8-芯片，9-PCB，10-金屬焊盤。
圖3為本發(fā)明的DNA-PCR生物芯片與微型熱循環(huán)器連接的結構圖。
圖中11-導軌，12-生物芯片，13-彈簧片。
圖4為微型熱循環(huán)器實施線路原理方框圖。
下面結合附圖描述本發(fā)明的具體實施方案。如
圖1到圖3所示，本發(fā)明的DNA-PCR生物芯片與微型熱循環(huán)器分兩部分芯片和儀表。芯片是在雙面拋光的硅片上采用MEMS技術制作微腔，作為例子制出一個面積為4mm×2mm的反應室，體積約2微升；沿長邊的方向在中線上，反應室的兩邊刻蝕有寬0.5mm×深0.2mm×長1mm的進樣槽；整個芯片尺寸為8mm×4mm。上面鍵合有玻璃蓋板，蓋板上對應硅片上兩個進樣槽開有兩個直徑為0.5mm的進樣孔。硅片的下面是厚度為2微米的氮化硅薄膜，構成了反應室的底。氮化硅薄膜的下面為濺射的鉑金加熱子和溫度傳感器以及金壓焊塊，溫度傳感器和加熱子的電阻在冰點(0℃)大約為100Ω。
本發(fā)明的微型熱循環(huán)器微控制器采用低功耗的PIC16C73單片機，它包含了A/D轉換電路、PWM電路；外圍電路有2×16字符型液晶顯示器，X25043數(shù)據(jù)存儲器，DS1302時鐘發(fā)生器，線性放大器，光電隔離電路等。電路原理框圖如圖4所示。
本發(fā)明的測試儀具有如下特點1.在硅片或玻璃上制作的DNA-PCR生物芯片具有微升或納升量級的反應腔，同時集成了加熱子和溫度傳感器，構成了一個較完整的功能集成芯片；進行DNA-PCR反應時所需的樣品少，消耗的酶等各種試劑少，反應速度快，節(jié)省時間。生物芯片可以一次性使用，避免污染。
2.本發(fā)明是一種快速、簡潔的DNA-PCR反應器，芯片采用MEMS技術批量生產(chǎn)。
3.本發(fā)明的控制測試線路簡單，由單片機微控制器控制實現(xiàn)了PCR反應過程的程序化、智能化，只要打開電源就可測試；整個儀表成本很低，體積較小，也是一種便攜式儀器。
權利要求
1.一種DNA-PCR生物芯片，其特征在于在硅片上刻蝕出一個微腔(1)作為反應器，在腔的相對的兩邊刻蝕有進樣流通槽(2)，硅片的上面是玻璃蓋板(3)，蓋板上有兩個進樣孔(4)，其位置分別對應硅片上的兩個進樣流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是鉑薄膜加熱子(6)和溫度傳感器(7)。
2.按權利要求1所述的芯片，其特征在于所述的反應器是方形、長方形或圓形。
3.按權利要求1所述的芯片，其特征在于還包括封裝的DNA-PCR生物芯片結構硅芯片(8)嵌入一塊印刷電路板(PCB)(9)中間；PCB板上有金屬引線焊盤(10)，用于與硅芯片(8)的加熱子(6)和溫度傳感器(7)電連接，同時用于與溫度檢測電路和加熱子功率電路的電連接。
4.按權利要求3所述的芯片，其特征在于還包括在PCB板上設計有兩個導軌(11)，可以把DNA-PCR生物芯片(12)插入，PCB板上有四個彈簧片(13)，保證和DNA-PCR生物芯片電接觸。
5.一種使用DNA-PCR生物芯片的微型熱循環(huán)器，包括數(shù)據(jù)存儲電路(22)、時鐘電路(23)、基準電源電路(24)與單片機、傳感器前級放大電路(14)和溫度標定電路(19)，各電路部分還與供電電路(25)相連，其特征在于鉑溫度傳感器前級放大電路(14)把溫度變?yōu)殡妷?，?jīng)過A/D變換(15)連接單片機(16)，通過程序控制單片機(16)控制脈寬調制(PWM)電路(17)，連接加熱子功率電路(18)給加熱子(6)加電壓對DNA-PCR生物芯片進行升、降溫度控制，微型熱循環(huán)器還有溫度標定電路(19)、數(shù)字顯示器(20)、按鍵(21)連接單片機(16)。
6.按權利要求5所述的微型熱循環(huán)器，其特征在于所述的生物芯片包括在硅片上刻蝕出一個微腔(1)作為反應器，在腔的相對的兩邊刻蝕有進樣流通槽(2)，硅片的上面是玻璃蓋板(3)，蓋板上有兩個進樣孔(4)，其位置分別對應硅片上的兩個進樣流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是鉑薄膜加熱子(6)和溫度傳感器(7)。
7.按權利要求6所述的微型熱循環(huán)器，其特征在于所述的反應器是方形、長方形或圓形。
8.按權利要求6所述的微型熱循環(huán)器，其特征在于還包括封裝的DNA-PCR生物芯片結構硅芯片(8)嵌入一塊印刷電路板(PCB)(9)中間；PCB板上有金屬引線焊盤(10)，用于與硅芯片(8)的加熱子(6)和溫度傳感器(7)電連接，同時用于與溫度檢測電路和加熱子功率電路的電連接。
9.按權利要求8所述的微型熱循環(huán)器，其特征在于還包括在PCB板上設計有兩個導軌(11)，可以把DNA-PCR生物芯片(12)插入，PCB板上有四個彈簧片(13)，保證和DNA-PCR生物芯片電接觸。
全文摘要
DNA－PCR生物芯片及微型熱循環(huán)器主要由兩大部分組成。一部分是由MEMS工藝在硅片上制作的微井式反應室、集成鉑電阻加熱子和溫度傳感器于一體,并且封裝在PCB板上構成的生物芯片;另一部分是由前級信號處理電路,單片機,顯示器等組成的微型熱循環(huán)器。進行DNA的擴增反應時,把注入樣品的生物芯片插入熱循環(huán)器中,通過程序設定即可開始PCR反應。DNA－PCR生物芯片及熱循環(huán)器提供了一種快速、低廉、有效的DNA擴增手段。
文檔編號C12Q1/68GK1368555SQ0110368
公開日2002年9月11日 申請日期2001年2月9日 優(yōu)先權日2001年2月9日
發(fā)明者趙湛, 崔大付, 于中堯, 王利 申請人:中國科學院電子學研究所