CN108220412B - 一种基因测序基板及其制备方法、基因测序装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基因测序基板及其制备方法、基因测序装置,属于基因测序技术领域,其可解决现有的高通量测序芯片制作成本高的问题。本发明的基因测序基板是以塑性材料为衬底,在塑性的面上形成内凹结构作为反应池。由于衬底具有可塑性,这样可以采用简单的工艺形成内凹结构,降低基因测序基板的生产成本。同时,在内凹结构的内壁上增设第一保护层的作用是:保护塑性材料形成的内凹结构的内壁,防止内凹结构的内壁被反应液腐蚀。本发明的基因测序装置是通过将反应池、微流道、进样口和出样口等集成到第一基板和第二基板上从而对液体进行检测,其集成度非常高,所需的测试样品和反应试剂都非常少,然而其检测反应速度快,便于高通量测试等。
Description
技术领域
本发明属于基因测序技术领域,具体涉及一种基因测序基板及其制备方法、基因测序装置。
背景技术
基因测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术,从1977第一代基因测序发展至今,基因测序技术取得了相当大的发展。其中,基因测序技术的发展过程包括:第一代sanger测序技术,第二代高通量测序技术,第三代单分子测序技术,***纳米孔测序技术;目前市场主流的测序技术仍以第二代高通量测序为主。
第二代高通量测序技术主要包括Illumina的边合成边测序技术,Thermo Fisher的离子半导体测序技术、连接法测序技术和Roche的焦磷酸测序技术等。
目前市场主流二代高通量测序芯片为纳米井测序芯片,占据市场80%以上的份额。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题:现有测序芯片的基因测序基板如图1所示,是以玻璃为衬底,直接在玻璃上形成纳米井。其中,在硬质的玻璃衬底上形成纳米井,需要使用光刻胶进行保护,通过纳米压印形成图案后进行干法刻蚀,形成纳米井后再去除光刻胶。这样制备工艺复杂,制作成本较高,很难被普通消费者承受,故需开发可降低测序成本的其它芯片进行替代。
发明内容
本发明针对现有的高通量测序芯片制作成本高的问题,提供一种基因测序基板及其制备方法、基因测序装置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是:
一种基因测序基板,包括由塑性材料形成的衬底,所述衬底的一面上设有内凹结构,所述内凹结构为基因测序的反应池;所述内凹结构的内壁上设有第一保护层。
优选的是,所述塑性材料包括PMMA、PDMS、PET中的任意一种或几种。
优选的是,所述反应池的尺寸为10nm-100μm。
优选的是,所述第一保护层的材料包括透明金属氧化物;所述透明金属氧化物包括ITO、IZO、TaOx、HfOx中的任意一种或几种。
本发明还提供一种基因测序基板的制备方法,包括以下制备步骤:
直接在塑性材料的一面上形成内凹结构,所述内凹结构为基因测序的反应池;
在所述内凹结构内壁形成第一保护层。
优选的是,所述直接在塑性材料的一面上形成内凹结构包括采用纳米压印工艺形成;
所述形成内凹结构之前还包括将塑性材料进行加热以使塑性材料软化的步骤;
形成内凹结构之后还包括将塑性材料冷却的步骤。
优选的是,所述直接在塑性材料的一面上形成内凹结构包括采用曝光刻蚀工艺形成。
本发明还提供一种基因测序装置,包括相对设置的第一基板和第二基板,所述第一基板为上述的基因测序基板。
优选的是,所述第二基板上设有与内凹结构连接的进样口和出样口。
优选的是,所述第二基板上设有微流道,用于连接内凹结构与进样口或出样口,所述微流道内壁具有金属氧化物第二保护层。
本发明的基因测序基板是以塑性材料为衬底,在塑性的面上形成内凹结构作为反应池。由于衬底具有可塑性,这样可以采用简单的工艺形成内凹结构,降低基因测序基板的生产成本。同时,在内凹结构的内壁上增设第一保护层的作用是:保护塑性材料形成的内凹结构的内壁,防止内凹结构的内壁被反应液腐蚀。本发明的基因测序装置是通过将反应池、微流道、进样口和出样口等集成到第一基板和第二基板上从而对液体进行检测,其集成度非常高,所需的测试样品和反应试剂都非常少,然而其检测反应速度快,便于高通量测试等。
附图说明
图1为现有的基因测序基板的的制备流程示意图;
图2为本发明的实施例1的基因测序基板的结构示意图;
图3、图4为本发明的实施例2的基因测序基板的结构示意图;
图5、图6为本发明的实施例5的基因测序装置的结构示意图;
图7为本发明的实施例3的基因测序基板的制备方法流程图;
其中,附图标记为:1、玻璃;2、纳米井;3、光刻胶;51、衬底;52、内凹结构;53、第一保护层;6、第二基板;61、微流道;62、进样口;63、出样口。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1:
本实施例提供一种基因测序基板,如图2所示,包括由塑性材料形成的衬底51,所述衬底51的一面上设有内凹结构52,所述内凹结构52为基因测序的反应池;所述内凹结构52的内壁上设有第一保护层53。
本实施例的基因测序基板是以塑性材料为衬底51,在塑性的面上形成内凹结构52作为反应池(也可称为纳米井)。其中塑性材料是指:在外力作用下,虽然产生较显著变形而不被破坏的材料。由于衬底51具有可塑性,这样可以采用简单的工艺形成内凹结构52,降低基因测序基板的生产成本。同时,在内凹结构52的内壁上增设第一保护层53的作用是:保护塑性材料形成的内凹结构52的内壁,防止内凹结构52的内壁被反应液腐蚀。
实施例2:
本实施例提供一种基因测序基板,如图3、图4所示,包括由塑性材料形成的衬底51,所述衬底51的一面上设有内凹结构52,所述内凹结构52为基因测序的反应池;所述内凹结构52的内壁上设有第一保护层53。其中,第一保护层53可以如图2所示是整层保护层,也可以如图3的截面所示,仅仅在用于与反应液接触的位置处设置,以节省材料。
作为本实施例中的一种可选实施方案,所述塑性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的任意一种或几种。
也就是说,有现有技术中的刚性的玻璃衬底51不同,本实施例中选用塑性聚合物材料作为衬底51,相较于玻璃衬底51,塑性聚合物衬底51更容易加工出内凹结构52,有效降低的衬底51的成本。
需要说明的是,本实施例中的塑性材料还包括柔性材料,即衬底51还可以由柔性材料构成。其中,柔性(也可称为挠性)材料与刚性彩料相对,其受力后变形,作用力失去之后物体自身不能恢复原来形状,例如聚酰亚胺薄膜(PI)或聚酯薄膜与铜箔复合而成的材料等。
在一个实施例中,所述反应池的尺寸为10nm-100μm。
具体的,本实施例中反应池的横截面的尺寸范围可以是10-1000nm或者1-100μm,其中,当反应池的横截面的尺寸较小时,通常可将反应池称为纳米井,当反应池的横截面的尺寸为1-100μm时,通常可将反应池称为微米井。
在一个实施例中,所述第一保护层53的材料包括透明金属氧化物;所述透明金属氧化物包括ITO、IZO、TaOx、HfOx中的任意一种或几种。
也就是说,第一保护层53可以是一层透明薄膜,透明薄膜的材料选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化钽(TaOx)、氧化铪(HfOx)。
可以理解的是,在本实施例对应的附图中,附图所示各结构层的大小、厚度等仅为示意。在工艺实现中,各结构层在衬底51上的投影面积可以相同,也可以不同;同时,附图所示结构也不限定各结构层的几何形状,例如可以是附图所示的矩形,还可以是梯形,或其它刻蚀所形成的形状,同样可通过刻蚀实现。
实施例3:
本实施例提供一种基因测序基板的制备方法,如图7所示,包括以下制备步骤:
S01、将塑性材料进行加热以使塑性材料软化;其中,该步骤中的实际加热温度可以参考材料的玻璃化转变温度。塑性材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的任意一种或几种。该步骤中的加热的作用是使得塑性材料***,从而对其表面进行变形以形成内凹结构52。具体的加热温度,可以根据不同材料的选择进行改变。
S02、采用纳米压印工艺直接在塑性材料的一面上形成内凹结构52,所述内凹结构52为基因测序的反应池;
纳米压印是采用绘有纳米图案的刚性压模将塑性材料的表面压出纳米级图形,从而形成纳米结构即内凹结构52。纳米压印可以大批量重复性地在大面积的塑性材料表面上制备纳米图形结构,并且所制出的图案具有相当好的均匀性和重复性。具有制作成本极低、简单易行、效率高等优点。
S03、将塑性材料冷却;
为了方便步骤S02中快速的形成内凹结构52,步骤S01中进行了加热,为了使得基因测序基板更加牢固,在该步骤中将塑性材料冷却至室温。
S04、在所述内凹结构52内壁形成第一保护层53。
本发明的塑性材料(柔性有机衬底51)的耐化学试剂腐蚀能力较弱,因此,本实施例中在内凹结构52内壁增加保护层。具体的,在纳米井及衬底51表面沉积一层金属氧化物保护层,保护层材料主要为透明金属氧化物,例如ITO、IZO、TaOx、HfOx等。
实施例4:
本实施例提供一种基因测序基板的制备方法,其与实施例3的制备方法类似,其与实施例3的区别在于,本实施例采用曝光刻蚀工艺直接在塑性材料的一面上形成内凹结构。
本实施例中采用曝光刻蚀工艺在塑性材料表面形成1~100μm的微米井,该微米井的结构与实施例2的纳米井的结构类似一致。微米井虽然测序通量较纳米井稍低,但测序原理相同;同时本实施例的微米井形成工艺成本较低,可实现量产。
实施例5:
本实施例提供了一种基因测序装置,如图5、图6所示,包括相对设置的第一基板和第二基板6,所述第一基板为上述的基因测序基板。
其中,图5为本实施例基因测序装置的截面图,图6为基因测序装置的侧视示意图。本实施例对应的附图5中显示了:第二基板6设于第一基板上方,第一基板包括由塑性材料形成的衬底51,所述衬底51的一面上设有内凹结构52,所述内凹结构52为基因测序的反应池;所述内凹结构52的内壁上设有第一保护层53。
具体的,所述第二基板6上设有与内凹结构52连接的进样口62和出样口63。
作为本实施例中的一种可选实施方案,所述第二基板6上设有微流道61,用于连接内凹结构52与进样口62或出样口63,所述微流道61内壁具有金属氧化物第二保护层。
其中,进样口62和出样口63均与微流道61联通,这样,可通过进样口62加入各种用于基因测序的试剂,出样口63用于各种废液和试剂的排出。需要说明的是,本实施例的进样口62和出样口63的形状并不限于图5中所示的形状,进样口62和出样口63的形状和尺寸可以根据实际情况进行改变。
本实施例的基因测序装置是通过将反应池、微流道61、进样口62和出样口63,以及生化反应单元(图中未示出),或其他所需要的功能单元集成到第一基板和第二基板6上,其集成度非常高,且尺度可以为微米级或者纳米级,故所需的测试样品和反应试剂都非常少,然而其检测反应速度快,便于高通量测试等。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基因测序基板,其特征在于,包括:由塑性材料形成的衬底,所述衬底的一面上设有内凹结构,所述内凹结构为基因测序的反应池;所述内凹结构的内壁上设有第一保护层,其中,所述第一保护层是整层保护层,或,第一保护层是在与反应液接触的位置处设置的膜层;
所述第一保护层的材料为透明金属氧化物;
所述反应池的横截面的尺寸范围是10-1000nm或者1-100μm。
2.根据权利要求1所述的基因测序基板,其特征在于,所述塑性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基因测序基板,其特征在于,所述透明金属氧化物包括氧化铟锡、氧化铟锌、氧化钽、氧化铪中的任意一种或多种。
4.一种基因测序基板的制备方法,其特征在于,包括:以下制备步骤:
直接在塑性材料的一面上形成内凹结构,所述内凹结构为基因测序的反应池;
在所述内凹结构内壁形成第一保护层,其中,所述第一保护层是整层保护层,或,第一保护层是在与反应液接触的位置处设置的膜层;
所述第一保护层的材料为透明金属氧化物;
所述反应池的横截面的尺寸范围可以是10-1000nm或者1-100μm。
5.根据权利要求4所述的基因测序基板的制备方法,其特征在于,所述直接在塑性材料的一面上形成内凹结构采用纳米压印工艺形成;
所述形成内凹结构之前还包括将塑性材料进行加热以使塑性材料软化的步骤;
形成内凹结构之后还包括将塑性材料冷却的步骤。
6.根据权利要求4所述的基因测序基板的制备方法,其特征在于,所述直接在塑性材料的一面上形成内凹结构采用曝光刻蚀工艺形成。
7.一种基因测序装置,其特征在于,包括相对设置的第一基板和第二基板,所述第一基板为权利要求1-3任一项所述的基因测序基板;
所述第二基板上设有微流道,用于连接内凹结构与进样口或出样口,所述微流道内壁具有金属氧化物第二保护层。
8.根据权利要求7所述的基因测序装置,其特征在于,所述第二基板上设有与内凹结构连接的进样口和出样口。
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