[发明专利]毛细管电泳-半导体生化传感器联用生化芯片

说明书

毛细管电泳‑半导体生化传感器联用生化芯片，是一种以PDMS为基质的生化芯片，PDMS基质内嵌有石英毛细管作为电泳通道，被测溶液在电泳电压作用下由进样池、经过检测池、最后到达废液池的电泳运动，由于被测溶液中的不同组分具有不同的电荷和分子质量，在相同的电泳电压作用下具有不同的速度，从而使其先后到达检测池，被检测池底部的半导体生化传感器检测，形成电信号被外电路采集。本发明中采用的半导体生化传感器属于电化学检测技术的一种，兼具半导体器件全固态化、高通量、小型化、低成本的优势，可解决毛细管电泳与检测技术联用的全芯片化问题。

【技术领域】本发明属于半导体生化传感器的器件设计领域。

【背景技术】本发明的理论基础为毛细管电泳、半导体生化传感器原理。

1、半导体生化传感器工作原理简介

半导体生化传感器是一种以半导体器件表面电场效应、光电效应等为基础的生化敏感器件，主要有两种类型：场效应晶体管型生化传感器(field effect transistorsensors，FETs)、光寻址电位传感器(Light Addressable Potensiometric Sensor,LAPS)。其原理简要说明如下：

1)FETs于1970年被Bergveld等人^[1]首先提出，其器件结构示意图，如图1所示，其工作原理可简述为：当参比电极7上施加固定电压(简称栅压，V_G)，且源极1和漏极2之间施加稳定电压(简称源漏电压，V_DS)时，半导体衬底3与二氧化硅层4之间形成源极1和漏极2之间导电通道，形成源极和漏极间的电流(简称源漏电流，I_DS)，I_DS大小与敏感膜5捕获被测溶液6中特定生物化学物质相关，从而实现生化物质的检测。

2)LAPS于1988年首次研制^[2]，其器件结构示意图，如图2所示。LAPS是一种基于光电转换机制的生化传感器：当半导体衬底3在光源9照射、以及参比电极7施加稳定偏置电压V_G的共同作用下，将在对电极8和工作电极10之间形成光电流I_PHO。在光源9的强度、频率、V_G等工作条件都不变的情况下，I_PHO大小与敏感膜5捕获被测溶液6中特定生物化学物质相关，从而实现生化物质的检测。

最后，为实现对生化量的测量，特定的生化量敏感膜固定于空间电荷区的某一侧，敏感膜与被测生化量反应前后，将产生表面电荷量或电势的变化，在外加偏置电压一定的情况下，形成对空间电荷区电场的调制；在光源也一定的情况下，反应前后空间电荷区电场的变化，将引起输出信号的改变，从而实现对生化量的测量。

2、毛细管电泳基本原理

毛细管电泳(Capillary Electrophoresis，CE)是一种对液相混合样本中各组分进行快速分离的技术，其基本原理为：当毛细管电泳电极12-1和12-2之间施加电泳电压V_CE时，被测溶液6在电场力作用下形成有进样池13至废液池14的电泳运动；由于被测溶液6中不同组分具有不同的电荷量、分子质量，因此这些组分在毛细管11内具有不同的迁移速度，从而将被测溶液6中各组分快速分离，供后续测量使用。CE技术与现代检测技术的联用是当前的研究热点^[3]，这种毛细管电泳联用技术有效的提高了原有检测技术的分辨率、分析速快、分离模式，同时降低了样品用量和实验成本。

传统毛细管电泳采用内径为微米量级的石英管作为毛细管11，随着现代微加工技术的发展，毛细管电泳芯片逐渐成为主流趋势，通过在固态芯片上制作微米量级的通道、样本池、反应池，实现微量样本的快速分离，是一种多功能化的快速、高效和低耗的微型实验装置。

3、本发明的提出