技术与应用
生命科学仪器 2013 第11卷/12月刊
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微阵列芯片是指由生物材料微阵列构成的芯片，工作原理基于生物分子间的亲和结合，如核酸分子的碱基配对作用、抗原抗体的结合作用。包括基因芯片、蛋白质芯片等。微阵列芯片以高密度、可寻址的微探针阵列为特征，从而实现生物样品的高通量检测[1～3]。 传统微阵列芯片制作方法备主要有两种方法：原位合成与合成后点样。以DNA 为例，原位合成是指利用光导合成的方法在载体表面逐个合成寡核苷酸；合成后点样可以将已经合成好的DNA 寡聚体或者较长的片段固定到载体上制成DNA 芯片，其中的载体包括琼脂糖、多聚赖氨包被的玻璃基片或者氨基、醛基等化学基团修饰的玻璃基片，依靠分子相互作用力或化学键完成探针的固定[4～7]。但上述方法制作的微阵列芯片的一个明显劣势是在生物样品与探针进行相互作用时，容易造成检测信号的交叉污染，从而造成检测的误差。我们期望微阵列通过一定的物理隔离，减少探针之间的交叉污染和检测信号的交叉污染，减少后期信号图像处理的难度，从而提高生物样品检测的精度与灵敏度。 MEMS （Micro-Electro-Mechanic System ）技术是指在几厘米以下乃至微米、纳米的尺度下，对材料
进行微机电加工，实现功能器件的集成，具有微型化、集成化、功耗低、性能好、成本低的特点。MEMS 涉及物理学、化学、光学、
* 作者简介：张从晓，男，北京理工大学生命学院在读博士，主要从事生物芯片的制作和研究。
地址：北京理工大学生命学院，邮编：100081，E-mail：zhangcx532@139
摘要 本论文主要利用MEMS 技术进行了聚二甲基硅氧烷（PDMS ）与光胶两种材质的微阵列生物芯片的研究，研制了不同材料、不同规格的微阵列生物芯片。本研究一方面为生物样品在微阵列芯片的测定提供平台，另一方面为微阵列芯片与微流控芯片的系统整合提供支撑，为实现生物样品的自动化、集成化、小型化奠定基础。关键词 MEMS ；微阵列；生物芯片 基于MEMS 技术的微阵列生物芯片研制
张从晓，吕雪飞，庆宏*，邓玉林*
（北京理工大学生命学院，北京 100081）
Abstract: In this paper, microarray biochip was fabricated using MEMS technology. A variety of materials and patterns were taken into consideration to evaluate the possible effects in the experime
nt. This study provided a platform for biological samples determination in microarray assay. On the other hand, it is helpful for system integration of microarray and micro fl uidic chip to provide support for the realization of automation, integration, miniaturization of analytical device for biological samples.Key Words: MEMS; Microarray; Biochip
Microarray Chip Development Based on MEMS
Zhang Congxiao, Lv Xuefei, Qing Hong, Deng Yulin *
(School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China )
医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，最初在电子信息领域得到极大发展，近年来为系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。
本论文主要利用MEMS 技术进行了聚二甲基硅氧烷（PDMS ）与光胶两种微阵列生物芯片的研究，目的在于解决上述微阵列芯片检测的交叉污染问题，并为微阵列芯片与微流控芯片的系统整合打下基础。
1 材料和方法
1.1 仪器与试剂
仪器包括匀胶-烘胶一体机（北京金盛微纳公司）、紫外光刻机（上海学泽光学机械有限公司）、体式显微镜（北京视界通仪器有限公司）、CMOS 摄像头（北京视界通仪器有限公司）、超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、数显恒温加热板（德国IKA ）、纯水仪（美国Merck Millipore ）等。
试剂耗材包括：匀胶铬版（长沙韶光铬版有限公司）、NOV81光胶（Norland Products Inc.）；浓硫酸、乙醇、丙酮等液体化学试剂均为分析纯级别，购自北京化学试剂公司。
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曲嘉瑞
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1.2 实验方法 1.
2.1 PDMS 芯片
首先利用硅片与光刻胶进行芯片模具的制作。对硅片进行预处理，将单晶硅用去污剂、去离子水清洗干净，氮气吹干，然后用Piranha 洗液加热煮沸15min ，用去离子水水清洗，氮气吹干；接着进行甩胶：在避光条件下，利用匀胶烘胶一体机进行甩胶，使光胶均匀覆盖于硅片之上，通过前烘的步骤，使硅片上的光胶干燥固定；第三步在避光条件下进行光刻，将掩膜上的图案转移到光刻胶上，进行中烘操作使光胶上的图案进一步坚固；第四步进行显影，利用显影液将未固化的光胶洗掉，从而使光胶在硅片上形成所需的图案，进行后烘进一步坚固图案；最后利用硅烷化试剂将硅片硅烷化，从而得到所需要的芯片模具。 PDMS 浇筑实现模塑过程。将PDMS 、固化剂以一定的比例混合，搅拌均匀，除尽混合液中的气泡；模具放于带有围堰的铝板中间，将PDMS 混合液缓慢倒入，防止气泡的产生；放入中空干燥箱中，加热至其固化。在超净台上，用镊子将PDMS 从模具上揭下，并利用打孔器按照微阵列图案模式，形成PDMS 微阵列层。
将PDMS 层、玻璃基底分别用用乙醇洗净，氮气吹干，放入等离子清洗机中进行表面杂质的去除，并实现两种材料接触表面的活化。待活化完成后，将玻璃和PDMS 迅速键合，按压成型。1.2.2 光胶芯
片NOA81
将带有微阵列图案的掩膜清洗干净，进行剪裁；提前准备好的围堰框固定在载玻片上，将光胶在滴加在掩膜框内，将剪裁好的掩膜覆盖在光胶上，使光胶均匀的固定在框内。用紫外光刻机，形成所需要的图案。光刻完成后，用镊子慢慢将掩膜从载玻片上撕下，撕时确保光胶已黏在载玻片上。
把掩膜框撕掉。用乙醇-丙酮溶液冲洗光胶，将未固化光胶冲洗干净，吹干放置备用。将掩膜框固定在铬板上，固定双层，滴加光胶在框内，用掩膜覆盖光胶并使其均匀。用紫外光刻机光刻，光刻后，慢慢将掩膜和掩膜框撕去，光胶应黏在掩膜上。用乙醇-丙酮溶液冲洗光胶，将未固化的光胶冲洗干净，吹干后剪裁成2份。在显微镜放大视野下，将剪裁后的掩膜光胶对准粘附在载玻片上，光刻后撕去外层掩膜，再将另一掩膜光胶对准粘附在载玻片上，光刻后撕去外层掩膜；用光胶封边，防止泄露。
2 结果与讨论
2.1 PDMS 微阵列芯片
我们首先设计了2.5×2.5英寸的微阵列生物芯片，如图1所示，上层为PDMS ，上面形成2×2的基本阵列，阵列孔径
微波热疗机为10mm
；顶层为玻璃基底。
泥浆比重试验图1 PDMS 芯片三维图（上层为PDMS 微阵列，下层为玻璃基底）
掩膜按上述尺寸打印出所需要的图案，利用MEMS 技术，将掩膜图案转移至模板，在通过模塑过程，从而在PDMS 层形成阵列的形式。然后经过PDMS 层与玻璃基底层的活化，将PDMS 层与玻璃基底键合到一起。在键合过程中，PDMS 与玻璃接触面的洁净度以及等离子技术活化的时间等因素是两者成功键合的基础。芯片实物如图2
所示。
图2 PDMS 芯片实物图（2×2阵列）
在之后利用芯片进行微阵列实验操作时发现，芯片能够实现微阵列形式的样品测定。但是由于芯片尺寸相对于显微镜等检测器来说，聚焦点范围仍然较大，不利于微阵列范围内样品的同时检测。所以我们之后采取分辨率更高的光胶芯片来进行微阵列生物芯片的研制。2.2 光胶微阵列芯片
我们为芯片设计了5×5阵列的掩膜图，如图3所示。由于在微阵列芯片中芯片尺寸、微阵列斑点大小、微阵列斑点之间的距离都会对微阵列芯片测定样品产生影响，所以我们根据整体尺寸、微阵列斑点大小、斑点中间间隔等各个不同因素，设计了4种芯片，如表1所示。
表1 光胶微阵列芯片设计尺寸芯片整体尺寸
斑点直径斑点间隔A 24mm ×24mm 3mm 4.3mm B 24mm ×24mm 2mm 2.76mm C 24mm ×24mm 1mm 3.mm D
12mm ×12mm
1mm
1.43mm
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图3 光胶微阵列芯片掩膜图
（5×5阵列；左上A ；右上B ；左下C ；右下D ）
通过光胶精确定位、累积叠加的方式，将形成微阵列形式的光胶层黏合形成一个有机整体，并将其键合固定到玻璃基底上，形成玻璃片为基底、光胶层形成微阵列的生物芯片，图4显示了4种不同规格的光胶微阵列生物芯片。
图4 光胶微阵列芯片实物图
3 结论
本论文主要利用MEMS 技术进行了PDMS 与光胶两种微阵列生物芯片的研究，以玻璃材料为基底，研制了不同材
料、不同规格的微阵列生物芯片。这部分研究一方面为之后为生物样品在微阵列芯片的测定提供平台，另一方面为微阵列芯片与微流控芯片的系统整合提供支撑，为实现生物样品的自动化、集成化、小型化奠定基础。
参考文献
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兰大获国家自然科学基金项目资助1.15亿元
记者从兰州大学获悉，该校今年获得的国家自然科学基金项目资助经费共有1.15亿元。
兰大今年获得资助的项目共有167项，其中包括国家重大科研仪器设备研制专项2项，国家杰出青年科学基金1项，优秀青年科学基金4项，青年科学基金项目68项等。该校土木工程与力学学院周又和教授主持申报的《极低温-电-磁多环境场超导材料力学性能测试设备研制》以及核科学与技术学院吴王锁教授主持申报的《6.0E12n/s 强流中子发生器及快中子测量系统研制》每项批准经费为850万元，这是自2011年国家重大科研仪器设备研制专项设立以来该校首次获批该项目，也是兰大在重大科研仪器设
备自主研制工作上取得的新进展。攀藤网
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