智能傳感器系統(tǒng)-新興技術(shù)及其應(yīng)用-第6章1課件

5b-6a主編5b-6a5.3模式匹配5.4力反饋5.5實(shí)驗(yàn)樣機(jī)5.6總結(jié)第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.1引言6.2DNA芯片的基本工作原理和應(yīng)用6.3芯片修飾6.4CMOS集成6.5電化學(xué)讀出技術(shù)5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.1引言近年來(lái),用于檢測(cè)生物分子(如DNA片斷或蛋白

質(zhì)分子)的電子器件芯片,尤其是基于CMOS工藝

的芯片引起了廣泛的關(guān)注。與目前采用最先進(jìn)

技術(shù)的商用檢測(cè)技術(shù),如基于光讀出原理的技術(shù)

手段相比,CMOS生物芯片技術(shù)表現(xiàn)出更大的潛5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片在優(yōu)勢(shì)。將傳感器與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)

固態(tài)芯片上,保證了信號(hào)完整性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系

統(tǒng)高可靠性工作,并可以使得信號(hào)在相同的電學(xué)

形態(tài)下進(jìn)行傳輸和后處理。同時(shí),考慮到不同的

應(yīng)用場(chǎng)景,為進(jìn)一步降低系統(tǒng)總成本、增加其靈

活性開(kāi)辟了新的途徑。本章從工程師的視角介

紹基于CMOS技術(shù)的生物芯片,包括芯片的基本5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片工作原理、功能化技術(shù)以及不同的探測(cè)原理。

重點(diǎn)闡述了CMOS集成技術(shù)及其相關(guān)工藝技術(shù),

以及CMOS電路設(shè)計(jì)需求。在最后部分,將介紹

一系列公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中所涉及的具體案例。6.2DNA芯片的基本工作原理和應(yīng)用在集中討論DNA芯片之前,我們首先回顧幾個(gè)5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片非常重要的微生物術(shù)語(yǔ)和定義。5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.1a)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的幾何圖形參數(shù)示意圖b)骨架(單個(gè)鏈)的化學(xué)結(jié)構(gòu)c)4個(gè)DNA堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu):腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.2DNA芯片的基本工作原理示意圖a)帶有一定數(shù)量測(cè)試位置區(qū)域的生物芯片,每個(gè)測(cè)試位置點(diǎn)包含不同種類的測(cè)試示蹤分子

b')和b″)帶有不同示蹤分子的測(cè)試位置點(diǎn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),這里顯示的示蹤分子只有5個(gè)堿

基。不同的堿基也以不同的特征符號(hào)區(qū)別強(qiáng)調(diào)表示c')和c″)雜交階段,包含靶分子的樣

品溶液應(yīng)用于整個(gè)芯片。在有匹配的DNA鏈(c')的情況下將會(huì)發(fā)生雜交。而在分子(c″)失

配的情況下不發(fā)生化學(xué)結(jié)合d')和d″)經(jīng)過(guò)清洗工藝步驟后的芯片5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.3DNA芯片的整個(gè)工作流程5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.3芯片修飾多種不同的方法被用來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行修飾。如圖

6.4a所示,介紹了不同的修飾技術(shù)和相關(guān)示蹤分

子分析技術(shù)的關(guān)系,而每個(gè)芯片上靶示蹤分子數(shù)

量與敏感程度緊密相連。采用了與圖6.4a相對(duì)應(yīng)

的水平坐標(biāo)圖、圖6.4b中顯示了不同示蹤點(diǎn)密5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片度對(duì)應(yīng)的相關(guān)DNA芯片應(yīng)用領(lǐng)域。就圖6.4中提

到的修飾技術(shù)而言,當(dāng)今,兩種最主流的技術(shù)是采

用片外合成示蹤分子[15,16]的微標(biāo)定技術(shù)和光控機(jī)

理下芯片上原位生長(zhǎng)示蹤分子技術(shù)[17,18]。5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.4a)概況圖顯示了不同的芯片修飾技術(shù)和相關(guān)示蹤分子分析技術(shù)之間的關(guān)系,而每個(gè)

芯片上靶示蹤分子數(shù)量反映了此關(guān)聯(lián)緊密程度b)采用密度表征關(guān)聯(lián)程度的DNA芯片應(yīng)

用領(lǐng)域圖(a)和b)采用相同的水平坐標(biāo)軸)5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.4CMOS集成固態(tài)CMOS芯片需要與生物液體環(huán)境之間交互

作用,常常要求在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝之外,通過(guò)采

取特殊的工藝,以制備出傳感器、相關(guān)材料和生

物兼容性鈍化層。例如,工作在CMOS電路上的

電化學(xué)原理芯片或之前所討論過(guò)的使用電子控5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片制修飾的芯片,都需要使用貴金屬電極。特別是,

在一種知名的、并且經(jīng)常使用的電化學(xué)系統(tǒng)中

需要經(jīng)常采用金(Au)材料,但在CMOS量產(chǎn)生產(chǎn)

線上直接加工此類材料是不可行的,因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)

致工藝污染問(wèn)題,從而對(duì)CMOS器件的性能和產(chǎn)

量產(chǎn)生重大影響。5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.5在CMOS晶圓上制作提供叉指金電極的CMOS后處理工藝流程示意圖5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.6本章參考文獻(xiàn)[23]中采用擴(kuò)展CMOS技術(shù)的掃描電鏡照片a)全部制作工藝完成后,傳感器金電極和CMOS單元的截面掃描電鏡照片(注意傳感器上層

的氮化硅層只是用于保護(hù)目的)b)互相叉指金電極傳感器的俯視圖(傳感器電極的寬度和

間距是1μm)5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.7金制作加工后,在不同退火條件下,插圖電路的電流增益偏差隨輸入測(cè)試電流的變化關(guān)系,測(cè)試電流在1nA時(shí)的結(jié)果做了歸一化處理5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片表6.1金加工后在不同溫度退火條件下,金和鋁-2導(dǎo)線的方塊電阻、通孔電阻和晶體管的柵氧化層界面態(tài)密度5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.8給出了金加工工藝后,傳感器金電極在沒(méi)有退火和不同的溫度退火后的SEM照片[2

3]6.5電化學(xué)讀出技術(shù)如今,大多數(shù)廣泛使用的、采用最新技術(shù)商業(yè)化5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片可用的DNA芯片讀出技術(shù)都是基于光探測(cè)原理[4,

5,18]。如圖6.9所示,在樣品與測(cè)試芯片反應(yīng)前,采

用熒光分子將靶分子進(jìn)行標(biāo)記。5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.9光學(xué)原理DNA探測(cè)示意圖5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.5.1探測(cè)原理現(xiàn)在,各種各樣的電學(xué)方法被用來(lái)進(jìn)行DNA探測(cè)。本節(jié)和

后續(xù)章節(jié)將選擇其中的一些技術(shù)進(jìn)行介紹。由于相當(dāng)數(shù)量

的電讀出技術(shù)采用了電化學(xué)技術(shù)[25],本章我們重點(diǎn)就此展開(kāi)

介紹。接下來(lái)的章節(jié)就非電化學(xué)原理的方法進(jìn)行討論介

紹。1.標(biāo)記探測(cè)原理5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片DNA靶分子攜帶標(biāo)記分子,標(biāo)記分子可以啟動(dòng)并促進(jìn)電化學(xué)反

應(yīng)。2.準(zhǔn)標(biāo)記探測(cè)原理此種原理仍然利用標(biāo)記分子,但是省去了直接進(jìn)行靶分子標(biāo)記的

步驟。3.無(wú)標(biāo)記探測(cè)原理5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片此原理完全避免使用標(biāo)記分子。6.5.1.1庫(kù)倫分析法和循環(huán)伏安法這兩種方法的基本裝置原理示意圖如6.10所示。它由一個(gè)包括

恒電位儀的三電極系統(tǒng)構(gòu)成,恒電位儀的輸出和輸入分別連接到

一個(gè)反向電極和一個(gè)參比電極。這個(gè)穩(wěn)壓電源的作用是用來(lái)控制

電解液的電勢(shì)并使之保持在設(shè)定的條件下。5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.10a)采用三電極配置庫(kù)倫分析法或循環(huán)伏安法探測(cè)系統(tǒng)的基本配置b)適用于陣列工作并行讀出的等效電路圖5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.11電化學(xué)激活標(biāo)記和亥姆霍茲雙層電容共同作用下工作電極電流5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片圖6.12a)和b)庫(kù)倫分析法為例,積分得到電流隨時(shí)間的變化曲線(圖a)、施加在電極上的電壓信號(hào)(圖b),從電壓階躍加載開(kāi)始計(jì)算,時(shí)間窗口范圍從幾微秒到最大幾毫秒范圍,電壓階躍的施加速率為1V/μs的量級(jí)。a)圖中的實(shí)線代表了整個(gè)信號(hào),而虛線描繪電極-電解液的寄生電容的貢獻(xiàn)(置換電流,沒(méi)有縮放)c)和d)伏安循環(huán)分析法為例,測(cè)量電流隨電壓的變化曲線(圖c)和應(yīng)用于電極信號(hào)隨時(shí)間的曲線(圖d),整個(gè)時(shí)間軸的典型的時(shí)間常數(shù)在幾十毫秒到幾秒。圖c中的粗線代表整體信號(hào),而虛線描繪電極-電解液的寄生電容的貢獻(xiàn)(置換電流)5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片6.5.1.2氧化還原反應(yīng)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)理論上需要一個(gè)四電極系統(tǒng),如圖6.13所示[27

-30]。由互相交叉的貴金屬(產(chǎn)生和收集器)電極組成一個(gè)傳感器(見(jiàn)

圖6.13)。示蹤分子固定在兩個(gè)電極上(注意,為簡(jiǎn)化起見(jiàn),圖6.13b的

放大圖只顯示了其上的一條DNA鏈)。樣品中的靶分子通過(guò)酶標(biāo)

記進(jìn)行了標(biāo)記(如堿性磷酸酶)。經(jīng)過(guò)雜交和沖洗階段,之后,將另一

種化學(xué)材料(如帕拉-氨基苯磷酸鈉鹽)添加到電解液樣品中。帶酶

的標(biāo)記,本身對(duì)電化學(xué)反應(yīng)不具活性,可以穿過(guò)添加的基底材料,因5b-6a第6章基于CMOS工藝的DNA生物芯片此,會(huì)在