一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统

技术领域

本发明涉及一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统，属于细胞传感器领域。

背景技术

根据细胞对药物作用的反馈对药物进行筛选，具体有流式细胞、放射免疫、荧光检测、酶联免疫等方法来检测细胞的表达情况，但是这类方法操作复杂、耗时长、需要荧光标记抗体、检测范围有限，不能用单独一个方法完整地描述药物对细胞的激活作用；另外，还有高通量实时荧光检测分析系统（FLIPR）、酵母双杂交技术可以对药物进行筛选，但局限性在于不能在细胞具有生理活性的前提下实时检测药物刺激后细胞的生理活动。

细胞传感器作为一类以活体细胞为一级传感单元、换能器为二级传感单元的器件，具有高灵敏度、低成本、高通量检测等特点，可用于药物筛选等领域的研究。硅纳米线场效应（SiNW-FET）生物传感器已被证明是一种超灵敏的检测平台，可以对生物样品提供实时、快速和无标记的检测。

现有技术中，用硅纳米线场效应传感器对生物样品进行检测时，由于利用微纳加工方法制备的器件整体尺寸较小（源漏之间的距离小于10 mm），滴加液体样品容易造成源极漏极之间短路；通常需要人工滴加，小心将样品滴在栅槽中央位置，避免沾到源极或漏极，而人工滴加造成每次滴加在传感器表面的液体区域不一致，导致细胞接触传感器表面的量不一致，会造成信号的差异。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统，容易控制样品滴加位置，不会造成源极漏极间短路，并且可排除人体静电、气流扰动对测试的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统，包括表面设置有多道栅槽的传感器芯片，所述栅槽两端设置有电极点，所述传感器芯片上盖有贯穿地设置了伸缩探针的压板，所述压板与所述传感器芯片之间夹有弹性围堰，所述弹性围堰位于所述栅槽的两端之间，所述压板上设置有连通所述弹性围堰围合区域的样品口，每一所述伸缩探针向下伸出时，与一个所述电极点电连接。

本申请提供的基于硅纳米线场效应传感器的测试系统利用压板和传感器芯片夹紧弹性围堰，弹性围堰在电极点之间跨过并压迫所有栅槽，压板在上、弹性围堰在侧、传感器芯片在底构成存放样品的腔体，通过样品口进样、出样时，受弹性围堰保护，液体样品不会沾湿电极点，因此无需人工精确对准栅槽位置，只需将输液管插入样品口即可，便于利用注射泵加样；弹性围堰除了实现密封外，还具有一定缓冲作用，保护传感器芯片；利用伸缩探针将需要外接线的位置从精细的传感器芯片转移至压板表面，便于外接线；由于存放样品的腔体利用弹性围堰实现侧面的密封，调整压板与传感器芯片之间的距离可调整存放样品的腔体的体积，伸缩探针可适应压板与传感器芯片之间的不同距离。

进一步地，所述传感器芯片连接在第一PCB板上，所述第一PCB板表面设置有与所述电极点一一对应的第一印刷电路，所述第一印刷电路的一端与所述电极点通过第一引线电连接，另一端连接有设置在所述第一PCB板上的抵触片，所述伸缩探针对准所述抵触片。

电极点包括源极和漏极，为了在传感器芯片上集成多通道，传感器芯片的尺寸较小，通常源极和漏极之间的距离小于10mm，栅槽之间的距离小于0.5mm，源极和漏极的面积也非常小，如果要让伸缩探针直接与电极点接触，则空间有限，较为不便，而且电极点太小，伸缩探针未必能对准。第一印刷电路相当于电极点的延伸，可将抵触片做成大于电极点的金属片，保证伸缩探针的活动端伸出时能准确地与抵触片接触。

进一步地，所述压板包括用于挤压所述弹性围堰的绝缘基板和设置在所述绝缘基板上的第二PCB板，所述伸缩探针的固定端设置在所述第二PCB板上，所述绝缘基板中设有供所述伸缩探针的活动端通过的避位孔，所述第二PCB板表面设置有与所述伸缩探针一一对应的引脚，所述第二PCB板表面设置有第二印刷电路，所述第二印刷电路的一端与所述伸缩探针的固定端连接，另一端与所述引脚连接。

实际测试时需要接外接线，从而连上精密的电流检测仪。一方面，焊接外接线可能会影响伸缩探针内部精细的伸缩结构，另一方面，部分型号的伸缩探针（如双头弹弓针）顶部用于接受按压，故不直接将外接线焊在伸缩探针上，而是利用第二印刷电路与引脚对伸缩探针的电连接进行延伸，将外接线焊在引脚上。还可设置成引脚与引脚之间的距离大于伸缩探针与伸缩探针之间的距离，更加便于连上外接线。

进一步地，所述第二PCB板在所述弹性围堰围合区域的正上方空缺，形成工作窗口，所述绝缘基板在所述工作窗口内开设有样品进孔、样品出孔和液栅电极插入孔，所述工作窗口、所述样品进孔、所述样品出孔和所述液栅电极插入孔构成所述样品口。

细胞传导的信号较微弱，除了滴加样品区域不同会引致测量误差外，光照、气流扰动等因素都会对器件测试信号造成干扰。预先将泵入样品的管插入样品进孔，将排出样品的管插入样品出孔，测量时再将栅电极插入液栅电极插入孔，此时，存放样品的腔体已无能与外界直接接触的部分，可利用绝缘基板隔绝光照、空气气流的干扰。

进一步地，所述第一PCB板上设置有第三印刷电路，所述传感器芯片通过导电胶粘在所述第一PCB板上，以使所述第三印刷电路的一端与所述传感器芯片的底面电连接；所述第三印刷电路的另一端连接有设置在所述第一PCB板上的背栅片，所述压板上还贯穿地设置有伸缩背栅探针，所述伸缩背栅探针对准所述背栅片。

由此可将源极、漏极、背栅都电连接至压板的表面，便于外接导线。对背栅加电压可以控制传感器芯片中衬底的电荷密度，从而影响通道中的电场强度和电流，可以进一步调整通道的阈值电压，从而优化器件性能。

进一步地，所述第一PCB板固定在基座上，所述基座与所述压板可拆卸连接。

进一步地，所述基座上表面设置有引导柱，所述压板上设置有与所述引导柱配合的引导通孔。

进一步地，所述基座上设置有斜台部，所述第一PCB板设置在所述斜台部上，以使所述传感器芯片与水平面形成一定夹角且所述栅槽平行于水平面。

当往存放样品的腔体注入不同体积的样品时，样品能够淹没的栅槽道数不同，通过另接的样品泵控制泵入的样品体积，能够选择栅槽的工作道数，可使多通道场效应传感器以不同的通道数进行测试。

进一步地，所述基座与所述压板通过螺栓连接。

进一步地，所述基座上表面设置有垫块，所述垫块的厚度大于所述第一PCB板与所述传感器芯片两者厚度之和，且小于所述弹性围堰、所述第一PCB板与所述传感器芯片三者厚度之和。

本发明的有益效果是：本发明的测试系统利用压板、弹性围堰、传感器芯片围成存放样品的腔体，无需人工精确对准栅槽位置，只需将输液管插入样品口即可，便于利用注射泵加样，加样时可直接铺满存放样品的腔体的底部，无需担心液体样品沾湿电极点，有利于保证每次泵入在传感器芯片表面的液体区域一致；弹性围堰除了实现密封外，还具有一定缓冲作用，保护传感器芯片；伸缩探针将需要外接线的位置从精细的传感器芯片转移至压板表面，便于外接导线；由于存放样品的腔体利用弹性围堰实现侧面的密封，调整压板与传感器芯片之间的距离可调整存放样品的腔体的体积，伸缩探针可适应压板与传感器芯片之间的不同距离。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统的装配关系示意图。

图2是本申请实施例提供的一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统的结构示意图。

图3是传感器芯片、第一PCB板、弹性围堰三者的装配关系示意图。

图4是第一PCB板的俯视图。

图5是根据样品体积选择传感器芯片工作通道数的原理示意图。

图6是传感器芯片的结构示意图。

图7是用相同浓度PBS缓冲液验证测试系统稳定性的实验结果。

图8是用中药单体溶液刺激间充质干细胞的实验结果。

附图标记：1、传感器芯片；100、硅层；101、二氧化硅层；11、栅槽；110、硅纳米线；12、电极点；120、金电极；2、第一PCB板；21、第一印刷电路；22、第一引线；23、抵触片；24、第三印刷电路；25、背栅片；30、绝缘基板；304、样品进孔；305、样品出孔；306、液栅电极插入孔；31、伸缩探针；32、弹性围堰；33、引导通孔；37、第二PCB板；38、引脚；39、伸缩背栅探针；391、背栅引脚；4、基座；41、扣手槽；42、垫块；43、引导柱；44、第一螺栓；45、第二螺栓；46、夹具孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

利用微纳加工方法制备的器件整体尺寸较小，通常需要小心地将样品滴加到栅槽上，但仍然较容易沾湿源极或漏极，造成短路。为了避免源极和漏极间短路，不可使样品铺满传感器芯片，而相同体积的样品在传感器芯片表面铺展开的形状不一定相同，导致细胞接触传感器表面的量不一致，会造成信号的差异。

针对这些问题，参照图1至图3，本申请实施例提供一种基于硅纳米线场效应传感器的测试系统，包括表面设置有多道栅槽11的传感器芯片1，栅槽11两端设置有电极点12，一般地，多道栅槽11互相平行，电极点12分为源极和漏极，传感器芯片1上盖有贯穿地设置了伸缩探针31的压板，压板与传感器芯片1之间夹有弹性围堰32，弹性围堰32位于栅槽11的两端之间，压板上设置有连通弹性围堰32围合区域的样品口，每一伸缩探针31向下伸出时，与一个电极点12电连接。

压板、弹性围堰32、传感器芯片1围成存放样品的腔体（以下简称为腔体），弹性围堰32能阻隔样品流至源极和漏极，因此加样时无需人工小心对准栅槽11滴加，只需将输液管插入样品口即可，便于利用注射泵加样，加样时可直接铺满腔体的底部，故可保证细胞接触传感器芯片表面的量一致。弹性围堰32除了实现密封外，还具有一定缓冲作用，保护传感器芯片1。伸缩探针31将需要外接线的位置从精细的传感器芯片1转移至压板表面，便于外接导线。利用弹性围堰32实现腔体侧面的密封，调整压板与传感器芯片1之间的距离可调整腔体的体积，伸缩探针31可适应压板与传感器芯片1之间的多种距离。

上述“外接导线”是指，实际测试时需要接外接线（以下均称为外接线），从而使源极和漏极电连接至精密电流检测仪（例如半导体参数分析仪）的两端，形成闭合电路。在一些实施例中，伸缩探针31的上端凸出于压板顶面，并焊接外接线，伸缩探针31向下伸长时，直接与电极点12相抵。然而，传感器芯片1的尺寸较小，通常源极和漏极之间的距离小于10mm，栅槽11之间的距离小于0.5mm，源极和漏极的面积也非常小，空间有限，伸缩探针31拥挤地分布于压板上，焊接外接线时不方便，容易一个焊点连接几个伸缩探针31。另外，电极点12面积太小，伸缩探针31未必能对准。

在优选的实施例中，如图3所示，传感器芯片1连接在第一PCB板2上，第一PCB板2表面设置有与电极点12一一对应的第一印刷电路21，第一印刷电路21的一端与电极点12通过第一引线22电连接，另一端连接有设置在第一PCB板2上的抵触片23，抵触片23和抵触片23之间的距离大于电极点12和电极点12之间的距离，抵触片23的面积大于电极点12的面积，伸缩探针31对准抵触片23。该结构可保证伸缩探针31与抵触片23可靠地接触，从而保证伸缩探针31与源极或漏极的电连接，伸缩探针31在压板上分布得更加疏远，便于焊接外接线。

具体地，传感器芯片1的结构如图6所示，包括SOI（Silicon-On-Insulator）衬底、设置在SOI衬底上的硅纳米线110以及设置在硅纳米线110两端的金电极120，SOI衬底由下至上包括硅层100，二氧化硅层101，传感器芯片1整体顶面（包括硅纳米线表面、金电极表面、二氧化硅层表面）覆盖有一层二氧化铪（图6中未画出），一道栅槽11中包括多条互相平行的硅纳米线110。SOI衬底有利于减小寄生电容。如果进一步设置背栅，可以控制传感器芯片中SOI衬底的电荷密度，从而影响通道中的电场强度和电流，可以进一步调整通道的阈值电压，从而优化器件性能。

针对如何在该测试系统中设置背栅的问题，参照图3和图4，第一PCB板2上设置有第三印刷电路24，传感器芯片1通过导电胶粘在第一PCB板2上，以使第三印刷电路24的一端与传感器芯片1的底面电连接；第三印刷电路24的另一端连接有设置在第一PCB板2上的背栅片25，压板上还贯穿地设置有伸缩背栅探针39，伸缩背栅探针39对准背栅片25。由此可将源极、漏极、背栅都电连接至压板的表面，便于外接导线（背栅不连至电流计）。

要使源极和漏极电连接至精密电流检测仪的两端，在一些实施例中，外接线可直接焊在伸缩探针31的顶部（凸出于压板的部分）。然而，一方面，焊接外接线可能会影响伸缩探针31内部精细的伸缩结构，另一方面，部分型号的伸缩探针，如双头弹弓针，顶部用于接受按压，不便于外接导线。

在优选的实施例中，不直接将外接线焊在伸缩探针上，具体地，压板包括用于挤压弹性围堰32的绝缘基板30和设置在绝缘基板30上的第二PCB板37，伸缩探针31的固定端设置在第二PCB板37上，绝缘基板30中设有供伸缩探针31的活动端通过的避位孔，第二PCB板37表面设置有与伸缩探针31一一对应的引脚38，第二PCB板37表面设置有第二印刷电路（图1和图2中均未画出），第二印刷电路的一端与伸缩探针31的固定端连接，另一端与引脚38连接。如图1和图2所示，引脚38与引脚38之间的距离大于伸缩探针31与伸缩探针31之间的距离，利用第二印刷电路与引脚对伸缩探针的电连接进行延伸，将外接线焊在引脚上，不影响伸缩探针31的结构，且更加便于连上外接线。

相应地，针对设置了背栅的情况，参照图1，第二PCB板37上还设置有背栅引脚391，背栅引脚391与伸缩背栅探针39之间设置有第四印刷电路（图中未示）。

细胞传导的信号较微弱，除了滴加样品区域不同会引致测量误差外，光照、气流扰动、人体的静电等因素都会对器件测试信号造成干扰，造成测试的不连续性甚至失败。参照图1和图2，第二PCB板37在弹性围堰32围合区域的正上方空缺以形成工作窗口，绝缘基板30在工作窗口内开设有样品进孔304、样品出孔305和液栅电极插入孔306，工作窗口、样品进孔304、样品出孔305和液栅电极插入孔306构成样品口。预先将泵入样品的管插入样品进孔304，将排出样品的管插入样品出孔305，测量时再将栅电极插入液栅电极插入孔306，此时，存放样品的腔体已无能与外界直接接触的部分，可利用绝缘基板30隔绝光照、空气气流的干扰，通过外接注射泵加样、出样，避免人工滴加时的静电干扰，甚至可用于气体类的生物标志物的快速检测。

螺栓是用于调整两层结构相夹松紧程度的常用零件。传感器芯片1的面积较小，不便通过螺栓直接与压板连接；一般PCB板的厚度也在1mm左右，较薄且刚度不足，因此第一PCB板2也不便施加压力以夹紧传感器芯片1和弹性围堰32。参照图1和图2，第一PCB板2固定在基座4上，基座4与压板可拆卸连接，更具体而言，基座4与绝缘基板30通过第一螺栓44连接，第二PCB板37通过第二螺栓45连接在绝缘基板30上。基座4可由金属或塑料制成，绝缘基板30可由塑料制成。

该测试系统的制作过程如下。第一PCB板2印刷出第一印刷电路21和抵触片23后镀金，然后盖油（抵触片和第一印刷电路相对于抵触片的另一端不盖油），用无水乙醇清洗传感器芯片1和第一PCB板2，使用导电胶将传感器芯片1粘在第一PCB板2上，使用球焊机将第一PCB板2与电极点12进行金丝键合，形成第一引线22。将第一PCB板2定位（例如定位孔与定位柱的配合）在基座4上，再将弹性围堰32放在传感器芯片1上。取出预先通过第二螺栓45装好的压板，将绝缘基板30的底面压在弹性围堰32上，最后用第一螺栓44将压板（更具体而言是绝缘基板30）装配在基座4上。调节第一螺栓44即可调节绝缘基板30与传感器芯片1之间的距离，调节弹性围堰32被压的松紧程度，调节腔体的容积。

优选地，基座4上表面设置有引导柱43，压板上设置有与引导柱43配合的引导通孔33，有利于简便地使伸缩探针31对准抵触片23。基座4在第一PCB板2的边缘处可设置有扣手槽41，便于装配或拆卸第一PCB板2。基座4上表面设置有垫块42，垫块42的厚度大于第一PCB板2与传感器芯片1两者厚度之和，且小于弹性围堰32、第一PCB板2与传感器芯片1三者厚度之和。基座4上设置有夹具孔46，用于将基座4按照到测试平台上。如图1所示的实施例中，垫块42设置在基座4的一组对角上，在装配压板与基座时，垫块42决定了绝缘基板30的下极限，避免过度旋紧第一螺栓44以致压坏传感器芯片1。

在一些实施例中，基座4上设置有斜台部，第一PCB板2设置在斜台部上，以使传感器芯片1与水平面形成一定夹角且栅槽11平行于水平面。参照图5，当往腔体注入不同体积的样品时，样品能够淹没的栅槽11道数不同，通过另接的样品泵控制泵入的样品体积，能够选择栅槽11的工作道数，可使多通道场效应传感器（传感器芯片）以不同的通道数进行测试。

在一个具体实施例中，测试系统具有如图1和图2所示的结构，该实施例中基座上无斜台部，基座4由铝合金制成，绝缘基板30由透明聚甲基丙烯酸甲酯制成，弹性围堰32由硅橡胶制成，传感器芯片1具有9道栅槽11，相应地，第一PCB板2上具有18个抵触片和18道第一印刷电路21，还有1个背栅片25和1道第三印刷电路，压板中设置有18根伸缩探针31和1根伸缩背栅探针39，第二PCB板37上设置有18个引脚38和1个背栅引脚391。对该测试系统进行稳定性验证如下。

将购买的1×PBS溶液置于干净的烧杯中，用微流泵将检测液通过生物用毛细管输送到腔体中，淹没腔体的底部，测试其转移特性曲线，确定测试的电压信号V

将人参皂苷Rg1溶解在1×PBS溶液中配制成100μM的中药单体溶液，再取部分分别稀释成33.3μM、10μM、3.33μM、2μM、1μM中药单体溶液。将测试的MSCs（间充质干细胞，提取自人体脂肪组织）先引到腔体底部表面测试其转移特性曲线，确定测试的电压信号V

测试结果如图8所示，研究发现在引入100μM 人参皂苷Rg1下电流下降持续时间109 s后增加，时间恒定48 s，电流又快速上升后恒定不变，如图8中（a）处所示；在引入33.3μM 人参皂苷Rg1 44 s后，电流突然上升并持续83 s，然后下降至恒定不变，如图8中（b）处所示；表明该系统成功监测到100μM 、33.3μM 的人参皂苷Rg1对MSCs有明显作用。初步判定这是由于人参皂苷Rg1扩散到细胞内影响MSCs的离子通道导致阳性离子外流/内流，类似于类固醇激素作用于靶细胞的机制。

本发明提供的基于硅纳米线场效应传感器的测试系统能够使测试体系处于一个干扰较少的环境中，减少外界不利因素的干扰，获得的数据更加真实可靠；可通过第一螺栓调节弹性围堰的受力情况，形成密闭环境，防止检测溶液的泄露。能够用于液体类甚至气体类的生物标志物的快速检测；使用便捷，细胞信号具有良好的兼容性和灵敏度，响应时间快，为简便、快捷地进行药物筛选、分子检测、蛋白检测提供了硬件基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。