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CN112858418B - 一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法 - Google Patents

一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法 Download PDF

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CN112858418B CN202110205251.3A CN202110205251A CN112858418B CN 112858418 B CN112858418 B CN 112858418B CN 202110205251 A CN202110205251 A CN 202110205251A CN 112858418 B CN112858418 B CN 112858418B
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李琪
董俊辰
韩德栋
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Abstract

本发明公开了一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，该方法将3D打印技术与微电子技术结合，制备出的传感器结构包括衬底、绝缘层、传感层，两个测试电极和溶液装载区，绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于两个测试电极之间。本发明基于细胞外基质pH的准确测量，实现肿瘤细胞检测工作。本发明可用于临床肿瘤细胞的实时、准确测定。

Description

一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法
技术领域
本发明属于微电子学和医学交叉领域，具体涉及一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法。
背景技术
肿瘤是人类健康的重要威胁，其重要特点是肿瘤细胞外基质呈弱酸性，pH约为6.5。正常细胞外基质呈弱碱性，pH为7.35-7.45。所以，可通过测试细胞外基质pH对细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)进行判断。目前，医学领域pH检测方法主要包括玻璃电极检测、试纸检测和成像检测等。以上方法都存在一定缺陷：玻璃电极检测要求样本体积较大；试纸检测分辨率较低；成像检测受限于探针敏感性和毒性等。因此，开发高分辨率、无毒性、对待测样本体积要求较小的pH检测方法是非常有必要的。
以MOSFET为代表的微电子器件具有尺寸小、可批量生产等特点，并且电学参数(开态电流、关态电流、阈值电压等)对外加偏置和外界环境敏感，可应用于传感器研发工作。已有多个研究团队报道了基于商用MOSFET器件的pH传感器，最具代表性的两种技术是：延伸栅型场效应晶体管(extended gate field effect transistor，EGFET)和离子敏感型场效应晶体管(ion sensitive field effect transistor，ISFET)。EGFET和ISFET传感器工作原理基于晶体管电流-电压(current-voltage，I-V)曲线，通过配置参考电极对晶体管施加额外的工作电压，使电流-电压曲线发生水平平移或电流增减，以表征阈值电压和/或开态电流的方式读取溶液pH。EGFET和ISFET传感器均能很好地完成对小体积溶液pH的测量。然而，这两种传感器灵敏度存在能斯特(Nernst)理论极限，为59.2mV/pH(25℃)。当溶液pH变化范围很小时(例如肿瘤细胞和正常细胞外基质)，测试结果不够明显、准确。因此，以微电子器件为基础，开发新结构、新原理的pH传感器，对于肿瘤细胞检测有重要研究价值和应用意义。
3D打印技术兴起于20世纪80年代，在近些年逐渐发展成熟。常见的3D打印技术包括光固化打印、热熔沉积式打印、和墨水直写式打印。墨水直写技术是挤出式的3D打印技术，通过打印机墨头运动路径与材料挤出相配合完成图形打印，无需经过光刻、刻蚀等工艺，即可灵活地实现平面和空间几何结构图形化，有利于传感器研发工作。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法。该传感器工作机理是通过测量细胞外基质pH来确定细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)，所测试的pH范围是pH＝6～8。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，所述传感器结构如图1，主要包括衬底、绝缘层、传感层，两个测试电极和溶液装载区，绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于两个测试电极之间。具体制备工艺流程如下：
(1)将衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗；
(2)采用原子层淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，在衬底表面淀积绝缘层；
(3)采用原子层淀积工艺或磁控溅射工艺，在绝缘层上淀积传感层；
(4)采用3D打印工艺，在传感层上淀积两个测试电极和溶液装载区，溶液装载区位于测试电极之间；
(5)采用退火工艺，完成用于肿瘤细胞检测的传感器的制备。
所述衬底为n型或p型重掺杂硅衬底。
所述绝缘层为氧化硅、氧化铝、以及高介电常数绝缘材料中的一种或者多种的组合，所述绝缘层厚度为10-100纳米。
所述传感层为氧化锌薄膜、掺杂氧化锌薄膜或氧化铟薄膜、掺杂氧化铟薄膜，所述传感层厚度为5-100纳米。对于掺杂氧化锌薄膜和掺杂氧化铟薄膜，掺杂元素为铝、锡、钼、钛等金属元素，硅、碳、磷等无机非金属元素，或镧、铒、钕等稀土元素中的一种或者多种的组合。掺杂氧化锌薄膜和掺杂氧化铟薄膜中掺杂元素的含量为：掺杂元素0.1％-30％。
其中，3D打印工艺采用金属银材料，测试电极和溶液装载区分别由金属银薄膜构成，所述测试电极厚度为10-500纳米，溶液装载区厚度为0.5-500微米。
所述退火工艺具体为，退火温度为100-500℃，退火时间为1-5小时，退火气氛为空气、氧气、真空等。
本发明将3D打印技术与微电子工艺相结合，制备的传感器中溶液装载区置于传感层之上，所测试的细胞外基质与传感层直接接触。本发明使用移液器将正常细胞及肿瘤细胞外基质置于溶液装载区，测试传感器电学特性，测试方法：(1)在两个测试电极上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感层电阻；(2)在两个测试电极和衬底上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感器开态电流、关态电流、阈值电压等电学参数；(3)将所测参数与标准曲线对比，获得细胞外基质pH。
本发明的优点在于：
(1)本发明可实现小体积溶液的准确测试，良好的规避了医学领域常用pH检测方法的缺陷。
(2)本发明将3D打印技术与微电子技术相结合，无需光刻、刻蚀等加工工艺即可实现传感器图形化，步骤简单、成本低、可批量化生产。
(3)基于本发明所制备传感器，可以从两个方面对细胞外基质pH进行表征，分别是测试传感层电阻和测试传感器电学参数。
附图说明
图1为本发明所制备的肿瘤细胞检测传感器结构，(a)为结构的主视图；(b)为结构的俯视图；
图2为本发明所制备的肿瘤细胞检测传感器具体工艺步骤；
图3为本发明采用的肿瘤细胞检测方案示意图；
其中，1—溶液装载区；2—测试电极；3—传感层；4—绝缘层；5—衬底。
具体实施方式
下面结合说明书附图，通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
本发明提供的用于肿瘤细胞检测的传感器。该传感器制备基于3D打印技术和微电子工艺，工作原理是通过表征传感器参数来测量细胞外基质pH，从而确定细胞类型(肿瘤细胞或正常细胞)。
图1所示的肿瘤细胞传感器结构包括衬底、绝缘层、传感器、两个测试电极和溶液装载区。所述绝缘层位于衬底之上，传感层位于绝缘层之上，测试电极和溶液装载区位于传感层之上，溶液装载区位于测试电极之间。
本发明的具体制备工艺由图2(a)至图2(c)所示，包括以下步骤：
(1)将硅衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，清洗时间为5分钟。
(2)使用原子层淀积工艺在硅衬底表面淀积氧化铝绝缘层，薄膜厚度为50纳米，工艺温度为200℃，如图2(a)所示；
(3)使用磁控溅射工艺在氧化铝绝缘层上淀积Si掺杂氧化铟传感层，传感层厚度为10纳米，如图2(b)所示；
具体工艺步骤：
(a)将衬底固定于磁控溅射设备托盘；
(b)溅射设备腔体背底气压抽至5×10-4帕；
(c)溅射设备腔体通入氧气和氩气，氧气与氩气流量比例10：90。调整气压控制阀，将腔体气压设置为1帕；
(d)开启托盘转动按钮，转速设置为15转/分钟；
(e)开启射频电源，预溅射2分钟；
(f)转动溅射靶材挡板，正式溅射5分钟；
(g)溅射完成，关闭射频电源，关闭仪器；
(4)使用3D打印工艺，材料选择金属银，在传感层上淀积测试电极和溶液装载区。其中，测试电极金属银薄膜厚度为100纳米，金属银薄膜构成的溶液装载区厚度为10微米，如图2(c)所示；
(5)使用退火炉对传感器进行优化处理，退火温度为200℃，退火时间为1小时，退火气氛为真空。
本发明采用的肿瘤细胞检测方案以图3为例，具体方案由图3(a)和3(b)所示，包括以下步骤：
(1)将细胞培养基置于溶液装载区。传感器测试电极a接地，测试电极b接电压VD。VD扫描范围为-10V到10V，扫描间隔为100mV。测试传感器电极b端电流-电压特性，得到传感层电阻R。根据电阻-溶液pH标准曲线，读取细胞培养基pH，从而确定细胞类型。
(2)将细胞培养基置于溶液装载区。传感器测试电极a接地，测试电极b接电压VD，VD设置为10V；传感器衬底接电压VG，VG扫描范围为-10V到10V，扫描间隔为100mV。测试传感器电极b端电流-电压特性，得到传感层电流I，包括开态电流ION和关态电流IOFF。根据电流-溶液pH标准曲线，读取细胞培养基pH，从而确定细胞类型。

Claims (3)

1.一种用于肿瘤细胞检测的传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）将衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，衬底采用n型或p型重掺杂的单晶硅衬底；
（2）采用原子层淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，在衬底表面淀积绝缘层，绝缘层为氧化硅、氧化铝、以及高介电常数绝缘材料中的一种或者多种的组合，所述绝缘层厚度为10-100纳米；
（3）采用原子层淀积工艺或磁控溅射工艺，在绝缘层上淀积传感层，传感层为氧化锌薄膜、掺杂氧化锌薄膜、氧化铟薄膜或掺杂氧化铟薄膜，所述传感层厚度为5-100纳米；
（4）采用3D打印工艺，在传感层上淀积两个测试电极和溶液装载区，溶液装载区位于测试电极之间，3D打印工艺采用金属银材料，测试电极和溶液装载区分别由金属银薄膜构成，所述测试电极厚度为10-500纳米，所述溶液装载区厚度为0.5-500微米；
（5）采用退火工艺，完成用于肿瘤细胞检测的传感器的制备；
（6）使用移液器将正常细胞及肿瘤细胞外基质置于溶液装载区，测试传感器电学特性，测试方法：1）在两个测试电极上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感层电阻；2）在两个测试电极和衬底上施加电压，测试电流-电压特性，提取传感器开态电流、关态电流、阈值电压电学参数；3）将所测参数与标准曲线对比，获得细胞外基质pH。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂氧化锌或掺杂氧化铟传感层，掺杂元素为铝、锡、钼、钛金属元素，或硅、碳、磷无机非金属元素，或镧、铒、钕稀土元素中的一种或者多种的组合，掺杂元素的含量为： 0.1 %-30 %。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，退火温度为100-500 ℃，退火时间为1-5小时，退火气氛为空气、氧气或真空。
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