CN103934049A - 一种刻度式定量即时诊断微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刻度式定量即时诊断微流控芯片及其制备方法，具有微反应腔和微通道，微反应腔设有进样孔和出样孔，微通道一端开口通于外环境，通道内局部封装指示液；微通道外设有刻度线和对应数值便于检测结果定量读数，微通道另一端与微反应腔通过缓冲池连通形成一个完整的独立工作单元，同时，芯片上可排列多个工作单元实现多通道检测，本发明具有无需复杂仪器、便携、成本低、操作简便、易读数、多目标检测，样品用量少，灵敏等优点，可广泛适用于医学诊断、食品安全、环境污染等生化分析领域。

Description

一种刻度式定量即时诊断微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学即时诊断领域，特别涉及一种刻度式定量即时诊断微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片提供了一种高效、快速的新型反应平台，其利用先进的微纳加工技术将传统生化分析方法中所需的样品预处理、反应、分离和检测等集成到一块芯片上（因此也被称作芯片实验室），能自动完成全部分析过程，具有样品消耗少、省时、高通量等优点，已广泛应用于生化分析、医学诊断等领域。

传统的定量化检测微流控芯片是以玻璃、硅片、有机硅聚合物等为基材，通过化学腐蚀或软光刻技术加工制备而成，存在制备工艺复杂，使用危险化学试剂（如腐蚀性强酸等），需要昂贵的设备以及苛刻的制备环境（需要洁净室）等缺陷。尤其是芯片最终检测结果的定量化往往需要借助复杂而昂贵的光学或电化学检测设备，这严重限制了微流控芯片在快速诊断领域的推广和应用。

为了克服传统定量化微流控芯片需要借助复杂的光学或电化学检测设备的缺陷，Song等人于2012年提出了V-chip[Song et al.,NatureCommunications,2012,3,1283.]。V-chip由两片玻璃板构成，利用化学腐蚀法在玻璃基材上蚀刻出微反应腔和微通道，利用微反应腔中生成的氧气推动红墨水沿微通道运动，通过直接观察红墨水沿微通道运动的距离即可对反应物进行定量化。与传统的定量化检测微流控芯片相比，V-chip无需复杂的光学或电化学检测设备，并且无需额外的泵送装置来控制液体的流动。然而，由于V-chip采用的化学腐蚀加工技术，加工工艺复杂，耗时，使用危险化学试剂，不利于该芯片加工和实际推广与应用；另外，由于V-chip采用联动式设计，能同时检测同一样品中多种目标物，但却无法同时检测多种不同样品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、安全，并能同时检测多种不同样品的刻度式定量即时诊断微流控芯片及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，包括中间面层、与中间面层的一侧表面贴合的基底层以及与中间面层的另一侧表面贴合的表层芯片板材，所述中间面层上开设有若干个镂空区域，每个镂空区域通过所述基底层以及表层芯片板材的封闭形成由微反应腔、缓冲池以及微通道组成的工作单元，微通道的出口与外环境相连通，微通道的入口与缓冲池的一端相连通，缓冲池的另一端与微反应腔相连通，表层芯片板材上开设有与微反应腔相连通的进样孔以及出样孔，微通道内封装有一段指示液。

所述表层芯片板材采用疏水性透明材料，基底层采用亲水性的透明或不透明材料，中间面层采用透明光学双面胶。

所述表层芯片板材上设置有刻度线以及与刻度线对应的刻度值，刻度线沿微通道的延伸方向排列。

所述微反应腔为U字型腔体，进样孔与U字型腔体的一侧直线段区域相连通，出样孔与U字型腔体的另一侧直线段区域相连通。

所述微反应腔的内表面经理化修饰或改性，或所述微反应腔中装填有功能性微珠或纳米颗粒；微反应腔中进行的反应是能够产生气体的反应。

所述缓冲池的形状为圆角矩形、圆形、椭圆形或多边形，缓冲池的宽度大于微通道的宽度或直径。

所述微通道为直线型、螺旋型、Z字型或者波纹型。

所述微反应腔内部的高度为0.02～4.00mm，总容积为2.00～200.00μL，进样孔以及出样孔的直径为0.4～4.00mm；微通道的宽度或直径为0.02～4.00mm，指示液的体积为0.02～10.00μL。

所述指示液为有色墨水、含色素的水溶液、含色素的油溶液、含色素的油水混合溶液、有色有机溶液或液态金属中的一种或多种的组合物。

上述刻度式定量即时诊断微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

1）利用激光雕刻或热压印在中间面层上制备镂空区域，然后在表层芯片板材上激光雕刻进样孔以及出样孔，并在表层芯片板材上印制刻度线以及和刻度线对应的刻度值；然后将表层芯片板材与中间面层经边角对齐后粘合形成芯片板；

2）经过步骤1)后，将指示液滴入镂空区域中，滴入位置与所述微通道所在位置对应，滴入的指示液将镂空区域分隔；

3）经过步骤2）后，将基底层与芯片板上的中间面层经边角对齐后粘合紧密。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述刻度式定量即时诊断微流控芯片由带有镂空区域的中间面层、基底层以及表层芯片板材组成，三层结构按顺序层叠密封后形成由微反应腔、缓冲池以及微通道连通形成的独立的工作单元，刻度线和对应刻度值便于检测结果定量读数，避免了使用复杂的光学或电化学检测仪器和操作流程，并且可以通过设置多个镂空区域构建多个独立的工作单元，结构简单，容易制造，可以实现多样品多目标物检测，克服了V-chip联动式设计而导致的只能检测单一样品的不足，广泛适用于生化分析、医疗诊断、食品危害物检测等即时诊断领域。

本发明通过激光雕刻机或热压印模具等简单加工设备制作芯片，避免了使用软光刻或化学腐蚀等复杂、昂贵且耗时的技术，具有无需复杂仪器、成本低等优点。

进一步的，本发明利用表层芯片板材与基底层在亲、疏水性上的差异，可以使反应液方便快速的填充入微反应腔内，无需使用额外的泵送装置。

进一步的，本发明中微反应腔采用U型设计，有助于样品在微反应腔中流动以及缩短进样孔和出样孔的水平距离，使通过封闭芯片进、出样孔来实现反应密闭性的操作简便化。

进一步的，本发明中缓冲池可以容纳微反应腔在使用时新生成的水分子或由于气体生成所排出的水分子，防止反应液与指示液混合，保证了指示效果清晰明了。同时，在制作本发明所述芯片时，缓冲池的存在可以保证指示液获得较好的封装效果，并解决了反应液与指示液混合和由此导致的芯片无法正常工作的问题。

进一步的，本发明通过调节中间面层的厚度或层数，即可调节芯片中微反应腔和微通道的高度，适应不同的检测要求，此外，还可以通过调节工作单元的间距来调节单位面积上工作单元的数目，从而适应不同数量检测样品或待测目标物的需求。

附图说明

图1为本发明所述刻度式定量即时诊断微流控芯片的总体结构示意图；图1所示芯片共包含三个工作单元；

图2为本发明所述刻度式定量即时诊断微流控芯片的解剖侧视图；图2中中间面层上的浅色部分为镂空区域，镂空区域共包含三个；

图3为本发明所述刻度式定量即时诊断微流控芯片测量过氧化氢酶溶液浓度结果图；

图中：1为出口，2为微通道，3为刻度线，4为刻度值，5为指示液，6为缓冲池，7为微反应腔，8为进样孔，9为出样孔，10为表层芯片板材，11为中间面层，12为基底层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

参见图1以及图2，本发明所述刻度式定量即时诊断微流控芯片包括中间面层11、与中间面层11的一侧表面贴合的基底层12以及与中间面层11的另一侧表面贴合的表层芯片板材10，所述中间面层11上开设有若干个镂空区域，每个镂空区域通过所述基底层12以及表层芯片板材10的封闭形成由微反应腔7、缓冲池6以及微通道2组成的工作单元，微通道的出口1与外环境相连通，微通道2的入口与缓冲池6的一端相连通，缓冲池的另一端与微反应腔7相连通，表层芯片板材10上开设有与微反应腔7相连通的进样孔8以及出样孔9（在反应进行时可以使用透明胶带等进行快速密封，使微反应腔的进样孔和出样孔同时处于密封状态），微通道2内局部封装有一段指示液5。

所述表层芯片板材10采用疏水性较好的透明材料，基底层12采用亲水性较好的透明或不透明材料，中间面层11采用透明光学双面胶。

所述表层芯片板材10上设置有刻度线3以及与刻度线对应的刻度值4，刻度线3沿微通道2的延伸方向排列。

所述微反应腔7为U字型腔体，进样孔8与U字型腔体的一侧直线段区域相连通，出样孔9与U字型腔体的另一侧直线段区域相连通。

所述微反应腔7的内表面（如与基底层对应的表面）经理化修饰或改性（目的是将功能性识别分子或探针固定在微反应腔内表面来实现特定待测物的检测），或所述微反应腔7中装填有功能性微珠或纳米颗粒（功能性识别分子或探针固定在功能性微珠或纳米颗粒上）；微反应腔7中进行的反应是能够产生气体的反应，产生的气体包括氧气、氢气、二氧化碳等，产气反应包括反应物本身可以发生产气反应；反应物本身不能发生产气反应，但通过物理化学修饰可转化为产气反应的情况，例如采用免疫酶联化学修饰，包括蛋白质、酶和核酸等的修饰；产气反应包括各种催化反应，如纳米颗粒催化、酶催化，光催化等；产气反应包括生物生长等产气，如微生物生长，所产生的气体不再参入任何反应。

所述缓冲池6的形状为圆角矩形、圆形、椭圆形或多边形（如矩形、方形、三角形等），缓冲池6的宽度大于微通道2的宽度或直径。将缓冲池与微反应腔的连接通道宽度设计为小于微反应腔的直线段宽度（直线段宽度为0.02～4.00mm），可以有效防止反应液进入缓冲池。

所述微通道2为直线型、螺旋型、Z字型或者波纹型。

所述微反应腔7内部的高度为0.02～4.00mm，微反应腔7的总容积为2.00～200.00μL，优选的总容积为2.00～20.00μL，进样孔8以及出样孔9的直径为0.4～4.00mm；微通道2的宽度或直径为0.02～4.00mm，优选为0.80～2.00mm，指示液5的体积为0.02～10.00μL。微反应腔、微通道等的尺寸范围保证了芯片的样品用量少、灵敏度高，以及良好的检测结果指示效果。

所述指示液5为有色墨水、含色素的水溶液、含色素的油溶液、含色素的油水混合溶液、有色有机溶液或液态金属（如水银）中的一种或多种的组合物。

上述刻度式定量即时诊断微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

1）利用激光雕刻或热压印在中间面层11上制备镂空区域，然后在表层芯片板材10上激光雕刻进样孔8以及出样孔9，并在表层芯片板材上印制刻度线3以及和刻度线对应的刻度值4；然后将表层芯片板材与中间面层11经边角对齐后粘合形成芯片板；

2）经过步骤1)后，将指示液滴入镂空区域中，滴入位置与所述微通道所在位置对应，滴入的指示液将镂空区域内部分隔为两段；

3）经过步骤2）后，将基底层12与芯片板上的中间面层经边角对齐后粘合紧密。

所述基底层12在与芯片板粘合前，还可以根据需要对基底层进行所述的理化修饰或改性。

实施例

针对植物组织中过氧化氢酶活性测量的刻度式定量即时诊断微流控芯片，基底板（基底层）为普通显微载玻片，尺寸为76.20mm×25.40mm；芯片板由一层有机玻璃板和一层带有镂空区域的3M透明光学双面胶组成，尺寸与基底板相同。有机玻璃板上设置有刻度线、刻度值、进样孔和出样孔；3M透明光学双面胶上的镂空区域包括微通道、缓冲池和微反应腔的对应形状，基底板与芯片板粘合后形成依次连通的微通道、缓冲池和微反应腔；缓冲池为圆角矩形，微通道（直线型）的出口（出气口）与外环境相通，微通道内封装有一段红色指示液。植物组织中过氧化氢酶粗提液和过氧化氢溶液由进样孔依次通入微反应腔，然后迅速用透明胶带封闭进样孔和出样孔。随着反应的进行，产生的气体会推动红色指示液沿着微通道向出气口运动，通过观察红色指示液前缘移动的距离可判断对应反应物的浓度，如果预先建立了反应物浓度与指示液前缘移动距离的函数关系，便可以通过对芯片上刻度线进行读数，得出待测样品中的目标物的浓度值。参见图3，经计算芯片检测过氧化氢酶的灵敏度可达到100.00ng/mL。

若所述微反应腔内集成有免疫球蛋白IgG、IgA、IgM、IgE、M蛋白以及各种肿瘤标志物中的癌胚抗原、糖炼抗原、组织多肽抗原、甲胎蛋白、前列腺特异性抗原、神经元特异性烯醇化酶、人绒毛膜促性腺激素等特异性相关蛋白；或人体乳头瘤病毒、各种支原体、衣原体、梅毒螺旋体、艾滋病病毒、淋球菌、疱疹病毒、巨细胞病毒等特异性相关蛋白，则通过抗原-抗体结合，或酶与底物反应等特异性反应可以实现相应疾病的特征性待测目标物（如前列腺特异性抗原）的即时检测。

若所述微反应腔内集成有食源性致病微生物、农药残留、兽药残留、抗生素残留、激素、重金属离子检测等相关的免疫球蛋白、酶、核酸片段、酶联免疫球蛋白、酶联核酸片段、酶联化学小分子等功能性分子或基团等，则可以通过抗原-抗体结合，或酶与底物反应，或核酸特异性杂交等特异性反应可以实现相应食品安全危害物（如大肠杆菌，农残等）的即时检测。

Claims (10)

1.一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：包括中间面层（11）、与中间面层（11）的一侧表面贴合的基底层（12）以及与中间面层（11）的另一侧表面贴合的表层芯片板材（10），所述中间面层（11）上开设有若干个镂空区域，每个镂空区域通过所述基底层（12）以及表层芯片板材（10）的封闭形成由微反应腔（7）、缓冲池（6）以及微通道（2）组成的工作单元，微通道的出口（1）与外环境相连通，微通道（2）的入口与缓冲池（6）的一端相连通，缓冲池的另一端与微反应腔（7）相连通，表层芯片板材（10）上开设有与微反应腔（7）相连通的进样孔（8）以及出样孔（9），微通道（2）内封装有一段指示液（5）。

2.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述表层芯片板材（10）采用疏水性透明材料，基底层（12）采用亲水性的透明或不透明材料，中间面层（11）采用透明光学双面胶。

3.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述表层芯片板材（10）上设置有刻度线（3）以及与刻度线对应的刻度值（4），刻度线（3）沿微通道（2）的延伸方向排列。

4.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述微反应腔（7）为U字型腔体，进样孔（8）与U字型腔体的一侧直线段区域相连通，出样孔（9）与U字型腔体的另一侧直线段区域相连通。

5.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述微反应腔（7）的内表面经理化修饰或改性，或所述微反应腔（7）中装填有功能性微珠或纳米颗粒；微反应腔（7）中进行的反应是能够产生气体的反应。

6.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述缓冲池（6）的形状为圆角矩形、圆形、椭圆形或多边形，缓冲池（6）的宽度大于微通道（2）的宽度或直径。

7.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述微通道（2）为直线型、螺旋型、Z字型或者波纹型。

8.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述微反应腔（7）内部的高度为0.02～4.00mm，总容积为2.00～200.00μL，进样孔（8）以及出样孔（9）的直径为0.4～4.00mm；微通道（2）的宽度或直径为0.02～4.00mm，指示液（5）的体积为0.02～10.00μL。

9.根据权利要求1所述一种刻度式定量即时诊断微流控芯片，其特征在于：所述指示液（5）为有色墨水、含色素的水溶液、含色素的油溶液、含色素的油水混合溶液、有色有机溶液或液态金属中的一种或多种的组合物。

10.一种制备如权利要求1所述刻度式定量即时诊断微流控芯片的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）利用激光雕刻或热压印在中间面层（11）上制备镂空区域，然后在表层芯片板材（10）上激光雕刻进样孔（8）以及出样孔（9），并在表层芯片板材上印制刻度线（3）以及和刻度线对应的刻度值（4）；然后将表层芯片板材与中间面层（11）经边角对齐后粘合形成芯片板；

2）经过步骤1)后，将指示液滴入镂空区域中，滴入位置与所述微通道所在位置对应，滴入的指示液将镂空区域分隔；

3）经过步骤2）后，将基底层（12）与芯片板上的中间面层经边角对齐后粘合紧密。