CN104437687A - 三维阵列式微流体进样/清洗芯片 - Google Patents

Abstract

三维阵列式微流体进样/清洗芯片，属于生物传感器及其检测技术领域。阵列式生化传感芯片，是一种集微机械加工、生物/化学反应为一体的新型生物、化学敏感元件，针对现代“片上实验室”对全封闭微缩实验的需要，本发明以微机械加工技术为基础，提出了既可满足“片上实验室”封闭式全微缩测试条件的需求，又可与全自动生物芯片点样仪相兼容的三维阵列式微流体进样/清洗芯片，具有灵活、成本低、便于规模化生产的优势。

Description

三维阵列式微流体进样/清洗芯片

【技术领域】 本发明属于生物传感器及其检测技术领域。

【背景技术】

阵列式生化传感芯片，是一种集微机械加工、生物/化学反应为一体的新型生物、化学敏感元件，传统的阵列式生化传感芯片主要由两部分构成：传统的阵列式生化传感芯片的载体1和敏感点2(通常为具有特定生物、化学敏感特性的传感器)。由于此类芯片主要在液态环境下使用，因此载体1中设有阵列方式排列的柱状凹池3，以满足对液态试剂或被测样本的存储需要；且敏感点2位于柱状凹池3的底部，如图1所示。

阵列式生化传感芯片在实际使用时，主要涉及到3个操作步骤：(1)敏感点2的功能化处理，即，向柱状凹池3内注入功能化试剂，使敏感点2具有对指定生化分子敏感的特异性识别功能，经过孵化处理、将功能化试剂吸出后，再使用专用清洗剂去除柱状凹池3内部残留功能化试剂；(2)芯片内各个敏感点2表面的加样与反应，即，将待测样本溶液注入柱状凹池3内，在指定的生物反应环境下，使被测样本溶液与敏感点2充分反应，然后吸出样本溶液，充分清洗柱状凹池3；(3)测试，即，将上一步骤处理过的芯片放入指定测试装置中进行检测，常用的测试装置有免疫荧光分析仪、生物芯片阅读仪、电化学工作站等。

对于高通量阵列式生化传感芯片，敏感点2的阵列规模较大，看似简单的加样和清洗操作在实际使用中就会变得非常繁杂，其主要原因为：1)每一个操作步骤都需要在敏感点2上滴加不同的试剂；2)同一芯片、同一操作步骤中，不同位置的敏感点2上所滴加的样本也可能各不相同，因此必须防止敏感点2之间的相互污染。采用移液器对各个敏感点逐一加样，是实验室常用的加样/清洗方法，但是对于高通量检测，这种传统的手工方法速度慢、准确性差，已经成为高通量生物检测的限速步骤。

因此，随着高通量、阵列式芯片及其检测技术的快速发展，为提高生物芯片检测的效率，自上世纪末开始出现了全自动、机械化的加样系统^[1，2]。这种解决方案采用高精度、全自动机械控制系统，利用机械手臂替代传统人手，提高了加样速度。其中，对于加样位点、加样量、样品孵化时间、清洗次数、清洗时间等过程的控制，采用了可编程控制策略，可以根据芯片的具体设计结构、生物反应过程的实际需要，由用户设定，是一种非常灵活的全自动加样/清洗系统。作为传统手工加样的替代品，这种机械化、自动的加样/清洗系统一经推出，就得到市场认可。同时，这种全自动、机械化加样系统，以机电控制模块为基础，设计成本、制造成本均很低廉，具有很高的利润，得到厂商认可，近年来，成熟的商品化生物芯片加样系统已经面市，如高通量生物芯片点样仪(OmniGrid 300，OmniGrid Accent，Genomic Solutions)、AD1500点样平台(美国BioDot公司)、等等。在这些高端点样仪器的帮助下，基于阵列式芯片的生物检测技术也得到了大范围的推广使用，并且在生物医学^[3，4]、食品^[5，6]、药物研究^[7]、基因分析^[8]等多个领域的取得了较好的效果，高通量阵列式芯片已成为最有潜力的新一代生物、化学传感器件。近年来，“片上实验室”(Lab on Chip^[9])的提出又对阵列式生化传感芯片的加样/清洗技术提出了新要求，表现在：新型生物检测技术的出现，使得全微缩、封闭型生物检测成为可能，因此如何为封闭型生物芯片进行加样/清洗，成为近年来高通量生物芯片实际使用过程中所必须解决的新问题。

然而，由于早期的芯片设计主要为开放式点阵型芯片，即，由载体1、敏感点2及其所在的柱状凹池3构成的生物芯片上表面为敞开式设计。这种开放式的芯片结构，使得点样仪可以方便的从芯片上部、垂直的、对柱状凹池3的内部进行加样和清洗操作。但是，对于封闭型生物芯片点样仪全自动、高速、高准确度的优势却无法发挥。

随着微加工技术的提出和不断发展，为全微缩、封闭型生物芯片的加样/清洗技术又有了新的解决方案，如生物分子芯片微量加样及反应装置^[10]、毛细管微流体芯片^[11]、表面张力微流体芯片^[12]等等^[13]。微流体芯片以全封闭、连续型的操作方式，实现芯片的表面处理、样本加样、清洗等实验步骤，避免了外界环境对生物检测的影响，非常适于现场型生化检测，特别是，在野外恶略环境下的生物/化学检验中表现出极大的优势，因此，基于微流体结构的生化传感芯片，必将成为便携式生物检测装置的重要部件。

检索文献或专利，我们发现已报道的微流体芯片多为平面型微流体芯片，即，芯片采用内部设有微流体通道4的芯片载体1，其中进液口5和出液口6均设置在同一水平层面，如图2所示。为保证液态试剂在此类芯片内的流动，动力驱动问题是这类芯片在实际使用中不可规避的环节，最简单的方式是通过辅助微流泵^[14]增加进液口5与出液口6间的压力差，从而保证液体在微流体通道4内的流动。

综上所述，开放式点阵型芯片以及微流体型芯片，二者各有优点，但仍然存在不足，简述如下：(1)开放式点阵型芯片结构简单、成本低廉，可采用通用点样仪操作，但无法满足现代生化检测对“片上实验室”的需求；(2)微流体型芯片可以满足片上实验室对全封闭实验操作的要求，但还在发展阶段，且目前所报道的平面型微流体芯片，均无法与通用点样仪兼容，不利于此类生化检测芯片的批量生产。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种“三维阵列式微流体加样/清洗芯片”，该加样/清洗芯片采用柔性透明材质制备，既可满足“片上实验室”封闭式全微缩测试条件的需求，又可与全自动生物芯片点样仪相兼容；同时，该加样/清洗芯片，不同于现有微流体芯片，采用了独立于具体传感器的设计方案，具有灵活、成本低、便于规模化生产的优势。

三维阵列式微流体加样/清洗芯片，包括加样/清洗芯片载体8、敏感点窗口9、上注入孔10、敏感点出液孔11、底部排液孔12、排液通道13、传感器芯片嵌入框15，其特征为，加样/清洗芯片载体8中敏感点窗口9、上注入孔10、敏感点出液孔11、底部排液孔12、排液通道13的数量一致，且具有有一一对应关系，构成彼此独立的加样/清洗单元14；敏感点窗口9以阵列方式排列于传感器芯片嵌入框15内部，且每一个敏感点窗口9内具有唯一一组上注入孔10和敏感点出液孔11；底部排液孔12分布于芯片四边，开口于加样/清洗芯片载体8的下底面，上部通过唯一一条排液通道13与敏感点窗口9内部的敏感点出液孔11相连通；上注入孔10下端与敏感点窗口9连通，上端开口于加样/清洗芯片载体8上表面，且以阵列式布局。

本发明的技术特点：

(1)采用上注入、下排出的液体流动方案，无需外加流动注入泵，直接利用流体的势能落差，解决了流体运动的动力驱动问题，这一技术方案的独特性在于：①与图1所示传统阵列式芯片相比，采用了封闭式的芯片结构，增设了底部排液孔12；②与图2所示平面型微流体芯片相比，上注入孔10、底部排液孔12分立于芯片的上下，而不是在同一水平面内。

(2)采用对阵列式敏感点独立加样/清洗芯片的设计方案，且不涉及具体传感器，使“三维阵列式微流体加样/清洗芯片”具有更高的灵活性，可以根据传感器阵列的实际布局灵活调整加样/清洗芯片。

(3)敏感点窗口9采用阵列式的布局、彼此独立的设计方案，每一个敏感点窗口9与唯一一组上注入孔10、敏感点出液孔11、底部排液孔12、排液通道13组成独立的加样/清洗单元14。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提出三维阵列式微流体加样/清洗芯片，即可与通用加样仪兼容，同时又实现“片上实验室”封闭式全微缩的实验操作，即，利用全自动加样仪，将液态试剂由上注入孔10注入各自的敏感点窗口9内部，满足高通量阵列式芯片快速加样的需要；同时，底部排液孔12、排液通道13、敏感点出液孔11构成了液态试剂的流通路径，实现流动清洗。

(2)本发明所提出三维阵列式微流体加样/清洗芯片中，每个加样/清洗单元14相互独立，可以杜绝敏感点之间的相互污染。

(3)本发明所提出三维阵列式微流体加样/清洗芯片中，底部排液孔12位于加样/清洗芯片载体8的四周，且向下探出芯片可作为三维阵列式加样/清洗芯片的固定引脚，将该芯片插入支撑台20，同时也可通过外接软管18与废液瓶19相连。

【附图说明】

图1是阵列式生化传感芯片基本结构示意图。

图2是平面型结构微流体芯片基本结构示意图。

图3是三维阵列式微流体加样/清洗芯片结构示意图。

图4是实施示例说明图。

其中1：阵列式生化传感芯片载体；2：敏感点；3：柱状凹池；4：平面型微流体芯片载体；5：微流体通道；6：进液口；7：出液口；8：加样/清洗芯片载体；9：敏感点窗孔；10：上注入孔；11：敏感点出液孔；12：底部排液孔；13：排液通道；14：加样/清洗单元；15：传感器芯片嵌入框；16：传感器阵列芯片；17：传感器；18：外接软管；19：废液瓶；20：支撑台。

【具体实施方式】

为本发明提供使用方法：

传感器阵列芯片16嵌入加样/清洗芯片载体8底部的传感器芯片嵌入框15内，传感器阵列芯片16内部的传感器17与加样/清洗芯片载体8内部的敏感点窗孔9对准；底部排液孔12通过外接软管18与废液瓶19相连通，并插入支撑台20。

【参考文献】

[1]蔡锦达，程曦，刘聪。全自动生物芯片加样检测系统设计，医疗卫生装备，2009年2月，第30卷第2期，58-59。

[2]蔡锦达，程曦，甘汉青，张金东，马天驹。生物芯片加样机械手设计，机械设计与制造，2009年7月，第7期，22-24。

[3]杨雪琴，仲召阳，王东，王阁，杨镇洲，李增鹏，杨宇馨，沈奕播，王正波。C12多肿瘤标志物检测系统在结直肠癌诊断中的价值，江苏医药，2009，No.1，5-7。

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[9]Industrial lab-on-a-chip：Design，applications and scale-up for drug discovery and delivery

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[11]Chang C.K.，Lai C.C.，Chung C.K..Numerical analysis and experiments of capillarity-driven microfluid chip.NEMS 2011-6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems，2011，1032-1035

[12]Lee Sang Hoon，Kang Edward.MICROVALVE USING SURFACE TENSION，MICROFLUIDIC CHIPCOMPRISING SAME，AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME，United States Patent Application：0140175711，June 26，2014

[13]Catherine Rivet，Hyewon Lee，Alison Hirsch，Sharon Hamilton，Hang Lu.Microfluidics for medicaldiagnostics and biosensors，Chemical Engineering Science，2011，66，1490-1507

[14]Laser D.J.，Santiago J.G.A review of micropumps，Journal of Micromechanics and MicroengineeringVolume 14，Issue 6，June 2004，Pages R35-R64

Claims (1)

1.三维阵列式微流体加样/清洗芯片，包括加样/清洗芯片载体、敏感点窗口、上注入孔、敏感点出液孔、底部排液孔、排液通道、传感器芯片嵌入框，其特征为，敏感点窗口、上注入孔、敏感点出液孔、底部排液孔、排液通道位于加样/清洗芯片载体内，且数量一致，构成加样/清洗芯片单元，每组加样/清洗单元彼此独立；敏感点窗口以阵列方式排列于传感器芯片嵌入框内部，且每一个敏感点窗口内具有唯一一组上注入孔和敏感点出液孔；底部排液孔分布于芯片四边，开口于加样/清洗芯片载体的下底面，上部通过唯一一条排液通道与敏感点窗口内部的敏感点出液孔相连通；上注入孔下端与敏感点窗口连通，上端开口于加样/清洗芯片载体上表面，且以阵列式布局。