CN104531519A - 一种基于微滴实验的微流控检测芯片 - Google Patents

一种基于微滴实验的微流控检测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微滴实验的微流控检测芯片，包括微滴通道网络，其特征在于，所述微滴通道网络包括出口通道、设置在出口通道上的载液通道，设置在出口通道端部的入口通道，设置在出口通道另一端的检测通道，所述入口通道直径大于微滴直径，所述入口通道为锥形向着出口通道端逐渐变细，入口通道最细端直径为微滴直径的0.9～1倍，所述出口通道直径小于或等于微滴直径，所述入口通道最细端直径为入口通道、出口通道和检测通道中的最小直径。

Description

一种基于微滴实验的微流控检测芯片
技术领域
本发明涉及一种基于微滴实验的微流控检测芯片。
背景技术
许多生物医学的实验需要对样品试剂进行高通量的实验，比如，在生物研究及临床应用中，基因测试通过使用高通量的靶特异性试剂，可对生物标志物发现及临床诊断提供高质量的信息。
小体积、多种类的样品检测是发展的趋势，然而小容量试剂的产生及混合需要更加复杂的设备，这相应地增加了实验成本，因此，亟需新兴的技术来实现对小体积、多种类的样品进行快速检测。
微滴技术为高通量实验提供了巨大的前景，乳化技术能够产生数以亿计的小体积液滴，这些相互独立的微滴能为生物化学反应提供独立的反应室。比如，200微升的样品溶液可以形成上百万个微型液滴，每个液滴的体积为50纳升，从而能对该样品进行高通量地操控、处理和研究。
将样品分成微滴进行实验具有很多优点，液滴的体积通常为0.05pL～1nL，所需样品量极微，试剂消耗极少，特别适用于某些样品来源非常有限和需要做大规模筛选的研究，微小体积的液滴使其表面积/体积比增大，大比表面积体系在传质、传热等方面有很多优势。液滴生成速率通常在0.1～100kHz，如此高的通量足以满足大多数反应，特别是基于细胞和生化反应的筛选研究。液滴的生成过程稳定，生成液滴的大小非常均匀，这保障了液滴内部反应条件的准确控制，为液滴内部反应的定量分析提供了可能。此外，液滴作为一个封闭的反应体系，被不相溶的油相包裹，避免了液滴内样品试剂的浓度变化及不同液滴 间的交叉污染。
水相溶液悬浮在油相中可生成油包水液滴，独立的微滴在加热、冷却及运输过程状态稳定，不会发生微滴间的融合，因此可在独立的微滴内进行热循环，通过在液滴内应用PCR技术实现目标核酸分子的单拷贝扩增。
即使微滴技术拥有很多优点，但是在高通量检测过程中，它依然面临一些技术难题，比如，在液滴反应之前及检测之后，微滴之间的排列距离和堆积密度都需要进行适时地调整。高堆积密度有利于对液滴进行批量的热循环，但却不利于独立微滴的荧光信号的检测，因此，需要设计一个检测芯片，在微滴PCR反应之后，将独立的微滴分离开来，提高检测精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于微滴实验的微流控检测芯片。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于微滴实验的微流控检测芯片，包括微滴通道网络，所述微滴通道网络包括出口通道、设置在出口通道上的载液通道，设置在出口通道端部的入口通道，设置在出口通道另一端的检测通道，所述入口通道直径大于微滴直径，所述入口通道为锥形向着出口通道端逐渐变细，入口通道最细端直径为微滴直径的0.9～1倍(这样设置的优点是：一次只允许通过一个微滴，从而形成单列的微滴流。锥状结构可以使微滴加速离开聚焦区域)，所述出口通道直径小于或等于微滴直径，所述入口通道最细端直径为入口通道、出口通道和检测通道中的最小直径。
进一步，所述入口通道最粗端直径大于等于微滴直径的2倍，所述入口通道长度为微滴直径的0.8～3倍。
进一步，所述载液通道直径为微滴直径的0.2～2倍，所述载液通道至少为1个，所述载液通道和出口通道的夹角为30°～90°。
进一步，所述出口通道和检测通道的长度为微滴直径的5～1000倍。
进一步，各通道通过连接器与外界相连。
一种基于微滴实验的微流控检测方法，将微滴从入口通道流入，然后进入出口通道中，通过载液通道向出口通道输送载液来增加相邻微滴间距，之后进入微滴检测通道内，用探测器检测其发出的光学信号。
进一步，载液流速为微滴乳液流速的0.5～10倍。
本发明的有益效果是，可以对微滴之间的排列距离和堆积密度都需要进行适时地调整，在微滴PCR反应之后，将独立的微滴分离开来，提高检测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一个光学检测系统，它包括一个微滴通道网络，一个杂散光检测器6及一个荧光探测器7。被检测的微滴5与杂散光检测器6之间放置一块光学器件，起到聚光的作用。
辐射源8遇到微滴5时会部分散射，杂散光检测器6用来检测微滴5性质如微滴5的表面形态等，此信息用来激活荧光探测器7，在没有检测到微滴时，荧光探测器7处于未激活状态；即使荧光探测器7一直处于激活状态，微滴表面形态的信息亦有其他作用，如记录通过检测区域的微滴数量，以及去除背景噪音(无微滴时的检测信号)等。
杂散光检测器6可用来确定液滴的大小。特殊地，可确定微滴的平均速度， 以此确定微滴宽度，若宽度小于通道的宽度，则微滴为球形，其体积可测；若宽度大于通道宽度，则微滴为非球形，与通道壁接触，可将其看为圆柱体测其体积。体积的测量对于荧光检测起到不小的作用。
此系统设计了一种流路载液通道2，在微滴到达检测系统之前，使微滴相互之间得到分离。位于检测通道4的微滴之间需要存在一定的距离，这不仅有利于激发光的分散辐射，同时检测器也能放在更为合适的位置，此外，还可对微镜进行合适的调整。
充足的间距能够避免同时对两个以上的微滴进行检测，避免了假阳信号及其他错误的产生。比如，即使微滴内不含有目标核酸分子，但微滴内的探针仍然能够发射一定量的荧光，若两个或多个微滴靠的过近，即使他们都不含有靶标分子，但释放的荧光足以产生一个阳性检测信号，这可能会被误以为是由一个包含目标DNA分子的微滴所发出的，造成检测结果不准确。此外，距离过近的微滴对微滴体积及靶标组分的确定亦能产生不好的影响。
通过设置载液通道能够使我们得到所需的微滴间距，微滴入口通道1存放微滴，载液通道2通入油相液体，它们在通道结合点相遇，之后从出口通道3流出。出口通道3的直径小于微滴入口通道1的直径，也小于载液通道2的直径，因此出口的流体流速将会增加，微滴通过出口通道3时的速度也会增加，载液的流入能够增加相邻微滴间的距离。通过合理选择通道内径的直径及载液的流入速度，可以获得理想的间距。光辐射区域需要具有更高透过率和更薄的通道侧壁。然后微滴按顺序通过检测通道4，微滴内的光信号将会受到检测器的检测。
微滴5沿着微滴入口通道1到出口通道3，入口通道1呈锥形，通道直径由大变小，细端直径小于或等于微滴直径，微滴5在进入出口通道3前将会排 成单一序列，另外，细端直径为整个检测系统中的最小直径。
稀释流体如油等通过载液通道2进入出口通道3，稀释流体将会增加相邻微滴间的距离，并会促使微滴加速离开汇聚区域，此分离结构降低了乳液中微滴的密度(即每微升或单位长度内微滴的数量)，分离的微滴降低了重合微滴通过检测区域的概率，有利于实现对微滴内样品更准确的检测。
从微滴出口通道3延伸出来的检测通道4直径等于或大于出口通道的直径。
入口通道1锥形区域粗端的直径为微滴直径的两倍或更大，细端直径小于或等于微滴直径。圆锥区域与汇聚点间的距离可以是一个、两个、三个或更多的微滴直径，其范围最好是4/5～3个微滴直径，距离越长，微滴在进入出口通道3之间的稳定性越好。
载液通道2的直径范围可以是1/5～2个微滴直径，增加载液通道2直径可以减小剪切力，但是通道过大会导致多个微滴同时通过汇聚区域。
出口通道3直径等于或小于通道内微滴的最小直径。
检测通道4直径可小于或大于出口通道3直径，通常情况下，检测通道4直径的取值范围为1/2～2个微滴直径，通道直径较大会使微滴在进入检测区域前减速，可以提高检测精度；直径较小则可以降低微滴在横向的位置变化，进而提高探测的均匀性。出口通道3可以通过胶管或毛细管与检测区域相连接。
出口通道3与检测通道4之间的距离会影响微滴在检测时的状态，若距离过小，微滴在接受检测时可能还不稳定；距离过大，会使得检测通道4内的微滴速度不同，可能会导致微滴发生聚集。检测通道4与出口通道5的长度之和为5～1000个微滴直径，通常情况下，最优间距和微滴尺寸及剪切力的大小有关。
载液流速一般为乳液流速的1/2～10倍，较高的流速可以去除通道内的碎屑，避免通道发生堵塞，但也容易造成微滴破裂，降低微滴的完整性；较低的流速可以避免上述问题，但获得的微滴间距较小。通常情况下，最优的载液流速与载液通道直径、微滴大小及检测通道直径有关。微滴入口通道与载液通道之间可以呈不同的角度，它们可以相互垂直，也可以互为30～90度。
采用多级载液通道2来实现微滴的分离，通过多步分离加大微滴间的距离，提高检测精度。

Claims (7)

1.一种基于微滴实验的微流控检测芯片，包括微滴通道网络，其特征在于，所述微滴通道网络包括出口通道、设置在出口通道上的载液通道，设置在出口通道端部的入口通道，设置在出口通道另一端的检测通道，所述入口通道直径大于微滴直径，所述入口通道为锥形向着出口通道端逐渐变细，入口通道最细端直径为微滴直径的0.9～1倍，所述出口通道直径小于或等于微滴直径，所述入口通道最细端直径为入口通道、出口通道和检测通道中的最小直径。
2.根据权利要求1所述的一种基于微滴实验的微流控检测芯片，其特征在于，所述入口通道最粗端直径大于等于微滴直径的2倍，所述入口通道长度为微滴直径的0.8～3倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于微滴实验的微流控检测芯片，其特征在于，所述载液通道直径为微滴直径的0.2～2倍，所述载液通道至少为1个，所述载液通道和出口通道的夹角为30°～90°。
4.根据权利要求1所述的一种基于微滴实验的微流控检测芯片，其特征在于，所述出口通道和检测通道的长度为微滴直径的5～1000倍。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于微滴实验的微流控检测芯片，其特征在于，各通道通过连接器与外界相连。
6.一种基于微滴实验的微流控检测方法，其特征在于，将微滴从入口通道流入，然后进入出口通道中，通过载液通道向出口通道输送载液来增加相邻微滴间距，之后进入微滴检测通道内，用探测器检测其发出的光学信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于微滴实验的微流控检测方法，其特征在于，载液流速为微滴乳液流速的0.5～10倍。
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