CN105154323A - 一种单分子测序芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单分子测序芯片，该芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。所述芯片的流场分布情况良好，芯片中基底的变形率低，芯片内流体的冲刷切换彻底。

Description

一种单分子测序芯片
技术领域
本发明涉及DNA测序芯片技术领域，具体涉及一种单分子测序芯片。
背景技术
进入21世纪后，人类基因组计划的完成对当代的生物学研究和医学研究产生了巨大的影响。就基因序列分析而言，后基因组时代的重点已由单个物种的全基因组序列测定转移到了对某一物种在基因组DNA序列层次上对个体遗传差异及物种间遗传差异的比较。靶向基因重测序将会是未来临床基因检测的主流技术。单分子测序技术被誉为第三代测序技术，其显著特征是可以高保真地对DNA片段直接进行识别，单分子测序技术由于能识别到单个核酸分子，其具有比高通量测序技术(统称为二代测序技术)更高的检测灵敏度。
基因芯片是测序技术得以实现的关键部件。然而，二代测序芯片是目前市场上的主流产品，它们大多是采用半导体纳米加工工艺得到高密度的纳米阵列，加工工艺精细且复杂，成本非常高，且需要大型的高精度仪器和超高级别的洁净室来完成。另外，二代测序芯片为了实现高通量的测序目的，芯片通道的宽度通常较大，在负压抽液方式进样进行生化反应时，通常会存在流体的流场分布不均问题和盖玻片易变形的问题。流场分布不均问题会造成试剂切换不干净，并使生化反应受影响，盖玻片变形会影响芯片的质量，更会影响碱基光学信号的采集。
单分子测序技术由于在测序数据量上要求不高，无需像二代测序芯片要求超高密度的纳米阵列，因此传统的二代测序芯片已无法匹配单分子测序技术，所以，有必要提供一种适用于单分子测序的芯片。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种单分子测序芯片，所述单分子测序芯片的流场分布情况良好，芯片的变形率低，流体的冲刷切换彻底。
本发明提供了一种单分子测序芯片，所述单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
优选地，所述反应池阵列包括15-25个流道。
优选地，所述间隔层沿与所述流道的长度方向垂直的方向之间的宽度为1-1.5mm。
如本发明所述的，相邻流道之间的间距为1-1.5mm。
优选地，所述锥形末端的夹角为30-60°。
优选地，每个所述流道相对设置的两个侧壁的交汇处的距离为每个流道的长度，每个所述流道的长度为50-75mm。
优选地，每个所述流道相对设置的两个侧壁之间的距离为每个流道的宽度，每个所述流道的宽度为1-2mm。
优选地，每个所述流道的深度为0.6-1mm。
将流道的深度优选为0.6-1mm，根据矩形流道流体力学阻力规律，厚度方向每增加一倍，流阻降低为原来的1/8，小的流阻，有利于流体的流动，便于单分子测序过程中，流体在流道内进行生化反应。
更优选地，每个流道的长度50mm，宽度为1mm，深度为0.6mm。
在流体上来说，宽度更窄的流道更有利于流体间的冲刷切换，将流道两端的纵截面设计成为三角形，当流体流过该流道内，可使流道内不存在回流现象。
优选地，所述基片具有与所述流道的长度方向垂直的第一边长，每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处距所述基片的第一边长的距离为0.5-1cm。
优选地，所述流体输入孔和流体输出孔同轴。
优选地，所述流体输入孔的孔径大小为300-500μm。
优选地，所述流体输出孔的孔径大小为300-500μm。
如发明所述的，所述基片第一表面间隔设置有多个流道组成单分子测序芯片的反应池阵列，每个流道的两个锥形末端表面开设有流体输入孔和输出孔，以供流体的流入与流出。
如本发明所述的，所述流体输入孔和流体输出孔用于连接流体的输入、输出装置，例如，可以在所述流体输入孔和流体输出孔分别插上移液枪头、管接头等，以分散每个流道内流体的输入点、输出点，便于每个流道内流体的输入、输出不受干扰。
优选地，所述基片的材质包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、EVA(乙烯-醋酸乙烯)和PUA(聚胺脂)中一种或多种，但不限于此，只要能实现浇筑工艺即可。
优选地，所述透明基底包括表面带有官能团为环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基中的一种的透明的玻璃、石英或有机聚合物材料。
更优选地，所述透明基底为表面带有环氧基的透明玻璃或石英。
优选地，所述间隔层的材质为聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)。所述间隔层用于阻隔各流道内的样本之间的接触，保证每个流道内样本的单独控制。
优选地，所述间隔层是向每个流道内注入试剂以清洗掉与各流道接触的透明基底上的聚甲基戊二酰亚胺层，以使透明基底上表面带有的官能团(环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基等)暴露出来。所述间隔层用于阻隔各流道内的样本之间的接触，保证每个流道内样本的单独控制。
优选地，所述腐蚀凹槽的深度为1-5μm。
所述透明基底表面的官能团(如环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基)，可与单分子测序仪的基因样本的官能团(如羧基、磷酸基、氨基等)发生作用，使得基因样本(如DNA、RNA)固定在芯片的透明基底上，从而便于测序的进行。如透明基底上的环氧基可与修饰有-NH2的DNA发生化学反应，通过新的-CH2-NH-键将待测序的DNA单链固定在修饰有环氧基团的基底表面。
所述单分子测序芯片在应用时，在下层透明基底的外部设有荧光检测器，荧光检测器为光电耦合器件CCD或互补性氧化金属半导体CMOS中的一种。经过微流体通道中的生化反应，可用多种光学波长来检测固定在透明基底上的DNA分子中某一特定位置的碱基，从而确定固定在透明基底上的DNA序列。
本发明提供的单分子测序芯片具有一定数目的流道，每个流道带有夹角的锥形末端，可使流道内流体的流场分布情况良好，流道内不存在回流现象，流场分布情况远好于二代测序芯片，同时集成化的多流道的设计增加了基底的支撑点，基底的变形问题几乎可以忽略。该单分子测序芯片可以实现每个流道内样本的单独控制，保证了样本间无交叉污染，同时可以简化后期数据处理工作。另外，该单分子测序芯片无需像二代测序芯片中，在每个样本进样之前都要加入特定的一段序列“barcode”，以便从测序之后的生物信息分析可以识别出每个样本。
本发明提供的所述单分子测序芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一基板，根据设计好的反应池阵列的图形模板，采用光刻法在基板的表面制作反应池阵列的阳膜；
(2)用模型胶浇注所述阳膜，经过真空除气后，在90-100℃下固化1-3h，使所述反应池阵列的阳膜转移在所述模型胶的底部，揭膜，得到带有多个流道的模型胶层，并在每个流道的两端各打一个孔，形成流体输入孔和流体输出孔，得到基片；
(3)基底修饰：取一透明基底，在所述透明基底的表面制备一聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)层，得到表面修饰的透明基底；
(4)封装芯片：将上述基片与所述表面修饰的透明基底进行氧等离子体清洗，之后将所述基片与透明基底压合形成容纳流体的空间；然后往每个流道内注入N-甲基吡咯烷酮(简写为NMP)，反应时间为10min-15min，以清洗掉与各流道接触的聚甲基戊二酰亚胺层，得到位于所述透明基底表面的间隔层，完成单分子测序芯片的制作，所述单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
优选地，步骤(3)中，所述透明基底包括表面带有官能团为环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基中的一种的透明的玻璃、石英或有机聚合物材料。
优选地，步骤(1)中，所述基板包括硅片、玻璃、金属或陶瓷中的一种。
优选地，步骤(2)中，所述模型胶包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯-醋酸乙烯(EVA)和聚胺脂(PUA)中的一种或多种，但不限于此，只要是适用于软光刻法的模型胶即可。
更优选地，步骤(2)中，所述模型胶为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
如本发明所述的，所述基片的材质与模型胶相同。
优选地，步骤(3)中，所述聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)层的厚度为1-5μm。
本发明中，所述聚甲基戊二酰亚胺，其英文全称为polymethylglutarimide(PMGI)，所述PMGI是购买自MicroChem公司的、产品名为SF1、SF2、SF3、SF4、SF5、SF6、SF7、SF7.5、SF8、SF9、SF10、SF11、SF12、SF13、SF14、SF15、SF17、SF19、SF23中的一种或多种。
优选地，所述PMGI是购买自MicroChem公司的、产品名为SF11的聚甲基戊二酰亚胺。
优选地，步骤(4)中，每个流道内N-甲基吡咯烷酮的注入量为100-500μL。
所述N-甲基吡咯烷酮的注入量可以将与各流道接触的透明基底上的聚甲基戊二酰亚胺腐蚀掉，并在间隔层对应流道所在的位置得到腐蚀凹槽，以使透明基底上表面带有的官能团(环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基等)暴露出来。所述间隔层用于阻隔各流道内的样本之间的接触，保证每个流道内样本的单独控制。
如本发明所述的，在将基片与表面修饰的透明基底进行氧等离子处理表面之前，制备PMGI层的目的是为了保护透明基底表面的官能团(如环氧基、氨基、羧基、巯基和醛基中的一种)，避免其受等离子氧处理的影响，使得后续的基因样本固定到透明基底上。修饰后的透明基底在经过氧等离子清洗后，透明基底的表面由疏水性变成亲水性；再向每个流道注入N-甲基吡咯烷酮，该试剂可以将与各流道接触的PMGI腐蚀掉，使得透明基底表面的官能团再次暴露。
该单分子测序芯片的流道为亲水性，可以减少对待测基因样本(如DNA)的非特异性吸附，同时使基底表面的官能团不受影响。
优选地，步骤(4)中，所述基片与透明基底的压合具体为：先将基片与透明基底初步贴合，并放入温度为95-120℃的烤箱内，用重物压住烘烤1-3h。
优选地，步骤(1)中，所述光刻法包括以下步骤：
a、将负性光刻胶通过旋涂法制备到基板表面，得到匀胶后的基板，其中基板表面的光刻胶层厚度为600-650μm；
b、对匀胶后的基板进行前烘处理，所述前烘的温度控制为：缓慢加热到90-100℃并稳定15-20min，之后自然冷却至室温；
c、将设计好的反应池阵列的图形模板作为掩膜版，并覆盖在前烘处理后的基板表面，进行曝光处理，曝光时间为90-150s；
d、将曝光后的基板进行后烘处理，所述后烘的温度控制为：先缓慢加热到90-95℃并稳定5-10min，之后自然冷却至室温；
e、将后烘处理后的基板浸入显影液中，进行显影处理，清洗掉掩膜版以外的部分，得到反应池阵列的阳膜；
优选地，在进行所述光刻法的步骤a之前，还包括对基板进行以下预处理：
依次用无水乙醇、水清洗基板表面，之后将清洁过的基板置于150℃的热板上加热10min，使表面水分彻底蒸发。
优选地，在所述光刻法的步骤e之后，还包括以下处理：
f、将步骤e得到的反应池阵列的阳膜进行硬烘处理，所述硬烘是在所述阳膜上加一玻璃板，并压一铁块，加热至130-150℃下烘烤45-60min。
所述硬烘是为了使阳膜的光刻胶层更牢固地粘附在基板表面，并增加光刻胶层的抗刻蚀能力。
优选地，步骤b中，所述前烘的温度控制为：先在65℃时烘烤6min，再按1℃/min的速率逐渐升温至95℃，保持20min，自然冷却至室温。所述前烘的目的是将光刻胶中的有机溶剂蒸发掉，并使光刻胶凝固。
优选地，步骤e中，所述后烘的温度控制为：先以0.5℃/min的速率逐渐升温至95℃，保持5min，再以1-3℃/min的速率自然冷却至室温。所述后烘的目的是以使曝光部分的负性光刻胶的交联反应充分进行。
优选地，所述负性光刻胶为SU-82150。
本发明有益效果包括以下几个方面：
1、所述单分子测序芯片具有一定数目的流道，将各流道设计为较窄的流道，并且在流体进出口均设计成锥形，有利于形成流体缓冲带，可使流道内流体的冲刷切换彻底，不存在流体回流区，利于生化反应进行；同时流道的深度又较深，使流道内流体的流动阻力越小，可提高所述单分子测序芯片的相应时间。
2、所述单分子测序芯片中集成化的多流道的设计增加了基底的支撑面，非常有利于减小由于负压吸液造成的基底形变，克服了由于基底变形造成的芯片系统中流体的进样异常问题以及采集的图像效果不佳的问题。
3、所述单分子测序芯片，采用多条并行的流道设计，各流道之间相互独立，可以实现每个流道内样本的单独控制，保证了样本间无交叉污染，同时该单分子测序芯片无需像二代测序芯片中，在每个样本进样之前都要加入特定的一段序列“barcode”以识别出每个样本，简化基因样品准备的流程和后续的生物信息分析流程。
4、由于模型胶(如PDMS等)本身超强的疏水性，其容易非特异性地粘附DNA等生物大分子，使得其较少被报道应用于DNA测序芯片的基片。本发明基于软光刻-浇筑工艺制作出适合单分子DNA测序的芯片，在保护基底表面的官能团的前提下，采用等离子处理将基片表面由疏水性改成亲水性，使其能符合DNA测序芯片的要求，该单分子测序芯片的流道既可以减少对待测DNA分子的非特异性吸附，同时基底表面是官能团不受影响。
5、由于光刻法制成的反应池阵列的阳膜可以重复多次浇筑使用，有利于单分子测序芯片的批量生产，并会进一步降低制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中单分子测序芯片的剖面结构示意图，1为基片，21为透明基底，22为透明基底21上的间隔层，2为21与22构成的基底层，1b为基片1的第二表面，11为流道，12为基片的第二表面1b连通的流体输入孔，间隔层22对应流道所在位置设置的腐蚀凹槽的深度用h表示；
图2是本发明实施例1中单分子测序芯片的基片的俯视结构示意图，1为基片，11为流道，12、13分别为流体输入孔和流体输出孔，111、112分别为流道相对设置的两个侧壁，113为流道的锥形末端，d表示的距离为每个流道的宽度，l表示的距离为每个流道的长度；
图3为本发明实施例的单分子测序芯片的制备方法的示意图，其中3为制作反应池阵列的阳膜的基底，1a为基片1的第一表面，1b为基片1的第二表面；
图4为二代测序芯片与本发明实施例1中单分子测序芯片的流体力学仿真模拟结果的对比；
图5为二代测序芯片与本发明实施例3中单分子测序芯片的透明基底的变形情况对比。
具体实施方式
以下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。
实施例1
本实施例的单分子测序芯片的结构示意图如图1所示，结合图1和基片的俯视结构示意图2一起来看，该单分子测序芯片包括基片1和所述基片压合设置的基底层2，所述基片1包括相对设置的第一表面(在图1中未画出，在图3中用1a表示)和第二表面1b，所述基片第一表面间隔设置有多个流道11形成的反应池阵列，每个所述流道11相对设置的两个侧壁111、112沿所述流道11的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端113，所述两个锥形末端113表面分别设置有与所述基片第二表面1b连通的流体输入孔12和流体输出孔13，所述基底层2包括透明基底21和设置在所述透明基底21表面的间隔层22，所述间隔层22与所述基片第一表面接触且所述间隔层11对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽，腐蚀凹槽的深度用h表示。
由图1可知，透明基底21上还有残留的聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)层，但与各流道接触的对应透明基底上的PMGI层已经全部清除掉，即得到相间设置在透明基底21的间隔层22。所述间隔层22是向每个流道内注入清洗试剂以洗掉与各流道接触的透明基底上的PMGI层所形成，以使透明基底上表面带有的环氧基官能团暴露出来。所述间隔层22用于阻隔各流道内的样本之间的接触，保证每个流道内样本的单独控制。间隔层对应流道所在位置得到的腐蚀凹槽的深度为1μm。
在本实施例中，锥形末端113的夹角为60°。
在本实施例中，所述反应池阵列包括20个流道，相邻流道之间的间距为1mm，间隔层22沿与流道的长度方向垂直的方向之间的宽度为1mm。每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处的距离为每个流道的长度，在图2中用l表示；每个流道相对设置的两个侧壁之间的距离为每个流道的宽度，在图2中用d表示。
在本实施例中，每个流道的长度l为50mm。
在本实施例中，每个流道的宽度d为1mm。
在本实施例中，每个流道的深度d为0.6mm。
在本实施例中，基片具有与流道的长度方向垂直的第一边长，每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处与基片的第一边长的距离为0.5cm。
在本实施例中，流体输入孔12和流体输出孔13同轴。
在本实施例中，流体输入孔12和流体输出孔13的孔径大小为300μm。
在本实施例中，透明基底21为表面带有环氧基团的透明硼硅玻璃。间隔层的材质为PMGI，腐蚀凹槽的深度为1μm。
在本实施例中，基片1的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本实施例的单分子测序芯片的制备方法(参见附图3的制备方法的示意图)，包括以下步骤：
(1)取一硅片作为基板，根据设计好的反应池阵列的图形模板，采用光刻法在硅片的表面制作反应池阵列的阳膜，具体包括以下步骤；
a、取一硅片，依次用无水乙醇、水清洗基板表面，之后将清洁过的硅片置于150℃的热板上加热10min，使表面水分彻底蒸发；将处理后的硅片置于匀胶机的旋转载物台上，旋涂负性光刻胶SU-82150，启动匀胶机，使光刻胶在硅片上均匀铺开，得到匀胶后的硅片，其中硅片表面的光刻胶层厚度为600μm，匀胶机的加速时间设定为18s，均匀匀胶的时间为60s，均匀匀胶的转速为1000转/分；
b、对匀胶后的硅片进行前烘处理，所述前烘的温度控制为：先在65℃时烘烤6min，再按1℃/min的速率逐渐升温至95℃，保持20min，自然冷却至室温；
c、将设计好的反应池阵列的图形模板作为掩膜版，并覆盖在前烘处理后的硅片表面，进行曝光处理，曝光时间为120s；
d、将曝光后的硅片进行后烘处理，所述后烘的温度控制为：先以0.5℃/min的速率逐渐升温至95℃，保持5min，再以2℃/min的速率自然冷却至室温；
e、将后烘处理后的硅片浸入SU-8显影液中，进行显影处理，清洗掉掩膜版以外的部分，使用异丙醇将残余的显影液洗去，最后使用去离子水将残留的异丙醇洗去，得到反应池阵列的阳膜；
f、将步骤e得到的反应池阵列的阳膜进行硬烘处理，以使阳膜的光刻胶层更牢固地粘附在硅片表面，所述硬烘是在所述阳膜上加一玻璃板，并压一铁块，加热至150℃烘烤60min，并自然冷却至室温，得到硬烘后的反应池阵列的阳膜，所述阳膜为凸起状；
(2)将陶氏化学公司的聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B胶按照质量比10:1混合，均匀搅拌后，倒入玻璃皿内，该玻璃皿内预先放置好上述制得的反应池阵列的阳膜，然后将该玻璃皿放入真空设备内，抽真空1小时，待气泡抽干净后，放入烘箱内，保持底面水平，在95℃下固化1h，使所述反应池阵列的阳膜转移在所述模型胶的底部；从烘箱内取出玻璃皿，并冷却，用刀切下固化模型胶内的图案部分，之后揭膜，得到带有多个流道的凹槽的模型胶层，并在每个流道两端的流道底部各打一个孔，形成流体输入孔和输出孔，得到基片；
(3)基底修饰：取一透明硼硅玻璃作为透明基底，所述透明硼硅玻璃的表面带有环氧基，在所述透明硼硅玻璃的表面制备一聚甲基戊二酰亚胺(PMGI，MicroChem公司的SF11系产品)层，得到表面修饰的透明基底，PMGI层的厚度为1μm；
(4)封装芯片：将上述基片与所述表面修饰的透明基底放入氧等离子清洗机进行清洗，之后将所述基片与透明基底压合形成容纳流体的空间；然后往每个流道内注入100μL的N-甲基吡咯烷酮(简写为NMP)，反应时间为10min，以清洗掉与各流道接触的PMGI层，以使硼硅玻璃表面带有的环氧团暴露出来，得到位于所述透明基底表面的间隔层，并在每个流道两端的流体输入孔和流体输出孔分别插上管接头，并用树脂密封胶合，完成单分子测序芯片的制作。
对实施例1制得的单分子测序芯片进行流体力学仿真模拟，其结果如图4所示，A是流道两端不带锥形设计的单分子测序芯片内的流场，B是实施例1带有锥形入口段的单分子测序芯片内的流场，图4中左列的颜色数据条表示流体的体积分数(底部为蓝色，顶部为红色)，蓝色代表初始存在于芯片内的空气，红色代表即将进入芯片的流体，流体从右往左流，流体从一个点进入(A、B中的红色点即为初始流入状态，分别用方框圈出，随着时间的进行，通道由蓝色逐渐变成红色，当通道变成全红色时，表面流体已经充满整个流道)。从图4可以明显看出，圆圈表示的流体回流区c几乎不存在于带锥形设计的B中。
以上对比说明，本发明制备的单分子测序芯片将流体进出口均设计成锥形，有利于形成流体缓冲带，可使流道内流体的冲刷切换彻底，不存在流体回流区，利于生化反应进行。
实施例2
一种单分子测序芯片，该单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
在本实施例2中，锥形末端的夹角为30°，所述反应池阵列包括25个流道，相邻流道之间的间距为1.2mm。每个流道的长度为75mm，每个流道的宽度为1.5mm，每个流道的深度d为0.8mm；基片具有与所述流道的长度方向垂直的第一边长，每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处与基片的第一边长的距离为0.8cm；流体输入孔和流体输出孔同轴，其孔径大小均为400μm。在本实施例中，透明基底为表面带有环氧基团的透明硼硅玻璃，基片的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。间隔层的材质为PMGI，间隔层对应流道所在位置得到的腐蚀凹槽的深度为3μm。
本实施例2所述的单分子测序芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一硅片作为基板，根据设计好的反应池阵列的图形模板，采用光刻法在硅片的表面制作反应池阵列的阳膜，具体包括以下步骤；
a、取一硅片，依次用无水乙醇、水清洗基板表面，之后将清洁过的硅片置于150℃的热板上加热10min，使表面水分彻底蒸发；将处理后的硅片置于匀胶机的旋转载物台上，旋涂负性光刻胶SU-82150，启动匀胶机，使光刻胶在硅片上均匀铺开，得到匀胶后的硅片，其中硅片表面的光刻胶层厚度为650μm，匀胶机的加速时间设定为18s，均匀匀胶的时间为60s，均匀匀胶的转速为1000转/分；
b、对匀胶后的硅片进行前烘处理，所述前烘的温度控制为：缓慢加热到100℃并稳定15min，之后自然冷却至室温；
c、将设计好的反应池阵列的图形模板作为掩膜版，并覆盖在前烘处理后的硅片表面，进行曝光处理，曝光时间为150s；
d、将曝光后的硅片进行后烘处理，所述后烘的温度控制为：先缓慢加热到90℃并稳定10min，之后自然冷却至室温；
e、将后烘处理后的硅片浸入SU-8显影液中，进行显影处理，清洗掉掩膜版以外的部分，使用异丙醇将残余的显影液洗去，最后使用去离子水将残留的异丙醇洗去，得到反应池阵列的阳膜；
f、将步骤e得到的反应池阵列的阳膜进行硬烘处理，以使阳膜的光刻胶层更牢固地粘附在硅片表面，所述硬烘是在所述阳膜上加一玻璃板，并压一铁块，加热至130℃烘烤45min，并自然冷却至室温，得到硬烘后的反应池阵列的阳膜，所述阳膜为凸起状；
(2)用模型胶PDMS浇注所述阳膜，经过真空除气后，在90℃下固化3h，使所述反应池阵列的阳膜转移在所述模型胶的底部，揭膜，得到带有多个流道模型胶层，并在每个流道的两端各打一个孔，形成流体输入孔和输出孔，得到基片；
(3)基底修饰：取一表面带有环氧基的透明硼硅玻璃作为透明基底，在所述透明硼硅玻璃的表面制备一PMGI层，得到表面修饰的透明基底，所述PMGI层的厚度为3μm；
(4)封装芯片：将上述基片与所述表面修饰的透明基底放入氧等离子清洗机进行清洗，之后取出，先将基片与透明基底初步贴合，并放入温度为120℃的烤箱内，用重物压住烘烤2h，完成所述基片与透明基底的压合，并形成容纳流体的空间；然后往每个流道内注入300μL的NMP，反应时间为12min，以清洗掉与各流道接触的PMGI层，以使硼硅玻璃表面带有的环氧团暴露出来，得到位于所述透明基底的表面的间隔层，并在每个流道两端的流体输入孔和流体输出孔分别插上管接头，并用树脂密封胶合，得到单分子测序芯片。
实施例3
一种单分子测序芯片，该单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
在本实施例3中，锥形末端的夹角为45°，所述反应池阵列包括7个流道，相邻流道之间的间距为1.5mm。即间隔层沿与流道的长度方向垂直的方向之间的宽度为1.5mm。每个流道的长度为60mm，每个流道的宽度为2mm，每个流道的深度d为1mm；基片具有与所述流道的长度方向垂直的第一边长，每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处与基片的第一边长的距离为1cm；流体输入孔和流体输出孔同轴，其孔径大小均为500μm。
在本实施例3中，透明基底为带有环氧基团的透明硼硅玻璃，间隔层的材质为PMGI，腐蚀凹槽的深度为5μm。基片的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本实施例3所述的单分子测序芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一玻璃作为基板，根据设计好的反应池阵列的图形模板，采用光刻法在玻璃的表面制作反应池阵列的阳膜，具体包括以下步骤；
a、取一玻璃，依次用无水乙醇、水清洗基板表面，之后将清洁过的硅片置于150℃的热板上加热10min，使表面水分彻底蒸发；将处理后的硅片置于匀胶机的旋转载物台上，旋涂负性光刻胶SU-82150，启动匀胶机，使光刻胶在硅片上均匀铺开，得到匀胶后的硅片，其中硅片表面的光刻胶层厚度为620μm，匀胶机的加速时间设定为18s，均匀匀胶的时间为60s，均匀匀胶的转速为1000转/分；
b、对匀胶后的硅片进行前烘处理，所述前烘的温度控制为：缓慢加热到95℃并稳定18min，之后自然冷却至室温；
c、将设计好的反应池阵列的图形模板作为掩膜版，并覆盖在前烘处理后的硅片表面，进行曝光处理，曝光时间为150s；
d、将曝光后的硅片进行后烘处理，所述后烘的温度控制为：先缓慢加热到92℃并稳定8min，之后自然冷却至室温；
e、将后烘处理后的硅片浸入SU-8显影液中，进行显影处理，清洗掉掩膜版以外的部分，使用异丙醇将残余的显影液洗去，最后使用去离子水将残留的异丙醇洗去，得到反应池阵列的阳膜；
f、将步骤e得到的反应池阵列的阳膜进行硬烘处理，以使阳膜的光刻胶层更牢固地粘附在硅片表面，所述硬烘是在所述阳膜上加一玻璃板，并压一铁块，加热至140℃下烘烤50min，自然冷却至室温，得到硬烘后的反应池阵列的阳膜，所述阳膜为凸起状；
(2)用模型胶PDMS浇注所述阳膜，经过真空除气后，在100℃下固化2h，使所述反应池阵列的阳膜转移在所述模型胶的底部，揭膜，得到带有多个流道的凹槽的模型胶层，并在每个流道的两端各打一个孔，形成流体输入孔和输出孔，得到基片；
(3)基底修饰：取一表面带有环氧基的透明硼硅玻璃作为透明基底，在所述透明硼硅玻璃的表面制备一PMGI层，得到表面修饰的透明基底，所述PMGI层的厚度为5μm；
(4)封装芯片：将上述基片与所述表面修饰的透明基底放入氧等离子清洗机进行清洗，之后取出，先将基片与透明基底初步贴合，并放入温度为95℃的烤箱内，用重物压住烘烤1h，完成所述基片与透明基底的压合，并形成容纳流体的空间；然后往每个流道内注入500μL的NMP，反应时间为15min，以清洗掉与各流道接触的PMGI层，以使硼硅玻璃表面带有的环氧团暴露出来，得到位于所述透明基底的表面的间隔层，并在每个流道两端的流体输入孔和流体输出孔分别插上管接头，并用树脂密封胶合，得到单分子测序芯片，该单分子测序芯片包括基片和基片压合设置的基底层，基底层包括透明基底和设置在透明基底表面的间隔层。
二代测序仪、单分子测序仪大多数采用注射泵负压吸液方式来实现试剂进样，由于芯片在键合时通常都使用很薄的玻璃(150-170μm)作为基底，管路中的总压降会使玻璃基底内外表面承受一定的压差，该压差会导致玻璃基底有一定的变形，这些变形不仅强烈影响整个流路系统中试剂的正常进样，还影响着芯片的采图效果。为了突出本发明的技术效果，本发明还对比了常见的二代测序芯片(两条流道)和本实施例3的芯片(7条流道)在相同负压作用下的玻璃基底的变形情况，对两种芯片施以相同的负压(15kpa)，假设玻璃基底的力学参数一致(杨氏模量72.9kN/mm2，泊松比0.2，密度2150g/cm3)，其结果如图5所示：
a为典型的二代芯片模型(中间一条支撑，两个流道)，b是其在典型流量10μL/s即15kpa压力作用下其玻璃基底的变形情况，c是其变形的侧视图；d是只有6个支撑面(7条流道)的芯片模型，e是有7条流道的芯片(实施例3)的基底的变形量。颜色条表示形变量，底部为蓝色，顶部为红色，单位是m，其中，负号代表形变的方向向下；
从图5可以看出，由于二代测序仪芯片的流道宽度较大(约为5-10mm)，在15kpa的管路压降下变形量达到将近28μm；对于本实施例3所述芯片，当支撑的固面设置为6条时(形成7条流道)，玻璃基底在同样15kpa的压力作用下，其变形量小于5μm，可以预见，当芯片的流道数目增加到15-25条时，芯片的基底的形变量将减至更小。另外，经过计算，实施例3的芯片的流阻很小，基本不会达到15kpa的管路压降，实际上该芯片整体的管路压降不会超过5kpa。
实施例4
一种单分子测序芯片，该单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
在本实施例4中，锥形末端的夹角为60°，所述反应池阵列包括15个流道，相邻流道之间的间距为1mm。即间隔层沿与流道的长度方向垂直的方向之间的宽度为1.5mm。每个流道的长度为50mm，每个流道的宽度为1mm，每个流道的深度d为0.6mm；基片具有与所述流道的长度方向垂直的第一边长，每个流道相对设置的两个侧壁的交汇处与基片的第一边长的距离为0.6cm；流体输入孔和流体输出孔同轴，其孔径大小均为300μm。
在本实施例4中，透明基底为表面带有醛基的石英，间隔层的材质为PMGI，腐蚀凹槽的深度为3μm。基片的材质为PMMA。修饰有-NH2的待测DNA分子可与本实施例芯片的透明基底上的醛基发生作用而被固定下来。
实施例4所述的单分子测序芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一硅片作为基板，根据设计好的反应池阵列的图形模板，采用光刻法在硅片的表面制作反应池阵列的阳膜；
a、取一硅片，依次用无水乙醇、水清洗基板表面，之后将清洁过的硅片置于150℃的热板上加热10min，使表面水分彻底蒸发；将处理后的硅片置于匀胶机的旋转载物台上，旋涂负性光刻胶SU-82150，启动匀胶机，使光刻胶在硅片上均匀铺开，得到匀胶后的硅片，其中硅片表面的光刻胶层厚度为650μm，匀胶机的加速时间设定为18s，均匀匀胶的时间为60s，均匀匀胶的转速为1000转/分；
b、对匀胶后的硅片进行前烘处理，所述前烘的温度控制为：缓慢加热到100℃并稳定15min，之后自然冷却至室温；
c、将设计好的反应池阵列的图形模板作为掩膜版，并覆盖在前烘处理后的硅片表面，进行曝光处理，曝光时间为150s；
d、将曝光后的硅片进行后烘处理，所述后烘的温度控制为：先以0.5℃/min的速率逐渐升温至95℃，保持5min，再以1℃/min的速率自然冷却至室温；
e、将后烘处理后的硅片浸入SU-8显影液中，进行显影处理，清洗掉掩膜版以外的部分，使用异丙醇将残余的显影液洗去，最后使用去离子水将残留的异丙醇洗去，得到反应池阵列的阳膜，所述阳膜为凸起状；
(2)用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为模型胶，浇注所述阳膜，经过真空除气后，在95℃下固化1h，使所述反应池阵列的阳膜转移在所述模型胶的底部，揭膜，得到带有多个流道的模型胶层，并在每个流道的两端各打一个孔，形成流体输入孔和输出孔，得到基片；
(3)基底修饰：取表面带有醛基的石英作为透明基底，在所述透明基底的表面制备一PMGI层，得到表面修饰的透明基底，所述PMGI层的厚度为3μm；
(4)封装芯片：将上述基片与所述表面修饰的透明基底放入氧等离子清洗机进行清洗，将上述基片与所述表面修饰的透明基底放入氧等离子清洗机进行清洗，之后取出，先将基片与透明基底初步贴合，并放入温度为100℃的烤箱内，用重物压住烘烤3h，完成所述基片与基底的压合，形成容纳流体的空间；然后往每个流道内注入300μL的NMP，反应时间为10min，以清洗掉与各流道接触的PMGI层，得到位于所述透明基底表面的间隔层，完成得到单分子测序芯片的制作，该单分子测序芯片包括基片和基片压合设置的基底层，基底层包括透明基底和设置在透明基底表面的间隔层。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单分子测序芯片，其特征在于，所述单分子测序芯片包括基片和所述基片压合设置的基底层，所述基片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述基片第一表面间隔设置有多个流道形成的反应池阵列，每个所述流道相对设置的两个侧壁沿所述流道的长度方向延伸并在所述流道的两端交汇形成两个带有夹角的锥形末端，所述两个锥形末端表面分别设置有与所述基片第二表面连通的流体输入孔和流体输出孔，所述基底层包括透明基底和设置在所述透明基底表面的间隔层，所述间隔层与所述基片第一表面接触且所述间隔层对应所述流道所在的位置设置有腐蚀凹槽。
2.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述反应池阵列包括15-25个流道。
3.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述间隔层沿与所述流道的长度方向垂直的方向之间的宽度为1-1.5mm。
4.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，每个所述流道相对设置的两个侧壁之间的距离为每个流道的宽度，每个所述流道的宽度为1-2mm。
5.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，每个流道的深度为0.6-1mm。
6.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，每个所述流道相对设置的两个侧壁的交汇处的距离为每个流道的长度，每个所述流道的长度为50-75mm。
7.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述流体输入孔的孔径大小为300-500μm，所述流体输出孔的孔径大小为300-500μm。
8.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述锥形末端的夹角为30-60°。
9.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述基片的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯和聚胺脂中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的单分子测序芯片，其特征在于，所述间隔层的材质为聚甲基戊二酰亚胺。
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