CN105964313B - 一种离心式多通道微流体芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心式多通道微流体芯片，在芯片第一层面设置有第一流体套件包括：第一反应池、流路和溶液注入口，所述流路具有用于向上述第一反应池输送液体的第一溶液暂存区；所述流路包括第一流路和支路，第一流路自所述谷部延伸至所述第一反应池形成第一连通点，所述支路与所述第一反应池形成第二连通点并自此第二连通点朝向旋转中心的方向延伸至一个出口端。第一层面的流体器件与第二层面的可通过上下互联通道联通，第一流体套件与第二流体套件可相互连通。本发明的微流控芯片结构巧妙，可以在不同反应器件中预先装载可与待检样品中不同物质或成分发生反应的物质及辅助成分，通过单次或多次溶液添加得到反应结果。
Description
技术领域
本发明涉及生物反应的检测或分析等中使用的试样分析流体芯片和试样分析方法、以及试样分析流体芯片的制造方法。特别是，涉及能够用于蛋白或DNA分析的生物芯片(disposable biochip)及其制造方法。
背景技术
以往，例如在DNA反应、蛋白质反应等的生化反应领域中，作为处理微量试样溶液的反应装置，公知的有被称为微全分析系统(μ-TAS；TotalAnalysis System)或片上实验室(Lab-on-Chip)的技术。该技术是向一个芯片或反应盒提供多个反应室(以下也称为“反应池”)或流路的技术，能够对多个检测队形进行分析，或能够进行多个反应。这些技术通过使芯片和反应盒小型化，由此可以减少药品的使用量，一直被认为具有各种优点。
专利文献1(CN 101609088A)公开了在外部电场的作用下，对带电液滴施加电场力，控制微粒子在微流体管道中向各个分支区域移动的送流装置。但是，在该方法中，需要向芯片引入生成电场的复杂机构和设备；又因为输送液体在电场区域需要先转换成液滴，并以液滴的方式向指定区域送流，大大降低了样品的处理速度。
专利文献2(CN 103055973A)公开了利用驱动样品的电渗泵，将带电不同的待测物质分离的装置。但该方法仅适用于必须带有电荷被测样品，对一般生物样品及不带电荷的样品不起作用。
专利文献3(CN 102369443A)披露了一种离心式输液芯片，即液体从芯片中央的存储部向周围的各个加样孔进行离心配送。该主流路的设计，即山部与谷部同宽的主流路的设计仍未能解决各加样孔配液均匀性的问题；另外谷部比山部过宽的设计，造成加样过程中主流路有气泡产生的问题。此外，通过添加废液室承载过量的溶液，虽在一定程度上实现了各加样孔分配液体体积的一致性，但并不能保证反应过程中液体始终充满加样孔，并且需要在微流体管道内部进行局部表面改性处理，即与加样孔连接的分支流路内表面的亲水处理，与收集剩余溶液的废液室相连的分支流路内表面的疏水处理，增加了芯片制造的复杂性，加工成本及加工难度。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有离心式多通道微流体芯片及其方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中一个目的是，提供一种在向加样孔送液的试样分析流体芯片中，送液方法简单、各加样孔的液量之间不存在偏差、且成本低的离心式多通道微流体芯片。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种离心式多通道微流体芯片，在芯片第一层面设置有第一流体器件，所述第一流体器件由上下两个基材配合组成；第一流体器件包含多个流体器件：第一反应池、与第一反应池连接的流路和向流路注入溶液的溶液注入口，并通过旋转该芯片，将溶液分配给第一反应池，所述流路具有用于向上述第一反应池输送液体的第一溶液暂存区，该第一溶液暂存区具有相对于旋转中心方向的一个谷部；所述流路包括第一流路和支路，第一流路自所述谷部延伸至所述第一反应池形成第一连通点，所述支路与所述第一反应池形成第二连通点并自此第二连通点朝向旋转中心的方向延伸至一个出口端，该出口端可独立，也可以与其他流路器件合并。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述支路与所述第一反应池形成第二连通点并自此第二连通点延伸至所述第一溶液暂存区或第一流路后通向出口端。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一流体器件中从第一溶液暂存区及其向后的流体器件的任何一个点，可从所述芯片的第一层面向上表面或下表面的一定深度延伸，形成上下互通流路，将第一流体器件从芯片的第一层面设置或延伸到第二层面，让第一流体器件中的气体和溶液从第一层面流动到第二层面的流体器件。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一流体器件上还包括有第二反应池，所述第二反应池设置于所述支路上。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一流体器件上还包括有第一反应仓，所述第一反应仓与所述第一反应池、或第二反应池、或支路相连通，且所述第一反应仓与气体排气孔相连通。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一反应仓与气体排气孔之间还设置有第二反应仓。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一溶液暂存区为多个且能够彼此相互连通，溶液从溶液注入口进入到最近第一溶液暂存区后，依次流入其他第一溶液暂存区，最后通向溶液注入回流口。溶液暂存区与所述溶液注入回流口之间可通过存储池相连通。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述第一溶液暂存区为多个且能够彼此连通，第一溶液暂存区具有相向于旋转中心方向的一个山部，且每一山部通过侧流路与加气通道相连通，相连的加气通道形成一体式连通结构，且具有至少一个加气孔。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述溶液暂存区为多个且能够彼此连通，并通过排气通道形成一体式连通结构，最终具有共同的气体排气孔。
根据本发明的另一个方面，提供了如下技术方案：一种离心式多通道微流体芯片，所述芯片的第一层或第二层设置有第二流体器件，包含有第二溶液暂存区、连通第二溶液暂存区且与第一流体器件中相同的全部或部分的流体器件；第二流体器件与第一流体器件相连通。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述反应池及反应仓中至少一个反应池或反应仓中设置有显示生物化学反应结果的试纸，所述试纸包括干式化学试纸、干式生化试纸或免疫层析试纸。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：配套设置有检测仪器，其能对芯片的某一个反应池中的溶液产生的特定光谱信号进行检测，得到被检测样品的分析结果。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：所述水化膜的主要成分是聚乙二醇、乙烯-醋酸乙烯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺壳聚糖、透明质酸、聚乙烯醇、蔗糖产品中的一个或若干个的混合物。
作为本发明所述离心式多通道微流体芯片的一种优选方案，其中：当溶液从第一溶液暂存区被离心驱动流入第一反应池及第二反应池时，至少一个反应池能被充满。
使用本发明提供的离心式多通道微流体芯片，只要在芯片生产时在不同反应池内预先装载不同的物质就可以在同一设计的芯片上进行核酸扩增反应、生化反应、免疫反应等多种形式的检测，或者利用同一种反应形式检测不同的物质，从而在一种芯片平台上实现多种应用。举例来说，若要在芯片上通过核酸扩增反应检测样品中的特定核酸片段(比如某个突变型基因或病原微生物的基因)，可以在不同反应池中预先装载可与待检样品中不同核酸片段发生特异性反应的引物及辅助成分；若要在芯片上通过生化反应检测样品中的特定物质或成分(比如血糖或甘油三酯)，可以在不同反应池中预先装载可与待检样品中不同物质或成分发生特异性生化反应的物质及辅助成分；若要在芯片上通过免疫反应检测样品中的特定成分(比如某种抗原或抗体)，可以在不同反应池中预先装载可与待检样品中不同物质或成分发生特异性免疫反应的物质及辅助成分。
本发明的创新点在于在反应池和反应仓上设置了至少两个连通点分别作为溶液气体进入与流出的通道，使其溶液容易充满，保证反应充分进行。溶液进入时，其气体的流出通道可连通一个独立的出气口，避免了溶液与气体在同一个流路上逆向流动。当溶液暂存区的溶液被离心分配到流体器件时，它能从测流道及时得到气体补充平衡压力，更能使其内的溶液均匀分配到各个流体器件。上下互联通道能使反应器件处于不同高度的不同层面，可防止溶液不必要的测流；它能对在不同高度连通的反应器件内的溶液进行适当补充，保证部分进行生化反应的流体器件的溶液充满；它也能通过在上下互联通道的沉孔设置水化膜对反应气体或反应成分进行隔离封闭，却能被水溶液溶解后开放通道，成为一个巧妙的开关装置。由于设置了额外的排气孔并能选择性打开，第一溶液暂存区能在首次离心分配溶液进入部分流体器件后，可再次添加溶液，离心驱动新加的溶液进行混合反应，并进入更多的流体器件。第二流体器件的第二溶液暂存区能额外提供一个溶液添加通道及其连通的反应池或反应仓，让从第一溶液暂存区与第二溶液暂存区分别注入的溶液在某个反应器件汇合混合，提供更多的反应条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图2为本发明图1所示实施例所述离心式多通道微流体芯片离心时液体挤压空气排出流向示意图，此时所述支路连接至所述第一流路；
图3为本发明图1所示实施例所述离心式多通道微流体芯片离心时液体挤压空气排出流向示意图，此时所述支路连接至所述溶液暂存区；
图4为本发明图1所示实施例所述离心式多通道微流体芯片离心时液体挤压空气排出流向示意图，此时所述出口端作为独立的气体出口；
图5为本发明另一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图6为本发明再一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图7为本发明还一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图8为本发明第五个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图9为本发明第六个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图10为本发明第七个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图11为本发明第八个实施例所述离心式多通道微流体芯片俯视图部分局部放大视图、反应池部分剖视图和水化膜结构剖视示意图；
图12为本发明图11所示实施例所述离心式多通道微流体芯片透视图部分局部放大示意图；
图13为本发明第九个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图14为本发明第十个实施例所述离心式多通道微流体芯片的部分透视结构示意图；
图15为本发明第十一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的部分透视结构示意图；
图16为本发明第十一个实施例所述离心式多通道微流体芯片的部分透视结构示意图；
图17为本发明与上述实施例所述离心式多通道微流体芯片中上部基材为导热材料的部分剖视示意图；
图18为本发明与上述实施例所述离心式多通道微流体芯片中下部基材覆盖导热材料的部分剖视示意图；
图19为本发明第十二个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图；
图20为本发明第十三个实施例所述离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
图1是表示本发明离心式多通道微流体芯片的一实施方式的俯视图。本发明的芯片具有：位于芯片100上的多个第一反应池101；以及用于向各个第一反应池101输送溶液的、例如输送液体试剂(溶液)的流路。为了将液体输送到各个第一反应池101，流路至少包括与各个第一反应池101连接的一个第一溶液暂存区102，当然，第一溶液暂存区102通过第一流路103与第一反应池101相连。流路上具有用于注入溶液的注入口。在图1的实施方式中，具有与第一溶液暂存区102相连的溶液注入口105。
具体地，在芯片100第一层面设置有第一流体器件，第一流体器件由上下两个基材配合组成；第一流体器件包含多个流体器件：第一反应池101、与第一反应池101连接的流路和向流路注入溶液的溶液注入口105，并通过旋转该芯片100，将溶液分配给第一反应池101，流路具有用于向上述第一反应池101输送液体的第一溶液暂存区102，该第一溶液暂存区102具有相对于旋转中心方向的一个谷部G；流路包括第一流路103和支路104，第一流路103自谷部G延伸至第一反应池101形成第一连通点103a，支路104与第一反应池101形成第二连通点104a并自此第二连通点104a朝向旋转中心的方向延伸至一个出口端115，该出口端可独立，也可以与其他流路器件合并。在此所述的“第一层面”并非强调各个流体器件的深度或高度完全一致，而是能够实现离心式多通道微流体芯片所有功能的多个流体器件处在相似高度的一个层面。
本发明的离心式多通道微流体芯片，其是通过旋转该芯片而产生的离心力将液体分配给各个第一反应池101的微流体芯片，因此，优选为中央部具有贯穿旋转轴的点(以下，称为中心点)的圆盘状，但是，只要其形成为能够相对于贯穿芯片的旋转轴旋转即可，没有特别的限制。如果芯片为圆盘状，则能够以其中心为旋转轴，并可在该圆盘状芯片上以同心圆状配置第一反应池101，由此有效地利用空间。为了将液体均匀分配给第一反应池101，产生均匀离心力是非常重要的，可将芯片设计成除了注入口之外，以中心点为轴具有旋转对称性，由此可以容易实现上述目的。即，假设有N个第一反应池101，则就形成N个对称，由此可产生均匀的离心力。当然，要想各第一反应池101的配液量不同时，则并不限定于此。另外，通过以同心圆状配置第一反应池101，由此，通过旋转芯片100，可在一处检测区域实现所有第一反应池101的分析。
第一溶液暂存区102形成在比第一反应池101更接近于中心点侧的位置上。而且，本发明的离心式多通道微流体芯片中，该第一溶液暂存区102形成为相对于旋转中心方向的一个谷部G。另外，具有相对于中心点方向的谷部G，是指具有相对于中心点方向的最大点。如此地，通过在第一溶液暂存区102之间具有相对于中心点方向的一个谷部G，由此，被注入到第一溶液暂存区102的液体在芯片旋转时，自然而然地在第一溶液暂存区102谷部G被汇集，因此各个第一溶液暂存区102向流路进行适量溶液分配取决于它自身的容积大小，为了保证各个第一反应池101的溶液量均匀，第一溶液暂存区的容积也就设计为统一大小。
在这一实施例中，流路还包括第一流路103以及支路104，第一流路103自谷部G延伸至第一反应池101形成第一连通点103a，而支路104与第一反应池101形成第二连通点104a并自此第二连通点104a延伸至第一流路103，当然，也可以延伸至第一溶液暂存区102，并且保证第一连通点103a与旋转中心的距离大于第二连通点104a与旋转中心的距离。由此，参见图2，旋转该芯片而产生的离心力时，能够保证第一溶液暂存区102内的液体试剂(溶液)经第一流路103先进入第一反应池101内并充满第一反应池101，此时旋转对溶液产生的离心力将压迫原第一反应池101以及支路104内的气体通过第二连通点104a回流入第一流路103后进入第一溶液暂存区102最终由溶液注入口105排出。在一个实施例中，支路104与第一反应池101形成第二连通点104a并自此第二连通点104a延伸至第一溶液暂存区102或第一流路103后通向出口端115。
此时，因为原第一溶液暂存区102内的液体试剂(溶液)量大于第一反应池101的容量，则第一流路103以及支路104还充当了缓冲池的作用，由此不会发生每个第一反应池101内分配的液体试剂量不一致从而导致各第一反应池101内的反应结果不一致现象，直接影响反应结果的准确性。在这一实施例中，由于各个第一反应池101彼此之间是独立的，并无连通，所以，第一溶液暂存区102内多余的液体不会导致第一反应池101内的反应产物向相邻第一反应池内扩散，造成交叉污染。
支路104的特殊结构设置使存储在每个第一反应池101对应的溶液离心后填满至第一反应池101以及第一流路103和/或支路104，这样可以使离心分配造成的不均匀分配仅体现在第一流路103和/或支路104上，而确保第一反应池101是全满的。
如果没有支路104的特殊结构设置，假设即使在离心分配时液体试剂均匀分配到每个第一反应池101内，但是如果第一反应池101内发生的反应需要在一定温度下进行时，第一反应池101内的液体试剂受热气化，造成第一反应池101内液体试剂量减少。液体试剂量的减少使第一反应池101内溶液浓度发生变化，而且每个第一反应池101内液体试剂减少量也并不一致。反应液浓度的变化以及第一反应池101液体试剂量的减少都会影响反应结果的准确性。而第一反应池101上设置支路104与第一流路103相通后，即使有液体量的损耗，第一流路103和/或支路104内的液体试剂也会向第一反应池补充，使第一反应池101内液体试剂持续保持全满状态。
同时，由于第一连通点103a与旋转中心的距离大于第二连通点104a与旋转中心的距离，则意味着离心时，第一连通点103a处产生的离心力将大于第二连通点104a处的离心力。故，液体试剂(溶液)将优先顺利通过第一连通点103a进入第一反应池101内，排走其内的空气，充满第一反应池101，直至反应充分完成。
在另一个实施方式中，第一流体器件中从第一溶液暂存区102向后的流体器件的任何一个点，可从所述芯片100的第一层向上表面或下表面一定深度延伸，形成上下互通流路114，将第一流体器件从芯片100的第一层面设置或延伸到第二层面，让第一流体器件中的气体和溶液从第一层面流动到第二层面的流体器件。在此所述的“第二层面”也并非强调各个流体器件的深度或高度完全一致，而是能够实现离心式多通道微流体芯片所有功能的流体器件处于类似高度的一个完整层面。第一流体器件上还包括有第二反应池106，第二反应池106设置于支路104上。第一流体器件上还包括有第一反应仓107，第一反应仓107与所述第一反应池101、或第二反应池106、或支路104相连通，且第一反应仓107与气体排气孔109相连通。第一反应仓107与气体排气孔109之间还设置有第二反应仓108。第一溶液暂存区102为多个且能够彼此相互连通，溶液从溶液注入口105进入到最近第一溶液暂存区102后，依次流入其他第一溶液暂存区102，最后通向溶液注入回流口102a。
在此实施方式中，第一溶液暂存区102为多个且能够彼此连通，第一溶液暂存区102具有相向于旋转中心方向的一个山部S，且每一山部S通过侧流路113与加气通道110相连通，相连的加气通道110形成一体式连通结构，且具有至少一个加气孔110a。所溶液暂存区102为多个且能够彼此连通，并通过排气通道111形成一体式连通结构，最终具有共同的气体排气孔109。
如图3～图16所示，其示出了本发明离心式多通道微流体芯片的另一实施方式的俯视图。这一实施方式与图1所示实施方式的不同在于：第一反应池101与第二反应池106相连通。当然，第二反应池106设置在支路104上，即第二反应池106的位置介于第二连通点104a与支路104和第一流路103的连通点之间。在这一结构中，并没有改变第一反应池101的第一连通点103a和第二连通点104a的位置关系，始终保证第一连通点103a与旋转中心的距离大于第二连通点104a与旋转中心的距离。因此，参见上一实施方式，旋转该芯片而产生的离心力时，能够保证第一溶液暂存区102内的液体试剂(溶液)经第一流路103先进入第一反应池101内并充满第一反应池101，而后再进入第二反应池106内并充满第二反应池106，此时旋转对溶液产生的离心力将压迫原第一反应池101、第二反应池106以及支路104内的气体通过第一流路103进入第一溶液暂存区102最终由溶液注入口105排出，在这里，第一反应池101可以被用作缓冲液池，第二反应池102可以被生化反应池。
本领域技术人员应该能够知道，本发明在此列举的两种实施方式，其涵盖了只有第一反应池101以及同时具有第一反应池101和第二反应池106的两种情况。但，具有第一反应池101和第二反应池106意味着还可能具有第三、第四等等反应池，类似结构及其变形，也应该涵盖在我方发明的保护范围之内。
如图4所示，本发明的芯片具有：位于芯片100上的多个第一反应池101、第二反应池106；以及用于向反应池输送溶液的、例如输送液体试剂(溶液)的流路。为了将液体输送到各个反应池，流路至少包括与各个反应池连接的一个具有谷部G的第一溶液暂存区102，还包括连接第一溶液暂存区102和反应池的第一流路103以及支路104。流路上具有用于注入溶液的注入口。在图4的实施方式中，具有位于第一溶液暂存区102端部的溶液注入口105和位于另一侧端部的、兼任空气排出的气体排气孔109。
在这一实施例中，位于另一侧端部的、兼任空气排出的气体排气孔109其实际上与设置于芯片100上的第一反应仓107相连通，而该第一反应仓107又与第二反应池106相连通，用于存放试纸条。例如，在病毒细菌的核酸扩增检测实验中，从第二反应池102释放出完成扩增的反应液，进入设置了免疫层析试纸的第一反应仓中，待扩增的核酸反应液层析上硝酸纤维素膜开始计时，5分钟时观察结果：如试纸的检测T线有明显红色线条，说明该病毒细菌的的检测结果为阳性
图5是表示本发明除上述实施例外的离心式多通道微流体芯片的俯视结构示意图。本发明的芯片具有：位于芯片100上的多个第一反应池101、第二反应池106；以及用于向反应池输送溶液的、例如输送液体试剂(溶液)的流路。为了将液体输送到各个反应池，流路至少包括与各个反应池连接的具有谷部G的第一溶液暂存区102，还包括连接第一溶液暂存区102和反应池的第一流路103以及支路104。
在图7这一实施方式中，在本发明芯片的芯片100上第一溶液暂存区102相连通形成一体式连通结构，还设置有用于注入溶液或气体液体流出的通口，如具有位于第一溶液暂存区102一端部的溶液注入口105、另一端部的溶液注入回流口102a、以及位于加气通道110上的加气孔110a。对应加气孔110a还设置了加气通道110，在第一溶液暂存区102的谷部G和谷部G之间的部位为山部S。此处山部S是指，在第一溶液暂存区102的谷部G与谷部G之间离中心点距离最近的部位加气通道110通过侧流路113和第一溶液暂存区102相连通。加气通道110通过侧流路113和第一溶液暂存区102相连通，当芯片进行离心时，当谷部G的溶液被离心力驱使流入第一流路103时，加气通道110可通过侧流路113可均匀给予第一溶液暂存区102进行气体补充，较佳地，加气通道110形成为圆形结构。当第一溶液暂存区102内部注满溶液而不选择离心方式进行液体分配时，可通过从加气孔110a向加气通道110进行气体注入，从而分别对每个第一溶液暂存区102内的溶液进行加压，驱动溶液进入第一流体103。在此实施例中，第一溶液暂存区102与溶液注入回流口102a之间通过存储池112相连通。第一溶液暂存区102形成在比第一反应池101更接近于中心点侧的位置上。而且，本发明的离心式多通道微流体芯片中，该第一溶液暂存区102形成为相对于旋转中心方向的一个谷部G。另外，具有相对于中心点方向的谷部G，是指具有相对于中心点方向的最大点。如此地，通过在第一溶液暂存区102之间具有相对于中心点方向的一个谷部G，由此，被注入到第一溶液暂存区102的液体在芯片旋转时，自然而然地在第一溶液暂存区102谷部G被汇集，因此可以保证各个第一溶液暂存区102的向流路进行适量溶液分配。第一溶液暂存区102可以设置为波浪形，波浪形的第一溶液暂存区102形成一个圆形。在本发明中，与第一溶液暂存区102相连的反应池内分别预先装载利用同一种反应形式检测的不同物质，例如可以在不同反应池中预先装载可与待测样品中不同核酸片段发生特异性反应的引物及辅助成分，通过多组样品的进样离心且核酸扩增反应，便可在一张芯片上对多组待测样品中的特定核酸片段进行检测。
在这一实施例中，流路还包括第一流路103以及支路104，第一流路103自谷部G延伸至第一反应池101形成第一连通点103a，而支路104与第一反应池101形成第二连通点104a并自此第二连通点104a延伸至第一流路103，并且保证第一连通点103a与旋转中心的距离大于第二连通点104a与旋转中心的距离。
第一溶液暂存区102在彼此相邻的反应池(例如第一反应池101)之间具有相向于旋转中心方向的一个山部S，且每一山部S通过侧流路113与加气通道110相连通。在这一实施例中，第一反应池101通过第一流路103和第一溶液暂存区102相连，而第二反应池106设置在支路104上。为了更好的利用空间，如图5所示，流路与第二反应仓108在相邻第一反应池101之间具有朝向旋转中心方向的一个波峰，且与排气通道111相连。在此，波峰是指，在连接第二反应仓108上离中心点距离最近的部位。排气通道111配置成与芯片100呈同心圆状，与气体排气孔109相连。加气通道110也配置成与芯片100呈同心圆状，其一端设置有加气孔110a，且与第一溶液暂存区102相连。
第二反应池106设置于所述支路104上。在这一实施例中，第二反应池106直接与第二反应仓108相连通并连接排气通道111。为了更好的离心进行液体分配，支路104与第一流路103形成的连通点与旋转中心的距离与第二连通点104a与旋转中心的距离要优化设计，旋转该芯片而产生的离心力时，能够保证第一溶液暂存区102内的液体试剂(溶液)经第一流路103先进入第一反应池101内并充满第一反应池101，而后进入第二反应池106，此时旋转对溶液产生的离心力将压迫原第一反应池101、第二反应池106以及支路104内的气体通过第一流路103回流进入第一溶液暂存区102最终由溶液注入口105排出。
如图6所示，其与图5所示实施例的区别在于，在芯片100上设置有第一反应仓107。第一反应仓107连接在第二反应池106与第二反应仓108之间。
图7和图8所示实施方式，都可以看作为图6所示实施例的变形，但并不局限于此。如图，侧流路113在此被省略了。也即，在进行离心时，谷部G是必须的，由此，被注入到第一溶液暂存区102的液体在芯片旋转时，自然而然地在第一溶液暂存区102谷部G被汇集，因此可以保证各个第一溶液暂存区102的向流路进行适量溶液分配。
图11～图20提供的实施例不同于之前的离心式多通道微流体芯片之处在于，其建立了不同层面或不同高度或不同表面的流体器件之间的连接。在这一实施方式中，离心式多通道微流体芯片，芯片100的第一层面或第二层面设置有第二流体器件，包含有第二溶液暂存区、连通第二溶液暂存区且与第一流体器件中相同的全部或部分的流体器件；第二流体器件与第一流体器件相连通，且通向一个共同的气体排气孔109。在反应池及反应仓中至少一个反应池或反应仓中设置有显示生物化学反应结果的试纸，所述试纸包括干式化学试纸、干式生化试纸或免疫层析试纸。较佳地，离心式多通道微流体芯片中配套设置有检测仪器，其能对芯片100的某一个反应池中的溶液产生的特定光谱信号进行检测，得到被检测样品的分析结果。
如图15和图16，在如图4的实施例基础上，多个支路104通过多个互通流路114与另一层上的一个排气通道联通，该排气通道联通统一的出口端115。
参见图11和图12，互通流路114上设置有能够形成水化膜的沉孔120，该水化膜能够将流道内的空气隔离使得空气不能通过，而当有溶液流过来，溶液能够溶解水化膜。水化膜的主要成分是聚乙二醇、乙烯-醋酸乙烯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺壳聚糖、透明质酸、聚乙烯醇、蔗糖等产品中的一个或若干个的混合物。
离心式多通道微流体芯片具有：形成有反应池、注入孔和流路的芯片100，其通过上下相配合或贴合设置的基材组成。作为基材，只要是不影响试剂的基材就没有特别的限制，特别是，如果使用含有聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯酸中的任一种的树脂材料，则能够确保良好的可见光透过性。作为聚丙烯，可以使用均聚丙烯或聚丙烯与聚乙烯的无规共聚物。另外，作为丙烯酸，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯、或者可以使用甲基丙烯酸甲酯与其他的甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、苯乙烯等单体的共聚体。另外，使用这些树脂材料的情况下，也可以确保芯片的耐热性和强度。作为除树脂材料以外的材料，可举出铝、铜、银、镍、黄铜、金等的金属材料。使用金属材料时，还在热传导率和密封性能方面优异。而且，通过使反应池的至少一侧基材的保持透明，由此能够从外部进行荧光等的检测和分析。其中，本发明中的“透明”和“光透过性”是指，在检测光的波长区域下的平均透过率为70％以上的情况。如果使用可见光区域(波长350～780nm)的光透过性材料，则易于辨认芯片内的试剂状态，但并不限定于此。
作为形成加样孔、流路和废液部的基材的加工方法，当为树脂材料时，可以采用注塑成型、真空成型等的各种树脂成型方法或机械切割等。当为金属材料时，可通过实施利用较厚基材的研磨加工或蚀刻、在较薄金属片上实施压力加工或拉伸加工而形成。另外，作为芯片100，特别是使用含有聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯酸中的任一种的树脂材料时，能够确保良好的光透过性、耐热性和强度。另外，当基材的厚度为50μm～3mm范围时，能够确保良好的光透过性、耐热性和强度，且能够可靠地进行凹部加工。另外，当基材的厚度为10μm～300μm范围时，可以同时满足基材的热传导性和密封性。
作为贴合基材方法，可举出在一个基材上设置作为粘接层的树脂涂层，并使其熔融而粘接两个基材的方法。优选树脂涂层设置在热传导率高的金属材料基材上并进行熔融粘接。作为树脂涂层的材料，可以使用PET、聚缩醛、聚酯或聚丙烯等的树脂材料。当然，还可以采用胶带固定以及石蜡黏合的方式。
在上述的贴合方法中，优选作为基材使用容易进行微细加工且适合荧光测量的光透过性树脂材料，作为基材使用热传导率高、且容易设置树脂涂层并通过熔融粘接进行贴合的金属材料。另外，通过在金属基材表面形成树脂涂层，在选定材料时可以不考虑金属基材自身的耐药品性。
另外，在基材表面形成树脂涂层时，通过作为树脂涂层的底层形成增粘(锚固，anchor)层，由此可采用激光来进行熔融粘接。在增粘层中混合有吸收激光波长光的碳黑(光吸收性材料)，通过照射激光产生热，由此能够对树脂涂层进行熔融粘接。或者，也可以通过在树脂涂层中添加碳黑、或将树脂涂层的表面涂覆为黑色的方式来代替在增粘层中添加碳黑。例如，在照射波长为900nm左右的红外激光二极管的光，也可以有效地熔融树脂涂层。与热熔接不同，激光熔接无需加热芯片，因此，可在几乎不会影响到芯片或被固定在芯片上的试剂的情况下，实施基材的贴合。
实际操作时，先在第二反应池106中分别滴加带有核酸引物及扩增酶等溶液，将芯片进行干燥，得到固态的引物及扩增酶等，第一反应仓107内放置核酸免疫层析试纸条，将芯片100和第二基材200贴合，并用胶带或其他物品封住气体排气孔109和，由溶液注入口105注入带有待检测核酸模板的溶液并逐渐充满第一溶液暂存区102，此时，如图5～图8所示实施例，溶液注入回流口102a在整个过程的作用为排出第一溶液暂存区102内的气体，若是注入溶液过多，多余的会在离心时会被分配到存储池。将整个芯片放在离心机上离心处理，利用离心力，第一溶液暂存区102中带有核酸模板的溶液依次流入第一反应池101和第二反应池106，带有核酸模板的溶液将干燥的引物及扩增酶溶解混合，将芯片放置在一定的温度条件下进行核酸扩增反应后，将第一溶液暂存区102注入稀释溶液，打开气体排气孔109，可从加气孔110a注入气体，压力将从加气通道110传递到侧流道113及第一溶液暂存区102，因为第一反应池101等流体器件与气体排气孔109是相连接的，稀释溶液将进入第二反应池106并将扩增的核酸溶液稀释并挤压流进第一反应仓107的试纸条上，试纸条反应显示结果。
此外，也可以将第一溶液暂存区102注入稀释溶液，通过离心芯片盘，将注入的溶液驱动进入各流体器件，稀释溶液将进入第二反应池106并将扩增好的核酸溶液进行稀释并挤压流进第二反应仓108的试纸条上，试纸条反应显示结果。
此外，还可以将第二溶液暂存区注入稀释溶液，通过离心芯片盘，将注入的溶液驱动进入各流体器件，稀释溶液将进入第二反应池106并将扩增好的核酸溶液进行稀释并挤压流进第一反应仓107的试纸条上，试纸条反应显示结果。
此外，还可以将第一溶液暂存区第二溶液暂存区同时注入稀释溶液，通过离心芯片盘，将注入的溶液驱动进入各流体器件，稀释溶液将进入第二反应池106并将扩增好的核酸溶液进行稀释并挤压流进第一反应仓107的试纸条上，试纸条反应显示结果。
在以上的三种稀释液注入案例中，除核酸引物及扩增酶外，如果在第一流体器件的第二反应池内预先加入免疫反应的抗体，则该芯片盘可以用来进行免疫荧光检测等试验。如果在第一流体器件的第二反应池预先加入生化反应的相关反应成分，则该芯片盘可以用来进行多种生化分院。
相应地，如果第二流体器件中的第二溶液暂存区还连通有反应池或反应仓，也在其中一个反应池或反应仓中设置了以上的核酸反应，免疫反应，生化反应的相关反应成分，则当同时在第一溶液暂存区第二溶液暂存区注入稀释溶液后，稀释溶液会驱使第一流体器件何第二流体器件的反应完成的液体流出后合流，从而可以在后续的反应池或反应仓中进一步反应。
相应地芯片盘内的核酸反应，免疫反应，生化反应的结果可以通过试纸条的方式进行肉眼颜色判读，或者通过光谱仪器对某个设置了透明基材的反应池或反应仓的溶液进行光谱判读。
如图19所示，位于芯片100上的多个第一反应池101以及用于向各个第一反应池101输送溶液的、例如输送液体试剂(溶液)的流路。为了将液体输送到各个第一反应池101，流路至少包括与各个第一反应池101连接的一个第一溶液暂存区102，当然，第一溶液暂存区102通过第一流路103与第一反应池101相连。第一反应池101一侧与气体排气孔109联通，流路上具有用于注入溶液的注入口。注入的液体试剂(溶液)到第一溶液暂存区102，通过离心运动，液体试剂(溶液)由第一流路103进入第一反应池101，第一流路103和第一反应池101的空气经气体排气孔109排出，第一反应池107中装有试纸条，试纸条吸收液体试剂(溶液)，试纸条反应显示结果。
如图20所示，为将图19所述实施例中的各个第一溶液暂存区102首尾联通起来有统一的注入溶液的注入口、将各个第一反应池101一侧联通至一个有统一的气体排气孔109的排气回路的实施例，排气回路可以设置在芯片100正面，也可以在反面，只要从统一的注入口注入液体试剂(溶液)，通过离心运动，液体试剂(溶液)由第一流路103进入所有的第一反应池101，所有的第一流路103和第一反应池101的空气经统一的气体排气孔109排出，第一反应池101中装有试纸条，试纸条吸收液体试剂(溶液)，试纸条反应显示结果。
如图11、12所示一实施方式，第二反应池106设置在芯片相对第一反应池101的另一层面，第二反应池106通过互通流路114与支路104联通，当完成离心操作，第一反应池101和第二反应池106充满液体试剂(溶液)时，第一反应池101朝上平放时，因为联通第二反应池106都是竖直方向的互通流路114，故处在低位层面的第二反应池106中的液体试剂(溶液)不会因重力或晃动，而通过支路104扩散测流。
将芯片加热处理时，第二反应池106中的液体试剂(溶液)会因蒸发后的气体扩散至支路104及其连通的其他流体器件而变少，因为第一反应池101处于第二反应池106偏高的水平位置，所以第一反应池101中的液体试剂(溶液)会因为重力等原因适当流入第二反应池106中进行补充，从而能使第二反应池在芯片平放且反应过程中始终保持液体充满，不会因第二反应池106中的液体试剂(溶液)减少而影响显示反应结果。
在支路104一处有互通流路114，在互通流路114上有沉孔120，沉孔120底部通过互通流路114与支路104联通，沉孔120上部与第一反应仓107联通，沉孔120中加入主要成分是聚乙二醇、乙烯-醋酸乙烯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺壳聚糖、透明质酸、聚乙烯醇、蔗糖等产品中的一个或若干个的混合物，干燥后在沉孔120底部形成水化膜120a,此状态下水化膜120a平面是与芯片平面平行设置，此外，水化膜120a平面还可以与芯片平面垂直设置，即不经过互通流路114对支路104起到气体隔断效果。
水化膜120a在无液体试剂(溶液)过来时，起到能将第一反应仓107和第二反应池106之间隔离封闭起来，防止反应气体或反应成分流动影响实验结果，当液体试剂(溶液)流到水化膜120a处时，水化膜120a溶解，液体试剂(溶液)可从第二反应池106流到第一反应仓107中，试纸条吸收体试剂(溶液)，试纸条反应显示结果。
如图13所示，为将图11、12所述实施例中的各个第一溶液暂存区102(图中未示出)首尾联通起来有统一的注入溶液的注入口、将各个第一反应仓107一侧联通至一个有统一的气体排气孔109的排气回路的实施例，且在支路104(图中未示出)通过互通流路114(图中未示出)与第二溶液暂存区102联通，第二溶液暂存区102(图中未示出)既可以作为排气功能，又可以注入第二种液体试剂(溶液)。
当预先在第二反应池106中放置了PCR核酸扩增的引物及扩增酶，溶液中也存在待扩增的核酸模板时，第二反应池106能发生完整的PCR核酸扩增反应。当第一溶液暂存区稀释液被离心力驱动进入第二反应池106后，PCR扩增反应溶液将进入第一反应仓107，通过试纸条显示反应结果。
如果配置了适当的光谱检测仪器时，则可以直接对第二反应池106进行PCR核酸扩增反应的信号检测，通过仪器进行分析得出反应结果。
如果第二反应池106的下表面不设置为导热材料时，可将芯片整体放置在特定的温度环境中进行恒温核酸扩增，通过是试纸条或光谱仪器进行反应结果判读。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (14)
1.一种离心式多通道微流体芯片，在芯片（100）第一层面设置有第一流体器件，所述第一流体器件由上下两个基材配合组成；第一流体器件包含多个流体器件：第一反应池（101）、与第一反应池（101）连接的流路和向流路注入溶液的溶液注入口（105），并通过旋转该芯片（100），将溶液分配给第一反应池（101），其特征在于：
所述流路具有用于向上述第一反应池（101）输送液体的第一溶液暂存区（102），该第一溶液暂存区（102）具有相对于旋转中心方向的一个谷部（G）；
所述流路包括第一流路（103）和支路（104），第一流路（103）自所述谷部（G）延伸至所述第一反应池（101）形成第一连通点（103a），所述支路（104）与所述第一反应池（101）形成第二连通点（104a）并自此第二连通点（104a）朝向旋转中心的方向延伸至一个出口端（115）,该出口端（115）与其他流路器件合并。
2.如权利要求1所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述支路（104）与所述第一反应池（101）形成第二连通点（104a）并自此第二连通点（104a）延伸至所述第一溶液暂存区（102）或第一流路（103）后通向出口端（115）。
3.如权利要求1或2所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一流体器件中从第一溶液暂存区（102）及其向后的流体器件的任何一个点，可从所述芯片（100）的第一层面向上表面或下表面的一定深度延伸，形成上下互通流路（114），将第一流体器件从芯片（100）的第一层面设置或延伸到第二层面，让第一流体器件中的气体和溶液从第一层面流动到第二层面的流体器件。
4.如权利要求1或2所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一流体器件上还包括有第二反应池（106），所述第二反应池（106）设置于所述支路（104）上。
5.如权利要求4所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一流体器件上还包括有第一反应仓（107），所述第一反应仓（107）与所述第一反应池（101）、或第二反应池（106）、或支路（104）相连通，且所述第一反应仓（107）与气体排气孔（109）相连通。
6.如权利要求5所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一反应仓（107）与气体排气孔（109）之间还设置有第二反应仓（108）。
7.如权利要求1、2、5或6任一所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一溶液暂存区（102）为多个且能够彼此相互连通，溶液从溶液注入口（105）进入到最近第一溶液暂存区（102）后，依次流入其他第一溶液暂存区（102），最后通向溶液注入回流口（102a）。
8.如权利要求7所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述第一溶液暂存区（102）为多个且能够彼此连通，第一溶液暂存区（102）具有相向于旋转中心方向的一个山部（S），且每一山部（S）通过侧流路（113）与加气通道（110）相连通，相连的加气通道（110）形成一体式连通结构，且具有至少一个加气孔（110a）。
9.如权利要求7所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于： 所述溶液暂存区（102）为多个且能够彼此连通，并通过排气通道（111）形成一体式连通结构，最终具有共同的气体排气孔（109）。
10.一种如权利要求3所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述芯片（100）的第一层面或第二层面设置有第二流体器件，包含有第二溶液暂存区、连通第二溶液暂存区且与第一流体器件中相同的全部或部分的流体器件；第二流体器件与第一流体器件相连通。
11.如权利要求5或6所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述反应池及反应仓中至少一个反应池或反应仓中设置有显示生物化学反应结果的试纸，所述试纸包括干式化学试纸、干式生化试纸或免疫层析试纸。
12.如权利要求1、2、5、6、8或9任一所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：配套设置有检测仪器，其能对芯片（100）的某一个反应池中的溶液产生的特定光谱信号进行检测，得到被检测样品的分析结果。
13.如权利要求3所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：所述互通流路（114）上有能够设置水化膜的沉孔（120），所述水化膜能够将所述流路内的空气隔离使得空气不能通过，而当有溶液流过来，溶液能够溶解所述水化膜，所述水化膜的主要成分是聚乙二醇、乙烯-醋酸乙烯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺壳聚糖、透明质酸、聚乙烯醇、蔗糖产品中的一个或若干个的混合物。
14.如权利要求4所述的离心式多通道微流体芯片，其特征在于：当溶液从第一溶液暂存区（102）被离心驱动流入第一反应池（101）及第二反应池（106）时，至少一个反应池能被充满。
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