CN106179545B - 用于生物分析的微流控芯片设备及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物分析的微流控芯片设备及其制备方法，所述设备包括基片、盖片、微流道、进样池、缓冲液池和泵，基片上设置微流道，基片设有微流道的一面与盖片键合；泵驱动进样池和缓冲液池流体在微流道中流动，所述基片未设微流道的一面设有空腔，所述空腔通过微孔和微流道连接；所述空腔内设有生物分子涂膜；所述生物分子涂膜通过薄膜封闭在空腔内。采用本发明的方法和设备，简化了微流控芯片设备制备流程，降低了成本，能够实现量产。

Description

用于生物分析的微流控芯片设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及用于生物分析的微流控芯片设备及其制备方法。

背景技术

微流控芯片是本世纪一项重要的科学技术，微流控芯片是一种操控微尺度流体在微小通道或构建中流动的系统，它能够在一个微小至仅有几平方厘米的薄片上集成一个生物或化学实验室。微流控芯片能够实现样品消耗的大幅减少，即成本的大幅降低，并减少样品处理时间，提高检测分辨率/灵敏度，对于现代科技的发展有深远的影响和意义。微流控芯片可应用的领域十分广泛，目前在疾病诊断、药物筛选、环境检测、食品安全等领域均有涉及。

微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。

传统的微流控芯片的制备方法为，通过蚀刻、模塑或机械加工等方法，在平面薄片材料商制备微流道，再将另一个平面薄片材料（通常设有连接孔）键合至设有微流道的平面薄片材料上。通常需要采用热加工或化学腐蚀的方法，将两块平面薄片材料键合在一起。

图1所示即为现有用于生物分析的微流控芯片常规制备过程。要制备可用于生物分析的微流控芯片，需要将生物分子固定在微流道中。为实现这个目的，需要对芯片表面进行表面修饰，使其能够有效固定生物分子，避免非特异性反应干扰分析。但是，表面修饰会增加成本，而且会影响后续的键合过程。例如，高温（37℃以上）会破坏生物分子，因此无法采用热方法进行键合。表面修饰、生物分子沉积和后续的键合过程均需要达到最佳，才能有效的用于生物分析，而由于前述问题的存在，在批量生产时成本和生产时的障碍都会成倍增加。

此外，要将生物分子沉积到微流控芯片上，传统方法为，对微流控芯片表面进行预处理后，采用点样仪，在微流控芯片表面定量分配含有待沉积生物分子的缓冲液。生物分子沉积后，需要对芯片设备进行精确的温度和湿度控制，保证生物分子有效的固定至表面。这样的方法存在一定缺陷，因为点样仪只能处理有限数目的芯片，并且由于采用点样法以一次一滴的方式分配，在不同设备不同批次之间，存在很大的变数。这样的变数导致最终分析结果产生变数，从而限制了临床应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型的用于生物分析的微流控芯片设备及其制备方法，本发明的方法简化了微流控芯片设备的制备流程，降低了设备成本。采用本发明的芯片设备，不需要在芯片设备上进行复杂的表面分析和生物分子沉积，就可以实现更复杂的生物分析过程。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于生物分析的微流控芯片设备，包括基片、盖片、微流道、进样池、缓冲液池和泵，基片上设置微流道，基片设有微流道的一面与盖片键合；泵驱动进样池和缓冲液池流体在微流道中流动，所述基片未设微流道的一面设有空腔，所述空腔通过微孔和微流道连接；所述空腔内设有生物分子涂膜；所述生物分子涂膜通过薄膜封闭在空腔内。

生物分子涂膜上固定有生物分子，所述的生物分子可为DNA、酶、抗体等。

作为本发明的进一步改进，所述薄膜为弹性薄膜。采用弹性薄膜，生物分子涂膜的厚度就可以不需要和空腔精准匹配，当生物分子涂膜较薄时，可以对弹性薄膜施加压力，使生物分子涂膜和芯片、弹性薄膜贴合，防止微流体在膜边缘流动；生物分子涂膜较厚时，也不会影响生物分子涂膜和芯片的黏合。样品可以直接流过生物分子涂膜中心，和生物分子涂膜上固定的生物分子反应。

作为本发明的进一步改进，所述生物分子涂膜采用多孔膜。所述多孔膜可为硝酸纤维素膜等常规反应载体。

作为本发明的进一步改进，所述封闭有生物分子涂膜的空腔可为一个或多个，当需要检测多个不同抗原时，可以采用多个空腔，每个空腔内设置的生物分子涂膜上固定不同生物分子，实现多种不同抗原的检测。

作为本发明的进一步改进，所述微流控芯片设备还包括阀门，所述阀门设置在微流道上，通过开关阀门控制微流道通断。

作为本发明的进一步改进，所述阀门为压力阀，在基片未设微流道的一面设置空腔，所述空腔通过微孔和微流道连接，所述空腔采用弹性薄膜封闭，通过在弹性薄膜上施加外力，堵住微孔，阻断微流道流体流动。在同一微流控芯片中集成本发明的压力阀和生物分子涂膜时，生物分子涂膜和压力阀可采用同一弹性薄膜封闭。

作为本发明的进一步改进，从进样池和缓冲液池中延伸出的两条微流道分支直线延伸，后通过汇合形成一条弯曲的微流道，汇合处呈Y型微流道；所述弯曲的微流道弯曲延伸一段距离后，再度分离为两条微流道分支，分离处呈Y型微流道；所述两条微流道分支直线延伸，最后在出口处汇合形成一条直线微流道；在所述两条微流道分支上分别设置两个压力阀，分别位于两个Y型微流道的分支处。通过控制四个压力阀的通断组合，根据需求实现进样量的控制。

另外，可通过在样品流道上另设出口槽，收集样品废液，实现废液的回收，避免污染芯片。

本发明的第二目的为提供一种微流控芯片的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用常规技术，在基片的一面设置微流道，基片未设置微流道的一面设置空腔，空腔通过微孔和微流道连接；

（2）将基片和盖片键合；

（3）在大面积膜上固定生物分子，再将大面积膜切割为固定了生物分子的膜单元，作为生物分子涂膜，嵌入基片空腔内；

（4）用薄膜将生物分子涂膜封闭在空腔内。

本发明的压力阀和承载生物分子涂膜的容器为同样的空腔结构，直接采用上述步骤（1）方式制备空腔，直接采用弹性薄膜封闭空腔，即获取所述压力阀。

采用本发明的方法，将生物分子沉积过程和芯片制备过程分离，使两个过程独立进行。先制作微流道，再进行键合。微流道的制备可以采用现有常规技术完成，包括蚀刻、模塑或机械加工等。将基片和盖片键合的方式也可采用常规方法，由于不需要先进行表面修饰和生物分子沉积，可以采用高温的方法进行键合，而不用担心破坏生物分子。

本发明的第三目的在于前述芯片设备在生物分析中的应用。

本发明的方法具有如下优点：

（1）本发明的方法简化了微流控芯片设备制备流程，降低了成本，能够实现量产。

（2）本发明的设备和方法，将生物分子固定在单独的基膜上，再将基膜组装至键合好的微流控芯片主体结构上，以此取代已有的直接将生物分子固定在微流控芯片表面的流程，从而实现了生物分子沉积过程和芯片制备过程的分离，使两个过程能够独立进行。

（3）采用本发明的设备和方法，避免了对微流控芯片进行复杂的表面修饰过程，而采用多孔膜进行生物分子固定，来解决微流控芯片本身表面生物分子结合能力低的问题。

（4）本发明的设备和方法，将生物分子固定在大体积膜上，再将大面积膜切割成一个个膜单元，将膜单元组装至微流控芯片的空腔中，节约时间，避免了复杂昂贵的沉积过程和表面修饰过程。并且采用这样的点样方式，能够保证每次加样均匀，减少分析结果的变数。

（5）采用本发明的设备和方法，可以利用阀门通断，控制样品进样量，作出精确、重现性好的分析，并据此作出有效的临床决策。

附图说明

图1为现有用于生物分析的微流控芯片的常规制备过程流程图。

图2为本发明实施例1的微流控芯片立体结构示意图。

图3为本发明实施例1的微流控芯片平面结构示意图。

图4为本发明微流控芯片封闭生物分子涂膜的空腔结构示意图。

图5为本发明微流控芯片的阀门结构示意图。

图6为本发明微流控芯片的制备方法流程图。

图7为本发明实施例1微流控芯片的制备方法流程图。

图8a-b为本发明实施例1微流控芯片的使用状态图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

如图2-图4所示，一种用于生物分析的微流控芯片设备，包括基片31、盖片32、微流道3、进样池2、缓冲液池1和泵6，基片上设置微流道3，基片31设有微流道3的一面与盖片32键合；泵6驱动进样池2和缓冲液池1流体在微流道3中流动。如图4所示，所述基片31未设微流道3的一面设有空腔51，所述空腔通过微孔52和微流道3连接；所述空腔52内设有生物分子涂膜5；所述生物分子涂膜5通过弹性薄膜53封闭在空腔51内。

从进样池2和缓冲液池1中延伸出的两条微流道3分支直线延伸，后通过汇合形成一条弯曲的微流道，汇合处呈Y型微流道；所述弯曲的微流道弯曲延伸一段距离后，再度分离为两条微流道分支，分离处呈Y型微流道；所述两条微流道分支直线延伸，最后在出口处汇合形成一条直线微流道；在所述两条微流道分支上分别设置两个压力阀4，分别位于两个Y型微流道的分支处。

压力阀4的结构如图5所示，在基片31未设微流道3的一面设置空腔51，所述空腔51通过微孔52和微流道3连接，所述空腔51采用弹性薄膜53封闭，通过在弹性薄膜53上施加外力，堵住微孔52，阻断微流道3流体流动。实施例1集成了压力阀4和生物分子涂膜5，生物分子涂膜5和压力阀4可采用同一弹性薄膜53封闭。

本实施例中的生物分子涂膜5采用硝酸纤维素膜。

实施例2

本发明和实施例1的不同之处仅在于，设置多个用于放置生物分子涂膜的空腔，每个空腔内设置的生物分子涂膜上固定不同生物分子，实现多种不同物质的检测。

实施例3

本实施例说明本发明的微流控芯片的制备方法。

图6为本发明的微流控芯片制备流程，本实施例的微流控芯片的制备方法包括如下步骤：

（1）采用常规技术，在基片的一面设置微流道，基片未设置微流道的一面设置空腔，空腔通过微孔和微流道连接；

（2）将基片和盖片键合；

（3）在大面积膜上固定生物分子，再将大面积膜切割为固定了生物分子的膜单元，作为生物分子涂膜，嵌入基片空腔内；

（4）用薄膜将生物分子涂膜封闭在空腔内。

其中，所述薄膜采用弹性薄膜。

所述大面积膜采用多孔膜，所述多孔膜可为硝酸纤维素膜等常规反应载体。

封闭有生物分子的空腔可为一个或多个。

压力阀采用相同的空腔设计，采用步骤（1）所述制备方式制备空腔，直接采用弹性薄膜封闭空腔，即获取所述压力阀。如图7所示。

实施例4

本实施例说明实施例1的微流控芯片在免疫分析中应用的一种具体方式。

如图8a所示，进样池中为待测样品，缓冲液池中为包含一抗的缓冲液，一抗包被了标记物（标记物可为荧光素、荧光微球或磁纳米微球等），生物分子涂膜上沉积二抗，用于捕获一抗。打开阀门43、44，关闭阀门41、42，在出口处泵的作用下，样品流入微流道的一个分支。如图8b所示，关闭阀门43、44，开启阀门41、42，泵反转作用力，将空气和样品流从另一条分支泵入缓冲液池。待样品流和缓冲液池中缓冲液混合，用泵将混合液抽回，混合液直接进入包含了生物分子涂膜的微流道，如果样品中有需要检测的抗原，则抗原和一抗发生特异性结合，再通过生物分子涂膜上沉积的二抗捕获结合了抗原的一抗。反应完后，多余的样品废液采用另一个出口处的出口槽收集，避免污染芯片设备。

阀门的设置用于控制进样量，如图8b所示，阀门41和43间弯曲微流道中的样品流为控制的进样量，可以根据进样需要，通过阀门间微流道不同设计，控制反应样品的量。

采用实施例4的方法，可以利用阀门的通断，精确控制反应样品的量，作出精确、重现性好的分析，并据此作出有效的临床决策。

Claims (10)

1.一种用于生物分析的微流控芯片设备，包括基片、盖片、微流道、进样池、缓冲液池和泵，基片上设置微流道，基片设有微流道的一面与盖片键合；泵驱动进样池和缓冲液池流体在微流道中流动，其特征在于，所述基片未设微流道的一面设有空腔，所述空腔通过微孔和微流道连接；所述空腔内设有生物分子涂膜；所述生物分子涂膜通过薄膜封闭在空腔内。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片设备，其特征在于，所述薄膜为弹性薄膜。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片设备，其特征在于，所述生物分子涂膜采用多孔膜。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片设备，其特征在于，所述封闭有生物分子涂膜的空腔为一个或多个，所述多个空腔内设置的生物分子涂膜上固定不同生物分子，以检测多种不同物质。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片设备，其特征在于，还包括阀门，所述阀门设置在微流道上，通过开关阀门控制微流道通断。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片设备，其特征在于，所述阀门为压力阀，在基片未设微流道的一面设置空腔，所述空腔通过微孔和微流道连接，所述空腔采用弹性薄膜封闭，通过在弹性薄膜上施加外力，堵住微孔，阻断微流道流体流动。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片设备，其特征在于，从进样池和缓冲液池中延伸出的第一、第二两条微流道分支，然后汇合，汇合后的微流道延伸一段距离后，再度分离为第三、第四两条微流道分支，最后在出口处汇合；在所述四条微流道分支上分别设有压力阀。

8.权利要求1所述微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用常规技术，在基片的一面设置微流道，基片未设置微流道的一面设置空腔，空腔通过微孔和微流道连接；

（2）将基片和盖片键合；

（3）在大面积膜上固定生物分子，再将大面积膜切割为固定了生物分子的膜单元，作为生物分子涂膜，嵌入基片空腔内；

（4）用薄膜将生物分子涂膜封闭在空腔内。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中还包括设置压力阀，所述压力阀和承载生物分子涂膜的容器为同样的空腔结构，采用弹性薄膜直接封闭空腔，即为所述压力阀。

10.权利要求1~7任一项所述芯片设备在生物分析中的应用。