CN107597219A - 一种微流控芯片进样及其键合技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微流控芯片及其使用方法，所述的微流控芯片包括微流控芯片基片、试剂纸和盖片三个主要部分，其中试剂纸含有检测样品标志物识别所需的反应试剂，微流控芯片基片具有试剂纸的支撑结构、样品进样通道及键合槽，盖片与微流控芯片基片键合形成可控的样品进样与检测区域，检测样品通过微沟道在外界压力或负压下经进样通道推入或吸入检测区域，使样本液流借助表面张力及试剂纸吸附作用与试剂纸内的反应试剂接触并发生反应，检测装置进而可根据试剂纸颜色、荧光或化学发光形成的光度与光谱变化识别样品中标志物的浓度，该芯片可减少样品液流进样时气泡对检测结果的影响，降低键合对芯片沟道的影响，有利于形成具有稳定结构的检测区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片技术领域，尤其涉及一种利用试剂纸方式实现检测的微流控芯片及使用其的检测方法。
背景技术
微流控芯片是当前微全分析系统发展的热门领域，其目标是在很小的芯片上把生物、化学、医学等领域实验功能微缩集成，并实现快速、高效分析。在微流控芯片的制作中，聚合物及纸基微流控芯片由于其价格便宜、质量轻、绝缘性好、成型效率高等优点受到广泛重视。
然而，纸基微流控芯片的机械强度较低，聚合物微流控芯片存在对反应试剂的固定可靠性差、进样气泡难以控制等缺点。同时，目前聚合物微流控芯片广泛采用的直接热键合法需要制备较高精度的掩膜板，并制作对应的超声导能筋，才可实现聚合物微流控芯片键合，成本较高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，通过优化微流控芯片的结构并结合纸基微流控芯片与聚合物微流控芯片的特点，解决进样存在气泡以及反应试剂微流控芯片内部固定问题，实现微流控芯片的快速生产。
根据本发明提供的一种微流控芯片，包括微流控芯片基片以及微流控芯片盖片；其中，所述微流控芯片基片上具有微流控芯片的进样通道，微流控芯片的废液通道，以及试剂纸支撑结构，所述试剂纸支撑结构用以支撑含有反应试剂的试剂纸；所述微流控芯片还包括聚合物颗粒，微流控芯片盖片与微流控芯片基片在外力作用下将所述聚合物颗粒加热至热熔状态键合，形成微流控芯片增材键合。
作为一种具体的方式，所述试剂纸支撑结构包括试剂纸支撑柱和试剂纸支撑凹台，支撑凹台的高度高于支撑柱以使实现键合后在试剂纸和试剂纸支撑凹台之间形成的气体阻力大于试剂纸支撑凹台与进样通道间的气体阻力。
而试剂纸支撑柱和试剂纸支撑凹台所构成的试剂纸支撑结构使试剂纸放置其上时略低于周围芯片的高度并保持位于样品液流的上方，避免键合时局部高温对试剂的损伤。
对于本发明的微流控芯片，其盖片与基片可以在超声或激光与压力的作用下将聚合物颗粒加热至热熔状态键合。
为了便于检测，优选将微流控芯片的盖片采用平板光学透明材料制成。
微流控芯片基片还包括键合槽和键合孔，键合槽被设置为包围液流通道以防止液流的在微流控芯片内部的渗漏扩散，键合孔被设置在键合槽周围，与样品液流不形成接触，以增强微流控芯片的键合强度。
在一种示例中，键合槽和键合孔可选自不同性质的热塑性材料构成。
根据本发明的上述各微流控芯片构成，可以形成为一维或二维阵列形式以构成芯片组，各单微流控芯片的所述试剂纸支撑结构可支撑不同的试剂纸，以实现同样品的同步检测。
进一步的，本发明还涉及一种使用上述微流控芯片进行检测的方法，具体的包括
步骤一：提供所述微流控芯片的基片部分，将含有检测样品标志物识别所需的反应试剂的试剂纸置于所述基片上的试剂纸支撑结构上，试试剂纸略低于周围芯片基片区域的高度，并保持位于样品液流的上方；
步骤二：将待测样品引入所述基片上的进样通道，使在外界压力或者负压下，待测样品液流经微流控芯片的进样通道被缓慢推入或吸入；
步骤三：将所述微流控芯片的盖片被置于基片上并通过超声或者激光的方式完成键合，使样品液流和试剂纸发生生物与化学反应，试剂纸的颜色、荧光或化学发光形成的光度强弱与光谱发生变化，形成表征特定标志物浓度的信号；
步骤四：试剂经废液通道流出。
为了实现方便的标记，在实际检测时，可以使微流控芯片上的键合槽(121)及键合孔(122) 以不同颜色或荧光性质的热塑性材料及其混合物构成，使各个检测样品区域构成特定编码以区分不同的检测功能；或者在部分键合孔(122)内放置聚合物颗粒(200)以形成检测所需的标志图案，使得各个检测样品区域构成特定编码以区分不同的检测功能。
根据本发明的微流控芯片，减少了样品液流进样时气泡对检测结果的影响，降低了键合对微流控芯片沟道的影响，密封好，无需高精度对于掩膜版就可以实现，利于快速自动化的生产。在检测时，可以形成具有稳定结构的检测区域，并配合不同标记方式区分，方便识别，在使用透光性盖片时，可以实现实时的检测，精度高速度快。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点更能明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，详细说明如下：
图1为微流控芯片的装配示意图。
图2为微流控芯片基片的结构示意图。
图3(a)和(b)为微流控芯片构成阵列时的结构示意图
其中100为微流控芯片基片，200为聚合物颗粒，300为试剂纸，400为微流控芯片盖片， 111为微流控芯片的进样通道，112为微流控芯片的废液通道，121为键合槽，122为键合孔， 131为试剂纸支撑柱，132为试剂纸支撑凹台。
具体实施方式
下面结合附图与实例，对本发明做更进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明主要包括微流控芯片基片(100)，聚合物颗粒(200)，试剂纸(300)，和微流控芯片盖片(400)。一种典型的微流控芯片基片(100)包括微流控芯片的进样通道 (111)，微流控芯片的废液通道(112)，键合槽(121)，键合孔(122)，试剂纸支撑柱(131)和试剂纸支撑凹台(132)，处于便于制作的设置，试剂纸支撑柱和支撑凹台优选的被置于整体基片的中央位置，进样通道和废液通道分置于试剂纸支撑柱区域的不同方向，例如呈180度设置，以引导样品流动通过试剂纸区域实现检测，但不限于此的，任何能实现引导样片通过试剂区域的结构均可用于用于本发明的微流控芯片基片；微流控芯片的盖片(400) 与微流控芯片基片(100)的结构相对设置，盖片可在超声与压力的作用下将被置于样品通道周围的聚合物颗粒(200)加热至热熔状态键合，形成密闭的微流控芯片，并控制样品液流在微流控芯片内部的流动，以及避免样品及试剂纸(300)对环境的污染。
特别的，通过设置试剂纸支撑柱和支撑凹台的高度差，使键合后试剂纸和试剂纸支撑凹台之间形成的气体阻力大于试剂纸支撑凹台与进样通道间的气体阻力，从而确保进样液体的气泡更易进入到试剂纸的下方而不留存在试剂纸周围，减少了检测时气泡对检测结果的影响；进一步地，检测时，可通过负压将通道内的液体完全吸出，从而彻底避免气泡的影响，对于不同的试剂纸，通常适宜具有略不同的高度差，但对于普遍使用的试剂纸规格和芯片尺寸而言，优选的，高度差以0.1-0.3mm为宜。
试剂纸(300)被提供以含有检测样品标志物识别所需的反应试剂，可与微流控芯片的样品液流发生生物与化学反应，使其颜色、荧光或化学发光形成的光度强弱与光谱发生变化，形成表征特定标志物浓度的信号。此时，优选地，将微流控芯片盖片(400)采用平板光学透明材料(如PMMA)制成，以使检测器可直接透过微流控芯片盖片(400)对试剂纸(300)的反应结果进行无损的光学检测；并可借助键合槽(121)及键合孔(122)热熔时形成的应力及结构形式形成结构特征，便于图像传感器采集处理时获取稳定的结构标志。由于系统采用增材方式实现微流控芯片键合，本发明也可采用激光照射聚合物颗粒(200)利用其透镜效应达到局部加热目的，实现微流控芯片键合。
进一步的，试剂纸支撑柱(131)和试剂纸支撑凹台(132)所构成的试剂纸支撑结构使试剂纸(300)放置其上时略低于周围的高度，以避免键合时局部高温对试剂的损伤。试剂纸支撑柱(131)优选为圆柱结构，但也可根据需要加工为球状、三棱柱等几何结构体。当样本液流进样时，样品液流经微流控芯片的进样通道(111)在外界压力或者负压下被缓慢推入或吸入到试剂纸(300)下方，由于液体的表面张力及试剂纸(300)的吸附效应，试剂纸支撑柱(131)和试剂纸支撑凹台(132)的结构形式一方面可改善试剂纸(300)与样本的有效接触面积，另一方面也可防止试剂纸与样本液流接触后软化塌陷影响检测器对其颜色、光谱等信息的识别。进一步，试剂纸(300)及试剂纸支撑凹台(132)也可采用不同的平面结构形状，如正方形、五边形结构，以便于图像传感器提取特征获取试剂纸颜色、荧光或化学发光形成的光度强弱与光谱变化特征信息。优选地，在试剂纸(300)与样品液流完成生物与化学反应后，可通过负压方式将微流控芯片内部的液流经废液通道(112)完全吸出，避免液流中存在的气泡对检测的不利影响。
作为一种具体的实施方式，如图2所示，键合槽(121)被设置为基片上的通道设置，而键合孔(122)被设置于基片上相对远离各通道的位置，例如，当基片为大致方形时，键合孔位于方形的四角附近，或者，当基片形成为其他形状时，沿基片的外周附近设置；键合槽和键合孔被设置成内可容纳聚合物颗粒(200)，聚合物颗粒在超声振动和压力下热塑变形完成与微流控芯片盖片(400)的键合。优选地，键合槽(121)和键合孔(122)的容积不小于聚合物颗粒(200)热熔凝固后的体积，并分别形成稳定封闭的沟道和芯片键合强度，其优点在于可将微流控芯片沟道密闭功能需求与结构增强需求进行分离。因此，键合槽(121)与键合孔(122)可灵活选择不同性质的热塑性材料，既可满足生物相容性又可以减小热键合对沟道的变形影响；同时，利用键合孔(122)的结构保证微流控芯片键合所需的力学性能。更进一步，键合孔(122)也可采用与键合槽(121)不同颜色或荧光性质的热塑性材料及其混合物，或者多个键合孔(122)分别采用不同形状的截面结构，如方形、五边形等，或者仅在部分键合孔(122)内放置聚合物颗粒(200)以形成检测所需的标志图案，使得各个检测样品区域构成特定编码以区分不同的检测功能。此外，上述结构也有利于采用单一材料平板结构形式的微流控芯片盖片(400)获得具有功能结构标志特征的微流控芯片，降低产品的费用。
更进一步，所述的微流控芯片可加工为一维或者二维阵列形式，如图3所示，此时在不同的位置可以采用不同试剂纸，以实现同样品的同步检测。本领域技术人员可以理解的，一维或者二维阵列可以通过组合若干单个微流控芯片实现，也可以在同一基底上形成多个本发明的微流控芯片作为单元，此时盖片可以形成为整体的盖片。
使用本发明所述的微流控芯片进行检测时，首先，提供具有微流控芯片的基片部分，然后将含有检测样品标志物识别所需的反应试剂的试剂纸置于基片上的试剂纸支撑结构上，试试剂纸略低于周围芯片基片区域的高度，并保持位于样品液流的上方，将待测样品引入所述基片上的进样通道，使在外界压力或者负压下，待测样品液流经微流控芯片的进样通道(111) 被缓慢推入或吸入，盖片被置于基片上并通过超声或者激光的方式完成键合，由于试剂纸支撑柱和支撑凹台的高度差，键合后试剂纸和试剂纸支撑凹台之间形成的气体阻力大于试剂纸支撑凹台与进样通道间的气体阻力，进样液体的气泡进入到试剂纸的下方而不留存在试剂纸周围，样品液流和试剂纸发生生物与化学反应，试剂纸的颜色、荧光或化学发光形成的光度强弱与光谱发生变化，形成表征特定标志物浓度的信号，而后试剂经废液通道流出。
根据本发明的微流控芯片，减少了样品液流进样时气泡对检测结果的影响，降低了键合对微流控芯片沟道的影响，有利于形成具有稳定结构形式的检测区域方便识别，无需高精度对于掩膜版就可以实现，利于快速自动化的生产。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种微流控芯片，包括微流控芯片基片(100)以及微流控芯片盖片(400)；其中，所述微流控芯片基片(100)上具有微流控芯片的进样通道(111)，微流控芯片的废液通道(112)，以及试剂纸支撑结构(131，132)，所述试剂纸支撑结构用以支撑含有反应试剂的试剂纸(300)；其特征在于，所述微流控芯片还包括聚合物颗粒(200)，微流控芯片盖片(400)与微流控芯片基片(100)在外力作用下将所述聚合物颗粒(200)加热至热熔状态键合，形成微流控芯片增材键合。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，试剂纸支撑结构包括试剂纸支撑柱(131)和试剂纸支撑凹台(132)，所述支撑凹台的高度高于所述支撑柱以使实现键合后在试剂纸和试剂纸支撑凹台之间形成的气体阻力大于试剂纸支撑凹台与进样通道间的气体阻力。
3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于试剂纸支撑柱(131)和试剂纸支撑凹台(132)所构成的试剂纸支撑结构使试剂纸(300)放置其上时略低于周围芯片的高度并保持位于样品液流的上方，避免键合时局部高温对试剂的损伤。
4.如权利要求1所述的微流控芯片，微流控芯片盖片(400)与微流控芯片基片(100)在超声或激光与压力的作用下将聚合物颗粒(200)加热至热熔状态键合。
5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片盖片(400)采用平板光学透明材料制成。
6.如权利要求1所述的微流控芯片，微流控芯片基片还包括键合槽(121)，键合孔(122)，其特征在于键合槽(121)包围液流通道，防止液流的在微流控芯片内部的渗漏扩散，键合孔(122)位于键合槽(121)周围，与样品液流不形成接触，以增强微流控芯片的键合强度。
7.如权利要求5所述的微流控芯片，键合槽(121)及键合孔(122)可选自不同性质的热塑性材料构成。
8.如权利要求1-7任一所述的微流控芯片构成的微流控芯片组，其形成为一维或二维阵列形式，各单微流控芯片的所述试剂纸支撑结构可支撑不同的试剂纸，以实现同样品的同步检测。
9.一种使用如权利要求1-8所述微流控芯片进行检测的方法，包括：
步骤一：提供所述微流控芯片的基片部分，将含有检测样品标志物识别所需的反应试剂的试剂纸置于所述基片上的试剂纸支撑结构上，试试剂纸略低于周围芯片基片区域的高度，并保持位于样品液流的上方；
步骤二：将待测样品引入所述基片上的进样通道，使在外界压力或者负压下，待测样品液流经微流控芯片的进样通道被缓慢推入或吸入；
步骤三：将所述微流控芯片的盖片被置于基片上并通过超声或者激光的方式完成键合，使样品液流和试剂纸发生生物与化学反应，试剂纸的颜色、荧光或化学发光形成的光度强弱与光谱发生变化，形成表征特定标志物浓度的信号；
步骤四：试剂经废液通道流出。
10.如权利要求9所述的检测方法，其中使微流控芯片上的键合槽(121)及键合孔(122)以不同颜色或荧光性质的热塑性材料及其混合物构成，使各个检测样品区域构成特定编码以区分不同的检测功能；或者在部分键合孔(122)内放置聚合物颗粒(200)以形成检测所需的标志图案，使得各个检测样品区域构成特定编码以区分不同的检测功能。
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