CN108277154B - 螺旋式变截面微流控pcr芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了螺旋式变截面微流控PCR芯片及其制作方法，该微流控PCR芯片包括反应系统和温控系统；所述反应系统包括键合而成的基片和盖片，所述基片内设置有基片流道，所述基片流道包括联通在一起的恒定截面流道和螺旋式变截面流道，螺旋式变截面流道以基片的中心为圆心呈螺旋分布且螺旋式变截面流道的横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小。本发明结构尺寸较小,轻便，使得很多PCR反应的辅助设备可以高度集成。本发明可将基片划分为三温区，通过温控系统还采用三温区恒温独立控制，通过导热元件改善温区的均匀性控制，可以降低PCR反应对温控系统高速、精准的控制温度升降要求。

Description

螺旋式变截面微流控PCR芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及聚合酶链式(PCR)扩增反应技术领域，特指一种螺旋式变截面微流控PCR芯片及其制作方法。

背景技术

聚合酶链（式）反应（polymerase chain reaction, PCR）是一种选择性体外扩增DNA或RNA序列的技术。其基本反应原理是一个重复地进行DNA模板解链、引物与模板DNA结合、DNA聚合酶催化形成新的DNA链的过程，不断重复这一过程，可使目的DNA片段呈指数扩增。PCR扩增反应实质是反应液在三个不同温区的反应，包括变性（dsDNA在92～96℃变性成ssDNA）、退火（引物在45～72℃与模板的互补区域结合）、延伸（在72℃条件下，TaqDNA聚合酶催化DNA模板-引物结合物与dNTP,按碱基配对与半保留复制原理合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链）三个连续的、循环的温度操作过程。

传统的PCR仪是通过样品槽-反应管-样品之间进行热传递实现的，完成一次扩增反应需要3h至4h，存在设备体积大、反应时间长、自动化程度低、能量和反应液消耗多、反应特异性差、成本高且不便于集成和携带等缺陷。为了实现PCR快速扩增，微型化、高效化的PCR扩增仪器成为研究热点。目前，微型化的PCR反应器主要有微腔式和微流式两种,其中，微腔PCR反应器由于微腔PCR反应器需要频繁的改变温度，因此温度的升降速度制约了该类反应器的反应速度，而且难以保证温控精度和实现加热模块与反应液升降温的同步，而具有良好温控的PCR反应器对技术和器材的要求很高，价格也相对昂贵。此外，对于制作微流控芯片，常用的材料有硅、玻璃、PC、PMMA等，这些材料用于制作PCR扩增芯片都有一定的局限性，如硅片的化学惰性较低，易与PCR扩增反应液发生反应，污染反应液，且其成型较难、键合性能差、价格也相对昂贵， PC、PMMA材料的热膨胀系数较大，玻璃也存在成型较难、键合性能差的特点，此外他们的软化温度都较高，加工时难以实现批量生产。

目前市场上的PCR仪的品牌，功能多种多样，国内市场上国产PCR仪主要是上海领成，杭州郎基，西安天隆，珠海黑马，杭州博日等。国外的PCR仪主要是美国的罗氏、ABI、labnet、Bio-rad、Cepheid，日本的TaKaRa，英国的Techne，德国的Eppendorf等公司。这些公司的产品大部分是微腔式芯片产品，微流式PCR芯片的仪器相对较少，价格通常在数万元乃至数十万元以上(如PE9600型PCR仪需200万)。近期国内博奥生物科技有限公司研发了一种微流控碟式芯片，该芯片采用了恒温扩增技术，控制反应液在50-60℃之间反应。另外，上海伊沐公司也研发了一款MF-100型微流控PCR仪，但是该产品没有上市，也没有相关的技术参数报道。

在微流控PCR芯片的研制中，存在诸如结构的设计、材料的选择、工艺实现的难易、温控的精准度和升降速度以及制作成本等问题都是需要重点解决的。

发明内容

为解决上述现有技术存在的多个问题之一，本发明提供了螺旋式变截面微流控PCR芯片及其制作方法。

为此，根据本发明第一方面，本发明实施方式提供一种螺旋式变截面微流控PCR芯片，该微流控PCR芯片包括反应系统和温控系统；所述温控系统包括温控仪、加热膜、温度传感器和导热元件。所述反应系统包括键合而成的基片和盖片，基片上开设有基片流道入口和基片流道出口，基片流道入口设置在靠近基片中心的位置，基片流道出口设置在靠近基片外缘的位置，所述基片流道入口和基片流道出口之间通过设置在基片内部的基片流道联通，基片流道即为PCR芯片内用于PCR反应的反应通道。

所述基片流道包括恒定截面流道和螺旋式变截面流道，所述基片流道入口对应设置在恒定截面流道段的入口端，恒定截面流道的横截面大小是恒定不变的，所述恒定截面流道的末端连通螺旋式变截面流道，螺旋式变截面流道以基片的中心为圆心呈螺旋分布且螺旋式变截面流道的横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小，所述基片流道出口对应设置在螺旋式变截面流道的末端。位于基片流道前段部分的恒定截面流道对应的是聚合酶链（式）反应（polymerase chain reaction, PCR）的预反应阶段，即恒定截面流道也即聚合酶链（式）反应（polymerase chain reaction, PCR）的预反应通道。

优选实施方案，所述基片和盖片均为圆形，基片和盖片由PDMS材料制成；所述基片流道入口和基片流道出口均为开设在基片上的半径为1mm、深度为100um的圆形槽，且分别与基片流道的两端联通。

螺旋式变截面流道以基片的圆心为圆心呈螺旋分布，其包括多个螺旋圈，位于外侧的螺旋圈半径大于位于其内侧的螺旋圈的半径，靠近基片中心的螺旋圈的横截面大于远离基片中心的螺旋圈的横截面。

在某些实施方式中，基片流道的横截面为矩形，其中恒定截面流道的横截面大小是恒定不变的，其矩形横截面的宽和深分别为200um、100um；螺旋式变截面流道的起始端其矩形横截面的宽和深分别为200um、100um，随着螺旋式变截面流道的延伸，螺旋式变截面流道其矩形横截面的宽度逐渐减小，其矩形横截面的深度保持不变，至螺旋式变截面流道的末端其矩形横截面的宽和深分别为148um、100um。

在某些实施方式中，所述恒定截面流道包括直线流道和圆弧流道，所述直线流道是联通基片流道入口的一段长度为11.5mm且与基片圆心在同一直线上的的直线流道；直线流道与圆弧流道联通，所述圆弧流道由彼此联通的多段呈S形分布的弧形流道组成，各弧形流道均是以基片圆心为圆心的弧形流道；直线流道和圆弧流道的横截面均为矩形，其矩形横截面的宽深分别为200um、100um。

在某些实施方式中，基片流道分布在以基片圆心为圆心的一个圆环形区域内，将该圆环形区域划分为三个区域，这三个区域的温度通过温控系统分开控制，将各区域分别定义为第一温区、第二温区和第三温区，其中第三温区为圆环形区域的一半，为半圆环形；第一温区和第二温区分别为1/4圆环形区域。第三温区为内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的半圆环形；第一温区和第二温区均为内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的扇形。

第一温区的基片下侧设置有第一温区加热膜、第一温区传感器以及第一温区导热元件，第一温区导热元件分别与第一温区加热膜、第一温区传感器和所述基片的对应区域连接；第二温区的基片下侧设置有第二温区加热膜、第二温区传感器以及第二温区导热元件，第二温区导热元件分别与第二温区加热膜、第二温区传感器和所述基片的对应区域连接；第三温区的基片下侧设置有第三温区加热膜、第三温区传感器以及第三温区导热元件，第三温区导热元件分别与第三温区加热膜、第三温区传感器和所述基片的对应区域连接；第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜均与温控仪连接，温控仪分别对第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜进行独立的控制。

在某些实施方式中，所述导热元件选用铜材料制成。第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件均为铜片，所述铜片厚度为2毫米；所述第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件的形状与其对应贴附的第一温区、第二温区、第三温区的形状相适应；贴附在第一温区的第一导热元件和贴附在第二温区的第二导热元件采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的铜片；贴附在第三温区的第三导热元件采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的铜片；第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件的弧长比例按4：4：9设置，第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件在基片上彼此之间存在间隔区域且彼此间的间隔弧度分别为10°、5°和5°。

在某些实施方式中，所述第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的材质相同，均采用聚酰亚胺电热膜；第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的形状尺寸与与其对应贴附的第一温区、第二温区、第三温区的形状相适应。第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜是弧度分别为80°、80°、180°的聚酰亚胺电热膜。

与现有技术相比，上述多个实施方式的芯片至少具有以下优点之一：

1）结构尺寸较小，相较于传统的PCR反应设备更轻便，由于体积小，使得很多PCR反应的辅助设备可以高度集成，如利用PDMS材料良好的透光性，可以实现PCR反应实时检测。另外，更小更轻的结构也为下步制作手提便携式PCR反应设备打下一定的基础。

2）采用的连续流动式PCR微流控，流道比表面积大，优点有：①微米级的结构使得反应的样品液所需量减少，这一方面可以降低成本，另一方面可以让某些极少量样品对象实现PCR扩增，②较大的比表面积使得溶液传热速度提高，温度升降迅速，③连续流动式扩增可以极大地缩短反应时间，也可以实现高通量反应。

3）采用三温区恒温控制，通过导热元件改善温区的均匀性控制，可以降低PCR反应对温控系统高速、精准的控制温度升降要求。由于溶液的注入一般为恒速控制，本发明流道截面采用渐变结构，有效整合了圆柱式微流控PCR芯片等长螺旋流道和平面微流控PCR芯片便于集成的优点。

作为同一发明构思，根据本发明的第二方面，本发明实施方式还提供一种制作上述多个实施方式之一的螺旋式变截面微流控PCR芯片的方法，该方法包括如下步骤:

采用干法刻蚀的方法刻蚀出与基片结构相对应的基片硅阳模，在硅阳模上镀上一层脱模层，将硅阳模放置在塑料模具盒中，并用塑料胶带将硅阳模边缘部分与塑料模具盒底部粘贴在一起；

PDMS预聚物与固化剂按质量比为10：1的比例配置PDMS注塑物，PDMS预聚物与固化剂充分搅拌均匀后放置在真空泵中抽真空，而后利用PDMS注塑物进行浇注，进行固化，固化成型后脱模即可得到所需的基片和盖片；

将制得的芯片和盖片采用等离子体键合工艺进行键合，而后进行切边、打孔、封装，得到所需芯片的反应系统；

组装芯片温控系统和反应系统，将导热元件通过导热双面胶带粘贴在基片底部，将加热薄膜和温度传感器通过导热胶带粘贴在导热元件背面并与温控仪连接好。

与现有技术相比，本发明实施方式的制作方法具有以下有益效果：

1）反应系统制作采用的PDMS材料，它具有透光性好、生物兼容性好、导热率低、便于工艺键合、热膨胀系数低、价格低廉的特点，良好的透光性可以为下步实现PCR反应实时荧光检测打下基础，较好的生物兼容性，可以避免反应液与芯片材料发生反应，较低的热导率可以更好的实现三温区控温精度的恒定控制，低的热膨胀系数，可以避免微米级尺寸的流道因膨胀而影响尺寸。

2）在键合基片和盖片时，采用到了氧等离子体活化工艺，经过该工艺，可以使得PDMS表面形成一层亲水层，改善PDMS流道的亲水性，不需要额外的对流道进行亲水处理。

3）可以实现批量化生产，制作时，只需要制作一片硅阳模，而后可以采用注塑法进行批量生产产品，实现了制作简单，制作成本低廉的要求。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的结构示意图；

图2是一具体实施例的的主视图；

图3是图1中的导热元件的分布图。

图中，1、盖片；2、基片；3、导热元件；301、第一导热元件；301、第二导热元件；302、第三导热元件；4、基片流道入口；5、基片流道出口；6、基片流道；601、恒定截面流道；602、螺旋式变截面流道；603、直线流道；604、圆弧流道；701、第一温区；702、第二温区；703、第三温区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图3所示，本发明实施方式的一种螺旋式变截面微流控PCR芯片，该微流控PCR芯片包括反应系统和温控系统；所述反应系统包括键合而成的基片2和盖片1，本发明中的基片2和盖片1均为圆形。本发明所设计的螺旋式变截面微流控PCR芯片的整体形状也为圆形。所述盖片2设置在基片1的上方，所述盖片1上设置有一个盖片流道入口和一个盖片流道出口，所述盖片流道入口与基片2上开设的基片流道入口4相正对，所述盖片流道出口与基片2上开设的基片流道出口5相正对，基片流道入口4设置在靠近基片中心的位置，基片流道出口5设置在靠近基片外缘的位置，所述基片流道入口4和基片流道出口5之间通过设置在基片内部的基片流道6联通。基片流道6即为PCR芯片内用于PCR反应的反应通道。PVC反应液从基片流道入口4进入基片内部的基片流道进行PCR反应，反应完成后从基片流道出口5引出。

所述基片流道6包括恒定截面流道601和螺旋式变截面流道602，所述基片流道入口4对应设置在恒定截面流道601的入口端，恒定截面流道601的横截面大小是恒定不变的，所述恒定截面流道601的末端连通螺旋式变截面流道602，螺旋式变截面流道602以基片2的中心为圆心呈螺旋分布且螺旋式变截面流道的横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小，所述基片流道出口5对应设置在螺旋式变截面流道602的末端。位于基片流道前段部分的恒定截面流道对应的是聚合酶链（式）反应（polymerase chain reaction, PCR）的预反应阶段，即恒定截面流道也即聚合酶链（式）反应（polymerase chain reaction, PCR）的预反应通道。螺旋式变截面流道以基片的中心为圆心呈螺旋分布,其包括多个螺旋圈（流道），位于外侧的螺旋圈半径大于位于其内侧的螺旋圈的半径。为了使PCR反应时各螺旋圈内的PCR反应液均衡分布在各螺旋圈，使得PCR反应充分。本申请采用的变截面的设计，靠近基片中心的螺旋圈的横截面大于远离基片中心的螺旋圈的横截面，即靠近基片中心的螺旋圈的半径小但其横截面大，远离基片中心的螺旋圈的半径大但其横截面小。

所述温控系统设置在基片2下侧面上，温控系统用于为PCR反应提供精准的温度控制。所述温控系统包括温控仪（图中未示出）、加热薄膜（图中未示出）、温度传感器（图中未示出）和导热元件3，所述导热元件3分别与加热薄膜、温度传感器和所述基片2连接。该实施方式的微流控芯片结构简单紧凑、加工简便、成本低廉、适用范围广。

作为优选，所述温控仪型号为CXH808，所述加热薄膜是聚酰亚胺电热膜，所述温度传感器型号为WZRK-01。

本实施方式微流控芯片结构尺寸较小,相较于传统的PCR反应设备更轻便，由于体积小，使得很多PCR反应的辅助设备可以高度集成。本发明中的基片以及盖片利用PDMS材料制成。PDMS材料具有良好的透光性，可以实现PCR反应实时检测。另外，更小更轻的结构也为下步制作手提便携式PCR反应设备打下一定的基础。

作为优选实施方式中，参照图1、图2和图3，所述基片2为圆形基片，基片流道6分布在以基片中心为圆心的一个圆环形区域内，本实施例中，该圆弧形区域的内径为20mm、外径为40mm。将该圆环形区域划分为三个区域，这三个区域的温度通过温控系统分开控制，将各区域分别定义为第一温区701、第二温区702和第三温区703。其中第三温区703为圆环形区域的一半，为半圆环形（即内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的半圆环形）；第一温区701和第二温区702分别为1/4圆环形区域，均为扇形（即内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的扇形）。

第一温区的基片下侧设置有第一温区加热膜、第一温区传感器（温度传感器）以及第一温区导热元件，第一温区导热元件分别与第一温区加热膜、第一温区传感器和所述基片的对应区域连接。第二温区的基片下侧设置有第二温区加热膜、第二温区传感器（温度传感器）以及第二温区导热元件，第二温区导热元件分别与第二温区加热膜、第二温区传感器和所述基片的对应区域连接。第三温区的基片下侧设置有第三温区加热膜、第三温区传感器（温度传感器）以及第三温区导热元件，第三温区导热元件分别与第三温区加热膜、第三温区传感器和所述基片的对应区域连接。第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜均与温控仪连接，温控仪分别对第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜进行独立的控制，这样便实现了基片上三个温区的独立恒温控制。这样的设置使得，螺旋式变截面流道中各螺旋圈内的PCR反应液会依次经过三个温区，反应液在三个不同温区的反应，包括变性（dsDNA在92～96℃变性成ssDNA）、退火（引物在45～72℃与模板的互补区域结合）、延伸（在72℃条件下，TaqDNA聚合酶催化DNA模板-引物结合物与dNTP,按碱基配对与半保留复制原理合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链）三个连续的反应过程，且由于螺旋式变截面流道是不断螺旋设置的，反应液会不断的在各个螺旋圈内的三个不同温区循环直至从基片流道出口引出。

铜具有优良的导热性能，且成本低，因此在某些实施方式中，所述导热元件选用铜材料制成。进一步地，导热元件3可以设计为铜片，即第一导热元件301、第二导热元件302和第三导热元件303均为铜片，所述铜片厚度2毫米。参照图3，所述第一导热元件301、第二导热元件302和第三导热元件303的形状与其对应贴附的第一温区701、第二温区702、第三温区703的形状相适应。参照图3，贴附在第一温区701的第一导热元件301和贴附在第二温区702的第二导热元件302采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的铜片。贴附在第三温区703的第三导热元件303采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的铜片。第一导热元件301、第二导热元件302和第三导热元件303的弧长比例按4：4：9设置，第一导热元件301、第二导热元件302和第三导热元件303在基片2上彼此之间存在间隔区域且彼此间的间隔弧度分别为10°、5°和5°。

本发明的第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的材质相同，可以仅采用聚酰亚胺电热膜。第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的形状尺寸与与其对应贴附的第一温区、第二温区、第三温区的形状相适应。贴附在第一温区的第一温区加热膜和贴附在第二温区的第二温区加热膜采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的聚酰亚胺电热膜。贴附在第三温区的第三温区加热膜用内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的聚酰亚胺电热膜。第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的弧长比例按4：4：9设置，第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜在基片上彼此之间存在间隔区域且彼此间的间隔弧度分别为10°、5°和5°。

本实施方式采用三温区恒温控制，通过各导热元件改善各温区的均匀性控制，可以降低PCR反应对温控系统高速、精准的控制温度升降要求。由于溶液的注入一般为恒速控制，本发明螺旋式变截面流道的流道截面采用渐变结构，有效整合了圆柱式微流控PCR芯片等长螺旋流道和平面微流控PCR芯片便于集成的优点。

导热胶是单组份、导热型、室温固化有机硅粘接密封胶。通过空气中的水份发生缩合反应放出低分子引起交联固化，而硫化成高性能弹性体。好粘导热胶具有卓越的抗冷热交变性能、耐老化性能和电绝缘性能。并具有优异的防潮、抗震、耐电晕、抗漏电性能和耐化学介质性能。可持续使用在-60～280℃且保持性能。不溶胀并且对大多数金属和非金属材料具有良好的粘接性。基于导热胶的优点，因此在某些实施方式中，为了提高导热效果，作为优选，所述导热元件通过导热胶与所述基片下侧面（即基片的底面）连接。

基于导热胶的优点，在某些实施方式中，所述加热膜也优选为通过导热胶布连接所述导热元件。

在某些实施方式中，所述螺旋式变截面流道的螺旋圈数为30圈，图1中位于最里面的一圈螺旋圈流道的半径即内环半径为26mm。本实施例中的恒定截面流道的长度约16.2cm，恒定截面流道（即预反应通道）呈S形。

进一步地，所述基片流道6的横截面为矩形，本申请的基片2是采用模具注塑而成，采用基片流道6的横截面为矩形便于成型。其中恒定截面流道601的横截面大小是恒定不变的，其矩形横截面的宽和深（深是指流道在基片厚度方向的尺寸）分别为200um、100um。螺旋式变截面流道602的矩形横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小，具体地，螺旋式变截面流道602的起始端其矩形横截面的宽和深分别为200um、100um，随着螺旋式变截面流道602的延伸，螺旋式变截面流道602其矩形横截面的宽度逐渐减小，其矩形横截面的深度保持不变，至螺旋式变截面流道602的末端其矩形横截面的宽和深分别为148um、100um。

所述基片流道入口4和基片流道出口5均为开设在基片2上的半径为1mm、深度为100um的圆形槽，且分别与基片流道6的两端联通。

作为优选实施方式，所述恒定截面流道601（即预反应通道）包括直线流道603和圆弧流道604，所述直线流道603是联通基片流道入口的一段长度为11.5mm且与基片圆心在同一直线上的的直线流道。直线流道603与圆弧流道604联通，所述圆弧流道604由彼此联通的多段呈S形分布的弧形流道组成，各弧形流道均是以基片圆心为圆心的弧形流道。参照图1和2，所示实施例中，包括3.5段弧度为80°，半径由25mm递减梯度为1mm递减至22mm的弧形流道。直线流道603和圆弧流道604的横截面均为矩形，其矩形横截面的宽深分别为200um、100um。

在某些实施方式中，所述基片2和所述盖片1均为厚度为2mm直径为8cm的圆片。所述基片2和所述盖片1优选为由PDMS（polydimethylsiloxane, 聚二甲基硅氧烷）材料制成，PDMS材料成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，适用于本发明实施方式的微流控芯片。

本发明实施方式的微流控芯片采用的连续流动式PCR微流控，流道比表面积大，优点有：①微米级的结构使得反应的样品液所需量减少，这一方面可以降低成本，另一方面可以让某些极少量样品对象实现PCR扩增，②较大的比表面积使得溶液传热速度提高，温度升降迅速，③连续流动式扩增可以极大地缩短反应时间，也可以实现高通量反应。

作为同一发明构思，根据本发明的第二方面，本发明实施方式还提供一种制作上述多个实施方式之一的螺旋式变截面微流控PCR芯片的方法，该方法包括如下步骤:

采用干法刻蚀的方法刻蚀出基片硅阳模，在硅阳膜上镀上一层脱模层，将硅阳膜放置在塑料模具盒中，并用塑料胶带将阳膜边缘部分与塑料模具盒底部粘贴在一起；

按PDMS预聚物与固化剂质量比为10：1的比例配置PDMS注塑物，充分搅拌后放置在真空泵中抽真空，根据注塑物的密度、模具盒的底面积大小和所需基片的厚度，计算出所需注塑物的质量，而后进行浇注，按照固化时间和固化温度如表一的关系进行固化，待固化成型后即可得到所需芯片基片和盖片；

表一：固化温度与时间关系

上表中表示，在室温条件下，固化时间大于24小时；温度在50摄氏度的条件下，固化时间为120分钟，依次类推。

将制得的芯片和盖片采用等离子体键合工艺进行键合，而后进行切边、打孔、封装，得到所需芯片的反应系统；

组装芯片温控系统和反应系统，将导热元件通过导热双面胶带粘贴在基片底部，将加热薄膜和温度传感器通过导热胶带粘贴在导热元件背面并与温控仪连接好。

参考具体实施方式，尽管本发明已经在说明书和附图中进行了说明，但应当理解，在不脱离权利要求中所限定的本发明范围的情况下，所属技术领域人员可作出多种改变以及多种等同物可替代其中多种元件。而且，本文中具体实施方式之间的技术特征、元件和/或功能的组合和搭配是清楚明晰的，因此根据这些所公开的内容，所属技术领域人员能够领会到实施方式中的技术特征、元件和/或功能可以视情况被结合到另一个具体实施方式中，除非上述内容有另外的描述。此外，根据本发明的教导，在不脱离本发明本质的范围，适应特殊的情形或材料可以作出许多改变。因此，本发明并不限于附图所图解的个别的具体实施方式，以及说明书中所描述的作为目前为实施本发明所设想的最佳实施方式的具体实施方式，而本发明意旨包括落入上述说明书和所附的权利要求范围内的所有的实施方式。

Claims (8)

1.一种螺旋式变截面微流控PCR芯片，该微流控PCR芯片包括反应系统和温控系统，所述温控系统包括温控仪、加热膜、温度传感器和导热元件；其特征在于，

所述反应系统包括键合而成的基片和盖片，所述基片上开设有基片流道入口和基片流道出口，基片流道入口设置在靠近基片中心的位置，基片流道出口设置在靠近基片外缘的位置，所述基片流道入口和基片流道出口之间通过设置在基片内部的基片流道联通，基片流道即为PCR芯片内用于PCR反应的反应通道；

所述基片流道包括恒定截面流道和螺旋式变截面流道，所述基片流道入口对应设置在恒定截面流道段的入口端，恒定截面流道的横截面大小是恒定不变的，所述恒定截面流道的末端连通螺旋式变截面流道，螺旋式变截面流道以基片的中心为圆心呈螺旋分布且螺旋式变截面流道的横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小，所述基片流道出口对应设置在螺旋式变截面流道的末端；

所述基片和盖片均为圆形，基片和盖片由PDMS材料制成；所述基片流道入口和基片流道出口均为开设在基片上的半径为1mm、深度为100um的圆形槽，且分别与基片流道的两端联通；

所述螺旋式变截面流道以基片的圆心为圆心呈螺旋分布，所述螺旋式变截面流道包括多个螺旋圈，位于外侧的螺旋圈半径大于位于其内侧的螺旋圈的半径，靠近基片中心的螺旋圈的横截面大于远离基片中心的螺旋圈的横截面；

基片流道的横截面为矩形，其中恒定截面流道的横截面大小是恒定不变的，其矩形横截面的宽和深分别为 200um、100um；螺旋式变截面流道的起始端其矩形横截面的宽和深分别为200um、100um，随着螺旋式变截面流道的延伸，螺旋式变截面流道其矩形横截面的宽度逐渐减小，其矩形横截面的深度保持不变，至螺旋式变截面流道的末端其矩形横截面的宽和深分别为148um、100um。

2.根据权利要求1所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，所述恒定截面流道包括直线流道和圆弧流道，所述直线流道是联通基片流道入口的一段长度为11.5mm且与基片圆心在同一直线上的直线流道；直线流道与圆弧流道联通，所述圆弧流道由彼此联通的多段呈S形分布的弧形流道组成，各弧形流道均是以基片圆心为圆心的弧形流道；直线流道和圆弧流道的横截面均为矩形，其矩形横截面的宽深分别为200um、100um。

3.根据权利要求1所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，基片流道分布在以基片圆心为圆心的一个圆环形区域内，将该圆环形区域划分为三个区域，这三个区域的温度通过温控系统分开控制，将各区域分别定义为第一温区、第二温区和第三温区，其中第三温区为圆环形区域的一半，为半圆环形；第一温区和第二温区分别为1/4圆环形区域。

4.根据权利要求3所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，第三温区为内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的半圆环形；第一温区和第二温区均为内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的扇形。

5.根据权利要求3或4所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，第一温区的基片下侧设置有第一温区加热膜、第一温区传感器以及第一温区导热元件，第一温区导热元件分别与第一温区加热膜、第一温区传感器和所述基片的对应区域连接；第二温区的基片下侧设置有第二温区加热膜、第二温区传感器以及第二温区导热元件，第二温区导热元件分别与第二温区加热膜、第二温区传感器和所述基片的对应区域连接；第三温区的基片下侧设置有第三温区加热膜、第三温区传感器以及第三温区导热元件，第三温区导热元件分别与第三温区加热膜、第三温区传感器和所述基片的对应区域连接；第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜均与温控仪连接，温控仪分别对第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜进行独立的控制。

6.根据权利要求5所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件均为铜片，所述铜片厚度为2毫米；所述第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件的形状与其对应贴附的第一温区、第二温区、第三温区的形状相适应；

贴附在第一温区的第一导热元件和贴附在第二温区的第二导热元件采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为80°的铜片；

贴附在第三温区的第三导热元件采用内径为20mm、外径为40mm，弧度为180°的铜片；

第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件的弧长比例按4：4：9设置，第一导热元件、第二导热元件和第三导热元件在基片上彼此之间存在间隔区域且彼此间的间隔弧度分别为10°、5°和5°。

7.根据权利要求5所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片，其特征在于，所述第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的材质相同，均采用聚酰亚胺电热膜；

第一温区加热膜、第二温区加热膜和第三温区加热膜的形状尺寸与与其对应贴附的第一温区、第二温区、第三温区的形状相适应。

8.一种如权利要求1所述的螺旋式变截面微流控PCR芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用干法刻蚀的方法刻蚀出与基片结构相对应的基片硅阳模，在硅阳模上镀上一层脱模层，将硅阳模放置在塑料模具盒中，并用塑料胶带将硅阳模边缘部分与塑料模具盒底部粘贴在一起；

PDMS预聚物与固化剂按质量比为10：1的比例配置PDMS注塑物，PDMS预聚物与固化剂充分搅拌均匀后放置在真空泵中抽真空，而后利用PDMS注塑物进行浇注，进行固化，固化成型后脱模即可得到所需的基片和盖片；

将制得的基片和盖片采用等离子体键合工艺进行键合，而后进行切边、打孔、封装，得到所需芯片的反应系统；

组装芯片温控系统和反应系统，将导热元件通过导热双面胶带粘贴在基片底部，将加热薄膜和温度传感器通过导热胶带粘贴在导热元件背面并与温控仪连接好。

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