CN109746060A - 微液滴生成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微液滴生成芯片，所述微液滴生成芯片包括有一中心孔，所述中心孔用于所述微液滴生成芯片制备过程中注入注塑料以及批量化生产过程中微液滴生成芯片的转运；所述中心孔两侧以中心孔为中心设置一个或多个微液滴生成单元，每个微液滴生成单元独立地生成微液滴。该微液滴芯片结合工业界成熟的光盘制备工艺，可快速、可靠地生成均一的微米量级“油包水”或“水包油”微液滴，微液滴芯片采用热塑材料，材料和批量加工成本低廉，对传统圆环形光盘结构进行修正，最大限度利用光盘的空间。
Description
技术领域
本发明涉及微液滴数字PCR技术领域，具体涉及一种微液滴生成芯片。
背景技术
微液滴数字PCR技术(droplet digital PCR，ddPCR)是一种基于单分子PCR的核酸绝对定量分析技术。微液滴数字PCR技术以其高灵敏度、高准确性的优势正成为业界下一个革命性技术。近几年来，随着微纳米制造技术和微流体技术(micro-nanofabrication andmicrofluidics)的发展，微液滴数字PCR技术遇到了突破技术瓶颈的最佳契机。该技术借助微流控芯片，生成直径为数微米到数百微米的液滴；微液滴包裹单分子或单细胞，达到反应与检测全封闭，全集成。微液滴数字PCR系统工作原理是：首先通过特殊的微液滴生成仪将待测样品均分到大量纳升级(直径为数微米到数百微米)的“油包水”微液滴中，微液滴的数量在百万级别。由于微液滴数量足够多，微液滴之间被油层相互隔离，因此每个微液滴相当于一个“微型反应器”，微液滴中只含有待测样品的DNA单分子；然后，针对这些微液滴分别进行PCR扩增反应，并通过微液滴分析仪逐个对液滴的荧光信号进行检测，有荧光信号的微滴判读为1，没有荧光信号的微滴判读为0。最后，根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例即可得出待测样品的目标DNA分子数目，实现对核酸样本的绝对定量。
一个典型的“油包水”微液滴生成过程是：“油相”样品在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别管道；“水相”样品在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别管道。两种不相溶的液体在“十字”微流体结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从连续相分割为离散的微液滴。微液滴为“油包水”的形式，外部是“油相”样品。
微液滴PCR技术的一个核心器件是微液滴生成芯片。为了满足临床检验的需求，微液滴生成芯片需要具备以下特点：(1)快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”/“水包油”微液滴，(2)基于微流控技术的微流体芯片的材料和加工成本低。
目前，基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微流控芯片已被广泛用于生成微液滴。研究人员利用软光刻工艺加工具备微米量级的PDMS微液滴芯片。首先，研究人员采用厚光刻胶(例如：SU-8厚胶)和常规光刻技术在硅基基底表面加工出具有微米精度、高深宽比的模具。然后，将PDMS前体及其交联剂混合溶液浇注在此模具表面。经过升温固化处理、模具分离，制备出结构互补的弹性PDMS微流控结构芯片。该PDMS微流控结构芯片与玻璃基片经过一步可逆键合步骤，最终形成封装的微流控芯片用于液滴生成。
当PDMS微液滴芯片制备成功后，在其样品入口、微液滴生成出口利用机械加工工艺打孔，装配进样管、出样管。“油相”样品、“水相”样品通过手工方式吸入到注射器中。然后，通过外部注射泵将“油相”样品、“水相”样品经过进样管注入PDMS微液滴芯片中。最后，生成的微液滴经过出样管被收集到常规实验耗材中，例如EP管。尽管PDMS微液滴芯片材料研发成本低、实验室加工工艺简单，但是其存在的不足包括：
(1)PDMS是热弹性聚合物材料，该类材料不适合于工业级注塑、封装工艺。手工加工的PDMS微液滴芯片可靠性差。
(2)PDMS微液滴芯片批量加工成本高昂。
针对PDMS微液滴芯片制备工艺的不足，研究人员利用热模压、注塑工艺制备基于热塑材料的微流控芯片。但是，这些芯片制备工艺距离批量化生成尚有距离，成本高昂，限制了微液滴芯片在临床检验领域的广泛应用。
发明内容
针对现有微液滴生成芯片的步骤，本发明提出了一个基于聚合物材料的微液滴生成芯片。该微液滴芯片结合工业界成熟的光盘制备工艺，其特点是：(1)快速、可靠地生成均一的微米量级“油包水”或“水包油”微液滴，(2)微液滴芯片采用热塑材料，例如聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(COP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)，材料和批量加工成本低廉，(3)对传统圆环形光盘结构进行修正，最大限度利用光盘的空间，并行排布微液滴生成流道。
在本发明中提供一种微液滴生成芯片，所述微液滴生成芯片包括有一中心孔，所述中心孔用于所述微液滴生成芯片制备过程中注入注塑料以及批量化生产过程中微液滴生成芯片的转运；所述中心孔两侧以中心孔为中心设置一个或多个微液滴生成单元，每个微液滴生成单元独立地生成微液滴。
在一种实施方式中，所述微液滴生成单元包括一个油相样品入口、一个水相样品入口、油相样品管路、水相样品管路、一个微液滴生成区和一个生成微液滴出口。
在一种实施方式中，所述微液滴生成芯片包括所述微液滴生成芯片包括二至二十四个微液滴生成单元，优选为六至十六个微液滴生成单元。
在一种实施方式中，所述中心孔两侧各等间距排列四个微液滴生成单元；八个微液滴生成单元的相邻的油相样品入口之间距离相等、八个微液滴生成单元的相邻水相样品入口之间距离相等和八个微液滴生成单元的相邻生成微液滴出口之间距离相等。
在一种实施方式中，各个所述距离等于标准八通道加样枪移液器吸头之间的距离。
在一种实施方式中，所述油相样品管路和/或所述水相样品管路是远离所述中心孔的弧形管道结构。
在一种实施方式中，所述微液滴生成单元包括两个油相样品管路和一个水相样品管路，生成“油包水”微液滴；或者所述微液滴生成单元包括一个油相样品管路和二个水相样品管路，生成“水包油”微液滴。
在一种实施方式中，所述油相样品入口之后的管路中设置有回型流阻区，油相样品流过所述回型流阻区后，分成两路分别进入油相样品管路，生成“油包水”微液滴；或者所述水相样品入口之后的管路中设置有回型流阻区，水相样品流过所述回型流阻区后，分成两路分别进入水相样品管路，生成“水包油”微液滴。
在一种实施方式中，所述油相样品管路设置有油相样品过滤区和/或所述水相样品管路中设置有水相样品过滤区。
在一种实施方式中，所述油相样品过滤区和/或所述水相样品过滤区分别是一组柱状阵列结构。
在一种实施方式中，所述微液滴生成单元还包括在所述微液滴生成区和所述生成微液滴出口之间的微液滴生成观察区。
在一种实施方式中，所述微液滴生成芯片还包括至少一个定位孔。
在一种实施方式中，所述微液滴生成芯片是圆形或多边形，所述多边形优选为十六边形、八边形或四边形。
在一种实施方式中，所述微液滴生成芯片采用热塑材料，优选为聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明微液滴生成芯片结构示意图；
图2是本发明微液滴生成芯片油相样品注入的回型流阻区结构图；
图3是本发明微液滴生成芯片油相样品注入的过滤区结构示意图；
图4是本发明微液滴生成芯片水相样品注入的过滤区结构示意图；
图5是本发明微液滴生成芯片十字生成结构示意图；和
图6是本发明微液滴生成芯片观察区结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
一、微液滴生成芯片总体结构
如图1所示为微液滴生成芯片结构示意图。从左到右，在一张八边形的芯片上设计了8个微液滴生成单元1，在芯片中心有一中心孔2，该中心孔2来自于光盘加工工艺，用于注入注塑料以及批量化生产过程中基片的转运。传统圆形光盘结构不易定位，将芯片加工为八边形结构，并加工出两个定位孔3，便于微液滴芯片与相关设备的定位配合。在中心孔两侧各自等间距排布4个相同的微液滴生成单元1，用于并行生成微液滴。
如图1所示，每个液滴生成单元1自上而下包括：油相样品入口111、回型流阻区112、两个油相样品管路113、两个油相过滤区114、水相样品入口121、一个水相样品过滤区122、一个水相样品管路123、微液滴生成区13、微液滴生成观察区14和生成微液滴出口15。如图1所示的微液滴生成芯片对常规光盘的标准结构进行了修正，可最大限度利用光盘的空间，并行排布微液滴生成流道。同时，利用精密注塑工艺加工的芯片，结合回型流阻区和过滤区设计，快速、可靠生成均一的微米量级“油包水”微液滴。
二、油相样品加样结构
如图2和图3所示，首先利用外部气泵或者蠕动泵，油相样品被注入到油相样品入口111。为了精确控制油相样品进样量，在油相样品入口111之后设计了回形流阻区112，该回形流阻区112是由多个U型管路组成。油相样品会浸润在聚合物材料表面，在未施加压力条件下，经过毛细作用，油相样品自动流入微管道中。极端情况下，油相样品在毛细作用下，持续流动。设计回形流阻区112的目的是精确控制油相样品进样量，尽量减少油相样品在毛细作用下在微管道中的持续流动，使得油相样品进样量仅由外部气泵或者蠕动泵控制。
之后，油相样品经过一个油相分流入口，一分为二地进入相同设计的两个油相样品管路113，该油相样品管路113为远离中心孔2的弧形结构管路。如图5所示，两个油相样品管路113中各自进入一个油相过滤区114。油相过滤区114是一组柱状阵列结构。如图4所示，柱状阵列结构有多排柱状阵列交错组成。油相中存在的杂质(颗粒、丝絮纤维等)被阻挡在这组柱状结构处，不影响微液滴的生成。
三、水相样品加样结构
如图4所示，首先利用外部气泵或者蠕动泵，水相样品被注入到水相样品入口121。类似于油相样品进样设计，水相样品进入一个水相样品过滤区122和一个水相样品管路123。过滤区是一组柱状阵列结构，目的是过滤水相样品中的杂质，消除杂质对于液滴生成的影响。
四、微液滴生成区结构
如图5所示，两个油相样品管路113和一个水相样品管路123在微液滴生成区13形成“十字形”结构，用于微液滴的生成。两路“油相”样品经过两个油相样品管路113在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别管道；一路“水相”样品经过水相样品管路123在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别管道。两种不相溶的液体在“十字”微流体结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从连续相分割为离散的微液滴。
五、观察区和微液滴收集口结构
如图6所示，微液滴生成观察区14目的是便于配合光学系统实时监测微液滴。微液滴生成观察区14的特征结构是在微管道左边，设计封闭式微结构。由于该封闭式结构中不流经油相/水相液体、微液滴，便于光学检测系统采集到稳定的静态图像，聚焦于微管道平面，从而得到清晰的检测结果。生成的微液滴经过生成微液滴出口15流出。
六、芯片定位结构–中心孔、八边形边沿结构、定位孔
针对常规光盘的标准结构进行修正，最大限度利用光盘的空间，并且便于芯片在使用过程中的定位。中心孔2来自于光盘加工工艺，用于注入注塑料以及批量化生产过程中基片的转运。传统圆形光盘结构不易定位。因此，将芯片加工为八边形结构，并加工出两个定位孔3，便于微液滴芯片与相关设备的定位配合。
应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。
本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。
Claims (14)
1.一种微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成芯片包括有一中心孔，所述中心孔用于所述微液滴生成芯片制备过程中注入注塑料以及批量化生产过程中微液滴生成芯片的转运；所述中心孔两侧以中心孔为中心设置一个或多个微液滴生成单元，每个微液滴生成单元独立地生成微液滴。
2.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成单元包括一个油相样品入口、一个水相样品入口、油相样品管路、水相样品管路、一个微液滴生成区和一个生成微液滴出口。
3.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成芯片包括二至二十四个微液滴生成单元，优选为六至十六个微液滴生成单元。
4.根据权利要求3所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述中心孔两侧各等间距排列四个微液滴生成单元；八个微液滴生成单元的相邻的油相样品入口之间距离相等、八个微液滴生成单元的相邻水相样品入口之间距离相等和八个微液滴生成单元的相邻生成微液滴出口之间距离相等。
5.根据权利要求4所述的微液滴生成芯片，其特征在于：各个所述距离等于标准八通道加样枪移液器吸头之间的距离。
6.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述油相样品管路和/或所述水相样品管路是远离所述中心孔的弧形管道结构。
7.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成单元包括两个油相样品管路和一个水相样品管路，生成“油包水”微液滴；或者所述微液滴生成单元包括一个油相样品管路和二个水相样品管路，生成“水包油”微液滴。
8.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述油相样品入口之后的管路中设置有回型流阻区，油相样品流过所述回型流阻区后，分成两路分别进入油相样品管路，生成“油包水”微液滴；或者所述水相样品入口之后的管路中设置有回型流阻区，水相样品流过所述回型流阻区后，分成两路分别进入水相样品管路，生成“水包油”微液滴。
9.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述油相样品管路设置有油相样品过滤区和/或所述水相样品管路中设置有水相样品过滤区。
10.根据权利要求9所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述油相样品过滤区和/或所述水相样品过滤区分别是一组柱状阵列结构。
11.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成单元还包括在所述微液滴生成区和所述生成微液滴出口之间的微液滴生成观察区。
12.根据权利要求1-11任一所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成芯片还包括至少一个定位孔。
13.根据权利要求1-11任一所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成芯片是圆形或多边形，所述多边形优选为十六边形、八边形或四边形。
14.根据权利要求1-11任一所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述微液滴生成芯片采用热塑材料，优选为聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯。
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2017
- 2017-11-06 CN CN201711074977.8A patent/CN109746060B/zh active Active
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