CN109772485A - 一种基于微液滴的检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于微液滴的检测系统，包括：液滴产生器，其具有按阵列排列的多个热注式打印喷头，每个所述热注式打印喷头用于喷出液滴，所述液滴的直径为几十微米；检测器，其根据所述液滴产生器所喷出的液滴进行检测。根据本申请，利用基于CMOS‑MEMS技术制造的热注式打印喷头阵列来形成液滴，不仅能使液滴的体积更小，也能实现高通量、高速率、低成本的数字化检测系统。

Description

一种基于微液滴的检测系统

技术领域

本申请涉及生物医药技术领域，尤其涉及一种基于微液滴的检测系统。

背景技术

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点，是能将微量的DNA大幅增加。因此，无论是化石中的古生物、历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点的DNA，就能用PCR加以放大，进行比对。

数字PCR(Digital PCR)是通过将一个样本分散到几十万等分的不同微小反应单元中，使每个单元至多含有一个目标分子，使其在隔离的不同微小单元中进行PCR扩增，扩增结束后对各个独立的反应单元进行荧光信号检测。

数字PCR是基于单分子PCR方法来进行计数的核酸定量，是一种绝对定量的方法。主要采用当前分析化学热门研究领域的微流控或微滴化方法，将大量稀释后的核酸溶液分散至微反应器或微液滴中，每个反应器的核酸模板数少于或者等于1个。经PCR循环之后，拥有单个核酸分子模板的反应器就会给出荧光信号，没有模板的反应器就没有荧光信号。根据相对比例和反应器的体积可推算出原始溶液的核酸浓度。

市面上已知掌握数字PCR技术的公司如Bio-Rad即对样品进行微滴化处理。其产生的1纳升液滴均匀性非常好，每个样品形成20,000个液滴，而其他系统只能分成760-3,000个部分。能把样品以微液滴的方式制备的越稀则越能确保每个液滴至多不超过一个分子模板，此意味着分析越准确。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，目前市面上的主流微液滴产生器都有通量低、耗时长、过程繁琐的问题，其产生的微液滴的体积通常为纳升量级，无法到达皮升量级，而液滴尺寸越大意味着越难保证液滴内的样本数最多为一个。此外，常见的微流控方法产生微液滴的过程耗时过长，且制作成本高，而且，多数液滴产生系统不具备程序可控性,只能让产生的液滴随机分散。

本申请提供一种微液滴的检测系统，利用基于CMOS-MEMS技术制造的热注式打印喷头阵列来形成液滴，不仅能使液滴的体积更小，也能实现高通量、高速率、低成本的数字化检测系统。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种基于微液滴的检测系统，包括：

液滴产生器，其具有按阵列排列的多个热注式打印喷头，每个所述热注式打印喷头用于喷出液滴，所述液滴的直径为几十微米；

检测器，其根据所述液滴产生器所喷出的液滴进行检测。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述检测器基于所述液滴中的荧光生物标记进行检测，或者，所述检测器基于对所述液滴进行聚合酶链式反应(PCR)的结果进行检测。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述检测系统还包括：

控制器，其用于对所述液滴产生器的所述热注式打印喷头的喷出动作进行控制。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，每个所述热注式打印喷头包括：

衬底；盖体，其以与所述衬底表面之间具有间隔而设置，所述盖体与所述衬底表面之间形成液体流动通道，所述液体流动通道用于使含有标靶细胞和外源基因的溶液流动；以及加热单元，其形成于所述衬底表面，用于对所述液体流动通道中流动的所述溶液进行加热；其中，所述盖体具有开口，所述开口与所述加热单元的位置对应，所述开口供经所述加热单元加热后的所述溶液流出。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述衬底具有凹部，所述加热单元位于所述凹部的底部。

本申请的有益效果在于：利用基于CMOS-MEMS技术制造的热注式打印喷头阵列来形成液滴，不仅能使液滴的体积更小，也能实现高通量、高速率、低成本的数字化检测系统。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例的检测系统1的一个示意图；

图2是对承载体上的液滴进行荧光检测的一个示意图；

图3是本实施例的热注式打印喷头的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种细基于微液滴的检测系统。

图1是检测系统1的一个示意图，如图1所示，检测系统1可以包括：液滴产生器11和检测器12。

在本实施例中，液滴产生器11可以具有按阵列排列的多个热注式打印喷头，每个热注式打印喷头用于喷出液滴，每个液滴的直径为几十微米，例如20微米-60微米；检测器12可以根据所述液滴产生器所喷出的液滴进行检测。

根据本实施例，利用基于热注式打印喷头阵列来形成液滴，不仅能使液滴的体积更小，也能实现高通量、高速率、低成本的数字化检测系统。

在本实施例中，如图1所示，检测器12可以具有承载体121和检测单元(图未示)。承载体121可以用来承载液滴产生器11产生的液滴111，该承载体121例如可以是玻璃片、塑料片、96孔板、胶原等。

检测器12的检测单元(图未示)基于承载体121上的液滴中的荧光生物标记进行检测，例如，进行循环肿瘤癌细胞(CTC)检测；或者，检测器12基于对液滴进行聚合酶链式反应(PCR)的结果进行检测，例如，基于PCR筛选DNA或外泌体等。该检测单元可以由图形识别系统来实现，具体结构可以参考现有技术。

图2是对承载体上的液滴进行荧光检测的一个示意图。如图2所示，承载体121上承载有阵列状排列的液滴，液滴的直径d为几十微米，液滴201和202发出荧光，说明在液滴201、202中存在靶分子，其中，该靶分子例如可以是CTC，和/或DNA，和/或mRNA，和/或特定的蛋白质等。

在本实施例中，热注式打印喷头可以利用微流道中的微加热器加热流体表面，使微小体积的流体瞬间被加热至气化，产生气泡推进流体或流体中的物质。热注式打印喷头拥有快捷迅速的优势，每秒能打印100万滴以上的微小液滴，并且液滴直径可以达到几十微米，例如，20微米-60微米，由此，液滴的体积能够达到皮升量级，能够实现在一个液滴中最多存在单个细胞、NDA或极少量细胞外泌体的要求；此外，打印喷头阵列是可编程的，能够以控制器精准控制打印的过程得出质量更好的成品。

图3是本实施例的热注式打印喷头的一个示意图，如图3所示，热注式打印喷头100可以包括：衬底101，盖体102，以及加热单元103。

在本实施例中，盖体102以与衬底101表面之间具有间隔的方式而设置，盖体102与衬底101表面之间形成液体流动通道104，液体流动通道104用于使含有标靶细胞和外源基因的溶液流动；加热单元103形成于衬底101表面，用于对液体流动通道104中流动的溶液进行加热。

在本实施例中，盖体102具有开口105，开口105与加热单元103的位置对应，开口105可以供经加热单元103加热后的溶液流出。

在本实施例中，衬底101可以是半导体制造领域中常用的衬底，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆等；并且，该衬底可以是没有进行过半导体工艺处理的晶圆，也可以是已经进行过处理的晶圆，例如进行过离子注入、蚀刻和/或扩散等工艺处理过的晶圆，本实施例对此并不限制。

在本实施例中，加热单元103可以是电热材料，例如电阻器等。通过对加热单元103通电，可以是加热单元103发热，从而对流动通道104中的溶液进行加热。

在本实施例中，加热单元103可以将溶液加热到能产生气泡D且不破坏溶液中标靶细胞的活性的温度。

在本实施例中，如图3所示，衬底101可以具有凹部106，并且，加热单元103可以位于凹部106的底部，该凹部106可以使得衬底101表面与盖体101的距离加大，由此，加热单元103可以在其上方的液体流动通道104中生成更多的气泡，从而对溶液中的标靶细胞产生足够的热冲击，以使得标靶细胞的细胞表面产生小空洞。

在本实施例中，衬底101表面还可以形成有保护层107，由此，该保护层107既可以对衬底101表面进行保护，又可以与液体流动通道104中的液体产生摩擦。

在本实施例中，热注式打印喷头100可以将液体通过开口105喷出，从而形成液滴B。

图3的箭头A表示该溶液在液体流动通道内的流动方向，液滴B表示从开口105流出的溶液所形成的液滴。

需要说明的是，图3仅是热注式打印喷头的一个示例，本实施例并不限于此，热注式喷头可以采用其它的结构。

在本实施例中，热注式打印喷头可以基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺和微机电系统(MEMS)工艺来实现，从而具有较低的成本。

与之相对，压电式喷墨打印头虽然也可以形成皮升量级的液滴，但是，压电式喷墨打印头的成本较高，不适合作一次性使用。

在本实施例中，检测系统1还包括：控制器(未图示)，其用于对液滴产生器11的热注式打印喷头的喷出动作进行控制，从而能够控制由哪些喷头喷出液滴，由此，能形成多种符合需求的图形打印，实现热注式打印喷头的可编程性。

下面，以一个具体实施方式来说明利用本实施例的检测系统1进行检测的方法。

1.将作过前处理的血液样本放入液滴产生器11中；

2.液滴产生器11中的热注式打印喷头通过加热单元上的瞬间高热产生气泡将血液样本以液滴的形式推出；

3.液滴产生器11形成大量的皮升级液滴，在承载体(特殊涂层的玻片等)上排列成液滴数组的形状；

4.依据数字PCR理论推算,每个液滴内必含有1个以下的细胞、DNA或是极少量的细胞外泌体；

5.藉由检测单元(例如，图形识别系统)监测筛选出目标信号(如标记于CTC上的荧光生物标记)；

6.亦可将皮升级样本液滴分入96孔板等容器，进行PCR扩增后再由检测单元进行检测和信号收集，从而能够检测出特定目标DNA；

根据上述流程可实现多功能数字系统的生物检测筛选平台,拥有高通量、快速、准确、低成本的优势。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (5)

1.一种基于微液滴的检测系统，包括：

液滴产生器，其具有按阵列排列的多个热注式打印喷头，每个所述热注式打印喷头用于喷出液滴，所述液滴的直径为几十微米；

检测器，其根据所述液滴产生器所喷出的液滴进行检测。

2.如权利要求1所述的检测系统，其中，

所述检测器基于所述液滴中的荧光生物标记进行检测，

或者

所述检测器基于对所述液滴进行聚合酶链式反应(PCR)的结果进行检测。

3.如权利要求1所述的微液滴检测系统，其中，所述检测系统还包括：

控制器，其用于对所述液滴产生器的所述热注式打印喷头的喷出动作进行控制。

4.如权利要求1所述的微液滴检测系统，其中，每个所述热注式打印喷头包括：

衬底；

盖体，其以与所述衬底表面之间具有间隔而设置，所述盖体与所述衬底表面之间形成液体流动通道，所述液体流动通道用于使含有标靶细胞和外源基因的溶液流动；以及

加热单元，其形成于所述衬底表面，用于对所述液体流动通道中流动的所述溶液进行加热；

其中，所述盖体具有开口，所述开口与所述加热单元的位置对应，所述开口供经所述加热单元加热后的所述溶液流出。

5.如权利要求4所述的微液滴检测系统，其特征在于，

所述衬底具有凹部，所述加热单元位于所述凹部的底部。