CN111036316A - 一种面向dna合成的高效流体分配芯片装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，集成多种流体注入与排空流道结构，包括单排单通道结构、多排单通道结构、以及阵列化分簇多层结构，其中阵列化分簇多层结构通过以多边形网状排布的流道结构，可实现分簇结构与反应池阵列的高密度精准匹配，保证单个分簇结构内各个反应池试剂流阻的均一性与一致性。该流体分配芯片装置具有流体操控简单、试剂分配高效等优势，进一步解决了合成过程中反应试剂消耗量大、单碱基合成成本高等问题。

Description

一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置

技术领域

本发明属于合成生物学领域，尤其涉及一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置。

背景技术

DNA合成技术是合成生物学发展的“卡脖子”技术，而DNA合成仪作为其核心装备，自上世纪九十年代起美英等国家在经典化学法基础上进行了DNA合成仪的研发。目前市场广泛使用的是基于亚磷酰胺化学合成法的柱式DNA合成仪。相比于一代柱式DNA合成仪，基于喷墨打印技术与微流控技术的高通量芯片式DNA合成仪，作为发展中的新一代DNA合成仪，具有合成通量高、合成成本低等优势。这种发展中的新一代芯片式DNA合成仪采用压电喷头喷射A、G、C、T碱基单体试剂以实现向合成芯片反应池的精准递送，通过微流控DNA合成芯片实现DNA合成过程中多种流体的精细分配。然而，对于微流控DNA合成芯片，仍存在流体分配效率低、流体混合、分离及清洗操作较为复杂等问题，本专利针对微流控DNA合成芯片现在存在的问题，设计一种与喷墨打印技术相匹配的高效流体分配芯片装置，该装置集成了多种适用于流体注入与流体排空的流道结构，具有流体操控简单、试剂分配高效等优势，可实现高密度阵列化DNA合成过程中多种试剂的高效混合、分离以及清洗，进一步解决了合成过程中反应试剂消耗量大、单碱基合成成本高等问题。

发明内容

针对基于喷墨打印技术的芯片式DNA合成仪多种流体混合、分离、清洗等分配效率低、操作复杂等不足，公开了一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，该装置通过集成多种适用于流体注入与流体排空的流道结构，实现高密度阵列化DNA合成过程中多种试剂的高效混合、分离以及清洗。

本发明所提出的一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，包括流体注入层、反应池阵列与流体排空层,所述流体注入层、流体排空层与所述反应池阵列相匹配；其中流体注入层和流体排空层用于实现流体的注入、排空以及清洗等操作，反应池阵列用于提供DNA合成所需的物理合成区域。

所述流体注入层和流体排空层，可采用一种与反应池阵列相匹配的单排单通道结构，且各个流道作为子流道汇集到总流道从而实现流体分配。

所述流体注入层和流体排空层，可采用一种与反应池阵列相匹配的多排单通道结构，且各个流道作为子流道汇集到总流道从而实现流体分配。

所述流体注入层与流体排空层，可采用一种与反应池阵列相匹配的阵列化分簇多层结构，通过以多边形网状排布的流道结构，可实现分簇结构与反应池阵列高密度精准匹配，保证单个分簇结构内各个反应池试剂流阻的均一性与一致性。

所述流体注入层结构和流体排空层结构包括:流体注入层可选择单排单通道结构、多排单通道结构以及阵列化分簇多层结构中任意一种结构；对应的流体排空层也可选择单排单通道结构、多排单通道结构以及阵列化分簇多层结构中任意一种结构。

本发明为保持芯片流体注入层与反应池阵列的完整密封，密封结构可包括粘合剂、压力、毛细管被动阀等本领域已知的任何密封形式。

本发明为保持芯片流体排空层与反应池阵列的完整密封，密封结构可包括粘合剂、压力、毛细管被动阀等本领域已知的任何密封形式。

本发明阵列化分簇多层结构由至少3层或多层晶片结构构成，且在与反应池阵列相接触的晶片的正反两面均设有以多边形网状结构排布的试剂流道、通孔及非通孔，多层晶片可以通过本领域所知的任何方式进行粘合从而构造密封腔体结构。

本发明流体注入层、流体排空层的排布方式包括但不限于如下：一种直进直出型结构排布即进液流道方向与出液流道方向在空间上保持平行；一种十字型结构排布即进液流道方向与出液流道方向在空间上保持垂直。

本发明流体注入层和流体排空层，涉及一个或多个进/出液口，一个或多个总流道，以及多个与总流道相连接的并行分支子流道，各分支子流道的排布方式可采用满足反应池阵列合成反应孔内试剂控制的任何排布形式，包括梳子状流道排布形式、二叉树状流道排布形式等。

本发明可以采用喷墨打印技术向反应池阵列反应孔内喷射A、G、C、T碱基单体试剂，以实现化学合成过程中碱基单体的高效低成本偶联。

本发明反应池阵列涉及n个汇聚孔，各个汇聚孔结构由m个反应孔结构连接所共用构成嵌套结构，其中n、m的数量至少为2。

本发明所述流体注入层和流体排空层位置可互换，所述流体注入层既可作为流体注入端，也可以作为流体排空端。

本发明反应池阵列的合成反应孔的排布方式，可以采用正方形、正五边形、正六边形、正多边形等任何几何结构方式进行排布。

本发明表面能对应于小于20度的水接触角。液滴可分散在较小的微孔各处并填充较小的微孔，这在一些情况下通过微孔表面与相邻表面相比的高能表面修饰而得到促进。

本发明阵列化分簇多层结构可由与反应池阵列相匹配的以八边形网状结构排布的微流道交替连接层、微流道汇聚层、二叉树分支流道层三部分组成。通过三层晶片结构的稳定键合，构造流体排空层密封腔体结构。

本发明面向DNA合成的高效流体分配芯片装置所用的部分晶片可使用硅片、玻璃等任何可满足合成要求的材料构成。

本发明所提出的一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，具有如下特点：

1)面向DNA合成的高效流体分配芯片装置集成了多种适用于流体注入与流体排空的流道结构，具有流体操控简单、试剂分配高效等优势，可以实现高密度阵列化DNA合成过程中多种试剂的高效混合、分离以及清洗。

2)分别设计了与反应池阵列相匹配的单排单通道结构和多排单通道结构，两种结构均可以作为流体注入层与流体排空层，且各个流道作为子流道汇集到总流道从而实现流体分配。同时，流体注入与排空的流路方向可采用直进直出型结构排布和十字型结构排布等方式，可以有效实现各个反应池流体的有效调控与分配。

3)设计了一种与反应池阵列相匹配的阵列化分簇多层结构，该结构可以作为流体注入层与流体排空层，通过以多边形网状排布的流道结构，可实现分簇结构与反应池阵列高密度精准匹配，保证单个分簇结构内各个反应池试剂流阻的均一性与一致性。阵列化分簇多层结构可由至少3层或多层晶片结构稳定粘合，构造流体排空层密封腔体结构，从而保证整个腔体具有与流体相连条件下所允许的相同的湿度、压力或气体含量。

附图说明

图1面向DNA合成的高效流体分配芯片装置结构图：

101：流体注入层

102：反应池阵列

103：流体排空层

图2三种流体注入/排空层结构示意图：

a-单排单通道结构

201：单排单通道结构注入孔

202：单排单通道结构总流道

203：单排单通道结构子流道

204：单排单通道结构对位孔

205：单排单通道结构晶片

b-多排单通道结构

206：多排单通道结构注入孔

207：多排单通道结构总流道

208：多排单通道结构子流道

209：多排单通道结构对位孔

210：多排单通道结构晶片

c-阵列化分簇多层结构

211：二叉树分支流道层

212：微流道汇聚层

213：微流道交替连接层

214：二叉树分支流道

215：阵列化分簇多层结构对位孔

216：注入孔

217：阵列化分簇多层结构晶片

图3阵列化分簇多层结构晶片细节图

301：顶面微流道汇集池

302：顶面八边形网状微流道结构

303：非通孔

304：通孔

305：底面微流道汇集池

306：底面八边形网状微流道结构

307：汇集孔

308：二叉树分支结构的子流道

图4反应池阵列示意图

401：对位孔

402：反应池阵列

403：合成反应孔

404：合成反应孔侧壁

405：汇聚孔

图5硅片内部结构加工工艺图

501：光刻胶

502：疏水氟化物

503：羟基。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的面向DNA合成的高效流体分配芯片装置作详细说明。在各个实施方案中，本发明可使用由硅衬底制成的微流体芯片，用于并行地进行微米级、纳米级或皮米级合成反应。此外，微流体芯片可适用于对流体进行微米级、纳米级或皮米级的并行操纵。流体操纵可包括流动、组合、混合、分馏、液滴生成、加热、冷凝、蒸发、密封、分层、加压、干燥或本领域中已知的任何其他合适的流体操纵。

如图1所示，所述微流体芯片装置包括流体注入层101、反应池阵列102与流体排空层103，通过三层结构的精准匹配、外部流体的稳定操纵和精确控制诸如时间、剂量和温度等反应条件，实现DNA的高通量合成。

如图2a、b、c所示，流体注入层和流体排空层可采用3种不同流道结构。一方面可采用一种与反应池阵列相匹配的单排单通道结构晶片205，以反应池阵列单个横排作为流道，各个流道作为单排单通道结构子流道203汇集到总流道202，通过单排单通道结构注入孔201将试剂注入和排出，从而实现流体分配。同时，单排单通道结构对位孔204，用于实现与反应池阵列的对位。一方面可采用一种与反应池阵列相匹配的多排单通道结构晶片210，可取反应池阵列每k行为单个流道，各个流道作为多排单通道结构子流道208汇集到总流道207，通过多排单通道结构注入孔206将试剂注入和排出，从而实现流体分配，这里k可取不超过矩形反应池阵列行数的任意数值。同时，多排单通道结构对位孔209，用于实现与反应池阵列的对位。一方面，流体注入层与流体排空层，可采用一种与反应池阵列相匹配的阵列化分簇多层结构晶片217，阵列化分簇多层结构可由以八边形或其他正多边形的网状结构排布的微流道交替连接层213、微流道汇聚层212、以及二叉树分支流道层211构成，通过以八边形或其他正多边形网状排布的流道结构，可实现分簇结构与反应池阵列高密度精准匹配，保证单个分簇结构内各个反应池试剂流阻的均一性与一致性。通过汇集试剂连接二叉树分支流道214，并进而连接总流道注入孔216，实现流体分配控制。同时，阵列化分簇多层结构对位孔215，用于实现与反应池阵列的对位。

如图3所示，为图2c中3个分簇多层结构的细节图。所述单个分簇结构，主要由顶面微流道汇集池301、顶面八边形网状微流道结构302、非通孔303、通孔304、底面微流道汇集池305、底面八边形网状微流道结构306构成，需要说明是图3里中间分簇结构与左右两侧的分簇结构稍有区别，中间分簇结构主要由底面八边形网状微流道结构306、通孔304及底面微流道汇集池305构成，并通过底面微流道汇集池305与汇集孔307相连接，而左右两侧的分簇结构主要由顶面八边形网状微流道结构302、非通孔303及顶面微流道汇集池301构成，并通过顶面微流道汇集池通孔304与汇集孔307相连接。由此，通过八边形网状微流道结构及通孔与非通孔结构在硅片正反面进行交替排布，构成微流道交替连接层，实现分簇结构与反应池阵列高密度精准匹配。微流道汇集层主要包括汇集孔307，用于连通来自八边形或多边形网状排布的微流道汇集池的八个或多个反应池试剂。二叉树流道结构可由多条分支子流道构成，其中图3所示为分支结构子流道308，用于与微流道汇集层汇集孔307相匹配，从而连接单排所有交替排布的分簇结构，实现单个分簇内多反应池内试剂的均匀调控。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道长度至少为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm或更长。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道长度至多为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm或更长。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道宽度至少为0.05mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm或更长。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道宽度至多为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或更长。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道深度至少为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm或更深。

在一些实施方案中，流体注入层和流体排空层的并行分支子流道深度至多为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或更深。

在一些实施方案中，阵列化分簇多层结构以多边形网状结构排布的微流道结构的深度至少为1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm或更深。

在一些实施方案中，阵列化分簇多层结构以多边形网状结构排布的微流道结构的深度至多为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm或更深。

在一些实施方案中，阵列化分簇多层结构汇集孔的直径至少为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm或更长。

在一些实施方案中，阵列化分簇多层结构汇集孔的直径至多为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm或更长。

在一些实施方案中，阵列化分簇多层结构以多边形网状结构排布的微流道可具有小于1的宽深比，宽深比可小于或等于0.5、0.2、0.1、0.05或更小。

在一些实施方案中，其特征在于，流体注入层和流体排空层的微流道可具有小于1的宽深比，宽深比可小于或等于0.5、0.2、0.1、0.05或更小。

如图4所示，为反应池阵列示意图，聚合孔可以32乘32点阵或更高点阵阵列进行排布，每个汇聚孔405内可含有多个合成反应孔403，其中合成反应孔侧壁404，用于提供DNA合成的物理区域，反应池阵列402设计成二级嵌套结构，每个汇聚孔405由多个合成反应孔403所共用连接。同时反应池阵列预留的对位孔401，用于实现与流体注入层与流体排空层的对位。

在一些实施方案中，反应池阵列单元每个聚合孔可具有本领域中已知的任何形状，或者具有可由本领域中已知的方法制成的任何形状。例如，每个合成反应孔可具有圆形、矩形、椭圆形或不规则形状的区域，这些可分辨的一级反应可设计为允许液体容易地流过而不产生气泡的形状。

在一些实施方案中，汇聚孔与合成反应孔的深度或长度约为、小于约或大于1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm长或深。

在一些实施方案中，汇聚孔与合成反应孔的形状可为圆形，其直径可为、至少为或小于1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm长或深。

反应池阵列芯片可包括多个汇聚孔，并且汇聚孔可按均匀间距排列。或者，可在布局的不同方向上挑选多个间距。间距可包括任何合适的尺寸，例如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm。

聚合孔可设计成具有任何合适的尺度，聚合孔的直径可为20μm，或者为任何合适的直径，例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm或80μm。

如图5所示，使用深反应离子刻蚀(DRIE)步骤来将垂直侧壁刻蚀到约10μm以上的深度，直至位于没有光致抗蚀剂的位置上的SOI氧化物层。重复进行光刻、DRIE和光刻胶剥离，以生成嵌套体结构所期望的图案。使用湿法刻蚀工艺来移除隐埋的氧化物。通过热氧化来移除可能已经沉积在微流体特征的侧壁上的污染含氟聚合物。使用湿法刻蚀工艺来剥离在热氧化过程中沉积的热氧化层。然后，使用Piranha溶液的湿法清洗步骤并于随后进行干氧等离子体暴露来清洗经过刻蚀的SOI硅片。在使用光刻来对光刻胶501进行图案化，以暴露期望为惰性(将来无寡核苷酸合成)的区域。在暴露之后，在显影液中移除暴露区中的光刻胶。通过化学气相沉积(CVD)将无光刻胶的表面暴露于氟硅烷气体。继而，在有机溶剂中溶解光刻胶，非反应位点疏水氟化502处理，使得试剂只会稳定分布在合成区域。最后，通过使用N-3-三乙氧基甲硅烷基丙基-4-羟基丁酰胺在乙醇和乙酸中的1％溶液进行4小时的湿法工艺，随后将芯片置于150℃的热板上达14小时，在表面上获得受控的羟基503表面密度。

本文所述反应池阵列加工工艺，同样可适用于流体注入层与流体排空层的加工，其加工流程基本保持一致，需要说明的是阵列化分簇多层结构中的三层硅片，可以采用键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等方法，以形成本发明所述的密闭结构。

本文所述的面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，其外围可配置与布局必要的电磁阀、正压泵、负压泵等，实现部分大体积量合成试剂例如乙腈等的稳定控制。

本文所述的面向DNA合成的高效流体分配芯片装置能够可操作地连接至计算机，并且可以本地或远程地通过计算机实现高通量DNA的自动化合成。

Claims (10)

1.一种面向DNA合成的高效流体分配芯片装置，其特征在于，包括流体注入层、反应池阵列与流体排空层,所述流体注入层、流体排空层与所述反应池阵列相匹配；

其中，流体注入层和流体排空层用于实现多种试剂的高效混合、分离若干操作，反应池阵列用于提供DNA合成所需的物理合成区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层与流体排空层采用与所述反应池阵列相匹配的单排单通道结构，且各个流道作为子流道汇集到总流道从而实现流体分配。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层与流体排空层采用与所述反应池阵列相匹配的多排单通道结构，且各个流道作为子流道汇集到总流道从而实现流体分配。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层与流体排空层采用与所述反应池阵列相匹配的阵列化分簇多层结构，通过以八边形或其他正多边形网状排布的流道结构，实现分簇结构与反应池阵列高密度精准匹配，保证单个分簇结构内各个反应池试剂流阻的均一性与一致性。

5.根据权利要求2至4任一项所述的装置，其特征在于，所述流体注入层结构和流体排空层结构包括:流体注入层可选择单排单通道结构、多排单通道结构以及阵列化分簇多层结构中任意一种结构；对应的流体排空层也可选择单排单通道结构、多排单通道结构以及阵列化分簇多层结构中任意一种结构。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，阵列化分簇多层结构由至少3层或多层晶片结构构成，且在与反应池阵列相接触的晶片的正反两面均设有以多边形网状结构排布的试剂流道、通孔及非通孔，多层晶片通过粘合构造密封腔体结构。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层、流体排空层的排布方式包括但不限于：一种直进直出型结构排布即进液流道方向与出液流道方向在空间上保持平行；

一种十字型结构排布即进液流道方向与出液流道方向在空间上保持垂直。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层和流体排空层，涉及一个或多个进/出液口，一个或多个总流道，以及多个与总流道相连接的并行分支子流道，各分支子流道的排布方式可采用满足反应池阵列合成反应孔内流体控制的任何排布形式，包括梳子状流道排布形式、二叉树状流道排布形式。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应池阵列涉及n个汇聚孔，且各个汇聚孔结构由m个反应孔结构连接所共用构成嵌套结构，其中n、m的数量至少为2。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体注入层和流体排空层位置可互换，所述流体注入层既可作为流体注入端，也可以作为流体排空端。

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