CN111304060A - 一种微液滴生成芯片 - Google Patents

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Abstract

一种微液滴生成芯片，它包括基体，所述基体内设置有操作设备连接腔和储液腔，所述操作设备连接腔和储液腔相互连通，所述操作设备连接腔位于储液腔的上方；所述操作设备连接腔上端贯穿基体顶部，使操作设备连接腔与基体外部空间连通；所述基体上设置有若干贯穿基体的出液流道，所述出液流道与储液腔连通，使储液腔与基体外部空间连通；所述操作设备连接腔内设置有操作设备连接部，所述操作设备连接部用于限制操作设备和操作设备连接腔分离。该微液滴生成芯片能够装载到移液器、加压装置等操作设备上，使这些操作设备能够带动微液滴生成芯片移动，方便这些操作设备完成生成微液滴的自动化操作。

Description

一种微液滴生成芯片
技术领域
本发明属于数字PCR领域，具体涉及一种用于数字PCR的微液滴生成芯片。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR，polymers chain reaction)技术是当今主流的核酸检测技术之一。PCR技术自诞生以来，不断朝着高灵敏度、高精确度、高检测通量及全流程自动化的方向发展。目前已经历了第一代终点式PCR、第二代实时定量PCR、发展到第三代绝对定量数字PCR。
数字PCR(Digital PCR－dPCR)技术不同于早期的PCR技术，它将核酸样本分散成为成千上万个微反应单元，使每个微反应单元的核酸模板数少于或者等于1个，反应结束后对所有微反应单元的荧光信号进行统计学分析。这项技术不依赖于实时荧光定量PCR技术中使用的标准曲线和参照样本，真正实现了单分子核酸绝对定量，并且具有更加出色的灵敏度、特异性和精确性，这项技术在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测和表达量微小差异鉴定方面变现出的优势已被普遍认可，已经广泛应用于临床诊断、转基因成分定量、单细胞基因表达、环境微生物检测和下一代测序等方面。
数字PCR微反应单元生成芯片主要分为阵列式生产芯片和液滴式生成芯片两类。
阵列式生产芯片，预先在芯片上制作了成千上万个相互独立的阵列微反应室，然后将PCR反应液分配到这些微反应室中形成微反应单元。
液滴式生成芯片则是基于阶梯乳化生成数万至数百万个油包水液滴，将PCR反应液均匀分成一个个独立的微反应单元。
但是，现有的液滴式生成芯片没办法自动化的与移液器、加压装置等操作设备配合生成数万至数百万个油包水液滴；例如现有的操作过程如下：
首先，移液器头部先装载移液吸头，向液滴收集耗材内添加油相混合液；
然后，人工将液滴式生成芯片移动至液滴收集耗材处，使液滴式生成芯片上的出液流道(该出液流道为微米级的细小的微流道)浸入液滴收集耗材内盛装的油相混合液中。现有的液滴式生成芯片包括基体，基体内设置有顶部开口的储液腔，基体底部设置有若干出液流道，所述出液流道与储液腔连通，使储液腔内的液体能够从出液流道流出。
然后，移液器通过移液吸头，吸取适量的反应液，从注入端口向储液腔内注入反应液。
最后，加压装置，伸入储液腔，向储液腔内加压，使储液腔内的反应液从出液流道流出，水相反应液进入油相混合液后，基于阶梯乳化原理生成数万至数百万个油包水液滴，将PCR反应液均匀分成一个个独立的微反应单元。然后人工将液滴式生成芯片从液滴收集耗材处拿走。
由上述过程可知，现有的移液器头部是没办法装载液滴式生成芯片，即现有的移液器是没办法带动液滴式生成芯片移动的，只能通过人工的方式将液滴式生成芯片置于液滴收集耗材处。同样，液滴式生成芯片也没办法装载到加压设备头部，没办法通过加压设备将液滴式生成芯片移动至下一个工位处。导致操作效率低，人工疲劳强度大，且人工的介入有可能会造成反应液的污染。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种微液滴生成芯片，该微液滴生成芯片能够装载到移液器、加压装置等操作设备上，使这些操作设备能够带动微液滴生成芯片移动，方便这些操作设备完成生成微液滴的自动化操作。
本发明采用的技术方案如下：
一种微液滴生成芯片，它包括基体，所述基体内设置有操作设备连接腔和储液腔，所述操作设备连接腔和储液腔相互连通，所述操作设备连接腔位于储液腔的上方；所述操作设备连接腔上端贯穿基体顶部，使操作设备连接腔与基体外部空间连通；所述基体上设置有若干贯穿基体的出液流道，所述出液流道与储液腔连通，使储液腔与基体外部空间连通；所述操作设备连接腔内设置有操作设备连接部，所述操作设备连接部用于限制操作设备和操作设备连接腔分离。
由于上述结构，操作设备连接腔内设置有操作设备连接部，当移液器和加压装置等操作设备的头部插入操作设备连接腔内时，操作设备连接部则能够限制移液器头部或加压装置头部和操作设备连接腔分离，这样芯片则能够装载到移液器或加压装置等操作设备上，进而使移液器和加压装置等操作设备带动芯片移动。
进一步的，所述操作设备连接部为设置在操作设备连接腔内壁上的环形凸起；
或所述操作设备连接部为设置在操作设备连接腔内壁上的若干凸起，所述凸起在同一平面上围成一周并等间隔设置在操作设备连接腔内壁上。
由于上述结构，当移液器和加压装置等操作设备的头部插入操作设备连接腔内时，环形凸起或凸起能够将移液器和加压装置等操作设备的头部卡住，限制操作设备和操作设备连接腔分离。
进一步的，所述环形凸起的凸起面为圆弧面；或所述凸起的凸起面为圆弧面。
由于圆弧面的存在，能够方便移液器和加压装置等操作设备的头部插入操作设备连接腔，同时也方便在施加一定的力后使移液器和加压装置等操作设备的头部拔出操作设备连接腔。
进一步的，所述操作设备连接腔下端与储液腔上端对接处的直径相等，所述储液腔的直径从上至下逐渐减小。
由于储液腔的直径从上至下逐渐减小，其能够限制移液器和加压装置等操作设备的头部的继续插入，同时当加压装置的头部与储液腔侧壁接触时，还能形成线密封，便于加压装置的头部向储液腔内部注入气体将储液腔内的液体从出液流道压出；同时储液腔直径从上至下逐渐减小，还能够逐渐增大储液腔底部的压力，当出液流道位于储液腔底部时，则能够有利于液体从出液流道压出。
进一步的，所述出液流道开设在基体底部，其中每条出液流道均位于同一平面上，且沿基体的径向方向延伸，并贯穿基体侧壁后与储液腔的底部连通，所述出液流道等间隔的在基体上设置一周。
进一步的，所述基体包括主体部和出液流道盖；所述操作设备连接腔和储液腔设在主体部内，所述操作设备连接腔上端贯穿主体部顶部和储液腔下端贯穿主体部底部；所述主体部下端面上开设有若干出液流道槽，所述出液流道槽沿主体部的径向方向延伸，并贯穿主体部侧壁；所述出液流道盖盖在主体部下端面上；所述出液流道槽与出液流道盖相互配合构成出液流道。
由于出液流道槽属于微流道，其不好加工，当通过出液流道槽与出液流道盖相互配合构成出液流道时则便于加工。
进一步的，出液流道宽度大于等于出液流道高度的4倍，这样才能满足阶梯乳化条件，便于生产微液滴。
进一步的，所述基体上固定套设有支撑盘，所述支撑盘与基体一体成型或可拆卸连接。
由于上述结构，支撑盘能够盖在液滴收集耗材的开口处，对芯片的基体起支撑作用，避免芯片在使用过程中晃动或定位不准影响操作设备头部的对准。
进一步的，所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽；所述支撑盘底槽沿支撑盘的径向方向延伸，从支撑盘中部延伸至支撑盘边缘，使支撑盘边缘出现缺口。
由于支撑盘底槽的存在，能够避免支撑盘与液滴收集耗材的开口处因气压或液体的粘力作用而导致撑盘与收集耗材的开口处粘接过紧而无法分离的情况发生。也使加压装置在加压过程中，过多的加压气体从缺口处挤出，避免液滴收集耗材内压力过大而损坏。
进一步的，所述支撑盘包括固定套设在基体上的基盘一和基盘二，所述基盘二设置在基盘一的底部，所述基盘一的直径大于基盘二的直径；所述基盘一、基盘二和基体一体成型或可拆卸连接；所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽；所述支撑盘底槽沿支撑盘的径向方向延伸，从基盘二的下边缘开始，经过基盘二侧面和基盘一底面后延伸至基盘一边缘，使基盘二和基盘一边缘均出现缺口。
由于上述结构，在某些情况下，基盘一能够盖在液滴收集耗材的开口处，而基盘二能够插入收集耗材内，使基盘二侧面与收集耗材内壁接触，进而使得芯片更加稳定的安装在收集耗材上。支撑盘底槽则能够避免撑盘与收集耗材的开口处粘接过紧而无法分离的情况发生。也使加压装置在加压过程中，过多的加压气体从缺口处挤出，避免液滴收集耗材内压力过大而损坏。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的微液滴芯片更适应数字PCR反应的全流程自动化。使数字PCR反应流程中液滴生成步骤与液滴收集步骤自动化连接起来，由于操作设备连接腔内设置有操作设备连接部，使本发明的芯片能够装载到移液器和加压装置等操作设备上，便于移液器和加压装置等操作设备带动芯片移动。同时，现有的移液器和加压装置是相互分离的，这样使得自动化数字PCR系统的模块复杂化，由于本发明的芯片结构存在，则能够将现有的移液器的加注管路充当加压管路使用，减少自动化数字PCR系统的模块，降低成本的同时，大大提升了自动化程度，避免了人工操作，降低了人工疲劳强度。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的剖视图；
图3是出液流道槽的开始位置结构图；
图4是主体部下端面结构图；
图5和6是微液滴生成芯置于液滴收集耗材内，移液器与微液滴生成芯的连接状态。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种微液滴生成芯片，它包括基体1，所述基体1内设置有操作设备连接腔3和储液腔4，所述操作设备连接腔3和储液腔4相互连通，所述操作设备连接腔3位于储液腔4的上方；所述操作设备连接腔3上端贯穿基体1顶部，使操作设备连接腔3与基体1外部空间连通；所述基体1上设置有若干贯穿基体1的出液流道6，所述出液流道6与储液腔4连通，使储液腔4与基体1外部空间连通；所述操作设备连接腔3内设置有操作设备连接部2，所述操作设备连接部2用于限制移液器9和操作设备连接腔3分离。
所述操作设备连接部2为设置在操作设备连接腔3内壁上的环形凸起；或所述操作设备连接部2为设置在操作设备连接腔3内壁上的若干凸起，所述凸起在同一平面上围成一周并等间隔设置在操作设备连接腔3内壁上。
如图2所示，所述环形凸起的凸起面为圆弧面；或所述凸起的凸起面为圆弧面。
如图2所示，所述操作设备连接腔3下端与储液腔4上端对接处的直径相等，所述储液腔4的直径从上至下逐渐减小。
所述出液流道6开设在基体1底部，其中每条出液流道6均位于同一平面上，且沿基体1的径向方向延伸，并贯穿基体1侧壁后与储液腔4的底部连通，所述出液流道6等间隔的在基体1上设置一周。
如图1所示，所述基体1包括主体部101和出液流道盖102；所述操作设备连接腔3和储液腔4设在主体部101内，所述操作设备连接腔3上端贯穿主体部101顶部和储液腔4下端贯穿主体部101底部；所述主体部101下端面上开设有若干出液流道槽601，所述出液流道槽601沿主体部101的径向方向延伸，并贯穿主体部101侧壁；所述出液流道盖102盖在主体部101下端面上；所述出液流道槽601与出液流道盖102相互配合构成出液流道6。
在本发明中，所述出液流道盖102与主体部101下端面通过键合的方式连接在一起；键合是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。因为出液流道6很细没办法采用胶水粘胶的方式进行，胶水会堵塞出液流道6，则这里采用键合的方式使出液流道盖102在主体部101下端面上。同时为了出液流道6的截面满足阶梯乳化条件，出液流道6宽度大于等于出液流道6高度的4倍。
在本发明中，所述基体1的长度为15mm～17mm,基体直径为6mm～8mm,出液流道盖的厚度为1mm～2mm；出液流道6的宽度为100um～150um,出液流道6的高度为25um～37.5um。出液流道内壁进行疏水化处理，其液滴接触角小于120°。
如图1和2所示，所述基体1上固定套设有支撑盘，所述支撑盘与基体1一体成型或可拆卸连接。
所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽5；所述支撑盘底槽5沿支撑盘的径向方向延伸，从支撑盘中部延伸至支撑盘边缘，使支撑盘边缘出现缺口。
如图1和2所示，所述支撑盘包括固定套设在基体1上的基盘一8和基盘二7，所述基盘二7设置在基盘一8的底部，所述基盘一8的直径大于基盘二7的直径；所述基盘一8、基盘二7和基体一体成型或可拆卸连接；所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽5；所述支撑盘底槽5沿支撑盘的径向方向延伸，从基盘二7的下边缘开始，经过基盘二7侧面和基盘一8底面后延伸至基盘一8边缘，使基盘二7和基盘一8边缘均出现缺口。
如图5和6所示，图中的操作设备为移液器，同时，芯片置于液滴收集耗材10处，出液流道6浸入液滴收集耗材10内盛装的油相混合液中；基盘一8盖在液滴收集耗材10的开口处对基体1起着支撑定位作用，基盘二7置于液滴收集耗材10内，图5中，其侧面并未与液滴收集耗材10的内壁接触。
图5和6中，移液器9头部包括两个圆弧块，两个圆弧块与具有圆弧面的操作设备连接部2能很好的配合，由于圆弧块和操作设备连接部2都有圆弧面，因在施加一定力的情况下，移液器9头部能够方便的插入操作设备连接腔3内，也能够方便的在施加一定力的作用下，将移液器9头部从操作设备连接腔3内拔出，方便操作设备连接腔3的和移液器9快速的连接和分离。
当移液器9与操作设备连接腔3处于连接状态时，如图5所示，圆弧块的最高点与操作设备连接部2的圆弧面最高点接触，或圆弧块的最高点略位于操作设备连接部2的圆弧面最高点的下方。
由于现有的移液器是没办法和现有的芯片密封连接的，因此只能通过单独的加压装置来给芯片加压；但是本发明的芯片能够装载到移液器头部，则使移液器的加注管路能够充当加压管路使用，减少自动化数字PCR系统的模块。
如图5和6所示，移液器9头部最前面的圆弧块与储液腔4内壁线接触，能够很好的与出液腔4发生密封，保证加压过程中不会漏气。圆弧块的最高点与操作设备连接部2的圆弧面最高点接触，也能够起到密封作用。
由于支撑盘底槽5的存在，使得支撑盘边缘出现缺口，则液滴收集耗材10内的气压与外界气压相连通，则不会因压差的原因导致无法将芯片从液滴收集耗材10处分离；也使加压装置在加压过程中，过多的加压气体从缺口处挤出，避免液滴收集耗材内压力过大而损坏。
本发明的芯片能够很方便的装载到现有的移液器9和加压装置等操作设备上，方便数字PCR自动化操作，减少了人工操作步骤，节省了人力。同时还能够保证在加压出液中的良好密封。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微液滴生成芯片，其特征在于：它包括基体(1)，所述基体(1)内设置有操作设备连接腔(3)和储液腔(4)，所述操作设备连接腔(3)和储液腔(4)相互连通，所述操作设备连接腔(3)位于储液腔(4)的上方；所述操作设备连接腔(3)上端贯穿基体(1)顶部，使操作设备连接腔(3)与基体(1)外部空间连通；所述基体(1)上设置有若干贯穿基体(1)的出液流道(6)，所述出液流道(6)与储液腔(4)连通，使储液腔(4)与基体(1)外部空间连通；所述操作设备连接腔(3)内设置有操作设备连接部(2)，所述操作设备连接部(2)用于限制操作设备和操作设备连接腔(3)分离。
2.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述操作设备连接部(2)为设置在操作设备连接腔(3)内壁上的环形凸起；
或所述操作设备连接部(2)为设置在操作设备连接腔(3)内壁上的若干凸起，所述凸起在同一平面上围成一周并等间隔设置在操作设备连接腔(3)内壁上。
3.根据权利要求2所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述环形凸起的凸起面为圆弧面；或所述凸起的凸起面为圆弧面。
4.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述操作设备连接腔(3)下端与储液腔(4)上端对接处的直径相等，所述储液腔(4)的直径从上至下逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述出液流道(6)开设在基体(1)底部，其中每条出液流道(6)均位于同一平面上，且沿基体(1)的径向方向延伸，并贯穿基体(1)侧壁后与储液腔(4)的底部连通，所述出液流道(6)等间隔的在基体(1)上设置一周。
6.根据权利要求1或5所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述基体(1)包括主体部(101)和出液流道盖(102)；所述操作设备连接腔(3)和储液腔(4)设在主体部(101)内，所述操作设备连接腔(3)上端贯穿主体部(101)顶部和储液腔(4)下端贯穿主体部(101)底部；所述主体部(101)下端面上开设有若干出液流道槽(601)，所述出液流道槽(601)沿主体部(101)的径向方向延伸，并贯穿主体部(101)侧壁；所述出液流道盖(102)盖在主体部(101)下端面上；所述出液流道槽(601)与出液流道盖(102)相互配合构成出液流道(6)。
7.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：出液流道(6)宽度大于等于出液流道(6)高度的4倍。
8.根据权利要求1所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述基体(1)上固定套设有支撑盘，所述支撑盘与基体(1)一体成型或可拆卸连接。
9.根据权利要求8所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽(5)；所述支撑盘底槽(5)沿支撑盘的径向方向延伸，从支撑盘中部延伸至支撑盘边缘，使支撑盘边缘出现缺口。
10.根据权利要求8或9所述的微液滴生成芯片，其特征在于：所述支撑盘包括固定套设在基体(1)上的基盘一(8)和基盘二(7)，所述基盘二(7)设置在基盘一(8)的底部，所述基盘一(8)的直径大于基盘二(7)的直径；所述基盘一(8)、基盘二(7)和基体一体成型或可拆卸连接；所述支撑盘底面上开设有若干支撑盘底槽(5)；所述支撑盘底槽(5)沿支撑盘的径向方向延伸，从基盘二(7)的下边缘开始，经过基盘二(7)侧面和基盘一(8)底面后延伸至基盘一(8)边缘，使基盘二(7)和基盘一(8)边缘均出现缺口。
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CN112619719A (zh) * 2020-12-04 2021-04-09 深圳先进技术研究院 用于数字pcr的液滴生成微型装置
CN113755563A (zh) * 2021-10-20 2021-12-07 西安天隆科技有限公司 一种使用微液滴进行核酸分子定量的方法及定量化系统
CN113801925A (zh) * 2021-10-20 2021-12-17 西安天隆科技有限公司 一种收纳定量化液滴pcr中油包水乳液容器及其使用方法

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