CN111548927A - 微流控芯片及微流控pcr仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片及微流控PCR仪，其具有第一基片；所述第一基片包括：第一基体，所述第一基体为导热材质基体，所述第一基体的一表面上形成有第一反应腔室，所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面设有围绕所述第一反应腔室周向设置的导热沟槽；导热结构，包括第一导热层及第二导热层，所述第一导热层设于所述导热沟槽内，所述第二导热层设于所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面上且与所述第一导热层连接。该微流控芯片及微流控PCR仪可实现反应腔室内的快速传热，进而实现快速降温或快速升温，如此减少了循环扩增时间，提高了检测效率。

Description

微流控芯片及微流控PCR仪

技术领域

本发明涉及生物及分析检测技术领域，特别涉及一种微流控芯片及微流控 PCR仪。

背景技术

PCR(聚合酶链式反应)是生物科学领域最基本也最重要的基因处理技术， 是精准医疗的基础。PCR是生命科学、医学领域的重要技术，用于对目标DNA 进行大量扩增。PCR仪是进行PCR的主要仪器，广泛应用于在诊断遗传性疾患、 检测临床标本中病原体的核酸、对法医标本作遗传学鉴定等方面。传统PCR分 析技术使用多孔孔板放入样品进行检测，所需生物试样和试剂多。目前，PCR 仪大多为台式机，体积大不便于携带，不便于在现场使用。PCR核酸诊断技术 虽经典，但难以满足现今检验检疫需求。现今的流感病毒检测，主要还是依赖 基于PCR原理的核酸检测方法，这也是目前为止使用最广泛的快速有效的诊断 方法，也在突发传染病应急工作中发挥巨大的作用。

目前广泛运用的PCR实时检测技术(real-time，RT-PCR)是基于PCR检测流 程中生物酶、引物和探针对流感病毒的特异基因进行识别与扩增，对流感病毒 进行检测及分析的诊断方法。尽管RT-PCR检测已经是现今适用范围最广，速度 最快的检测方法，但其仍然不能满足社会要求。这是因为RT-PCR的实验操作过 程繁复，除了需要提取样品的RNA/DNA，还需要经过数小时的基因扩增才能满 足结果的可靠性。

不得不承认的是，PCR实时检测技术已经比以往的检测方法快速很多，但 是即使整个检测过程顺畅往往也需要一天的时间去预处理试验样品和分析检测 结果，仍然很难满足现今检验检疫的需求。对于流感病毒来说，检测时间越长， 传播风险就越大。

微流控PCR核酸诊断技术的应用平台通常被设计成小型芯片。基于PCR的 检测需要花很多时间在扩增上，现今检测方法中，影响时间的最重要因素最主 要是量，量不仅影响检测下限(detection limit/LOD)，而且还会增加检测所需的时 间。随着外界对样品检测结果的精度要求及检测效率的提高，业界和科学家们 渐渐的把检测方案的技术创新转向微流控设备上，旨在利用微流体的高效技术 在缩短检测时间的同时，还能提高检测的准确性和敏感性。原则上说，微流控 是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。微流控技术 在各方面都体现了其“微”的特性，既涵盖微流体操作系统又满足实验结果的分析 功能。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统， 将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加 载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中 缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。微流控芯 片的特点是：芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也越来越大，使着 微流控芯片有着强大的集成性。同时可以大量平行处理样品，具有高通量的特 点，分析速度快、耗低、物耗少、污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升 至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级，廉价，安全，因 此，微流控分析系统在微型化、集成化合便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测 等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。

近些年，基于微流控的芯片实验室(LOC，Lab-on-Chip)将使实验室微型 化。通过在微尺度下流体的控制，在20世纪80年代，微流控技术开始兴起， 并在DNA芯片、芯片实验室、微进样技术、微热力学技术等方向得到了发展。 微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”(lab-on-a-chip)，在欧洲被称 为“微整合分析芯片”(micrototal analyticalsystems)，它是微流控技术 (Microfluidics)实现的主要平台，可以把生物、化学、医学分析过程的样品制 备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完 成分析全过程。微流控芯片具有体积轻巧、使用样品及试剂量少，且反应速度 快、可大量平行处理及可即用即弃等优点，在生物、化学、医学等领域有着的 巨大潜力，近年来已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、 机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片技术是生物芯片的基石，它通过 多学科交叉将化学、生物学、医学等领域所涉及的样品预处理、生化反应、分 选及检测等过程集成到几平方厘米的芯片上，从而实现从样品前处理到后续分 析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术，具有样品消耗少、检测速度快、 操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。在生物医学领域，它不仅可 以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到皮升甚至纳升级，而且能够极大地提高 分析速度并同时降低成本；在合成化学领域，它可以使本需要在一个大实验室 花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析和合成，可以在一块小至几平方 厘米的芯片上花很少量样品和试剂并在很短的时间完成大量实验；在分析化学 领域，它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪，将大大节 约资源和能源。总而言之，芯片实验室排污很少，所以被称作是一种“绿色”技术。

PCR(聚合酶链式反应)技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特 异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物，PCR基本由变性-退火-延伸三个 基本反应步骤构成。PCR是利用DNA在体外95℃高温时变性会变成单链，低 温(通常是60℃左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至 DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖的方向 合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度、 复性温度、延伸温度之间很好地进行控制。传统的实现方法是样品固定在温度 可变的加热设备内，设备温度按要求往返于三个温度，使样品不断加热和冷却 以实现反应。在这样的加热方式下，样品的使用量至少为数百微升，具有一定 的热惯性，设备本身也有热惯性，因此温度切换的频率不能太快。实践表明： 每完成一个循环需2～4分钟，三十几次循环需2～3小时才能将待扩目标扩增 放大几百万倍，这样的循环速度比理想扩增时间多出一倍多。而无论对于科研 还是临床，都希望循环扩增时间能够进一步大大减小，以提高检测效率。

发明内容

基于此，本发明提供了一种能够提高检测效率的微流控芯片及微流控PCR 仪。

一种微流控芯片，具有第一基片；

所述第一基片包括：

第一基体，所述第一基体为导热材质基体，所述第一基体的一表面上形成 有第一反应腔室，所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面设有围绕所 述第一反应腔室周向设置的导热沟槽；

导热结构，包括第一导热层及第二导热层，所述第一导热层设于所述导热 沟槽内，所述第二导热层设于所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面 上且与所述第一导热层连接。

在其中一个实施例中，所述第一基体为金属基体或半导体基体。

在其中一个实施例中，所述第一基体为硅基体。

在其中一个实施例中，所述第一导热层及所述第二导热层各自独立地选自 金属铜层或金属铝层。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括第一温控部件，所述第一温 控部件形成于所述第二导热层上。

在其中一个实施例中，所述第一温控部件包括设于所述第二导热层上的金 属粘结层及设于所述金属粘结层上的第一金属图案层；所述第一金属图案层用 于与外部电源连接以加热。

在其中一个实施例中，所述金属粘结层为金属钽层或钽合金层。

在其中一个实施例中，所述第一温控部件还包括设于所述金属粘结层上的 第二金属图案层；所述第二金属图案层用于检测所述第一金属图案层的加热温 度。

在其中一个实施例中，所述第一金属图案层及所述第二金属图案层均为金 属铂层。

在其中一个实施例中，所述第一金属图案层包括至少两个相互串联的电阻 加热丝，所述电阻加热丝为回旋螺纹状；其中至少有两个电阻加热丝并列且间 隔设置，所述第二金属图案层位于该两个电阻加热丝之间。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括第二基片；所述第二基片包 括：

第二基体，设于所述第一基片上，所述第二基体设有第二反应腔室且所述 第二反应腔室贯穿所述第二基片，所述第二反应腔室与所述第一反应腔室连通 共同形成反应腔室。

在其中一个实施例中，所述第二基片还包括石蜡层，所述石蜡层设于所述 第二反应腔室的腔壁。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括透光密封盖板，所述透光密 封盖板设于所述第二基片远离所述第一基片的表面。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括预填充试剂，所述预填充试 剂设于所述第一反应腔室内。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括PCB板，所述PCB板设有基 片安装槽，所述第一基片以设有所述第一温控部件的一侧安装于所述基片安装 槽上。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括RFID标签，所述RFID标签 设于所述PCB板上，所述RFID标签用于存储预填充试剂、预先设置的反应参 数信息和检测结果信息中的至少一种信息。

一种微流控PCR仪，包括：

机体，设有芯片安装孔；及

如上述任一项所述的微流控芯片；

所述芯片安装孔用于安装所述微流控芯片；

其中，所述微流控芯片不含有温控部件时，所述微流控PCR仪还包括控温 部件，所述控温部件设于所述机体内且位于安装于所述芯片安装孔内的所述微 流控芯片的下方。

在其中一个实施例中，所述微流控PCR仪还包括：

机盖，与所述机体活动连接；

荧光信号检测部件，用于检测所述微流控芯片中所述第一反应腔室内的荧 光信号，所述荧光信号检测部件设于所述机盖内且所述荧光信号检测部件具有 荧光采集部件，所述荧光采集部件能随所述机盖相对所述机体运动，以与安装 于所述芯片安装孔内的所述微流控芯片相对设置。

在其中一个实施例中，所述微流控PCR仪含有形成于所述第二导热层上的 第一温控部件；

所述微流控PCR仪还包括第二温控部件，所述第二温控部件设于所述机体 内，且位于安装于所述芯片安装孔内的所述微流控芯片的下方。

在其中一个实施例中，所述第二温控部件为风机、半导体制冷器或压缩空 气微泵；或

所述第二温控部件为风机，所述制冷器包括气流收集器及风扇，所述气流 收集器的两端开口，所述气流收集器的一端用于与所述微流控芯片的背离所述 第一反应腔室的一面相对设置，且所述气流收集器与所述微流控芯片之间具有 间距，所述气流收集器的另一端与所述风扇连接。

上述微流控芯片通过采用导热材质作为第一基体，并优化导热结构，将第 一导热层围绕第一反应腔室设置及将第二导热层设置在第一基体的另一表面， 大大提高了热传导性，从而实现反应腔室内的快速传热，进而实现快速降温或 快速升温，如此减少了循环扩增时间，提高了检测效率。

进一步第一基体优选采用硅基体，第一导热层及第二导热层均选自金属铜 层或金属铝层。如此利用铜/硅复合层材料、铝/硅复合层材料的高热传导特性， 而进一步实现微流控PCR仪检测时的快速升降温。上述微流控PCR仪的升温速 率可由原来的10℃/s左右提高到30℃/s左右，而降温速率由原来的4℃/s左右， 提升到15℃/s左右，不到60秒可完成一个循环。由此微流控PCR仪的总扩增 反应时间最短可以实现10分钟或更少，其相比常规PCR仪通常1小时左右的检 测时间，大大缩短了检测反应时间，而提升检测效率。

本发明上述微流控PCR仪属于静态的微反应槽PCR芯片的创新技术，其利 用微反应槽PCR技术可进行聚合酶链式反应，同时通过荧光信号检测部件采集 反应循环荧光图像并实现对基因样品的荧光定量检测。上述微流控PCR仪可快 速完成基因样品的荧光定量检测，能够减少循环扩增时间，具体每个循环扩增 时间可降低至大大小于1min。该微流控PCR仪可为超小型手持式结构，紧凑小 巧，便于携带，用于实时PCR快速检测。采用本发明的微流控PCR仪进行核酸 检测，其检测过程无需人为参与，循环扩增时间短，能够实时PCR对DNA和 RNA进行超快速、自动化的定量和定性分析。

附图说明

图1为一实施例的微流控PCR仪的结构示意图；

图2为图1所示的微流控PCR仪的微流控芯片的结构示意图；

图3为图2所示的微流控芯片的第一基片的截面剖视图；

图4为图3所示的微流控芯片的第一基片及第二基片相配合的截面剖视图；

图5为图1所示的微流控PCR仪的第二温控部件的结构示意图；

图6为一实施例的微流控PCR仪的模块结构示意图；

图7为一实施例的微流控芯片的第一基片的制造流程图；

图8为一实施例的微流控芯片的制造流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实 现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本 发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元 件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可 以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

第一代PCR技术采用的是PE-Cetus公司的大型热循环仪；第二代PCR技 术采用的是MEMS静态的微反应槽PCR芯片(micro chamber PCR chip)。第三 代PCR技术采用的是动态微流控PCR芯片(flow-through PCR chip)。第一代至 第三代PCR技术的各参数比较如下：

纵观上述PCR技术越来越趋于集中化、微型化；效率更高，使用更灵敏。 PCR微流控芯片作为一个可以对DNA实行快速连续扩增的重要微型分析元件, 它的进步必将推动整个带动其它相关行业的发展。实现最终将导致人类生化分 析史上产生一场革命性的变革。

通常虽然静态微反应槽PCR技术(micro chamber PCR chip)的循环速度大 大快于第一代PCR技术，但是其每完成一个循环仍然需1分钟左右，慢于动态 微流控芯片(flow-through PCR chip)PCR技术。另一方面，动态微流控 (flow-through PCR chip)PCR芯片体积较大，成本较高；而且由于其数据可靠性 与重复性不好，其温度控制精度也较差。因此动态微流控PCR芯片尚未能商业 化。

而本发明针对上述MEMS静态微反应槽PCR技术中存在的循环扩增时间长 的问题，提供了一实施例的微流控芯片及微流控PCR仪。

本发明上述微流控PCR仪属于静态的微反应槽PCR芯片的创新技术，其利 用微反应槽PCR技术，用于快速基因样品的荧光定量检测，能够减少循环扩增 时间，具体每个循环扩增时间可降低至大大小于1min。该微流控PCR仪可为超 小型手持式结构，紧凑小巧，便于携带，用于实时PCR快速检测。采用本发明 的微流控PCR仪进行核酸检测，其检测过程无需人为参与，循环扩增时间短， 能够实时PCR对DNA和RNA进行超快速、自动化的定量和定性分析。

请参阅图1，图1示出了一实施例的微流控PCR仪的结构示意图。本发明 一实施方式提供了一实施例的微流控PCR仪10，包括微流控芯片200及荧光信 号检测部件(图未示)。

其中，微流控芯片200具有反应腔室，用于装载基因样品与检测基因样品 试剂，并为基因样品提供反应场所。其中，检测基因样品试剂作为预填充试剂 260，在微流控PCR仪10设备出厂之前可根据检测基因样品的需求预先填充在 微流控芯片200的反应腔室中。

荧光信号检测部件用于检测微流控芯片200中的反应腔室内的荧光信号。 进一步地，荧光信号检测部件内含有荧光信号采集部件，荧光信号采集部件可 为光电接收器。在一具体示例中，荧光信号采集部件可采用光学摄像系统，荧 光信号采集部件可同时允许4个荧光读出通道，每个微流控芯片200可最多测 量4个不同目标DNA/RNA序列发射的荧光。荧光在PCR的每个周期进行测量： 结果随着反应的进行而实时显示。为了实现微流控PCR仪10的超小型化，机身 内多光路系统里可不设置任何移动部件。

在其中一些实施例中，微流控PCR仪10还包括机体110，机体110设有芯 片安装孔101，芯片安装孔101用于安装微流控芯片200。

进一步地，机体110还设有与芯片安装孔101连通的芯片插入口102。如此 可以从芯片插入口102将微流控芯片200插入，并使微流控芯片200的反应腔 室露出于芯片安装孔101。

在其中一些实施例中，微流控PCR仪10还包括机盖120，机盖120与机体 110活动连接，荧光信号采集部件设于机盖120内。进一步地，机盖120与机体 110采用转动等活动方式连接，如此机盖120相对机体110运动，以使荧光信号 采集部件可对应芯片安装孔101设置，换言之荧光信号采集部件可对应微流控 芯片200设置，以使荧光信号采集部件能够采集微流控芯片200内的荧光图像。

图2示出了图1所示的微流控PCR仪的微流控芯片的结构示意图。在图2 中，(a)为微流控芯片的第一基片的正面结构示意图；(b)为微流控芯片的第 一基片的背面结构示意图；(c)为微流控芯片的第二基片的正面结构示意图； (d)为微流控芯片的PCB板的正面结构示意图。

图3为图2所示的微流控芯片的第一基片的截面剖视图。在图3中，(a) 为图2中(a)第一基片A-A’的截面结构示意图；(b)为图2中(a)第一基片 B-B’的截面结构示意图；(c)为附图2中(a)第一基片C-C’的截面结构示意图。

请参阅图2及图3，本发明一实施方式提供了一种可应用于上述微流控PCR 仪的微流控芯片。该微流控芯片200具有第一基片220。第一基片220包括第一 基体221、导热结构。

其中，第一基体221为导热材质基体，具体可采用金属、半导体材质，以 便于传导热量。第一基体221的一表面上形成有第一反应腔室201，第一基体 221背离第一反应腔室201的另一表面设有围绕第一反应腔室201周向设置的导 热沟槽。

可理解，每一第一反应腔室201的周向均可围绕有上述导热沟槽；可理解， 导热沟槽与第一反应腔室201一一对应设置。可理解，围绕第一反应腔室201 的导热沟槽可以是一个连续闭合结构，例如环状；也可以是多个间断的子导热 沟槽围设而成。

进一步地，第一基体221为金属基体或半导体基体。第一基体221为半导 体基体时，优选硅基体，利用硅材料快速的热传导性和大规模生产的便利性。 在一些示例中，第一基体221为硅基体，其尺寸可为46.9L×21.9W×6.2H， 单位mm。

可理解，第一基体221上的第一反应腔室201优选为多个，例如二个、三 个及三个以上，多个第一反应腔室201可呈阵列分布；在一些示例中，第一基 体221上的一表面上形成有至少六个第一反应腔室201。该微流控芯片200允许 同时有6个反应室进行四链反应。

进一步地，第一反应腔室201的内表面设有二氧化硅层等亲水层，以提高 反应腔室与检测基因样品试剂之间的亲和性，特别是第一基体221为硅基体等 半导体基体时。例如可至少在第一反应腔室201的底部表面设有二氧化硅层。

继续参阅图3，其中，导热结构包括第一导热层223及第二导热层225。第 一导热层223设于导热沟槽内，第二导热层225设于第一基体221背离第一反 应腔室201的另一表面上且与第一导热层223连接。如此通过第一导热层223 围绕第一反应腔室201设置，通过第二导热层225设置在第一基体221的另一 表面，大大提高了热传导性，从而实现反应腔室内的快速传热，进而实现快速 降温或快速升温，如此减少了循环扩增时间，提高了检测效率。

在其中一些实施例中，第一导热层223及第二导热层225各自独立地选自 金属铜层或金属铝层，这两种材料高效的传热性结合导热结构，进一步提升了 导热性能。

进一步地，金属铜层为铜电镀层，金属铝层为铝气相沉积层。电镀铜或沉 积铝的热导系数几乎是硅热导系数的几百倍到一千倍，如此可利用其极快速的 大热容热传导性，从而实现反应腔室内的超快速传热及升降温，进而大大提高 了反应腔室内的温度循环速度，减小了循环扩增时间。

具体地，第一基体221采用硅基体，第一导热层223及第二导热层225均 选自铜电镀层。如此利用铜/硅复合层材料的高热传导特性，而实现微流控PCR 仪10检测时的快速升降温。上述微流控PCR仪10的升温速率可由原来的10℃/s 左右提高到30℃/s左右，而降温速率由原来的4℃/s左右，提升到15℃/s左右， 不到60秒可完成一个循环。由此微流控PCR仪10的总扩增反应时间最短可以 实现10分钟或更少，其相比现有基于peltier加热方式的常规PCR仪通常1小 时左右的检测时间，大大缩短了检测反应时间，而提升检测效率。

在其中一些实施例中，第一温控部件形成于第二导热层225上；第一温控 部件为加热器。如此第一温控部件进行加热后，可将热量通过第一基体221及 导热结构传导至反应腔室内，通过控制第一温控部件的加热温度进而可以控制 反应腔室内的温度。

在其中一些实施例中，第一基片220还包括第一温控部件。第一温控部件 包括设于第二导热层225上的金属粘结层231及设于金属粘结层231上的第一 金属图案层232。第一金属图案层232用于与外部电源连接以加热。如此金属粘 结层231作为第二导热层225的保护层，避免第一金属图案层232直接设于第 二导热层225上。具体地，第一金属图案层232具有设于金属粘结层231上的 第一电源接口2322，第一电源接口2322用于与外部电源连接。

可理解，当第一基片220不含有第一温控部件等温控部件时，上述微流控 PCR仪可在机体110设置独立的温控部件，用于对第一基片220的第一反应腔 室201实现加热。具体地，可在机体110内且位于安装于芯片安装孔101内的 微流控芯片200的下方设置与微流控芯片200相对独立的温控部件。

进一步地，金属粘结层231为金属钽层或钽合金层。

进一步地，第一温控部件还包括设于金属粘结层231上的第二金属图案层 233；第二金属图案层233用于检测第一金属图案层232的加热温度。换言之， 第二金属图案层233作为温度传感器。在一些示例中，第一金属图案层232及 第二金属图案层233均为金属铂层。第二金属图案层233可通过铂金的电阻值 和温度之间所具有的非常高的线性度，在经过校准后可非常准确地获知加热器 的实时温度，从而也可为精确控制微流控芯片200的反应温度提供保证。

进一步地，第一金属图案层232包括至少两个相互串联的电阻加热丝2321， 见附图2中(b)，电阻加热丝2321为回旋螺纹状；其中至少有两个电阻加热丝 2321并列且间隔设置，可保证加热的热均匀性，以提高加热效果。第二金属图 案层233位于该两个电阻加热丝2321之间。如此利用该两个电阻加热丝2321 包围位于中间的作为温度传感器的第二金属图案层233，在原位精确控制反应温 度。具体地，在本具体示例中，电阻加热丝2321的数量为两个，两个电阻加热 丝2321分别设有一个第一电源接口2322。如此微流控PCR仪10具有良好的温 度控制性能参数，温度控制精度优于±0.2℃，温度分辨率高于0.1℃。

在一具体示例中，第一金属图案层232的加热功率为几瓦特，因而第一金 属图案层232可通过输出电压为12V的电池或外加电源供电，以能够实现便携 性，并为现场检测提供可能。

进一步地，微流控PCR仪10还包括温度检测器(图未示)，温度检测器与 第二金属图案层233连接，以用于通过检测第二金属图案层233的电阻变化来 检测第一金属图案层232的温度。具体地，第二金属图案层233具有设于金属 粘结层231上的第二电源接口2331，第二电源接口2331用于与温度检测器连接。

进一步地，温度检测器内设有温度检测电路。

进一步地，第一温控部件还包括绝缘层234，绝缘层234设于金属粘结层 231与第二图案层之间，如此通过绝缘层234包围第二图案层，避免第一图案层 导电导通第二温控部件。具体地，绝缘层234为氧化钽(Ta₂O₃)绝缘层。

具体地，第一电源接口2322与第二电源接口2331均与金属粘结层231之 间设有绝缘层234，例如二氧化钽绝缘层234。可理解，第一金属图案层232直 接设于金属粘结层231上。

图4示出了图3所示的微流控芯片的第一基片及第二基片相配合的截面剖 视图。其中，在图4中，(a)为第一基片及第二基片粘结配合的流程示意图；(b) 为第一基片及第二基片粘结配合后的结构示意图；(c)为第一基片及第二基片 粘结配合后的剖面结构示意图；(d)为附图(c)第一基片及第二基片粘结配合 石蜡层软化密封后的剖面结构示意图。

同时参阅图2中(c)及图4，在其中一个实施例中，微流控芯片200还包 括第二基片240。第二基片240包括第二基体241，第二基体241设于第一基片 220上。第二基体241设有第二反应腔室202且第二反应腔室202贯穿第二基片 240，第二反应腔室202与第一反应腔室201连通共同形成反应腔室。第二基片240与第一基片220通过粘结等方式配合后装配到微流控PCR仪10的芯片安装 孔101内。

进一步地，第二基体241的第二反应腔室202与第一基体221的第一反应 腔室201一一对应设置。

进一步地，第二基体241为玻璃基体或塑料基体。在一具体示例中，设有 第二反应腔室202的第二基体241可为塑料一体化成型结构。

在一些示例中，第一基体221与第二基体241共同形成的反应腔室的容量 为2微升～20微升。在本具体示例中，第一反应腔室201的截面可为圆形或矩形； 第二反应腔室202的截面为矩形。进一步地，第一反应腔室201和/或第二反应 腔室202的内径自腔底至腔口逐渐增大。第二反应腔室202与第一反应腔室201 连通共同形成的反应腔室的内径自腔底至腔口逐渐增大。

进一步地，微流控芯片200还包括透光密封盖板250，透光密封盖板250设 于第二基片240远离第一基片220的表面。具体地，透光密封盖板250进而选 用玻璃材质，以可实现对反应腔室内荧光的有效采集。

进一步地，微流控芯片200还包括预填充试剂260，预填充试剂260设于第 一反应腔室201内。

进一步地，第二基片240还包括石蜡层270，石蜡层270设于第二反应腔室 202的腔壁上。如此当随着反应进行，第一基片220的温度超过60℃，石蜡层 270开始软化进而将第一基片220及第二基片240密封，即通过基于相变的自密 封蜡实现动态密封，从而避免了相邻反应腔室分析之间的交叉污染。

在其中一个实施例中，微流控芯片200还包括PCB板210(印制电路板， Printedcircuit boards)，PCB板210设有基片安装槽203，第一基片220以设有 加热器的一侧安装于基片安装槽203上。进一步地，PCB板210上设有电源接 口、控制接口等接口211，电源接口用于给微流控芯片200提供电源，控制接口 用于与其他部件实现连接。

进一步地，微流控芯片200还包括RFID标签212，RFID标签212设于PCB 板210上，RFID标签212用于存储预填充试剂260的信息、预先设置的反应参 数信息和荧光信号检测部件的检测结果信息中的至少一种信息。如此智能手机 可以读取RFID标签212中的信息；此外，通过微流控芯片200配有RFID标签 212的自动启动，可以通过扫描RFID标签212选择其中预先设置的反应参数信 息进行自动反应，避免了任何可能人为的错误。在反应结束后，荧光信号检测 部件的检测结果信息可以清楚地显示，还可以获得原始结果的诊断解释。

可理解，微流控芯片200是一个微机电系统 (MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)。使用时操作员只需装载样品，将微 流控芯片200插入微流控PCR仪10中，并装载样品，就可自动进行分析。微流 控芯片200可作为PCR检测中的一次性耗材，也从而防止了交叉污染，降低了 操作人员的卫生风险。进一步地，大规模的MEMS半导体制造技术及该微流控 芯片200的结构大大降低了其成本，为其作为一次性耗材提供了保证。

在其中一些实施例中，微流控PCR仪10还包括第二温控部件。图5示出了 图1所示的微流控PCR仪的第二温控部件的结构示意图。第二温控部件为制冷 器，如此通过制冷器可以进一步促进第一温控部件实现快速降温。第二温控部 件设于机体110内且位于安装于芯片安装孔101内的微流控芯片200的下方， 以使工作时微流控芯片200与制冷器相对设置。

进一步地，第二温控部件为风机、半导体制冷器或压缩空气微泵等制冷器。 进一步地，制冷器为风机。在一具体实例中，制冷器包括气流收集器310及风 扇320，气流收集器310的两端开口。气流收集器310的一端对应微流控芯片 200背离第一反应腔室201或基片安装槽203的一面设置，且与微流控芯片200 之间具有间距；气流收集器310的另一端与风扇320连接。具体地，气流收集 器310的内径自靠近第一基片220的一端至另一端逐渐增加。如此风机工作时， 风扇320转动并将空气自靠近第一基片220的一端吸入，并从另一端进入风扇 320排出，气流方向如附图5箭头301所示，如此对第一基片220起到快速散热 降温的作用。

更进一步地，制冷器还包括校准温度传感器330，校准温度传感器330设于 气流收集器310内用于检测气流收集器310内的温度。具体地，制冷器还包括 校准温度传感器读芯片PCB板340，与校准温度传感器330连接并用于控制校 准温度传感器。

图6示出了一实施例的微流控PCR仪的模块结构示意图。在其中一个实施 例中，上述微流控PCR仪10还包括控制机构，控制机构与微流控芯片200的第 一温控部件和/第二温控部件连接。具体地，控制机构与微流控芯片200的第一 温控部件中的第一金属图案层232(即加热器)及第二金属图案层233(即温度 传感器)连接，用于控制第一金属图案层232的加热温度，还用于根据第二金 属图案层233检测的温度调节第一金属图案层232的加热温度。

进一步地，控制机构还与荧光信号检测部件连接。具体地，控制机构与荧 光信号检测部件中的荧光信号采集部件连接。具体地，荧光信号采集部件为光 电转换器。进一步地，荧光信号检测部件还包括光源，控制机构还与光源连接。

进一步地，控制机构还与制冷器连接，用于控制制冷器，以控制第一金属 图案层232的加热温度。

在一具体实例中，控制机构具体可采用一体式触摸屏，以便于进行参数的 设定及检测结果的显示。

当然，除了上述各结构，在微流控PCR仪10还可装设电源及稳压设备等其 它部件，以使其可称为一个更加完整的仪器系统。

可理解，控制机构还可将检测数据发送到智能手机和/或个人电脑进行显示； 无线连接和可选电池电源允许它在任何地方使用。控制机构内部配有数据存储 器，数据存储量可多达几百次测量分析结果；电动控制开关机，微流控PCR仪 10设有带状态LED的触摸按钮。

本发明上述微流控PCR仪10的各项性能指标优于动态微流控PCR芯片 (flow-through PCR chip)技术，且可供在检测于护理点工作的非熟练技术于非专 业人员使用。

进一步地，微流控PCR仪10可配有一个用户体验友好性通用性强的控制软 件，并设计与编码。系统控制软件将适用于各类协议环境下地灵活性，该软件 可以进行多种分析，包括标准实时PCR和扩增产物的熔融分析。控制软件可同 时最多可控制6台仪器。另外应用专用软件可以根据客户的要求定制。

采用上述微流控PCR仪10进行基因样品的荧光定量检测实现对基因样品的 快速荧光定量检测。该荧光定量检测方法包括如下的步骤：

步骤a、制备预填充试剂260；预填充试剂260为PCR反应预混液试剂或冻 干预混合粉末；

步骤b、将预填充试剂260装填充入微流控芯片200的反应腔室内；

步骤c、将待检的基因样品载入静态微反应室内；

步骤d、根据设定的PCR反应温度参数，启动温控部件，并同步采集各反 应循环的荧光图像。

可理解，在其他示例中，步骤a和步骤b可以在检测之前预先完成。

本发明的微流控PCR仪10为静态微反应腔室微流控PCR仪10，基于微流 控芯片200的设置，通过微流控芯片200对基因样品的装载，在温控部件的调 温控温下，可进行聚合酶链式反应，同时通过荧光信号检测部件对反应循环荧 光图像进行采集，进而实现对基因样品的荧光定量检测。而采用超高效导热的 导热结构与半导体基或金属基的第二基片240可以实现PCR反应循环的快速升 降温，大大缩短反应时间。

本发明的微流控PCR仪10的功耗低，实现超小型化，便于携带。而且通过 该微流控芯片200进行PCR检测，其动态区间可以达到6个数量级以上，进而 可实现荧光定量检测，并且与目前市面上的实验室级的大型PCR检测仪器在检 测的动态区间上相匹配。

此外，采用微流控PCR仪10作为PCR反应载体，可实现快速的传热，在 降低反应量的同时，也可提高检测的特异性，提高温度控制精度，提高检测数 据的可靠性。

图7示出了一实施例的第一基片220的制造流程图。在本具体示例中，首 先提供用于制造微流控芯片200的晶圆作为第一基体221，可以是低纯度的硅或 多晶硅，以减少成本。然后在晶圆的一表面沉积光刻胶，定义反应腔室的横截 面积，再通过湿法腐蚀刻蚀形成反应腔室。反应腔室的体积为：2微升～20微升 的反应试样体积，刻蚀深度范围在50μm～300μm，其横截面积在5mm²～100mm²。 除去上述光刻胶后，将晶圆翻面，在晶圆背离反应腔室的表面再沉积光刻胶， 定义导热沟槽的位置。设计导热沟槽围绕每一反应腔室，然后用湿法腐蚀刻蚀 形成导热沟槽，再采用Damascene Process工艺(大马士革镶嵌工艺)通过电镀在导热沟槽及晶圆背离反应腔室的表面均形成铜电镀层，即形成了铜高速导热 通路；并采用CMP工艺平整的晶圆表面。然后在镀铜电镀层上沉积几十纳米厚 的Ta金属粘结层231，以保护镀铜电镀层。接下来在Ta金属粘结层231上沉积 光刻胶，定义加热器图案(第一金属图案)，沉积金属电阻丝加热器(第一金属 图案层232)。采用类似的方法在Ta金属粘结层231上沉积光刻胶，曝光光刻胶， 定义温度传感器图案(第二金属图案)，溅射沉积Ta₂O₃薄膜作为温度传感器与 Ta金属粘结层231之间的绝缘层234，及在绝缘层234上溅射沉积形成第二金 属图案层233作为温度传感器。

图8示出了一实施例的微流控芯片200的制造流程图。在本具体示例中， 采用模具塑注一体成型具有第二反应腔室202的第二基片240，切割得第二基片 240。采用半导体晶圆工艺在晶圆上制作形成第一反应腔室201、第一温控部件， 锯切晶圆分割硅芯片，得第二基片240。而后将第一基片220与第二基片240粘 合，以使第一反应腔室201与第二反应腔室202连通共同形成反应腔室。再将 混合型的石蜡(熔点：60℃～70℃)注入第二基片240的反应腔室，去除混合型 石蜡气体，压印第二基片240的反应腔室内的石蜡成型，将石蜡推挤至第二基 片240的反应腔室的腔壁。将RFID标签212贴片至PCB板210上靠近第二基 片240一侧，并写入数据；真空封装。

综上所述，与标准实验室仪器和普通一般静态的微反应槽PCR技术相比， 本发明的微流控PCR仪具有几个特点：

1.使用个性化、按需测试，具有成本效益；

2.超小型手持式(可以达到手机大小)，体积尺寸小于：14×8×8厘米， 重量小于300克；机动灵活，携带方便，

3.测量快速，一次循环扩增时间将大大小于1分钟；

4.放大、检测和测量量化过程集成在一个微反应槽芯片测试实验室(LoC) 上；

5.通过实时PCR技术对DNA和RNA靶分子进行定性、定量和快速分析；

6.检测过程全程密封，减少了交叉污染和对环境造成污染的风险。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要 求为准。

Claims (20)

1.一种微流控芯片，其特征在于，具有第一基片；

所述第一基片包括：

第一基体，所述第一基体为导热材质基体，所述第一基体的一表面上形成有第一反应腔室，所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面设有围绕所述第一反应腔室周向设置的导热沟槽；

导热结构，包括第一导热层及第二导热层，所述第一导热层设于所述导热沟槽内，所述第二导热层设于所述第一基体背离所述第一反应腔室的另一表面上且与所述第一导热层连接。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一基体为金属基体或半导体基体。

3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一基体为硅基体。

4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一导热层及所述第二导热层各自独立地选自金属铜层或金属铝层。

5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括第一温控部件，所述第一温控部件形成于所述第二导热层上。

6.如权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一温控部件包括设于所述第二导热层上的金属粘结层及设于所述金属粘结层上的第一金属图案层；所述第一金属图案层用于与外部电源连接以加热。

7.如权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，所述金属粘结层为金属钽层或钽合金层。

8.如权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一温控部件还包括设于所述金属粘结层上的第二金属图案层；所述第二金属图案层用于检测所述第一金属图案层的加热温度。

9.如权利要求8所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一金属图案层及所述第二金属图案层均为金属铂层。

10.如权利要求8所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一金属图案层包括至少两个相互串联的电阻加热丝，所述电阻加热丝为回旋螺纹状；其中至少有两个电阻加热丝并列且间隔设置，所述第二金属图案层位于该两个电阻加热丝之间。

11.如权利要求1至10任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括第二基片；所述第二基片包括：

第二基体，设于所述第一基片上，所述第二基体设有第二反应腔室且所述第二反应腔室贯穿所述第二基片，所述第二反应腔室与所述第一反应腔室连通共同形成反应腔室。

12.如权利要求11所述的微流控芯片，其特征在于，所述第二基片还包括石蜡层，所述石蜡层设于所述第二反应腔室的腔壁。

13.如权利要求11所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括透光密封盖板，所述透光密封盖板设于所述第二基片远离所述第一基片的表面。

14.如权利要求11所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括预填充试剂，所述预填充试剂设于所述第一反应腔室内。

15.如权利要求5至10任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括PCB板，所述PCB板设有基片安装槽，所述第一基片以设有所述第一温控部件的一侧安装于所述基片安装槽上。

16.如权利要求15所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括RFID标签，所述RFID标签设于所述PCB板上，所述RFID标签用于存储预填充试剂、预先设置的反应参数信息和检测结果信息中的至少一种信息。

17.一种微流控PCR仪，其特征在于，包括：

机体，设有芯片安装孔；及

如权利要求1至16任一项所述的微流控芯片；

所述芯片安装孔用于安装所述微流控芯片；

其中，所述微流控芯片不含有温控部件时，所述微流控PCR仪还包括控温部件，所述控温部件设于所述机体内且位于安装于所述芯片安装孔内的所述微流控芯片的下方。

18.如权利要求17所述的微流控PCR仪，其特征在于，所述微流控PCR仪还包括：

机盖，与所述机体活动连接；

荧光信号检测部件，用于检测所述微流控芯片中所述第一反应腔室内的荧光信号，所述荧光信号检测部件设于所述机盖内且所述荧光信号检测部件具有荧光采集部件，所述荧光采集部件能随所述机盖相对所述机体运动，以与安装于所述芯片安装孔内的所述微流控芯片相对设置。

19.如权利要求18所述的微流控PCR仪，其特征在于，所述微流控PCR仪含有形成于所述第二导热层上的第一温控部件；

所述微流控PCR仪还包括第二温控部件，所述第二温控部件设于所述机体内，且位于安装于所述芯片安装孔内的所述微流控芯片的下方。

20.如权利要求19所述的微流控PCR仪，其特征在于，所述第二温控部件为风机、半导体制冷器或压缩空气微泵；或

所述第二温控部件为风机，所述制冷器包括气流收集器及风扇，所述气流收集器的两端开口，所述气流收集器的一端用于与所述微流控芯片的背离所述第一反应腔室的一面相对设置，且所述气流收集器与所述微流控芯片之间具有间距，所述气流收集器的另一端与所述风扇连接。

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