CN111604098A - 侧面加样微流控芯片 - Google Patents

Abstract

侧面加样微流控芯片。本文提供了一种微流控芯片，其包括：1)芯片本体；2)设置在所述芯片本体侧面的加样孔；以及3)设置在所述芯片本体内部的分样通道、定量通道和废液腔，其中所述分样通道与所述加样孔、所述定量通道和所述废液腔相通，用于将待检液体样品从所述加样孔输送至所述定量通道和所述废液腔。本文提供的在侧面加样的微流控芯片一方面可消除交叉污染，另一方面适合于侧向离心而能够提高检测通量。

Description

侧面加样微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片，尤其是一种从侧面加样的微流控芯片。

背景技术

近年来，微流控芯片技术发展迅速，在医学、生命科学、环境监测等领域的应用得到逐步扩展。可在一个数平方厘米的微流控芯片上集成众多腔室和微通道，以实现进样、稀释、混合、分离、反应、检测等多种功能。微流控芯片具有微型化、集成化、检测速度快、样品和试剂消耗少等显著优点。

一些微流控芯片依赖毛细作用进行检测，而另一些微流控芯片则需要在离心力作用下驱动微流控芯片内各种样品和试剂的定向或往复流动。微流控芯片的厚度通常在1cm以下，例如3mm或更薄。厚度小一方面可以降低微流控芯片的材料和加工成本，另一方面是由于大多检测过程都需要透过透明的微流控芯片本体观察试验结果，也不允许其过厚。另外，加样孔为方便手动或自动加样，内径不宜过小。在利用微流控芯片进行一些临床或生物学检测时，可通过上表面的加样孔将样品加入，样品随后在离心力作用下进入各个微通道和腔室，进行后续检测步骤。加样过程中为保证样品量能充满一些目标腔室，通常在加样后加样孔内会剩余一些样品。由于微流控芯片比较薄，可以观察到这些剩余样品实际上大面积暴露在空气中。在临床上对众多样品进行检测时，从加样到放入离心机进行离心之前还可能具有多个操作步骤，例如在采样点对加样后的微流控芯片进行整理，放入适当的装载工具内，转移到达检测实验室，将微流控芯片从装载工具内取出等过程。由于在一个小面积区域内同时有众多加样后的微流控芯片，极易发生加样孔内剩余样品溢出而交叉污染的情况。目前还未见有解决该问题的方法。

发明内容

在一方面，本文提供了一种微流控芯片，其包括：

1)芯片本体；

2)设置在所述芯片本体侧面的加样孔；以及

3)设置在所述芯片本体内部的分样通道、定量通道和废液腔，

其中所述分样通道与所述加样孔、所述定量通道和所述废液腔相通，用于将待检液体样品从所述加样孔输送至所述定量通道和所述废液腔。

在一些实施方案中，所述微流控芯片的厚度不超过5mm。

在一些实施方案中，所述加样孔的内径为2-4mm。

在一些实施方案中，所述定量通道为两个或两个以上，在垂直加样时，所述液体样品在重力作用下沿所述分样通道向下流动，依次流经各个所述定量通道的入口，通过毛细作用充满各个所述定量通道，剩余的所述液体样品在重力作用下继续流入所述废液腔。

在一些实施方案中，所述分样通道的内径为0.8-2mm。

在一些实施方案中，所述分样通道的内径为1.5mm。

在一些实施方案中，所述定量通道的内径不大于0.5mm。

在一些实施方案中，所述微流控芯片还包括设置在所述定量通道的下游用于控制液体流动的截流阀。

在一些实施方案中，所述微流控芯片还包括设置在所述芯片本体表面的与所述定量通道相通的气孔。

本文提供的在侧面加样的微流控芯片一方面可消除交叉污染，另一方面适合于侧向离心而能够提高检测通量。

附图说明

图1为一个正面加样的微流控芯片示意图。

图2为一个正面加样的微流控芯片的立体视图。

图3为一个正面加样的微流控芯片的内部通道结构示意图。

图4为一个侧面加样的微流控芯片示意图。

图5为一个侧面加样的微流控芯片的立体视图。

图6为一个侧面加样的微流控芯片的内部通道结构示意图。

图7和图8分别显示了用于微流控芯片水平离心和侧向离心的离心转盘。

具体实施方式

除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有本领域普通技术人员所通常理解的含义。

当提及微流控芯片时，所用的“侧面”指该微流控芯片面积较小的表面，是相对于微流控芯片的上表面或下表面(表面积相对较大)而言。对于薄长方体形状的微流控芯片来说，微流控芯片的侧面与上表面垂直。侧面设置加样孔的微流控芯片在加样时，加样孔朝上，相应地称为“侧面加样”或“垂直加样”。类似地，侧面设置加样孔的微流控芯片在离心时，加样孔朝上，称为“侧向离心”或“垂直离心”。使用这些术语的目的在于方便与普通的水平加样微流控芯片进行区分。

在本文中，为了描述液体样品在上样或检测过程中流经的先后顺序，使用了术语“下游”。举例而言，对于两个连通的A通道(或腔室)和B通道(或腔室)，如果上样或检测过程中液体样品先流到A通道，之后才流到B通道，则认为B通道则在A通道的“下游”，相应地，称A通道在B通道的“上游”。

在本文中，使用“内径”来描述各种圆形加样孔和通道的截面内圆直径。本领域技术人员应理解的是，这些加样孔和通道的截面还可以为其他形状，例如长方形或正方形，这种情况下可以简单地将它们的长宽均值作为内径。

图1显示了一个在上表面设置有加样孔的微流控芯片示意图，图2为该微流控芯片的立体视图。从图上可见，该微流控芯片本体100大致为薄长方体，在其上表面101设有加样孔102和气孔103。加样孔102为待检样品进入芯片内部各通道和腔室的入口。气孔103与内部通道相通，用于释放微流控芯片本体100内部通道或腔室内的气体压力而方便液体流动。图3显示了该微流控芯片内部的通道结构，包括分样通道104、定量通道105、截流阀106、反应通道107和废液腔108。分样通道104用于将样品输送至各个定量通道105和废液腔108。定量通道105通过截流阀106与下游的反应通道107相通。截流阀106用于控制液体流动，例如，可防止在加样过程中样品进入截流阀下游通道。截流阀106可设置为在各种外加因素存在下液体样品才可以通过，例如需要通过离心、加热、电磁等方式让液体通过。定量通道105与截流阀106配合，用于确定进入截流阀106下游的样品量。另外，定量通道105还通过气孔通道109与微流控芯片表面设置的气孔103相通。反应通道107用于进行检测反应(例如免疫反应)，其中可以预装有反应试剂，或者用于将待检样品输送至反应腔(图中未绘出)。废液腔108用于容纳多余的待检样品。

利用该微流控芯片进行检测时，通过加样孔102加入待检样品。待检样品可通过分样通道104进入定量通道105，也会进入废液腔108。由于为微流控芯片厚度所限，分样通道104、定量通道105、废液腔108等基本上处于同一水平面，样品流动进入各个通道和腔室主要依靠毛细作用。为了保证足够的样品量，在待检样品充满各定量通道105后，加样孔102内应剩有待检样品。如前文已阐述的，这种情况下加样孔102内的待检样品就为多个微流控芯片间的交叉污染提供了可能。随后通过离心，可使存在于加样孔102中的剩余待检样品进入废液腔108，定量通道105内的待检样品通过截流阀106进入反应通道107，进行后续反应和检测。

图4显示了本文提供的将加样孔设置在侧面的微流控芯片示意图。图5为该微流控芯片的立体视图。在该微流控芯片本体200的上表面201设置有气孔203，在侧面210设置有加样孔202。图6显示了该微流控芯片内部的通道结构。加样孔202通过一加样通道211与分样通道204相通。分样通道204可将待检样品输送至各定量通道205和废液腔208。定量通道205和反应通道207之间通过一段作为截流阀使用的截流通道206相通。截流通道206通过气孔通道209与微流控芯片上表面201上的气孔203相通。

与上述水平加样微流控芯片不同的是，该微流控芯片由于加样孔202设置在侧面，加样方式则为垂直加样。可通过分别设置分样通道204的内径以及定量通道4的内径，让待检样品通过加样通道211进入分样通道204时，待检样品能按顺序进入各个定量通道5和废液腔208。我们发现，当将分样通道204的内径设置为0.8-2mm(例如1、1.2、1.5、或1.8mm)，定量通道205的内径设置为0.5mm以下时，可以实现待检样品的这种有序流动。我们分析，这是由于进入分样通道204内的待检样品会在重力作用下依次流经各个定量通道205的入口212，由于定量通道205的内径比较细，可充分利用毛细作用使待检样品进入其中，在各个定量通道205都充满待检样品时，多余的待检样品在重力作用下继续流入废液腔208。废液腔208可设置得足够大而将剩余待检样品全部容纳在其中。当分样通道204的内径够大时，进入其中的待检样品会主要在重力作用下向下流动，但过大时，待检样品在重力作用下会迅速流入废液腔208，只有少量待检样品能进入各反应区入口通道205。当分样通道204的内径过小时，例如小于定量通道205的内径，也会出现部分定量通道205还未充满待检样品，就有待检样品进入废液腔208的情况。我们推测，这可能主要是由于毛细作用导致待检样品优先进入更狭窄通道。为了防止堵塞，定量通道205的内径不宜过小。为了利用毛细作用，其内径也不宜过大。通常可选择在0.1mm-0.5mm之间，例如0.3mm、0.4mm、或0.5mm。采用上述通道内径设置，可充分利用重力和毛细作用，使得从加样孔202加入待检样品后，待检样品依次充满各个定量通道205，多余待检样品进入废液腔208，加样孔202内不存在剩余样品。因此，也就不存在采用表面加样孔的微流控芯片可产生的交叉污染的风险。

另外参见图7和图8，与水平加样微流控芯片配合使用的离心方式为微流控芯片保持在水平状态的水平离心，而与垂直加样微流控芯片配合使用的离心方式可以为微流控芯片保持在垂直状态的侧向离心。显而易见，侧向离心每次可以离心更多的微流控芯片，有更高的微流控芯片处理能力。在需要短时间检测大量样品的情况下，这种侧向离心相对于水平离心具有显著提高的处理通量。

以下通过具体实施例来进一步阐述本发明。

比较实施例

采用聚碳酸酯(PC)材质通过注塑方法制备上文描述的水平加样微流控芯片。分样通道内径1.5mm，各定量通道内径0.5mm，它们总体积为4μL。加样孔直径3mm，废液腔体积为15μL。将10μL待测液体样品(如血浆或血清)加入加样孔中，由于微流控芯片水平放置，分样通道、定量通道、废液腔等各结构基本上处于同一水平面，通过毛细作用使样品分布在分样通道、定量通道、废液腔和加样孔底部，此时从加样孔可见有大量样品暴露在空气中。

检测时，将该微流控芯片转移到水平离心转盘上，进行20gx30s+200gx90s离心。在第一相离心力即20gx30s的过程中，多余样品从加样孔和分样通道进入废液腔，而定量通道中的样品保持不动；在第二相即200gx90s的过程中，定量通道中的样品通过截流阀进入反应通道，开始发生反应。

实施例

采用聚碳酸酯(PC)材质通过注塑方法制备制备上文描述的侧向加样微流控芯片。分样通道内径1.5mm，定量通道内径0.5mm，它们总体积为4μL。废液腔体积15μL，加样孔内径为2.6mm。

将10μL样品从侧面的加样孔加入，由于定量通道的内径较小，毛细作用力大，样品会依次充满从上至下4个定量通道，在重力作用下多余样品进入废液腔，不再暴露于空气中；

将芯片转移至离心机开始侧向离心，直接进行200gx90s的离心，定量通道内样品进入通过截流通道进入反应通道，开始反应。

需要指出的是，在本文附图中未绘出微流控芯片中通常还可能具有的定量腔、反应腔、检测腔等腔室，实施例中制作的微流控芯片也都不包含这些腔室，省略这些腔室是由于这些结构是否存在并不影响本发明的目的、技术方案的实施和技术效果。

本发明的侧向加样微流控芯片的优点包括但不限于：

1.采用侧面加样后样品直接进入微流控芯片内部，不再暴露在空气中，减少了与外界接触的可能性，降低交叉污染的风险；

2.采用侧向离心，可显著增加检测通量。例如，正面加样微流控芯片需进行水平离心得到检测结果，单张芯片占用空间大，每次离心检测样品一般在12-16例；采用侧面加样后所占空间大大减小，每次检测样品在60例以上，提高了检测效率；

3.加样过程中多余样品就能进入废液腔，不需要通过离心使多余样品进入废液腔，缩短了检测时间。

Claims (9)

1.一种微流控芯片，包括：

1)芯片本体；

2)设置在所述芯片本体侧面的加样孔；以及

3)设置在所述芯片本体内部的分样通道、定量通道和废液腔，

其中所述分样通道与所述加样孔、所述定量通道和所述废液腔相通，用于将待检液体样品从所述加样孔输送至所述定量通道和所述废液腔。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其厚度不超过5mm。

3.如权利要求1所述的微流控芯片，其中所述加样孔的内径为2-4mm。

4.如权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述定量通道为两个或两个以上，在垂直加样时，所述液体样品在重力作用下沿所述分样通道向下流动，依次流经各个所述定量通道的入口，通过毛细作用充满各个所述定量通道，剩余的所述液体样品在重力作用下继续流入所述废液腔。

5.如权利要求1或4所述的微流控芯片，其中所述分样通道的内径为0.8-2mm。

6.如权利要求5所述的微流控芯片，其中所述分样通道的内径为1.5mm。

7.如权利要求1或4所述的微流控芯片，其中所述定量通道的内径不大于0.5mm。

8.如权利要求1所述的微流控芯片，还包括设置在所述定量通道的下游用于控制液体流动的截流阀。

9.如权利要求1所述的微流控芯片，还包括设置在所述芯片本体表面的与所述定量通道相通的气孔。

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