CN111841668A - 一种基于液滴的微生物检测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液滴的微生物检测芯片，其采用枝杈状分配通道配合覆盖微反应腔阵列的分配槽实现并联液滴分配，同时，在微反应腔阵列之间设置若干椭圆柱，将所述微反应腔阵列分隔成与分配通道的末枝通道一一对应的多行，所述椭圆柱禁止液滴的跨行迁移，但允许连续相流体的跨行迁移，进而避免了流场混合导致的微反应腔的低填充率；所述椭圆柱阵列、分配通道和微反应腔阵列被分别设置在不同的层上，且所述椭圆柱具有相对灵活的高度要求，装置加工难度较低，利用推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流控装置，具体涉及一种基于液滴的微生物检测芯片。
背景技术
微液滴技术是微流控应用技术中的一个重要门类，其是目前微球制备、PCR或dPCR核酸检测等高端应用领域的关键技术之一。目前，对微液滴技术的研究热点主要在于尺寸控制、包裹层数控制、和移动路径控制等。
在dPCR检测应用中，制备所得的众多均一化液滴作为独立的微反应器单元，需要按照一定的规律在选定的空间内均匀排布，因此需要对液滴进行有效的分配。目前，dPCR领域主流的微液滴容纳空间以微反应腔阵列为主；主要借助于流经各微反应腔的分配通道实现液滴向微反应腔的配送；典型的分配通道包括沿微反应腔阵列S型绕流的分配通道及在S型分配通道基础上，将微反应腔侧置于分配通道主线一侧的y型分配通道。但这类分配通道本质上均属于串联式通道，液滴分配路径长，微液滴只能沿分配路径逐一填充微反应腔，填充耗时很大，效率低下。
现有技术中也存在借助于枝杈状分配通道实现并联式液滴分配的方案，其通过若干级分支通道将主通道中的液滴分配至末端的分支通道内，然后微液滴随连续流介质进入微反应腔阵列区域，以并行方式对微反应腔阵列进行填充。该类方案相较于串联式填充方式具有更高的填充效率，但由于微反应腔阵列的流动区域相较于分支通道大得多，其对载有液滴的连续流介质的流动路径缺乏有效的限制，在实际使用过程中经常出现介质流的局部集中，从而导致部分微反应腔无法被有效填充。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于液滴的微生物检测芯片。本发明的微生物检测芯片能够在保证微反应腔填充率的前提下实现快速高效的微液滴填充。
为实现上述目的，本发明具体提供如下方案：
一种基于液滴的微生物检测芯片1，其包括分配通道2和若干微反应腔3的阵列；所述分配通道2由依次连接的主通道21、若干级连接通道22和末枝通道23构成，除末枝通道23外，每支通道均在其末端与两支下一级通道流体连通，从而实现分支；所述若干微反应腔3成矩形阵列布置，所述矩形阵列的一侧边与所述所有末枝通道23的末端流体连通。
优选的，所述末枝通道23的数量与所述微反应腔3的阵列的行数相同，且两者以一支末枝通道23对应一行微反应腔23阵列的方式一一对应连通；所述末枝通道23的轴线与与之对应的一行微反应腔3的中心连线重合。
优选的，任意四个相邻的微反应腔3构成一个正方形的子阵列；每个子阵列的中心处均布置有一个长轴平行于末枝通道23的轴线的椭圆柱4；在同一行的相邻两个椭圆柱4之间具有小于液滴直径的间距；同时，所述椭圆柱4的短轴不超过相邻两个微反应腔3的最小距离。所有椭圆柱4构成将所述微反应腔3的阵列逐行分隔的阵列；所述椭圆柱4具有液滴最外侧包裹层(若为单包裹液滴则为液滴本身)介质相反的表面属性，从而禁止液滴对所述椭圆柱4表面的润湿，但允许连续相流体对椭圆柱4的表面进行润湿。
由于同一行的相邻椭圆柱4间存在间隙，且连续相流体可以润湿椭圆柱4的表面，位于不同行的微反应腔3的阵列之间允许连续相流体的跨行迁移；而由于所述间隙小于液滴直径，且液滴无法润湿椭圆柱4的表面，因而禁止液滴的跨行迁移。这使得，尽管微反应腔3的阵列区域可能存在不均匀的流场，但被末枝通道23分配至不同行的反应腔3阵列的微液滴不会受到不均匀流场的影响而偏离预定的填充路径，进而可以保证微反应腔3阵列的有效填充率。
优选的，位于第一列(靠近末枝通道23末端的一侧)的微反应腔3的上游和最后一列微反应腔3的下游也设置有所述椭圆柱4。
优选的，所述微反应腔3阵列的末端，设有若干排液通道6，用于排出连续相流体和多余的液滴，所述排液通道6的数量与所述微反应腔3阵列的行数相同，并按照与所述末枝通道23共轴的方式与各行微反应腔3的阵列一一对应；相邻的两个排液通道6被分隔块5隔开。
所述若干排液通道6的设置使得每行微反应腔3均具有相同的排液条件，因而利于在微反应腔3的阵列区域和分配通道2内形成更均匀的流场，有利于缩小不同行的微反应腔3之间完成填充的时间差。
优选的，所述微生物检测芯片1包括由上至下层叠设置的盖片层8、分配通道层9和微反应腔层12；其中，所述椭圆柱4的阵列设置在盖片层8的下表面(与分配通道层9贴合的一侧)，且其高度不超过所述分配通道层9的厚度。该设置允许将椭圆柱4的阵列与微反应腔3的阵列分开设置在不同的片材上，使得单一片材上仅需进行一个方向的加工，从而允许以较低的难度完成上文描述的芯片结构的加工制造。
所述分配通道2和排液通道6分别以非贯穿的方式设置在所述分配通道层9的上两端；所述分配通道2和排液通道6之间设置有贯穿所述分配通道层9的分配腔10。所述分配腔10能够覆盖所述微反应腔3的完整阵列。
所述椭圆柱4的阵列、分配腔10和所述微反应腔3的阵列分别被定位的设置在相应层上以保证当各层被准确的层叠设置在一起后能够实现椭圆柱4对微反应腔3阵列的行状分隔。
优选的，所述微生物检测芯片1还包括定位部7，以实现各层的快速定位安装。所述定位部7包括分别位于盖片层8的下表面和所述微反应腔层12的上表面，且平行于末枝通道23的轴线的定位凸条71；和分别位于所述分配腔10侧壁的上下两侧，且平行于末枝通道23的轴线的定位卡槽72。
优选的，所述定位凸条71的高度和宽度与所述定位卡槽72的深度和宽度相同，从而当各层被贴合后，所述定位凸条71和所述定位卡槽72构成分配腔10的完整侧壁。
优选的，所述椭圆柱4的高度小于分配通道层9的厚度，从而当各层被叠加在一起后，在所述椭圆柱4的底面与所述微反应腔层12的上表面之间形成间隙，以利于连续相流体的跨行迁移，同时降低加工过程中对椭圆柱4的尺寸精度要求。
优选的，所述间隙的高度d小于液滴的半径R，以防止液滴触碰椭圆柱的尖锐部分(底面与椭圆柱壁的直角连接处)，进而避免液滴的受迫分裂，维持填充液滴的尺寸均一性。
相比于现有技术，本发明的微生物检测芯片至少能够取得如下有益效果：本发明的方案基于枝杈状分配通道的并联分配方案，在液滴填充效率上具有先天优势；同时，本发明在微反应腔阵列区域设置了椭圆柱阵列，将所述微反应腔阵列分隔成行，每一行微反应腔均对应一个末枝通道，所述椭圆柱阵列允许连续相流体的跨行迁移，从而能够自动调节微反应腔区域内的流场不均匀性，同时禁止微液滴的跨行迁移，进而避免了微液滴在微反应腔区域内的局部富集，确保了微反应腔阵列的整体填充率；通过设置于各行微反应腔对应的排液通道，消除了由汇流式排液导致的微反应腔阵列不同位置处的流场差异，利于缩短整体填充时间；各特征模块分别设置于不同的层结构上，且各层之间设置有定位部，允许实现低难度的加工制造和精确的定位安装，利于实现推广应用。
附图说明
图1为本发明微生物检测芯片的组合示意图；
图2为图1中圆圈部分的局部放大图；
图3为盖片层的下表面示意图；
图4为分配通道层的示意图；
图5为图4中圆圈部分的局部放大图；
图6为微反应腔层的示意图；
图7为微生物检测芯片各层未叠加前的横剖示意图；
图8为微生物检测芯片各层叠加后的横剖示意图；
图9为图8中圆圈部分的局部放大图。
图中：1为微生物检测芯片，2为分配通道，21为主通道，22为连接通道，23为末枝通道，3为微反应腔，4为椭圆柱，5为分隔块，6为排液通道，7为定位部，71为定位凸条，72为定位卡槽，8为盖片层，9为分配通道层，10为分配腔，11为液滴，12为微反应腔层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明，以使本领域技术人员能够更好的理解本发明的方案并能予以实施。
实施例1
如图1-2所示，提供一种基于液滴的微生物检测芯片1，其包括分配通道2和若干微反应腔3的阵列；所述分配通道2由依次连接的主通道21、若干级连接通道22和末枝通道23构成，除末枝通道23外，每支通道均在其末端与两支下一级通道流体连通，从而实现分支；所述若干微反应腔3成矩形阵列布置，所述矩形阵列的一侧边与所述所有末枝通道23的末端流体连通。所述末枝通道23的数量与所述微反应腔3的阵列的行数相同，且两者一一对应连通；所述末枝通道23的轴线与与之对应的一行微反应腔3的中心连线重合。任意四个相邻的微反应腔3构成一个正方形的子阵列；每个子阵列的中心处均布置有一个长轴平行于末枝通道23的轴线的椭圆柱4；在同一行的相邻两个椭圆柱4之间具有小于液滴直径的间距；同时，所述椭圆柱4的短轴不超过相邻两个微反应腔3的最小距离。所有椭圆柱4构成将所述微反应腔3的阵列逐行分隔的阵列；所述椭圆柱4禁止液滴对其表面的润湿，但允许连续相流体对其表面的润湿。
实施例2
区别于实施例1的是，位于第一列的微反应腔3的上游和最后一列微反应腔3的下游也设置有所述椭圆柱4。所述微反应腔3阵列的末端，设有若干排液通道6，所述排液通道6的数量与所述微反应腔3阵列的行数相同，并按照与所述末枝通道23共轴的方式与各行微反应腔3的阵列一一对应；相邻的两个排液通道6被分隔块5隔开。
实施例3
参见图3-8，区别于实施例1-2的是，优选的，所述微生物检测芯片1包括由上至下层叠设置的盖片层8、分配通道层9和微反应腔层12；所述椭圆柱4的阵列设置在盖片层8的下表，且其高度不超过所述分配通道层9的厚度。所述分配通道2和排液通道6分别以非贯穿的方式设置在所述分配通道层9的上两端；所述分配通道2和排液通道6之间设置有贯穿所述分配通道层9的分配腔10。所述分配腔10能够覆盖所述微反应腔3的完整阵列。所述椭圆柱4的阵列、分配腔10和所述微反应腔3的阵列分别被定位的设置在相应层上以保证当各层被准确的层叠设置在一起后能够实现椭圆柱4对微反应腔3阵列的行状分隔。
实施例4
参见图3-6，区别于实施例3的是，所述微生物检测芯片1还包括定位部7，所述定位部7包括分别位于盖片层8的下表面和所述微反应腔层12的上表面，且平行于末枝通道23的轴线的定位凸条71；和分别位于所述分配腔10侧壁的上下两侧，且平行于末枝通道23的轴线的定位卡槽72。所述定位凸条71的高度和宽度与所述定位卡槽72的深度和宽度相同。
实施例5
参见图8-9，区别于以上任一实施例的是，所述椭圆柱4的高度小于分配通道层9的厚度，从而当各层被叠加在一起后，在所述椭圆柱4的底面与所述微反应腔层12的上表面之间形成间，所述间隙的高度d小于液滴的半径R。
以上实施方式仅是对本发明较优实施方案的举例，其不应当被理解为是对本发明所记载的构思的实施限制，本领域的普通技术人员在未付出创造性劳动的情况下，通过简单的替换和改进所得到的实施方案均属于本发明的可行实施范畴，本发明的具体保护范围以权利要求书的限定为准。
Claims (9)
1.一种基于液滴的微生物检测芯片，包括分配通道(2)和微反应腔(3)的阵列；所述分配通道(2)由依次连接的主通道(21)、若干级连接通道(22)和末枝通道(23)构成，除末枝通道(23)外，每支通道均在其末端与两支下一级通道流体连通；所述若干微反应腔(3)成矩形阵列布置，所述矩形阵列的一侧边与所述末枝通道(23)的末端流体连通；其特征在于：所述末枝通道(23)的数量与所述微反应腔(3)的阵列的行数相同，且两者一一对应连通；所述末枝通道(23)的轴线与与之对应的一行微反应腔(3)的中心连线重合，任意四个相邻的微反应腔(3)构成的正方形子阵列的中心处均布置有一个椭圆柱(4)；所述椭圆柱(4)禁止液滴对其表面的润湿，但允许连续相流体对其表面的润湿。
2.如权利要求1所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述椭圆柱(4)的长轴平行于末枝通道(23)；在同一行的相邻两个椭圆柱(4)之间具有小于液滴直径的间距；同时，所述椭圆柱(4)的短轴不超过相邻两个微反应腔(3)的最小距离。
3.如权利要求2所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：位于第一列的微反应腔(3)的上游和最后一列微反应腔(3)的下游也设置有所述椭圆柱(4)。
4.如权利要求1所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述微反应腔(3)的阵列的末端，设有若干排液通道(6)，所述排液通道(6)的数量与所述微反应腔(3)的阵列的行数相同，并按照与所述末枝通道(23)共轴的方式与微反应腔(3)阵列的各行一一对应；相邻的两个排液通道(6)被分隔块(5)隔开。
5.如权利要求1所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述微生物检测芯片包括由上至下层叠设置的盖片层(8)、分配通道层(9)和微反应腔层(12)；所述椭圆柱(4)的阵列设置在盖片层(8)的下表，且其高度不超过所述分配通道层(9)的厚度。
6.如权利要求5所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述分配通道(2)和排液通道(6)分别非贯穿的设在所述分配通道层(9)的两端；所述分配通道(2)和排液通道(6)之间设有贯穿所述分配通道层(9)的分配腔(10)；所述分配腔(10)能够覆盖所述微反应腔(3)的完整阵列。
7.如权利要求5所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述椭圆柱(4)的阵列、分配腔(10)和所述微反应腔(3)的阵列分别被定位的设置在相应层上以保证当各层被准确的层叠设置在一起后能够实现椭圆柱(4)对微反应腔(3)阵列的行状分隔。
8.如权利要求7所述基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述微生物检测芯片还包括定位部(7)，所述定位部(7)包括分别位于盖片层(8)的下表面和微反应腔层(12)的上表面，且平行于末枝通道(23)的轴线的定位凸条(71)；和分别位于所述分配腔(10)侧壁的上下两侧，且平行于末枝通道(23)的轴线的定位卡槽(72)；所述定位凸条(71)的高度和宽度与所述定位卡槽(72)的深度和宽度相同。
9.如权利要求8所述的基于液滴的微生物检测芯片，其特征在于：所述椭圆柱(4)的高度小于分配通道层(9)的厚度，从而当各层被叠加在一起后，在所述椭圆柱(4)的底面与所述微反应腔层(12)的上表面之间形成间隙，所述间隙的高度d小于液滴的半径R。
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|---|---|---|---|---|
| CN113145184A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-07-23 | 广州市第一人民医院（广州消化疾病中心、广州医科大学附属市一人民医院、华南理工大学附属第二医院） | 一种微液滴芯片 |
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| CN113145184A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-07-23 | 广州市第一人民医院（广州消化疾病中心、广州医科大学附属市一人民医院、华南理工大学附属第二医院） | 一种微液滴芯片 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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