CN111944672B - 用于分子检测的芯片结构及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种用于分子检测的芯片结构及检测方法，属于微流控技术领域。该芯片结构包括第一芯片层、第二芯片层和第三芯片层以及样本池，第一芯片层的下表面形成内凹的空腔结构，空腔结构与第二芯片层之间形成气路通道；第三芯片层的上表面形成内凹的至少两个反应腔，第三芯片层与第二芯片层之间形成连通各个反应腔的流体通道；第一芯片层上设置有气体接口，气体接口与气路通道连通；芯片结构还包括液体接口，液体接口与流体通道连通，样本池的下端口与液体接口对接。本申请通过气路通道让第二芯片层发生变形，以密封住反应腔，具备低成本、驱动与自封一体等优势，可极大降低芯片的空间消耗并简化芯片驱动方式。

Description

用于分子检测的芯片结构及检测方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，涉及一种用于分子检测的芯片结构及检测方法。

背景技术

微流控技术是对微量流体的精确操控的技术手段，尤其是指在亚毫米尺寸级别上。而微流控芯片则是将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一块小型芯片上。这种芯片一般是由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，能很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率，把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能。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。

核酸扩增和定量一直是分子生物学领域的核心技术之一，已经应用于分子测序、基因表达分析、基因突变研究、疾病早期分子诊断、药物筛选等研究领域，并起到重要作用。然而，基于传统手段的核酸扩增过程复杂，极易受到环境污染，造成结果的不稳定；检测耗时长，需要经过专业培训的实验人员进行操作；同时需要大量昂贵实验设备支持，因此该流程往往被局限在医院、研究所等具有相应资源的实验室环境中进行，从而大大阻碍了即时检测的普及和应用。

随着微流控技术的发展与普及，大量的核酸扩增定量仪器开始采用微流控芯片作为载体，以降低检测成本、减少扩增时间、降低试剂使用量与交叉污染影响、提高检测精度、提高集成度和便携性。目前针对核酸扩增定量的，大部分微流控芯片由若干反应腔组成，并通过主动或被动输运手段，将样本分配至各个反应腔中进行后续反应，如离心驱动或者注射泵驱动手段。然而，由于反应腔室之间空间相互连通，会造成样本交叉污染，极大降低检测的准确率。为保证反应腔室之间互不影响，目前已有的扩增芯片采用离心转盘式芯片结构，确保每一个反应腔室之间保持较大的有效距离，避免污染。然而，该种方法极大浪费了芯片的有效使用空间。

发明内容

为了解决相关技术中采用离心转盘式芯片结构，极大浪费了芯片的有效使用空间的问题，本申请提供了新型的用于分子检测的芯片结构以及采用该芯片结构进行的检测方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种用于分子检测的芯片结构，其特征在于，所述芯片结构包括从上到下依序设置的第一芯片层、第二芯片层和第三芯片层，以及被用于加载样本的样本池，其中:

所述第一芯片层的下表面形成内凹的空腔结构，所述空腔结构与所述第二芯片层之间形成气路通道；

所述第三芯片层的上表面形成内凹的至少两个反应腔，所述第三芯片层与所述第二芯片层之间形成连通各个反应腔的流体通道；

所述第一芯片层上设置有气体接口，所述气体接口与所述气路通道连通；

所述芯片结构还包括液体接口，所述液体接口贯穿所述第一芯片层、所述第二芯片层且与所述流体通道连通，所述样本池的下端口与所述液体接口对接。

可选的，所述第二芯片层采用透明不透气弹性膜材料，所述第一芯片层和/或所述第三芯片层采用透光性硬质材料。

可选的，所述第二芯片层的下表面和所述第三芯片层的上表面非流体通道和非反应腔的区域处均紧密不可逆键合，所述第一芯片层下表面和所述第二芯片层上表面非气路通道的区域处紧密不可逆键合。

可选的，所述反应腔的深度大于所述流体通道的深度。

可选的，所述反应腔的深度是所述流体通道的深度的3～5倍。

可选的，所述气路通道与所述反应腔一一对应，每个气路通道的宽度大于相对应的反应腔的直径或宽度。

可选的，所述反应腔的体积为10nL～15uL。

可选的，所述芯片结构还包括第一类气体驱动模块和第二类气体驱动模块，所述第一类气体驱动模块被配置为从所述气体通道抽气，所述第二类气体驱动模块被配置为向所述气体通道充气。

可选的，所述第一类气体驱动模块为注射器、拉伸气囊或者真空泵，所述第二气体驱动模块为注射器、挤压气囊或者空气压缩机。

第二方面，本申请还提供了一种用于分子检测的检测方法，所述检测方法采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的芯片结构，所述检测方法包括：

向所述样本池中加入样本液体，利用所述样本液体的自重以及所述芯片结构内各通道的毛细力使所述样本液体通过所述液体接口流入至所述流体通道；

从所述气体接口处抽取所述气路通道内的气体，使所述第二芯片层产生向上的形变，促使所述流体通道内的液体进入所述反应腔；

在样本液体加载停止后，从所这气体接口处向所述气路通道充气，使所述第二芯片层产生向下的形变，以将各个反应腔密封。

通过上述记载，本申请提供的技术方案至少可以实现如下有益效果：

芯片结构通过可变形的第二芯片层并与气路通道配合，可以实现向反应腔内注入液体，也可以实现在注入液体后，通过气路通道让第二芯片层发生变形，以密封住反应腔，具备低成本、驱动与自封一体等优势，可极大降低芯片的空间消耗并简化芯片驱动方式，为进一步提高检测设备的集成度与小型化提供选择。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的用于分子检测的芯片结构的剖面示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的第一芯片层的俯视图；

图3是本申请一个实施例中提供的第三芯片层的俯视图；

图4是本申请一个实施例中提供的用于分子检测的芯片结构组装后的俯视图；

图5是本申请一个实施例中提供的用于分子检测的芯片结构组装后的侧视图；

图6是本申请一个实施例中提供的反应腔内液体自动加载的示意图；

图7是本申请一个实施例中提供的反应腔内自封的示意图。

其中，附图标记如下：

1、第一芯片层；2、第二芯片层；3、第三芯片层；4、样本池；11、气路通道；12、气体接口；31、反应腔；32、流体通道。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例中提供的用于分子检测的芯片结构的剖面示意图，本申请提供的用于分子检测的芯片结构可以包括第一芯片层1、第二芯片层2和第三芯片层3，以及被用于加载样本的样本池4。

第一芯片层1、第二芯片层2和第三芯片层3从上到下依序设置。

这里所讲的样本一般为样本液体。

所述第一芯片层1的下表面形成内凹的空腔结构，所述空腔结构与所述第二芯片层2之间形成气路通道11。可选的，所述第一芯片层1下表面和所述第二芯片层2上表面非气路通道11的区域处紧密不可逆键合。

所述第三芯片层3的上表面形成内凹的至少两个反应腔31，所述第三芯片层3与所述第二芯片层2之间形成连通各个反应腔31的流体通道32。所述第二芯片层2的下表面和所述第三芯片层3的上表面非流体通道32和非反应腔31的区域处均紧密不可逆键合，而第二芯片层2的下表面和所述第三芯片层3的上表面流体通道32处则不键合。

三层芯片层之间的键合可选用超声键合、热压键合、表面粒子轰击键合或者胶层粘合。芯片结构生成可通过精密机械加工、3D打印、热塑成型等工艺实现。

所述第一芯片层1上设置有气体接口12，所述气体接口12与所述气路通道11连通。

所述芯片结构还包括液体接口，所述液体接口贯穿所述第一芯片层1、所述第二芯片层2且与所述流体通道32连通，所述样本池4的下端口与所述液体接口对接。这样，液体加入至样本池4后，通过液体接口会进入至流体通道32内。

在实际应用中，为了避免第一芯片层1和第三芯片层3发生形变，所述第一芯片层1和/或所述第三芯片层3采用透光性硬质材料，比如玻璃、PMMA、PE、PP等；而为了保证通过第二芯片层2对反应腔31进行密封，所述第二芯片层2则采用透明不透气弹性膜材料，比如聚四氟乙烯、PDMS、TPU等。

芯片结构的第一芯片层1、第二芯片层2、第三芯片层3以及样本池4均会与样本液体直接接触，属于一次性使用无菌无核酸无核酸酶耗材，连接方式为不可逆一体化连接。为保证气密性，气体接口12可使用夹持装置施加压力并通过弹性垫圈实现可靠可逆气密连接。

为了保证反应腔31内保留有液体后可以被密封，本申请中的反应腔31的深度通常大于所述流体通道32的深度。可以理解为，流体通道32为第三芯片层3上表面的凹槽，反应腔31也为第三芯片层3上表面的凹槽，但流体通道32所对应的凹槽的深度小于反应腔31所对应的凹槽的深度。

可选的，根据实际待检测物质的种类以及检测目标等因素，反应腔31的深度可以是所述流体通道32的深度的3～5倍，比如反应腔31的深度可以是所述流体通道32的深度的3倍、3.5倍、4倍、4.3倍或5倍等。其中，流体通道32的深度50μm～200um。比如可以为50μm、60μm、120μm或200μm等。

反应腔31的数量大于2个(反应腔31的个数可以根据检测需求进行拓展)，各个反应腔31的深度可以相同，也可以不同，或者至少有部分反应腔31的深度相同。且，各个反应腔31的宽度也可以相同，或者不同，或者有至少部分反应腔31的宽度相同。

在一种可能的实现方式中，为了保证各个反应腔31均可以被密封住，所述气路通道11与所述反应腔31通常一一对应，即一个气路通道11和一个反应腔31上下相对设置，每个气路通道11的宽度大于相对应的反应腔31的直径或宽度。

可选的，可以根据待测试液体的特性等因素确定反应腔31的体积，所述反应腔31的体积可以为10nL～15uL，比如反应腔31的体积可以为10nL、15nL、12uL、13uL、13.5uL或15uL等。

为了可以实现第二芯片层2的形变，本申请提供的芯片结构还可以包括第一类气体驱动模块和第二类气体驱动模块，其中，第一类气体驱动模块被配置为从所述气体通道抽气，所述第二类气体驱动模块被配置为向所述气体通道充气。

这里的第一类气体驱动模块可以为注射器、拉伸气囊或者真空泵等，这里的第二气体驱动模块为注射器、挤压气囊或者空气压缩机等。

与气体接口12连接的第一气体驱动模块或第二气体驱动模块由于不直接接触样本液体，因此均为可重复利用，比如可通过注射泵、气囊、正负压发生装置等手段实现。因此该第一气体驱动模块、第二气体驱动模块与芯片本体为可逆封装，以便实现芯片的拆解和后续使用。

另外，样本池4也可以通过热塑或3D打印工艺实现。

基于图1-图7所示的芯片结构，本申请还提供了采用上述芯片结构的测试方法，可以包括如下步骤：

S1、加样：

在加样的实现中，即向所述样本池4中加入样本液体，可以将样本液体通过注射或滴加的方式加载至液体接口相连的样本池4内，利用所述样本液体的自重以及所述芯片结构内各通道的毛细力使所述样本液体通过所述液体接口流入至所述流体通道32。

S2、反应腔31室液体自动加载：

从所述气体接口12处抽取所述气路通道11内的气体，使所述第二芯片层2产生向上的形变，促使所述流体通道32内的液体进入所述反应腔31。

换句话说，可以在气体接口12处通过注射器抽取、拉伸气囊或者真空泵抽取等方式从气体通道内抽取气体，使第二芯片层2不透气弹性软膜产生向上的形变，由于下部腔室体积增大，内部气压减小，促使流体通道32中的液体自发进入反应腔31。

样本自加载自停止：当样本液体进入样本池4一定体积后，由于液体的填充，内部气压逐渐达到平衡，样本液体加载自动停止，可通过对微流控芯片样本反应腔31以及上方气体通道的尺寸设计精确控制加载样本体积。以上样本自动加载过程完成。

S3、反应腔31室自封：

在样本液体加载停止后，从所这气体接口12处向所述气路通道11充气，使所述第二芯片层2产生向下的形变，以将各个反应腔31密封。

也就是说，在样本液体加载自动停止后，通过注射器注射、挤压气囊或者空气压缩机加压的方式，使第二芯片层2不透气弹性软膜产生向下的形变，直接将连通两个反应腔31的通道物理密封，使得在后续反应过程中各反应腔31彼此独立，互不干扰。

综上所述，本申请提供的用于分子检测的芯片结构及检测方法，通过可变形的第二芯片层并与气路通道配合，可以实现向反应腔内注入液体，也可以实现在注入液体后，通过气路通道让第二芯片层发生变形，以密封住反应腔，具备低成本、驱动与自封一体等优势，可极大降低芯片的空间消耗并简化芯片驱动方式，为进一步提高检测设备的集成度与小型化提供选择。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种用于分子检测的芯片结构，其特征在于，所述芯片结构包括从上到下依序设置的第一芯片层、第二芯片层、第三芯片层、第一类气体驱动模块、第二类气体驱动模块以及被用于加载样本的样本池，其中:

所述第一芯片层的下表面形成内凹的空腔结构，所述空腔结构与所述第二芯片层之间形成气路通道；

所述第三芯片层的上表面形成内凹的至少两个反应腔，所述第三芯片层与所述第二芯片层之间形成连通各个反应腔的流体通道；

所述第一芯片层上设置有气体接口，所述气体接口与所述气路通道连通；

所述芯片结构还包括液体接口，所述液体接口贯穿所述第一芯片层、所述第二芯片层且与所述流体通道连通，所述样本池的下端口与所述液体接口对接；

所述第一类气体驱动模块被配置为从所述气路通道抽气，使所述第二芯片层产生向上的形变，促使所述流体通道内的液体进入所述反应腔；所述第二类气体驱动模块被配置为向所述气路通道充气，使所述第二芯片层产生向下的形变，以将各个反应腔密封。

2.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述第二芯片层采用透明不透气弹性膜材料，所述第一芯片层和/或所述第三芯片层采用透光性硬质材料。

3.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述第二芯片层的下表面和所述第三芯片层的上表面非流体通道和非反应腔的区域处均紧密不可逆键合，所述第一芯片层下表面和所述第二芯片层上表面非气路通道的区域处紧密不可逆键合。

4.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述反应腔的深度大于所述流体通道的深度。

5.根据权利要求4所述的芯片结构，其特征在于，所述反应腔的深度是所述流体通道的深度的3～5倍。

6.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述气路通道与所述反应腔一一对应，每个气路通道的宽度大于相对应的反应腔的直径或宽度。

7.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述反应腔的体积为10nL～15uL。

8.根据权利要求1所述的芯片结构，其特征在于，所述第一类气体驱动模块为注射器、拉伸气囊或者真空泵，所述第二类 气体驱动模块为注射器、挤压气囊或者空气压缩机。

9.一种用于分子检测的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用如权利要求1-8任一所述的芯片结构，所述检测方法包括：

向所述样本池中加入样本液体，利用所述样本液体的自重以及所述芯片结构内各通道的毛细力使所述样本液体通过所述液体接口流入至所述流体通道；

从所述气体接口处抽取所述气路通道内的气体，使所述第二芯片层产生向上的形变，促使所述流体通道内的液体进入所述反应腔；

在样本液体加载停止后，从所这气体接口处向所述气路通道充气，使所述第二芯片层产生向下的形变，以将各个反应腔密封。

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