CN111944679A - 一种pcr微反应室阵列结构及进行混合液封装的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCR微反应室阵列结构及进行混合液封装的方法。所述阵列结构包括底板，盖板，设置在底板和盖板之间的中间层；所述中间层上开设有微反应室，所述盖板上开设有油封腔，与油封腔连通的第一流道和第二流道；每个所述微反应室通过喉道与所述油封腔连通，该喉道的尺寸使得各微反应室的混合液通过油封腔内的密封油彼此隔绝。本发明的阵列结构能将混合液同时加入多个微小反应腔室，并彼此隔绝，然后方便后续进行核酸扩增反应的结构。

Description

一种PCR微反应室阵列结构及进行混合液封装的方法

技术领域

本发明涉及一种PCR微反应室阵列结构及进行混合液封装的方法，属于微流控芯片技术领域。

背景技术

生物芯片技术在近20年得到了快速发展，尤其是微流控技术/新材料技术以及人工智能技术的快速发展，使得生物芯片技术逐渐走向产业化。

目前的PCR芯片大多体积较大，需要的机械动作复杂，一片芯片能同时进行的检测项目较少。比如赛沛公司的基因专家试剂盒（芯片），体积较大，一个试剂盒同时最多只能检测4到6个项目（如美国专利US9322052、专利US9669409）。

目前的PCR微反应室阵列芯片，多需要在检验过程中边抽真空边加混合液（如中国专利申请：CN102277294A），或者将微反应室附近材料设置为透气疏水性材料，在检验前抽真空，然后必须立即进行加液，依靠透气性材料的缓慢吸气能力将混合液吸入微反应室（如中国专利申请：CN103071548A、CN104894106A）。在实际应用场景中，需要额外配置真空泵，抽真空的过程增加了操作人员的工作量。

许多PCR微反应室阵列芯片需要一根或多根细流道联通到每个微反应室，因为流道对空间的占用，不利于微反应室阵列形成较高的密度（如中国专利申请：CN104894106A）。

市场上已有的FILMARRAY芯片，在加完混合液后，需要外部动力按压微反应室阵列上方的薄膜，使薄膜紧贴微反应室阵列上方，堵住每个微反应室的入口，从而对微反应室阵列彼此之间进行彼此隔绝，防止酸扩增反应中的交叉污染（如专利申请：US20180320220A1、CN104507577A），这种方法需要额外的动力来维持长时间的按压动作，比如需要更多的电机。另一方面，该方案因为一面被某机构按压，该面不利于传热和对微反应室内的混合液进行快速温度控制。

FILMARRAY芯片的微反应室阵列由5层薄结构热压键合而成，键合工艺较多。FILMARRAY芯片的微反应室阵列的微反应室的入口由薄膜刺穿而成，厚度较浅，微反应室内的物质更容易溢出，从而造成微反应室之间的污染。

其他的PCR微反应室阵列芯片，多需要边抽真空边加混合液，这需要配置额外的真空泵，增加的操作人员的工作量。还有的PCR微反应室阵列芯片，需要某种特殊的透气性材料来制作，且需要临时抽真空，抽真空过程长达几十分钟到一个小时。这需要配置额外的真空泵，增加的操作人员的工作量和芯片制作的成本。

发明内容

本发明旨在提供一种PCR微反应室阵列结构，该阵列结构能将混合液同时加入多个微小反应腔室，并彼此隔绝，然后方便后续进行核酸扩增反应的结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种PCR微反应室阵列结构，包括底板，盖板，设置在底板和盖板之间的中间层；其结构特点是，所述中间层上开设有多个用于容纳混合液的微反应室，所述盖板上开设有用于容纳密封油的油封腔，与油封腔连通的第一流道和第二流道；

每个所述微反应室通过设置在中间层的喉道与所述油封腔连通，该喉道的尺寸使得微反应室内封装后的混合液不进入油封腔内，油封腔内的密封油不进入微反应室内，各微反应室的混合液通过油封腔内的密封油彼此隔绝；

优选所述喉道直径不大于1.5mm，喉道深度不小于0.1mm；更优选所述喉道直径为0.1mm-1mm，最优选为0.5mm-1mm；更优选所述喉道深度为0.1mm-1mm，最优选为0.5mm-1mm。

本发明可以采用更简单的机械动作来实现微反应室的彼此隔绝。

喉道的深度实质上等同于微反应室与油封腔之间的距离。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了保证油封可靠，在垂直于盖板的方向看，所述油封腔的投影覆盖所述多个微反应室的投影。

所述第一流道内设有第一阀门，所述第二流道内设有第二阀门。

为了保证无外在动力的前提下，混合液能充满各微反应室和喉道，所述第一阀门和第二阀门常闭，且微反应室、喉道和油封腔形成真空腔。这样，需要封装混合液时，打开第一阀门，混合液在负压作用下被吸入并充满各微反应室和喉道。

为了更利于微反应室的温度循环控制，所述PCR微反应室阵列结构由底板、中间层和盖板键合形成三层结构；优选PCR微反应室阵列结构的厚度为2mm-3mm。三层结构可以将PCR微反应室阵列结构做的更薄。

为了制造方便，所述微反应室包括开设在中间层朝向底板一侧的第一孔，所述中间层的第一孔与底板贴合形成所述微反应室。这样微反应室和喉道一起贯通整个中间层。

优选地，所述油封腔为开设在盖板朝向中间层一侧的第二孔，该第二孔为盲孔。这样，目标液体可以通过第一（第二）流道流入油封腔。

在其中一个优选的实施例中，所述微反应室和喉道为一体注塑成型。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的PCR微反应室阵列结构进行混合液封装的方法，其包括如下步骤：

S1、在微反应室内部预先放置有特异性引物，

S2、将微反应室、喉道和油封腔抽真空；

S3、通过第一流道加入混合液，在真空作用下混合液充满微反应室、喉道和油封腔；

S4、通过第二流道加入密封油，密封油进入油封腔并排开油封腔中混合液后充满油封腔，密封油不能进入微反应室，混合液也不能流出微反应室，各微反应室的彼此隔绝。

由此，PCR微反应室阵列结构能将混合液同时加入多个微小反应腔室，并彼此隔绝，然后进行核酸扩增反应的结构。

优选地，所述密封油为矿物油、石蜡油或氟化油。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在较小的空间里，实现混合液的多微反应室加样和彼此隔离。

2、预先对芯片抽真空并封装维持其内真空度，混合液不依靠外部动力源来充满每个微反应室。预先封装，长久保持真空，使用时减少配套设备和操作量。

3、微反应室依靠矿物油实现彼此隔绝，无需其他运动部件或阀门来隔离微反应室。

4、PCR微反应室阵列由三层结构组成，每一层一毫米以内，结构较薄，利于快速控制微室的传热和温度循环。

5、中间层的微反应室和喉道注塑为一体，不需额外键合，微反应室阵列可通过注塑成型，将微反应室阵列的层数从4层以上减少到3层，减少了键合工艺，降低了制作的复杂度和制造成本，便于大规模生产。

6、使用时依靠真空吸入混合液，然后使用矿物油排开油封腔中混合液，密封油充满油封腔，对各微反应室进行隔绝。此外，喉道高度可控，有效避免微反应室内容物的溢出和微反应室之间的污染。

7、本发明减少了生物芯片的体积，通过较简单的机械动作，使用较少的试剂，在一片芯片上同时进行19个以上的检测项目。

8、本发明减少了检测时的对配置的需求，减少操作人员的工作量，降低制作芯片对特殊材料的需求。

9、PCR微反应室阵列使用普通塑料制成，无需特殊透气材料，降低了制造成本。

10、相对于FILMARRAY芯片的微反应室阵列，本发明减少了微反应室阵列的键合复杂度，降低制造成本，便于大规模生产。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1的爆炸图；

图3是图1的纵切面立体示意图；

图4是本发明一个实施例通入混合液的状态图；

图5是本发明一个实施例进行封装的状态图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种PCR微反应室阵列结构，见图1和图2所示，主要由底板1、中间层2和盖板3三层组成，各层之间通过热密封或者胶水键合。如图3所示，中间层2包括微反应室21和喉道22，微反应室21和喉道22为一体注塑成型，中间不存在键合。微反应室21体积在1微升到20微升，在垂直于盖板3的方向看，所述油封腔35的投影覆盖所述多个微反应室21的投影，即油封腔35面积覆盖所有微反应室21。微反应室21内部预先放置有特异性引物。

如图5所示，本实施例的喉道22的尺寸使得微反应室21内封装后的混合液不进入油封腔35内，油封腔35内的密封油不进入微反应室21内，各微反应室21的混合液通过油封腔35内的密封油彼此隔绝。根据大量试验研究发现，所述喉道直径不大于1.5mm，更好的范围为0.1mm-1mm，最好为0.5mm-1mm。所述喉道深度不小于0.1mm，更好的范围为0.1mm-1mm，最好为0.5mm-1mm。

本实施例的PCR微反应室阵列结构由普通塑料注塑制作，如PE、PET和PP，不需要采用特殊的透气疏水性性材料，比如PDMS。

在真空环境下将各层结构键合，并封闭第一阀门31和第二阀门32，PCR微反应室21阵列结构内部保持真空。

如图4所示，打开第一阀门31时，第一阀门31上游的混合液将依靠PCR微反应室21阵列结构内部的真空被吸入微反应室21阵列。

如图5所示，打开第二阀门32，将第二阀门32上游的密封油（本实施例以矿物油为例）挤压入油封腔35，对微反应室21进行彼此隔绝。

如图1和2所示，所述第一流道33内设有第一阀门31，所述第二流道34内设有第二阀门32。所述第一阀门31和第二阀门32常闭，且微反应室21、喉道22和油封腔35形成真空腔。所述微反应室21包括开设在中间层2朝向底板1一侧的第一孔，所述中间层2的第一孔与底板1贴合形成所述微反应室21。微反应室21和喉道22一起贯通所述中间层2。所述油封腔35为开设在盖板3朝向中间层2一侧的第二孔，该第二孔为盲孔。

如图1所示， PCR微反应室阵列结构的三层整体厚度可以控制在2mm-3mm，混合液封装完毕后，PCR微反应室阵列结构的两侧边被加热片夹住，加热片即可对微反应室阵列进行加热和温度循环。

本实施例中的中间层采用塑料制成，最好是采用热变形温度≥100℃的黑色塑料，如PP、PE、PC等。本实施例中的底板和盖板采用塑料制成，最好是热变形温度≥100℃的透明塑料，如PP、PET等。这样，两种塑料的热熔焊接匹配性好，焊接后牢固。而且塑料能做到核酸低吸附性，蛋白低吸附性。

利用上述PCR微反应室阵列结构进行混合液封装的方法，其包括如下步骤：

S1、在微反应室21内部预先放置有特异性引物，

S2、将微反应室21、喉道22和油封腔35抽真空；

S3、打开第一阀门31，第一阀门31上游的混合液因真空被吸入微反应室21阵列，填充满所有微反应室21和其上的油封腔35。

S4、打开第二阀门32，将第二阀门32上游的矿物油压入油封腔35，矿物油进入油封腔35内排开油封腔35内的混合液，从而形成对微反应室21阵列的彼此隔绝。因为喉道22处油水界面张力的存在，油无法进入微反应室21，混合液也无法流出微反应室21。

混合液封装完毕后，通过加热片夹紧该PCR微反应室阵列结构，开始温度循环。

本实施例的微反应室21、喉道22和油封腔35的形状、体积和高度的变化。

本实施例中采用的矿物油可由其他不与混合液相容的液体替代，比如石蜡油、氟化油。

本实施例的PCR微反应室阵列的规模，比如可以是4个微反应室21或者100个微反应室21。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种PCR微反应室阵列结构，包括底板（1），盖板（3），设置在底板（1）和盖板（3）之间的中间层（2）；其特征在于，所述中间层（2）上开设有多个用于容纳混合液的微反应室（21），所述盖板（3）上开设有用于容纳密封油的油封腔（35），与油封腔（35）连通的第一流道（33）和第二流道（34）；

每个所述微反应室（21）通过设置在中间层（2）的喉道（22）与所述油封腔（35）连通，该喉道（22）的尺寸使得微反应室（21）内封装后的混合液不进入油封腔（35）内，油封腔（35）内的密封油不进入微反应室（21）内，各微反应室（21）的混合液通过油封腔（35）内的密封油彼此隔绝；

优选所述喉道（22）直径不大于1.5mm，喉道（22）深度不小于0.1mm；更优选所述喉道（22）直径为0.1mm-1mm，最优选为0.5mm-1mm；更优选所述喉道（22）深度为0.1mm-1mm，最优选为0.5mm-1mm。

2.根据权利要求1所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，在垂直于盖板（3）的方向看，所述油封腔（35）的投影覆盖所述多个微反应室（21）的投影。

3.根据权利要求1所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述第一流道（33）内设有第一阀门（31），所述第二流道（34）内设有第二阀门（32）。

4.根据权利要求1所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述第一阀门（31）和第二阀门（32）常闭，且微反应室（21）、喉道（22）和油封腔（35）形成真空腔。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述PCR微反应室阵列结构由底板（1）、中间层（2）和盖板（3）键合形成三层结构；优选PCR微反应室阵列结构的厚度为2mm-3mm。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述微反应室（21）包括开设在中间层（2）朝向底板（1）一侧的第一孔，所述中间层（2）的第一孔与底板（1）贴合形成所述微反应室（21）。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述油封腔（35）为开设在盖板（3）朝向中间层（2）一侧的第二孔，该第二孔为盲孔。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的PCR微反应室阵列结构，其特征在于，所述微反应室（21）和喉道（22）为一体注塑成型。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的PCR微反应室阵列结构进行混合液封装的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在微反应室（21）内部预先放置有特异性引物，

S2、将微反应室（21）、喉道（22）和油封腔（35）抽真空；

S3、通过第一流道（33）加入混合液，在真空作用下混合液充满微反应室（21）、喉道（22）和油封腔（35）；

S4、通过第二流道（34）加入密封油，密封油进入油封腔（35）并排开油封腔中混合液后充满油封腔，密封油不能进入微反应室（21），混合液也不能流出微反应室（21），各微反应室（21）的彼此隔绝。

10.根据权利要求9所述进行混合液封装的方法，其特征在于，所述密封油为矿物油、石蜡油或氟化油。

Images