CN112121875A - 一种便于液滴平铺的微流控芯片 - Google Patents

一种便于液滴平铺的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种便于液滴平铺的微流控芯片，包括芯片本体、密封层、以及设于所述芯片本体上的若干PCR反应单元；每一PCR反应单元均包括设于芯片本体表面的微通道，以及经微通道彼此连通的样本储存区、第一油相池、液滴生成区、液滴过渡区、液滴平铺区和收集区；所述密封层布置于芯片本体表面，用于将微通道密封。本发明在液滴生成时不是直接平铺于液滴平铺区，而是先收集在第一油相池中，然后通过液滴过渡区分配到液滴平铺区中，与现有的芯片相比，这种设计解决了液滴生成过程中，即使产生了气泡，也不干扰液滴平铺，同时，也解决了液滴生成过程中缺油的问题。

Description

一种便于液滴平铺的微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种便于液滴平铺的微流控芯片。
背景技术
现有微滴式数字PCR系统多采用分体式技术路线，即液滴生成、PCR反应和液滴检测分别在不同仪器上完成，该技术路线操作步骤繁琐，难以做到全流程封闭操作，不符合临床诊断分析要求，制约了该技术的临床应用。而随着微流控芯片技术的不断发展，越来越多的人员采用微流控芯片实现液滴生成、液滴存储和平铺、PCR热循环和荧光成像检测等全流程操作，但现有的微流控芯片在操作时，基本都是一边生成液滴，一边对其进行平铺，易缺油及产生气泡，进而影响检测精度，同时，操作起来也极为不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种便于液滴平铺的微流控芯片，该芯片在液滴生成时不是直接平铺于液滴平铺区，而是先收集在第一油相池中，然后通过液滴过渡区分配到液滴平铺区中，与现有的芯片相比，这种设计解决了液滴生成过程中，即使产生了气泡，也不干扰液滴平铺，同时，也解决了液滴生成过程中缺油的问题。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种便于液滴平铺的微流控芯片，包括芯片本体、密封层、以及设于所述芯片本体上的若干PCR反应单元；每一PCR反应单元均包括设于芯片本体表面的微通道，以及经微通道彼此连通的样本储存区、第一油相池、液滴生成区、液滴过渡区、液滴平铺区和收集区；所述密封层布置于芯片本体表面，用于将微通道密封；所述样本储存区用于注入样本相，第一油相池及收集区用于注入连续相；所述液滴生成区用于将样本相通过连续相形成若干液滴，且若干液滴经液滴过渡区平铺于液滴平铺区以进行PCR反应及光学检测。
进一步地，所述芯片本体包括芯片上层和芯片下层；所述样本储存区、第一油相池及收集区设置于芯片本体的芯片上层，液滴生成区、液滴过渡区和液滴平铺区设置于芯片本体的芯片下层。
进一步地，所述样本储存区包括布置于芯片上层的第一加样杯，以及开设于第一加样杯内的第一加样孔；所述第一加样孔贯通至芯片下层并与液滴生成区连通。
进一步地，所述液滴生成区包括设于芯片下层并与第一加样孔连通的样本相入口、与样本相入口连通的第一加样通道、与第一加样通道连通的第一缓存通道，以及与第一缓存通道连通的若干样本相分支通道；所述若干样本相分支通道还均与液滴过渡区连通。
进一步地，每一样本相分支通道的两端还均设有一喇叭口，每一样本相分支通道经两喇叭口连通于第一缓存通道与液滴过渡区之间。
进一步地，所述液滴过渡区包括开设于芯片下层的第一储存槽，第一油相池包括布置于芯片上层的第一注油杯，以及开设于第一注油杯内并贯通至第一储存槽内的第一注油孔。
进一步地，所述液滴平铺区包括开设于芯片下层并与第一储存槽连通的第二储存槽，以及布置于第二储存槽内的第一过滤区。
进一步地，所述第一储存槽的深度大于或等于1.5倍的第二储存槽的深度，第二储存槽的深度大于或等于1.2倍的液滴的直径。
进一步地，所述收集区包括布置于芯片上层的第二注油杯、开设于第二注油杯内并贯通至芯片下层的第二注油孔，以及用于将第二注油孔与第二储存槽连通的第一注油通道。
进一步地，所述芯片下层还设有第二过滤区，第二过滤区连通于第一注油通道与第二储存槽之间。
采用上述方案，本发明的有益效果是：
1)第一油相池采用开放式设计，可在液滴生成时加油，可确保其不缺油，从而可保证生成的液滴大小均一，同时，第一油相池上方保持透气，从而使得液滴生成过程中产生的气泡全部上浮至第一油相池上方，进而保证气泡不流入至液滴平铺区；
2)可以在使用前通过第一油相池和收集区加油，进而无需对芯片预先填充油，便于运输及保存；
3)位于芯片上层的第一加样杯、第一注油杯和第二注油杯与位于芯片下层的微通道一体注塑成型，然后再经密封层一次封接成型，一方面可保证微通道的密封良好性、另一方面可以大大降低注塑成本，减少芯片生产的工艺流程。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为图1的另一视角的立体图；
图3为本发明的PCR反应单元的局部放大立体图；
图4为本发明的液滴生成区的局部放大立体图；
图5为本发明的收集区及第二过滤区的局部放大立体图；
图6为本发明的局部剖视图；
其中，附图标识说明：
1—芯片本体； 2—样本储存区；
3—第一油相池； 4—液滴生成区；
5—液滴过渡区； 6—液滴平铺区；
7—收集区； 8—第二过滤区；
11—芯片上层； 12—芯片下层；
21—第一加样杯； 22—第一加样孔；
31—第一注油杯； 32—第一注油孔；
41—样本相入口； 42—第一加样通道；
43—第一缓存通道； 44—样本相分支通道；
51—第一储存槽； 61—第二储存槽；
62—第一过滤区； 71—第二注油杯；
72—第二注油孔； 73—第一注油通道；
441—喇叭口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
参照图1至6所示，本发明提供一种便于液滴平铺的微流控芯片，包括芯片本体1、密封层、以及设于所述芯片本体1上的若干PCR反应单元；每一PCR反应单元均包括设于芯片本体1表面的微通道，以及经微通道彼此连通的样本储存区2、第一油相池3、液滴生成区4、液滴过渡区5、液滴平铺区6和收集区7；所述密封层布置于芯片本体1表面，用于将微通道密封；所述样本储存区2用于注入样本相，第一油相池3及收集区7用于注入连续相；所述液滴生成区4用于将样本相通过连续相形成若干液滴，且若干液滴经液滴过渡区5平铺于液滴平铺区6以进行PCR反应及光学检测。
其中，所述芯片本体1包括芯片上层11(芯片上表面)和芯片下层12(芯片下表面)；所述样本储存区2、第一油相池3及收集区7设置于芯片本体1的芯片上层11，液滴生成区4、液滴过渡区5和液滴平铺区6设置于芯片本体1的芯片下层12；所述样本储存区2包括布置于芯片上层11的第一加样杯21，以及开设于第一加样杯21内的第一加样孔22；所述第一加样孔22贯通至芯片下层12并与液滴生成区4连通；所述液滴生成区4包括设于芯片下层12并与第一加样孔22连通的样本相入口41、与样本相入口41连通的第一加样通道42、与第一加样通道42连通的第一缓存通道43，以及与第一缓存通道43连通的若干样本相分支通道44；所述若干样本相分支通道44还均与液滴过渡区5连通。
每一样本相分支通道44的两端还均设有一喇叭口441，每一样本相分支通道44经两喇叭口441连通于第一缓存通道43与液滴过渡区5之间；所述液滴过渡区5包括开设于芯片下层12的第一储存槽51，第一油相池3包括布置于芯片上层11的第一注油杯31，以及开设于第一注油杯31内并贯通至第一储存槽51内的第一注油孔32；所述液滴平铺区6包括开设于芯片下层12并与第一储存槽51连通的第二储存槽61，以及布置于第二储存槽61内的第一过滤区62；所述第一储存槽51的深度大于或等于1.5倍的第二储存槽61的深度，第二储存槽61的深度大于或等于1.2倍的液滴的直径；所述收集区7包括布置于芯片上层11的第二注油杯71、开设于第二注油杯71内并贯通至芯片下层12的第二注油孔72，以及用于将第二注油孔72与第二储存槽61连通的第一注油通道73；所述芯片下层12还设有第二过滤区8，第二过滤区8连通于第一注油通道73与第二储存槽61之间。
本发明工作原理：
继续参照图1至6所示，本实施例中，该芯片本体1上设置了四组相互独立的PCR反应单元，且四组PCR反应单元平行间隔排列，每一PCR反应单元分别对应一个样本，可单独完成液滴生成、液滴存储和液滴平铺、PCR热循环和荧光成像检测等全部流程，工作效率高，同时，可根据实际使用需求，自由设置PCR反应单元的数量，在此不作限制；密封层可为薄膜，其厚度小于1mm，可采用粘接、焊接、热压键合及化学键合等方式将其封接于芯片下层12表面，进而将微通道密封，可保证密封的紧密性；现以其中一PCR反应单元进行原理性说明，其他PCR反应单元工作原理一致。
如图3至6所示，可通过第一加样杯21内的第一加样孔22注入样本相，样本相流入至样本相入口41，然后再经第一加样通道42流入至第一缓存通道43；本实施例中，第一缓存通道43的横截面呈弧形构造，且其弧形开口朝向液滴平铺区6的方向布置；若干样本相分支通道44连通于第一缓存通道43与液滴过渡区5的第一储存槽51之间，每一样本相分支通道44的两端还各设有一喇叭口441，其喇叭口441是两侧具有对称开口的“<”形或者是单斜边开口的“∠”形，喇叭口441的角度大于5°，样本相在经过喇叭口441流入至储存有连续相(油)的第一油相池3内时，在压差、表面张力的作用下(阶梯乳化原理)断裂成一个一个大小一致的液滴，然后被包裹于油中，储存于第一油相池3内；本实施中，样本相分支通道44的数量设置为8个，其设置的数量越多，则生成的液滴的效率就越高；第一油相池3采用开放式的设计，在液滴生成的过程中，第一油相池3的上方保持透气，从而使得液滴生成过程中产生的气泡全部上浮至第一油相池3上方(采用的油的密度比水轻，进而可保证液滴下沉，气泡上浮)，进而保证气泡不流入至液滴平铺区6；液滴生成后，会首先储存于第一油相池3内，然后再经液滴过渡区5的第一储存槽51均匀地流入至液滴平铺区6的第二储存槽61内，为保证实现单层液滴的平铺及液滴均匀快速的从液滴过渡区5平铺至液滴平铺区6，将液滴过渡区5的第一储存槽51深度设计为大于或等于1.5倍的第二储存槽61的深度，将液滴平铺区6的第二储存槽61的深度设计为大于或等于1.2倍的液滴的直径，从而可保证单层液滴平铺；液滴平铺至液滴平铺区6后，可从芯片本体1设有薄膜的一面对其进行加热，进而实现对液滴平铺区6内的液滴进行PCR热循环，在完成PCR热循环后，可再对其进行荧光成像检测；液滴平铺区6内的第一过滤区62和连通于第一注油通道73与液滴平铺区6之间的第二过滤区8均包括若干微柱，其可以拦截杂质。
本发明的工作步骤为：
1)首先经第二注油杯71的第二注油孔72向其内部加油，油相迅速充满整个液滴平铺区6；
2)然后经第一油相池3的第一注油孔32向第一注油杯31中再加入油，经第一加样孔22向第一加样杯21中加入样本相，在压力作用下，样本相经过液滴生成区4的若干样本相分支通道44，通过阶梯乳化原理生成大小一致的液滴流至液滴过渡区5；
3)生成的液滴(样本相被油包裹)首先存储于第一油相池3内，并通过液滴过渡区5均匀而快速地进入液滴平铺区6，实现单层液滴的平铺；
4)从芯片本体1设有薄膜的一面对其进行加热，进而实现对液滴平铺区6内的液滴进行PCR热循环，在完成PCR热循环后，可再对其进行荧光成像检测。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体、密封层、以及设于所述芯片本体上的若干PCR反应单元；每一PCR反应单元均包括设于芯片本体表面的微通道，以及经微通道彼此连通的样本储存区、第一油相池、液滴生成区、液滴过渡区、液滴平铺区和收集区；所述密封层布置于芯片本体表面，用于将微通道密封；所述样本储存区用于注入样本相，第一油相池及收集区用于注入连续相；所述液滴生成区用于将样本相通过连续相形成若干液滴，且若干液滴经液滴过渡区平铺于液滴平铺区以进行PCR反应及光学检测。
2.根据权利要求1所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体包括芯片上层和芯片下层；所述样本储存区、第一油相池及收集区设置于芯片本体的芯片上层，液滴生成区、液滴过渡区和液滴平铺区设置于芯片本体的芯片下层。
3.根据权利要求2所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述样本储存区包括布置于芯片上层的第一加样杯，以及开设于第一加样杯内的第一加样孔；所述第一加样孔贯通至芯片下层并与液滴生成区连通。
4.根据权利要求3所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成区包括设于芯片下层并与第一加样孔连通的样本相入口、与样本相入口连通的第一加样通道、与第一加样通道连通的第一缓存通道，以及与第一缓存通道连通的若干样本相分支通道；所述若干样本相分支通道还均与液滴过渡区连通。
5.根据权利要求4所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，每一样本相分支通道的两端还均设有一喇叭口，每一样本相分支通道经两喇叭口连通于第一缓存通道与液滴过渡区之间。
6.根据权利要求4所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述液滴过渡区包括开设于芯片下层的第一储存槽，第一油相池包括布置于芯片上层的第一注油杯，以及开设于第一注油杯内并贯通至第一储存槽内的第一注油孔。
7.根据权利要求6所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述液滴平铺区包括开设于芯片下层并与第一储存槽连通的第二储存槽，以及布置于第二储存槽内的第一过滤区。
8.根据权利要求7所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述第一储存槽的深度大于或等于1.5倍的第二储存槽的深度，第二储存槽的深度大于或等于1.2倍的液滴的直径。
9.根据权利要求8所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述收集区包括布置于芯片上层的第二注油杯、开设于第二注油杯内并贯通至芯片下层的第二注油孔，以及用于将第二注油孔与第二储存槽连通的第一注油通道。
10.根据权利要求9所述的便于液滴平铺的微流控芯片，其特征在于，所述芯片下层还设有第二过滤区，第二过滤区连通于第一注油通道与第二储存槽之间。
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