CN112705280A - 一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用 - Google Patents

一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用。所述微流控芯片包括相互键合的试剂交换单元和工作单元；所述试剂交换单元的上表面包括试剂槽、产物槽、废液槽和试剂交换槽，所述试剂槽与试剂交换槽通过微通道相连；所述试剂交换单元的下表面包括通过微通道与所述试剂交换槽、产物槽和废液槽相连的凹槽；所述工作单元覆盖所述微通道及凹槽，并与所述凹槽形成微流控芯片的工作区间。将试剂交换单元和工作单元结合，通过试剂交换槽和微通道，在芯片上实现了试剂的自动化交换，减少了试剂的使用量，降低了对人力以及机器的需求，并且将微流控芯片整合成抛弃式耗材，避免了样本之间交叉污染的发生，提高了实验结果的准确性。

Description

一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用
技术领域
本发明涉及生物工程领域，具体涉及一种微流控芯片，尤其涉及一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用。
背景技术
近年来，生物芯片技术得到了快速发展，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。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于微流控芯片在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
为了让微流控芯片的结构设计工作，在使用微流控芯片时，需要将不同的试剂放入芯片内进行反应。但是，微流控芯片在操作过程中通常会涉及许多不同试剂的交换反应，这时候通常需要操作员进行不同的试剂加样换样，或是专门特殊的仪器进行操作，一系列的反应可能多达数十种不同试剂反应操作。该过程在不同试剂加样的过程容易产生冗余试剂的浪费，同时发生试剂污染等问题。
目前，微流控芯片所用试剂多为外部注入加入，在外力驱动作用下，使试剂按照管道流动，例如微量定量取样结构。所述微量定量取样结构包括定量管，使用时，首先将定量管内的空气排除，再利用负压原理从某种容器中定量吸取微量的液体至定量管，然后将定量管移位(移动或是旋转)至指定位置，再利用空气将液体推出定量管，达到取样的目的。
然而，这种微量定量取样结构中，定量和取样为两个独立的环节，定量之后再取样需要移位，因而很难或无法集成在微小的生物芯片中。同时，这种利用空气将液体推出的方式，难免会将空气混合在液体中推出，从而将空气带入生物芯片的反应器内，影响生物芯片对样本的检测结果。
因此，如何让芯片同时具备工作性能以及自动交换不同试剂的功能，是本领域亟需解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于试剂交换的微流控芯片及其使用方法和应用。所述微流控芯片将试剂交换过程转移至芯片上，使用过程中无需再从外部注入试剂，提高了微流控芯片的可操作性，保证了实验结果的准确性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于试剂交换的微流控芯片，所述微流控芯片包括相互键合的试剂交换单元和工作单元；所述试剂交换单元的上表面包括试剂槽、产物槽、废液槽和试剂交换槽，所述试剂槽与试剂交换槽通过微通道相连；所述试剂交换单元的下表面包括通过微通道与所述试剂交换槽、产物槽和废液槽相连的凹槽；所述工作单元覆盖所述微通道及凹槽，并与所述凹槽形成微流控芯片的工作区间。
本发明提供的微流控芯片，将试剂交换过程与反应过程相结合，能够在微流控芯片上实现不同液体的交换与收集，确保每一种液体都能充分地进入微流控芯片进行反应，特殊的结构设计增加了操作过程的解析度、液体控制精度以及避免掉操作过程可能产生的气泡、废液、污染等问题。同时，本发明的结构设计能够简化微流控芯片的加工工艺，将不同的结构结合，提高了芯片加工的稳定性。
本发明中所使用的微通道设计可以依据实际情况进行布局，实现需要交换多种试剂的交换；同时，所述试剂交换槽能够避免试剂转移过程中气泡的产生，还可以在其中将多种所需的试剂进行混匀，同时一并降低了冗余液体的体积。在使用的过程中更加方便和精准，无需精确的仪器进行辅助，即使初次使用的实验人员在实验过程中也不会造成较大的误差。同时，所述工作单元根据所进行的反应进行配置，例如进行单细胞测序样本的制备，所述工作单元具有捕获单细胞的功能。
作为本发明优选的技术方案，所述试剂交换单元的上表面分为左功能区和右功能区，所述左功能区包括产物槽和废液槽，所述右功能区包括至少两个试剂槽。
优选地，所述试剂交换槽设置于右功能区。
作为本发明优选的技术方案，所述产物槽和废液槽的横截面形状相同或不同。
优选地，所述产物槽的横截面形状为矩形。
本发明中，所述产物槽的高度和体积可以根据需求进行设置，例如可以将产物槽的高度设置为5～20mm(例如可以是5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm或20mm等)，体积设置为0.1～10mL(例如可以是0.1mL、0.5mL、1mL、2mL、3mL、5mL、6mL、8mL或10mL等)。
优选地，所述废液槽的横截面形状为圆形或椭圆形。
本发明中，所述废液槽的高度和体积也可以根据需求进行设置，例如可以将废液槽的高度设置为5～20mm(例如可以是5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm或20mm等)，体积设置为0.1～10mL(例如可以是0.1mL、0.5mL、1mL、2mL、3mL、5mL、6mL、8mL或10mL等)。
作为本发明优选的技术方案，所述试剂槽的横截面形状为圆形、矩形、椭圆形、半圆形或梯形中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中，由于实验过程中试剂类型较多，所以需要设计较多个数的试剂槽，为了方便区分，可以从试剂槽的个数、体积或形状等来区分每个试剂槽中装有的试剂类型。本发明中，可以根据实际需要选择试剂槽的个数、体积和形状，例如试剂槽的高度可以是0.1～10mm(例如可以是0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm、8mm或10mm等)，体积可以是0.1～5mL(例如可以是0.1mL、0.5mL、0.8mL、1mL、2mL、3mL、4mL或5mL等)。
作为本发明优选的技术方案，所述试剂交换槽的横截面形状为圆形、矩形、椭圆形、半圆形或梯形中的任意一种或至少两种的组合。
同样的，本发明中所述试剂交换槽作为实现试剂交换的部件，其高度和体积同样可以根据实际实验进行调整，例如试剂交换槽的高度为0.1～10mm(例如可以是0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm、8mm或10mm等)，体积为0.1～10mL(例如可以是0.1mL、0.5mL、1mL、2mL、3mL、5mL、6mL、8mL或10mL等)。
作为本发明优选的技术方案，所述微流控芯片为矩形、圆形、梯形或椭圆形中的任意一种。
优选地，所述工作单元为矩形、圆形、梯形或椭圆形中的任意一种。
本发明中，对所述微流控芯片和工作单元的大小均不做限制，只要能够容纳上述多种类型的试剂槽和微通道即可。
优选地，所述微流控芯片为一体式结构。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的微流控芯片的使用方法，所述使用方法包括：
将反应试剂置于所述微流控芯片的试剂槽中，而后所述反应试剂通过微通道流入试剂交换槽；
再通过微通道将所述试剂交换槽中的反应试剂转移至工作区间，反应，反应完成后将所述工作区间的产物转移至产物槽中得到反应产物。
作为本发明优选的技术方案，所述使用方法中通过加压的方式使所述反应试剂流入试剂交换槽。
优选地，通过抽压或加压的方式使所述试剂交换槽中的反应试剂转移至工作区间。
优选地，通过抽压的方式使所述产物转移至产物槽。
例如，本发明中所述微流控芯片的使用方法可以是：将反应试剂置于所述微流控芯片的试剂槽中，在反应过程中，对所述反应试剂进行加压，所述反应试剂通过微通道流入试剂交换槽；
再对所述微流控芯片的废液槽或产物槽进行抽压，所述试剂交换槽中的反应试剂通过微通道流入工作区间，反应，而后通过抽压将所述工作区间的产物转移至产物槽中得到反应产物。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的微流控芯片在试剂交换反应中的应用。
本发明所述的微流控芯片适用范围较广，基本上所有涉及到试剂交换的反应都可以利用其进行。且根据不同的反应，可以对微流控芯片上各个试剂槽的大小进行适当的调整，即根据应用场景配制合适的微流控芯片。
优选地，所述试剂交换反应包括细胞抓捕、细胞膜裂解、RNA捕获、单细胞测序或药物筛选中的任意一种。
示例性地，本发明提供的微流控芯片可以用于单细胞测序，借由此微流控芯片，可以让不同的试剂依照不同的顺序、速度和体积等条件进入工作区间进行反应，完成单细胞抓捕、裂解、RNA捕获等等一系列需要不同试剂交换的步骤；
示例性的，本发明提供的微流控芯片也可以用于药物筛选，借由此微流控芯片，可以让不同的药物反应试剂依序进入工作区间，检测细胞样品在不同药物治疗下的反应。
上述仅为本发明所述微流控芯片的应用场景举例，总而言之，需要不同试剂反应的体系，够可以借助此微流控芯片进行自动化操作。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的微流控芯片，将试剂交换单元和工作单元结合，并通过试剂交换槽和微通道的设计，在芯片上实现了试剂的自动化交换，预先将微流控芯片检测试剂加入到芯片试剂腔中，使用过程中无需再外部注入试剂，确保了不同试剂在交换过程的精度，并且可对反应试剂进行混合等操作，同时避免了试剂的浪费，降低了对人力以及机器的需求；
(2)本发明所述的微流控芯片制备方法简单，工作单元与试剂交换单元的键合工艺可根据试剂需求进行选择，也可根据需求制作成一体的抛弃式芯片，一体式的可抛弃芯片能够有效避免交叉污染，不仅能简化实验过程，还能提高实验结果的准确性，减少实验过程中的人为误差，重复性较好，增加实验结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明中提供的基于试剂交换的微流控芯片的正视图。
图2为本发明中提供的基于试剂交换的微流控芯片的后视图。
图3为实施例1中提供的微流控芯片的试剂交换单元的结构示意图。
其中，1-试剂交换单元、2-试剂槽、3-废液槽、4-产物槽、5-试剂交换槽，6-工作区间、7-微通道、8-工作单元。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
首先，基于图1和图2，对本发明所提供的微流控芯片的结构进行简单的分析：
所述微流控芯片为一体的抛弃式芯片，包括相互键合的试剂交换单元1和工作单元8；
所述试剂交换单元1的上表面左侧部分包括圆形的矩形的废液槽3和产物槽4；右侧部分包括一个试剂交换槽5和八个试剂槽2，其中四个为大小相同的圆形，三个为两端半圆、中部矩形的形状，剩余一个为矩形。
若将所述试剂交换单元的上表面分为上下两侧，则所述矩形的废液槽3、矩形的试剂槽2以及三个为两端半圆、中部矩形的形状的试剂槽2位于上侧，所述圆形的产物槽4、四个大小相同的试剂槽2与试剂交换槽5位于下侧。
所述试剂槽2均通过微通道7与试剂交换槽5相连，所述试剂交换槽5、产物槽4和废液槽3也通过微通道7与工作区间6相连。
所述工作区间6是工作单元8与试剂交换单元1键合之后，在两个单元之间形成的空间，供反应试剂混合发生反应。
使用本实施例中提供的微流控芯片，在实验过程中所有需要的试剂都可存储在芯片上，能够有效避免试剂转移过程中的交叉污染，同时，微通道的管路设计，避免了管路的污染风险，且依照实验的需求可以进行混合吹打，并实现试剂抽样或注样的连续过程。
实施例1
本发明提供一种基于试剂交换的微流控芯片。所述微流控芯片为一体的抛弃式芯片，包括相互键合的试剂交换单元和工作单元。
其中，所述微流控芯片的试剂交换单元的结构如图3所示。
所述试剂交换单元1的上表面左侧部分包括圆形的产物槽4和矩形的废液槽3；右侧部分包括一个试剂交换槽5和六个试剂槽2，其中四个为大小相同的圆形，其余两个大小不一但是形状相同，均是两端半圆、中部矩形的形状。
若将所述试剂交换单元1的上表面分为上下两侧，则所述矩形的废液槽3、两个大小不同但是形状相同的试剂槽2位于上侧，所述圆形的产物槽4、四个大小相同的试剂槽2与试剂交换槽5位于下侧。
所述微流控芯片的还包括与试剂交换单元键合的工作单元，工作单元与试剂交换单元键合之后，在两个单元之间形成的工作区间，供反应试剂混合发生反应。
实施例2
本实施例提供一种实施例1所述的微流控芯片的使用方法。所述使用方法包括如下步骤：
(1)首先，将试剂交换单元以及工作单元键合，在试剂交换单元对应的槽内放入反应所需要的试剂；
所述微流控芯片上一共可放入6种不同的反应试剂，且可根据反应试剂的体积选择相应的试剂槽；
(2)然后，对所需要的试剂进行加压，试剂依循着试剂交换单元底部的微通道流到试剂交换槽，而后对废液槽或产物槽进行抽压，试剂交换槽中的反应试剂就会流入工作区间。
(3)依照所需要的试剂种类，重复上述步骤，完成不同试剂的抽压和注压过程，对微流控芯片执行一个连续的换样过程，直至反应完成。
实施例3
本实施例中，使用实施例1提供的微流控芯片进行单细胞样本制备实验。具体步骤如下：
先在各试剂槽中放入对应需要的反应试剂，包括细胞样品、冲洗液、裂解液和分子标记；
而后，细胞样品进入工作区间中，工作单元抓捕单细胞，接着冲洗液进入工作区间，冲洗不必要的杂质分子；
而后分子标记进入，在每个单细胞上加上标记；
裂解液进入工作区间后，将细胞内的核酸提取出来，最后把产物回收到产物槽中，完成操作。
需要说明的是，本发明中，只要涉及不同试剂交换的反应，都可以利用此涉及思路完成自动化的试剂交换。因此，微流控芯片的槽的个数、形状、体积等等均不受限，例如，在建库流程中常需要建库磁珠、PBS缓冲液、无水乙醇等试剂，同时还要使用试剂对产物进行反复冲洗，便可以依据此设计原理进行自动化操作；同时，如果要整合流程或者提高通量，也可以借由提高芯片试剂的置放槽数量和体积，达到相同的效果。
综上所述，本发明提供的基于试剂交换的微流控芯片应用场景广泛，将试剂交换单元和工作单元结合，并通过试剂交换槽和微通道的设计，在芯片上实现了试剂的自动化交换，确保了不同试剂在交换过程的精度，避免了试剂的浪费，降低了对人力以及机器的需求；同时，根据需求制作成一体的抛弃式芯片，能够有效避免交叉污染。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于试剂交换的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括相互键合的试剂交换单元和工作单元；
所述试剂交换单元的上表面包括试剂槽、产物槽、废液槽和试剂交换槽，所述试剂槽与试剂交换槽通过微通道相连；
所述试剂交换单元的下表面包括通过微通道与所述试剂交换槽、产物槽和废液槽相连的凹槽；
所述工作单元覆盖所述微通道及凹槽，并与所述凹槽形成微流控芯片的工作区间。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述试剂交换单元的上表面分为左功能区和右功能区，所述左功能区包括产物槽和废液槽，所述右功能区包括至少两个试剂槽；
优选地，所述试剂交换槽设置于右功能区。
3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，所述产物槽和废液槽的横截面形状相同或不同；
优选地，所述产物槽的横截面形状为矩形。
4.根据权利要求1～3任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述废液槽的横截面形状为圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1～4任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述试剂槽的横截面形状为圆形、矩形、椭圆形、半圆形或梯形中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1～5任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述试剂交换槽的横截面形状为圆形、矩形、椭圆形、半圆形或梯形中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1～6任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片的形状为矩形、圆形、梯形或椭圆形中的任意一种；
优选地，所述工作单元为矩形、圆形、梯形或椭圆形中的任意一种；
优选地，所述微流控芯片为一体式结构。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的微流控芯片的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：
将反应试剂置于所述微流控芯片的试剂槽中，而后所述反应试剂通过微通道流入试剂交换槽；
再通过微通道将所述试剂交换槽中的反应试剂转移至工作区间，反应，反应完成后将所述工作区间的产物转移至产物槽中得到反应产物。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述使用方法中通过加压的方式使所述反应试剂流入试剂交换槽；
优选地，通过抽压或加压的方式使所述试剂交换槽中的反应试剂转移至工作区间；
优选地，通过抽压的方式使所述产物转移至产物槽。
10.如权利要求1～7任一项所述的微流控芯片在试剂交换反应中的应用；
优选地，所述试剂交换反应包括细胞抓捕、细胞膜裂解、RNA捕获、单细胞测序或药物筛选中的任意一种。
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