CN112795989A - 微滴式数字聚合酶链式反应芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其中，微滴式数字聚合酶链式反应芯片包括微滴结构、微滴收集结构以及流道结构，微滴结构形成有间隔的样品腔和储油腔，微滴收集结构包括安装于微滴结构下方的微滴收集管，微滴收集管内形成有收集腔，流道结构设于微滴结构，流道结构的出口连通收集腔，流道结构的入口包括第一入口和第二入口，第一入口连通储油腔的下端，第二入口连通样品腔的下端，流道结构的入口分别连通样品腔的下端和储油腔的下端，有助于样品和油品在重力的作用下进入流道结构，以在流道结构的作用下形成包裹有样品的微滴，流道结构的出口连通的收集腔，以使微滴通过流道结构流入收集腔，整个过程无需移液。

Description

微滴式数字聚合酶链式反应芯片

技术领域

本发明涉及聚合酶链式反应技术领域，特别涉及一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片。

背景技术

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是一种分子生物学技术，可以实现体外扩增特定的DNA片段，被广泛用于生物学基础研究、临床诊断、基因组学、微生物检测、法医学等领域。数字PCR是基于传统PCR技术发展起来的第三代PCR技术，基本原理是将一个标准PCR反应分配到大量微小的反应单元中，在每个反应单元中包含或不包含一个或多个拷贝的目标分子（DNA模板），对目标分子进行PCR扩增，PCR扩增结束后对反应单元的荧光信号进行统计学分析，计算出原始样本中的模板拷贝数。数字PCR技术不需要使用标准曲线，便可以实现核酸分子的绝对定量检测。该技术具有更高的灵敏度和准确度，在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测和拷贝数变异检测等方面均得到了广泛应用。

目前根据样品划分方式的不同，数字PCR技术主要包括三类，分别是大规模集成微流控、微腔式和微滴式的数字PCR系统，其中，微滴式数字PCR采用油包水技术将样品划分为微液滴，微滴的尺寸、数量精确可调，相较于其他两种数字PCR技术，微滴式数字PCR技术具有灵活可控和易于实现高通量的特点，是目前主流的数字PCR技术，如Bio-Rad公司的QX100^TM/QX200^TM数字PCR系统、新羿生物公司的TD-1数字PCR系统等，但是，上述微滴式数字PCR的样品划分和扩增等功能的集成化和自动化程度不高，需要使用多个芯片才能实现这些功能，以致操作过程中需要进行多次移液，容易造成微滴融合、破碎以及交叉污染等问题，进而影响检测结果的精确度和灵敏度。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片，旨在解决现有的微滴式数字聚合酶链式反应系统集成化程度不高的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片，包括：

微滴结构，形成有间隔的样品腔和储油腔。

微滴收集结构，包括安装于所述微滴结构下方的微滴收集管，所述微滴收集管内形成有收集腔。

以及，流道结构，设于所述微滴结构，所述流道结构的出口连通所述收集腔，所述流道结构的入口包括第一入口和第二入口，所述第一入口连通所述储油腔的下端，所述第二入口连通所述样品腔的下端。

可选地，所述微滴结构包括微滴生成板以及安装于所述微滴生成板上端的微滴输送板。

所述流道结构包括相互连通且分别设于所述微滴生成板与所述微滴输送板的微滴生成流道与微滴输送流道。

其中，所述微滴收集管安装于所述微滴输送板的下方。

所述微滴生成流道远离所述微滴输送流道的端口对应为所述流道结构的入口，所述微滴输送流道远离所述微滴生成流道的端口对应为所述流道结构的出口。

可选地，所述微滴输送流道包括沿所述微滴输送板延展方向延伸的第一输送流道，以及沿所述微滴输送板厚度方向延伸的第二输送流道，所述第一输送流道和所述第二输送流道的一端相互连通，所述第一输送流道的入口与所述微滴生成流道相连通，所述第二输送流道的出口对应为所述流道结构的出口。

可选地，所述第一输送流道的出口位于其入口的上方，沿所述第一输送流道的入口朝向其出口的方向上，所述第一输送流道呈倾斜向上设置。

可选地，所述第一输送流道与水平方向的夹角为α，其中，5°≦α≦85°。

可选地，所述第二输送流道的内壁安装有引流棒。

可选地，所述引流棒伸入至所述微滴收集管内，所述引流棒的侧表面与所述微滴收集管内壁的距离为S，其中，0.5mm≦S≦1.5mm。

可选地，所述微滴输送板的上端面设有容置槽，所述容置槽用以连通外界的负压装置的负压管路。

所述第二输送流道的入口向上贯穿所述容置槽的底壁设置。

可选地，所述微滴输送板包括板体以及设于所述板体下端面的安装凸台，所述微滴输送流道的出口开设于所述安装凸台的下端面。

所述微滴收集管套设于所述安装凸台外。

所述安装凸台的外侧面设有安装槽，所述安装槽内设有密封圈，用以密封所述微滴收集管与所述安装凸台之间的配合面。

可选地，所述样品腔、所述储油腔、所述微滴收集结构以及所述流道结构一一对应设置为微滴收集组件，所述微滴收集组件设置多个。

本发明的技术方案中，所述微滴结构形成有间隔的样品腔和储油腔，所述微滴收集结构包括安装于所述微滴结构下方的微滴收集管，所述微滴收集管内形成有收集腔，所述流道结构的入口分别连通所述样品腔的下端和所述储油腔的下端，有助于样品和油品在重力的作用下进入所述流道结构，样品在所述流道结构中被剪切后分散进油品中，以在所述流道结构的作用下形成包裹有样品的微滴，所述流道结构的出口连通的所述收集腔，以使微滴通过所述流道结构流入所述收集腔，然后直接原位扩增，整个过程无需移液，避免了移液造成的微滴融合、破碎或者交叉污染等问题，提高了微滴的利用率，同时减少了人工操作，提高了所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片的集成化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的微滴式数字聚合酶链式反应芯片的一实施例的立体结构示意图。

图2为图1中的微滴式数字聚合酶链式反应芯片的主视结构示意图。

图3为图1中的微滴生成板的立体结构示意图。

图4为图1中的微滴生成板（隐藏盖板）的仰视结构示意图。

图5为图1中的微滴式数字聚合酶链式反应芯片（隐藏微滴生成板）的立体结构示意图。

图6为图1中的微滴式数字聚合酶链式反应芯片（隐藏微滴生成板）的剖视结构示意图。

图7为图1中的微滴式数字聚合酶链式反应芯片的分解结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

现有的微滴式数字PCR的样品划分和扩增等功能的集成化和自动化程度不高，需要使用多个芯片才能实现这些功能，以致操作过程中需要进行多次移液，容易造成微滴融合、破碎以及交叉污染等问题，进而影响检测结果的精确度和灵敏度。

鉴于此，本发明提供一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其中，图1至图7为本发明提供的微滴式数字聚合酶链式反应芯片的一实施例的结构示意图。

请参阅图1和图2，所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100包括微滴结构1、微滴收集结构2以及流道结构3，所述微滴结构1形成有间隔的样品腔111和储油腔112，所述微滴收集结构2包括安装于所述微滴结构1下方的微滴收集管21，所述微滴收集管21内形成有收集腔211，所述流道结构3设于所述微滴结构1，所述流道结构3的出口连通所述收集腔211，所述流道结构3的入口包括第一入口和第二入口，所述第一入口连通所述储油腔112的下端，所述第二入口连通所述样品腔111的下端。

本发明的技术方案中，所述微滴结构1形成有间隔的样品腔111和储油腔112，所述微滴收集结构2包括安装于所述微滴结构1下方的微滴收集管21，所述微滴收集管21内形成有收集腔211，所述流道结构3的入口分别连通所述样品腔111的下端和所述储油腔112的下端，有助于样品和油品在重力的作用下进入所述流道结构3，样品在所述流道结构3中被剪切后分散进油品中，以在所述流道结构3的作用下形成包裹有样品的微滴，所述流道结构3的出口连通的所述收集腔211，以使微滴通过所述流道结构3流入所述收集腔211，然后直接原位扩增，整个过程无需移液，避免了移液造成的微滴融合、破碎或者交叉污染等问题，提高了微滴的利用率，同时减少了人工操作，提高了所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100的集成化程度。

进一步地，请参阅图3至图5，所述微滴结构1包括微滴生成板11以及安装于所述微滴生成板11上端的微滴输送板12，所述流道结构3包括相互连通且分别设于所述微滴生成板11与所述微滴输送板12的微滴生成流道31与微滴输送流道32，其中，所述样品腔111和所述储油腔112设于所述微滴生成板11的上端面，所述微滴收集管21安装于所述微滴输送板12的下方，所述微滴生成流道31远离所述微滴输送流道32的端口对应为所述流道结构3的入口，所述微滴输送流道32远离所述微滴生成流道31的端口对应为所述流道结构3的出口，如此设置，样品和油品通过设于所述微滴生成板11上的微滴生成流道31形成包裹有样品的微滴，并通过设于所述微滴输送板12的所述微滴输送流道32将生成的微滴输送至所述微滴收集结构2，微滴从形成到流入所述微滴收集结构2整个过程无需中间移液，同时所述微滴输送板12设于所述微滴生成板11的上端，有助于避免微滴在输运。

需要说明的是，所述微滴生成流道31生成微滴的结构有多种实施方式，例如可以是T型结构或者是流动聚集结构等，本申请中对此不作限制。

需要说明的是，所述微滴输送板12有多种实施方式安装于所述微滴生成板11，例如可以通过螺栓安装，也可以通过粘接安装等，本申请中对此不作限制。

进一步地，请参阅图6，所述微滴输送流道32包括沿所述微滴输送板12延展方向延伸的第一输送流道321，以及沿所述微滴输送板12厚度方向延伸的第二输送流道322，所述第一输送流道321和所述第二输送流道322的一端相互连通，所述第一输送流道的入口与所述微滴生成流道31相连通，所述第二输送流道322的出口对应为所述流道结构3的出口，如此设置，通过相互连通的所述第一输送流道321与所述第二输送流道322，将微滴的流动方向从水平向流道改变为竖直向流动，以便于所述微滴收集结构2收集微滴。

进一步地，由于微滴在流动过程中，在表面张力以及壁粘附力的作用下，两侧的流速会快于中间的流速，导致流动过程中容易形成气泡，而气泡在PCR扩增过程中会不断膨胀收缩，造成液滴融合和破碎，对微滴扩增和荧光检测产生影响，具体地，在本申请中，所述第一输送流道321的出口位于其入口的上方，沿所述第一输送流道321的入口朝向其出口的方向上，所述第一输送流道321呈倾斜向上设置，如此设置，所述第一输送流道321的出口位于其入口的上方，既有助于微滴在气泡的推动下向上流动，也有助于气泡在所述第二输送流道中释放，从而避免气泡影响后续扩增，进一步地，所述第一输送流道321与水平方向的夹角为α，其中，5°≦α≦85°。

为了便于微滴沿所述第二输送流道322流入所述微滴收集结构2，请参阅图6，所述第二输送流道322的内壁安装有引流棒4，如此设置，通过所述引流棒4，减小表面张力对微滴流动的影响，便于微滴进入所述微滴收集结构2，减少微滴损失，提高微滴的利用率。

进一步地，如果S偏小，当微滴流至引流棒4底部时，在毛细作用下微滴将进入引流棒4和所述微滴收集管21之间的间隙，造成微滴损失，所述引流棒4伸入至所述微滴收集管21内，所述引流棒4的侧表面与所述微滴收集管21内壁的距离为S，其中，0.5mm≦S≦1.5mm，如此设置，在避免微滴流入所述引流棒4与所述微滴收集管21之间的间隙，从而保证微滴顺利流入所述收集腔211。

为了驱动微滴沿所述流道结构3流动，所述微滴输送板12的上端面设有容置槽124，所述容置槽124用以连通外界的负压装置的负压管路，所述第二输送流道322的入口向上贯穿所述容置槽124的底壁设置，如此设置，通过所述微滴输送板12上端面的所述容置槽124，将所述流道结构3与外界负压装置连通，以驱动样品与油品进入所述微滴生成流道31形成微滴，并驱使微滴沿所述微滴输送流道32流入所述微滴收集结构2。

需要说明的是，所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100有多种驱动方式，例如可以是在所述样品腔111和所述储油腔112的上方采用正压驱动，也可以本实施例中采用负压驱动，本申请中对此不作限制。

需要说明的是，为了便于对所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100进行操作，所述样品腔111、所述储油腔112以及所述容置槽124的上端面呈平齐设置，进一步地，为了避免污染，所述样品腔111、所述储油腔112以及所述容置槽124的上端面需要进行密封。

为了将所述微滴收集结构2安装于所述微滴输送板12，请参阅图6和图7，所述微滴输送板12包括板体121以及设于所述板体121下端面的安装凸台122，所述微滴输送流道32的出口开设于所述安装凸台122的下端面，所述微滴收集管21套设于所述安装凸台122外，所述安装凸台122的外侧面设有安装槽，所述安装槽内设有密封圈123，用以密封所述微滴收集管21与所述安装凸台122之间的配合面，如此设置，通过设于所述板体121下端面的所述安装凸台122以及所述安装槽配合，即可将所述微滴收集结构2安装于所述微滴输送板12，同时通过所述密封圈123密封所述微滴收集管21与所述安装凸台122之间的配合面，防止在PCR扩增过程中微滴和油出现挥发。

为了使得所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100能够同时处理多组样品，所述样品腔111、所述储油腔112、所述微滴收集结构2以及所述流道结构3一一对应设置为微滴收集组件，所述微滴收集组件设置多个，如此设置，通过设置多个所述微滴收集组件以使所述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100能够同时处理多组样品。

需要说明的是，所述微滴收集组件的数量可以根据需要进行设置，以满足不同应用场景中对样品通量的具体要求。

本发明提供的微滴式数字聚合酶链式反应芯片100，其制备方法包括以下步骤：

模具制作，制作微滴结构1的成型用金属模具。

注塑成型，利用金属模具和注塑机，制作硬质聚合物材质的微滴结构1。

封装键合，将注塑成型的微滴生成板11与盖板贴合在一起，形成密闭微流道；将引流棒4与微滴输运板粘接在一起；将密封圈123和微滴收集管21先后嵌套在微滴输运板中，完成微滴结构1和收集结构的装配；利用双面胶带将微滴生成板11和微滴输运板粘接在一起，得到上述微滴式数字聚合酶链式反应芯片100。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，包括：

微滴结构，形成有间隔的样品腔和储油腔；

微滴收集结构，包括安装于所述微滴结构下方的微滴收集管，所述微滴收集管内形成有收集腔；以及，

流道结构，设于所述微滴结构，所述流道结构的出口连通所述收集腔，所述流道结构的入口包括第一入口和第二入口，所述第一入口连通所述储油腔的下端，所述第二入口连通所述样品腔的下端；

所述微滴结构包括微滴生成板以及安装于所述微滴生成板上端的微滴输送板；

所述流道结构包括相互连通且分别设于所述微滴生成板与所述微滴输送板的微滴生成流道与微滴输送流道；

其中，所述样品腔和所述储油腔设于所述微滴生成板的上端面，所述微滴收集管安装于所述微滴输送板的下方；

所述微滴生成流道远离所述微滴输送流道的端口对应为所述流道结构的入口，所述微滴输送流道远离所述微滴生成流道的端口对应为所述流道结构的出口；

所述微滴输送流道包括沿所述微滴输送板延展方向延伸的第一输送流道，以及沿所述微滴输送板厚度方向延伸的第二输送流道，所述第一输送流道和所述第二输送流道的一端相互连通，所述第一输送流道的入口与所述微滴生成流道相连通，所述第二输送流道的出口对应为所述流道结构的出口。

2.如权利要求1所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述第一输送流道的出口位于其入口的上方，沿所述第一输送流道的入口朝向其出口的方向上，所述第一输送流道呈倾斜向上设置。

3.如权利要求2所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述第一输送流道与水平方向的夹角为α，其中，5°≦α≦85°。

4.如权利要求1所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述第二输送流道的内壁安装有引流棒。

5.如权利要求4所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述引流棒伸入至所述微滴收集管内，所述引流棒的侧表面与所述微滴收集管内壁的距离为S，其中，0.5mm≦S≦1.5mm。

6.如权利要求1所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述微滴输送板的上端面设有容置槽，所述容置槽用以连通外界的负压装置的负压管路；

所述第二输送流道的入口向上贯穿所述容置槽的底壁设置。

7.如权利要求1所述的微滴式数字聚合酶链式反应芯片，其特征在于，所述微滴输送板包括板体以及设于所述板体下端面的安装凸台，所述微滴输送流道的出口开设于所述安装凸台的下端面；

所述微滴收集管套设于所述安装凸台外；

所述安装凸台的外侧面设有安装槽，所述安装槽内设有密封圈，用以密封所述微滴收集管与所述安装凸台之间的配合面。

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