CN112934277A - 一种微流体芯片快速低耗样充样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微流体芯片快速低耗样充样方法，依次包括以下步骤：(1)采用胶带或可溶性膜封闭微流体芯片进样口，通过抽气装置经微流体芯片出样口抽出芯片内部微管道/微腔空间内空气，形成高真空环境；(2)关闭微流体芯片出样口与抽气装置连接通路，然后通过加样针刺穿胶带或水相样品溶解可溶性膜，利用微流体芯片内部空间与外部大气压环境之间的高负压驱动流体样品快速进入，并填充微流体芯片内部微管道/微腔空间。该方法可实现复杂微流体芯片结构的快速、完整、无死角充样，无需复杂、精密的驱动和控制装置，且充样过程样品损失率低，适用于的微生化反应、分析和芯片实验室。

Description

一种微流体芯片快速低耗样充样方法
技术领域
本发明属于微流体芯片充样技术领域，具体涉及一种微流体芯片快速低耗样充样方法。
背景技术
近年来，微流控芯片作为一种新的技术平台，因其耗样少、高通量、易集成等优势，在生物和化学领域受到广泛关注，该技术在生物医学研究、药物合成与筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生化试剂检测等诸多领域具有广泛的应用前景。对于微流控芯片的应用来说，样品和试剂的填充、装载是不可缺少的关键环节之一。
目前，用于微流控芯片样品/试剂装载和流体驱动的方法主要有基于精密注射泵或蠕动泵的压力驱动、基于高压装置的电渗流驱动、基于压缩气瓶的气压驱动、基于高速旋转装置的离心力驱动以及基于表面张力的毛细力驱动，上述方法要么依赖昂贵、复杂或笨重的仪器设备，影响其在便携式场景方面的应用；要么驱动速度和效果易受流体离子强度、浸润性等性质的影响，影响其驱动不同流体的通用性。最近，基于预脱气聚二甲基硅氧烷的负压驱动方式，因操作简单、不受气泡问题困扰，也受到微流控领域研究人员的青睐。该驱动方式利用聚二甲基硅氧烷材料良好的气体溶解性和渗透性，通过对聚二甲基硅氧烷芯片进行真空脱气处理，使得脱气后的聚二甲基硅氧烷可以吸收微管道/微腔中的空气，从而在微流体芯片微管道/微腔中产生负压吸入进样口的样品液或试剂。但是该进样方式需要对聚二甲基硅氧烷微流体芯片预先进行至少1小时真空脱气处理，难以实现即时应用，且脱气聚二甲基硅氧烷块体的吸气能力随时间迅速衰减，因而要求操作者必须具备足够的熟练程度，在芯片从真空环境取出后2-3分钟内快速完成加样操作；另外，受制于芯片PDMS块体体积，脱气处理后的芯片吸气能力有限，往往难以产生足够强的负压，实现含高流阻结构芯片的完整充样或高粘度流体的完全填充。
因此，发展一种不依赖复杂、笨重进样装置的快速、简便、低耗样的微流体芯片充样方法，对于促进微流控技术的便携式应用具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种微流体芯片快速低耗样充样方法，通过抽气装置在微流体芯片内部建立的高负压，实现芯片内样品或试剂的超快速填充，有效解决了现有技术中样品损失率较高、填充时产生气泡及盲端结构难以填充等问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微流体芯片快速低耗样充样方法，依次包括以下步骤：
(1)采用胶带或可溶性膜封闭微流体芯片进样口，通过抽气装置经微流体芯片出样口抽出芯片内部微管道/微腔空间内空气，形成高真空环境；
(2)关闭微流体芯片出样口与抽气装置连接通路，然后通过加样针刺穿胶带或水相样品溶解可溶性膜，利用微流体芯片内部空间与外部大气压环境之间的高负压驱动流体样品快速进入，并填充微流体芯片内部微管道/微腔空间。
进一步，步骤(1)中，胶带为聚合物胶带、纸质胶带或铝箔；可溶性膜为聚乙烯醇膜或糖纸。
进一步，步骤(1)中，微流体芯片为聚二甲基硅氧烷芯片、硅基芯片、玻璃芯片、环氧树脂芯片、聚甲基丙烯酸甲酯芯片、聚碳酸酯芯片和环烯烃共聚物芯片中的一种或两种的复合芯片。
进一步，当微流体芯片为非聚二甲基硅氧烷芯片时，出样口上键合有聚二甲基硅氧烷通孔块或粘合有O型橡胶环；聚二甲基硅氧烷通孔块或O型橡胶环直径小于出样口外接管外径。
进一步，连接管为金属圆管、玻璃圆管或硬质塑料圆管。
进一步，步骤(1)中，采用可溶性膜封闭微流体芯片进样口时，可以在可溶性膜上设置可剥离的聚二甲基硅氧烷加样框。
进一步，步骤(2)中，抽气装置为注射器或真空泵，抽气时间为10-60s。
进一步，步骤(2)中，关闭微流体芯片出样口与抽气装置连接通路时，手动或机械按压出样口连接管，或直接以止水夹夹住靠近连接管处的软管。
进一步，步骤(2)中，流体样品为水相溶液、油相溶液、低粘度胶水或液态金属。
进一步，微流体芯片快速低耗样充样方法适用于单一流体样品或两种不同的流体样品。
进一步，当微流体芯片快速低耗样充样方法用于填充两种不同的流体样品时，依次包括以下步骤：
(1)采用胶带或可溶性膜密封包含分支管道或盲端结构的微流体芯片进样口，并将套接软管的金属或玻璃连接管插入微流体芯片的出样口，软管另一端连接抽气装置，然后通过抽气装置进行10-60s抽气处理；
(2)通过下压出样口连接管或直接以止水夹夹住靠近连接管处的软管关闭微流体芯片出样口与抽气装置连接通路，然后将流体样品一滴加至微流体芯片进样口上方的聚二甲基硅氧烷加样框中溶解可溶性膜，或通过加样针刺穿进样口上方胶带，利用微流体芯片内部空间与外部大气压环境之间的高负压驱动流体样品一快速进入，并填充微流体芯片内部微管道/微腔空间；
(3)将流体样品二滴加至微流体芯片进样口，然后上移出样口连接管或取下止水夹重新打开微流体芯片出样口与抽气装置连接通路，再次利用高负压驱动流体样品二进行微流体芯片，移除并替代微流体芯片进样口至出样口直通管道中的流体样品一，实现两种不同的流体样品的填充。
综上所述，本发明具备以下优点：
本发明提供了一种快速、简便、低耗样的微流体芯片充样方法，该方法利用抽气装置在微流体芯片内部建立的高负压可实现芯片内样品或试剂的超快速填充，且充样过程中芯片出样口保持封闭，保证充样过程中样品或试剂仅填充芯片的微管道/微腔体空间，不会流出芯片出样口，导致不必要的样品或试剂浪费，可实现近乎零样品损失率的芯片充样；另外，高负压填充模式也避免了常规微流体芯片流体驱动模式充样过程中的气泡问题和盲端结构难以填充的问题，可以实现复杂微流体芯片结构的快速、完整、无死角充样，且无需复杂、精密的驱动和控制装置。本发明提供的微流体芯片充样方法具有充样速度快、样品损失率低、操作简便、成本低廉、易于实现便携式应用的优势，有望促进微流控技术的发展和广泛应用。
附图说明
图1为微流体芯片快速低耗样充样方法的操作流程示意图；
图2为实施例1填充结果示意图；
图3为实施例2的操作流程示意图及实验结果示意图；
图4为实施例3的实验结果示意图；
图5为实施例4紫外胶填充倒模结果示意图；
图6为环氧胶材质微流体芯片充样效果示意图。
具体实施方式
实施例1
一种微流体芯片快速低耗样充样方法(复杂结构微流体芯片填充)，依次包括以下步骤：
(1)首先通过数控雕刻工艺制作微流体芯片模具，再通过浇注倒模制作包含微管道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层，并打孔分别制作芯片进样口和出样口，然后利用氧等离子体表面处理键合工艺，封接PDMS结构层与玻璃或PDMS盖片层制得包含复杂结构的微流体芯片；
(2)利用透明胶带密封聚二甲基硅氧烷微流体芯片进样口，并将平头注射针插入芯片出样口，注射针头外径稍大于芯片出样口直径，保证针头插入后芯片出样口处的气密性，注射针头另一端通过软管与注射器相连；完成装配后，拉动注射器柱塞至20mL刻度处，并通过卡具固定柱塞位置，以维持注射器空腔及其连通的芯片管道空间的真空度；
(1)利用止水夹夹住靠近微流体芯片出样口处的连接软管，关闭芯片管道空间与注射器连接通路，然后将装有红色染料样品溶液的注射针头刺破芯片进样口密封胶带，在芯片管道空间高负压作用下，注射针头中样品液快速进入芯片管道，充满所有微管道结构(如图2所示)。
由图2可知，本发明提出的充样方法可以快速、完整地填充有死角和分支管道较多的复杂微管道结构，避免了传统的微流体驱动方法填充具有盲端或死角微管道结构时易出现气泡、填充不充分的问题，有利于复杂结构微流控芯片的有效应用。
实施例2
一种微流体芯片快速低耗样充样方法(样品液快速离散化)，依次包括以下步骤：
(1)首先通过光刻工艺制作微流体芯片模具，再通过浇注倒模制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微结构层，并打孔分别制作芯片进样口和出样口，然后利用氧等离子体表面处理键合工艺，封接PDMS结构层与玻璃或PDMS盖片层制得包含37000个微腔和与微腔相连的微管道的微流体芯片；
(2)利用可溶性聚乙烯醇(PVA)膜密封微流体芯片进样口，再将一通孔PDMS块对准进样口贴合在PVA膜上，用作加样池；将平头注射针插入芯片出样口，注射针头外径稍大于芯片出样口直径，保证针头插入后芯片出样口处的气密性，注射针头另一端通过软管与注射器相连；完成装配后，拉动注射器柱塞至20mL刻度处，并通过卡具固定柱塞位置，以维持注射器空腔及其连通的芯片管道空间的真空度；
(3)下压插入微流体芯片出样口处的注射针头，使得针头顶端与出样口底面紧密接触，实现芯片管道空间与注射器连接通路的关闭，然后将蓝色染料样品溶液和PDMS/硅油混合油依次滴加至微流体芯片进样口上方的加样池，样品液溶解PVA膜，导致样品液在芯片微管道/微腔空间高负压作用下，快速进入并充满所有微腔室和微管道；待样品液充满芯片内所有微管道/微腔空间后，稍上提芯片出样口处针头，打开芯片出样口与注射器的连接通路，在连接通路及注射器空腔高负压作用下，混合油进入并替代芯片主管道中的样品液，从而隔离各微腔中的样品液，实现样品液的快速离散化(如图3所示)。
由图3可知，本发明提出的充样方法结合微腔阵列芯片可以快速、可靠地实现样品液离散化，有利于开展快速、高效的数字化分析；且样品离散化过程中样品的损失量仅限于充样管道中的样品，大大降低了样品和试剂的耗费，有利于实现微量样本的分析。
实施例3
将本发明微流体芯片快速、低耗样充样方法应用于数字PCR检测分析，以KRAS基因2号外显子(G12S)突变检测为例，具体步骤同实施例2，仅以PCR反应溶液液替代蓝色染料溶液作为填充样品液，其中PCR反应液由针对KRAS基因2号外显子(G12S)突变的特异性引物、探针、聚合酶、缓冲液混合而成；且样品离散化完成后，芯片放置于原位PCR仪上进行热循环扩增反应，热循环步骤为：95℃持续30秒，再经过40个循环的95℃5秒和60℃34秒；最后对完成扩增反应的芯片进行荧光分析。如图4所示，图4a-e分别为数字PCR芯片对不同浓度样品进行扩增反应的典型结果显微照片，图4f为芯片中的样品浓度测量值(copies/μL)与每次反应的预期拷贝数之间的线性关系。
由图4可知，本发明提出的充样方法可以应用于数字PCR芯片，实现高灵敏、高动态范围核酸分析，其简便、快捷的优势有利于促进数字PCR分析技术在普通实验室和资源匮乏环境中的应用。
实施例4
一种微流体芯片快速低耗样充样方法(用于光敏胶或热敏胶填充倒模复制微流体芯片模具，以紫外胶为例)，依次包括以下步骤：
(1)PDMS阴模制作：首先将一定量PDMS前体和交联剂以10:1混合，并真空除泡，再将真空除泡后的PDMS预聚体浇注于微流体芯片母模上，并置于90℃热板上加热1小时，实现PDMS固化；待PDMS固化后，将其从芯片母模上剥离，制得PDMS阴模；
(2)芯片充样结构装配：将PDMS阴模与打孔的载玻片对准可逆键合，另外通过等离子体表面处理键合工艺，在组装体玻璃一侧出样口处键合一通孔PDMS块，充当密封圈；然后在组装体玻璃一侧进样口处贴上胶带，并在出样口处通过PDMS通孔插入一个连接软管的注射器针头，注射针头外径稍大于PDMS通孔直径，保证针头插入后芯片出样口处的气密性，软管另一端连接微型真空泵；
(3)抽气处理：完成装配后，启动真空泵，对拟充样空间进行20秒抽气处理；然后下压插入出样口处的注射针头，使得针头顶端与出样口底面紧密接触，实现拟充样管道空间与注射器连接通路的关闭；
(4)阴模胶水填充：将装有紫外胶的注射针头刺破进样口处密封胶带，在微管道/微腔空间高负压作用下，注射针头中紫外胶快速进入芯片管道，充满所有微管道/微腔结构。
(5)填充胶水固化：待紫外胶水充满PDMS阴模所有微结构空间后，将PDMS阴模/基片组合体置于紫外灯下辐射15分钟，使填充的紫外胶固化。
(6)阴模剥离：完成PDMS阴模内填充紫外胶固化后，将PDMS阴模从基片上剥离，制得微流体芯片复制模。
上述紫外胶填充倒模结果如图5所示；由图5可知，本发明提出的充样方法，可以实现高粘度流体在微管道结构中的充分、完整填充，克服了常规微流体驱动方式难以实现高粘度流体在微流控芯片中完整填充的问题，可应用于流控芯片模具的快速、低成本、高精度复制，有利于微流控芯片的批量生产。
实施例5
一种微流体芯片快速低耗样充样方法(用于非PDMS材质芯片充样，以环氧胶材质微流体芯片快速、低耗样充样为例)，依次包括以下步骤：
(1)环氧胶材质芯片制作：首先将一定量PDMS前体和交联剂以10:1混合，并真空除泡，再将真空除泡后的PDMS预聚体浇注于实施例4所制作的、并经硅烷化表面处理的PDMS阴模上，并置于80℃热板上加热2小时，实现PDMS固化；待PDMS固化后剥离得到PDMS阳模；最后将未固化的环氧胶浇注在PDMS阳模上，待固化后剥离得到环氧胶微结构层芯片并与一打有进样口和出样口的PDMS平板贴合组装得到环氧胶/PDMS复合微流控芯片；
(2)芯片充样结构装配：利用可溶性PVA膜密封步骤(1)所制备微流体芯片进样口，再将一通孔PDMS块对准进样口贴合在PVA膜上，用作加样池；将平头注射针插入芯片出样口，注射针头外径稍大于芯片出样口直径，保证针头插入后芯片出样口处的气密性，注射针头另一端通过软管与注射器相连。
(3)抽气处理：完成装配后，拉动注射器柱塞至20mL刻度处，并通过卡具固定柱塞位置，以维持注射器空腔及其连通的芯片管道空间的真空度；
(4)样品加载：经步骤(3)抽气处理后，下压插入微流体芯片出样口处的注射针头，使得针头顶端与出样口底面紧密接触，实现芯片管道空间与注射器连接通路的关闭，然后将荧光染料样品溶液和PDMS/硅油混合油依次滴加至微流体芯片进样口上方的加样池，荧光染料样品液溶解PVA膜，导致荧光染料样品液在芯片微管道/微腔空间高负压作用下，快速进入并充满所有微腔室和微管道；待荧光染料样品液充满芯片内所有微管道/微腔空间后，稍上提芯片出样口处针头，打开芯片出样口与注射器的连接通路，在连接通路及注射器空腔高负压作用下，混合油进入并替代芯片主管道中的荧光染料样品液，从而隔离各微腔中的荧光样品液，实现荧光样品液的快速离散化(如图6所示)。
由图6可知，本发明提出的充样方法可以快速、有效地填充环氧胶材质芯片微管道/微腔体结构，说明该方法不仅可以应用于具有高气体通透性的PDMS材质微流控芯片，而且也可应用于气体通透性极低材质的微流控芯片，解决了非PDMS材质微流控芯片充样易产生气泡、充样效果差的问题，给微流控芯片制作材质提供了更多的选择。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)采用胶带或可溶性膜封闭微流体芯片进样口，通过抽气装置经微流体芯片出样口抽出芯片内部微管道/微腔空间内空气，形成高真空环境；
(2)关闭微流体芯片出样口与所述抽气装置连接通路，然后通过加样针刺穿所述胶带或水相样品溶解所述可溶性膜，利用所述微流体芯片内部空间与外部大气压环境之间的高负压驱动流体样品快速进入，并填充微流体芯片内部微管道/微腔空间。
2.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(1)中，所述胶带为聚合物胶带、纸质胶带或铝箔；所述可溶性膜为聚乙烯醇膜或糖纸。
3.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(1)中，所述微流体芯片为聚二甲基硅氧烷芯片、硅基芯片、玻璃芯片、环氧树脂芯片、聚甲基丙烯酸甲酯芯片、聚碳酸酯芯片和环烯烃共聚物芯片中的一种或两种的复合芯片。
4.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，当所述微流体芯片为非聚二甲基硅氧烷芯片时，出样口上键合有聚二甲基硅氧烷通孔块或粘合有O型橡胶环；所述聚二甲基硅氧烷通孔块或O型橡胶环直径小于所述出样口外接管外径。
5.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(1)中，采用可溶性膜封闭微流体芯片进样口时，可以在所述可溶性膜上设置可剥离的聚二甲基硅氧烷加样框。
6.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(2)中，所述抽气装置为注射器或真空泵，抽气时间为10-60s。
7.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(2)中，关闭微流体芯片出样口与所述抽气装置连接通路时，手动或机械按压出样口连接管，或直接以止水夹夹住靠近所述连接管处的软管。
8.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，步骤(2)中，所述流体样品为水相溶液、油相溶液、低粘度胶水或液态金属。
9.如权利要求1所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，所述微流体芯片快速低耗样充样方法适用于单一流体样品或两种不同的流体样品。
10.如权利要求9所述的微流体芯片快速低耗样充样方法，其特征在于，当所述微流体芯片快速低耗样充样方法用于填充两种不同的流体样品时，依次包括以下步骤：
(1)采用胶带或可溶性膜密封包含分支管道或盲端结构的微流体芯片进样口，并将套接软管的金属或玻璃连接管插入微流体芯片的出样口，软管另一端连接抽气装置，然后通过抽气装置进行10-60s抽气处理；
(2)通过下压出样口连接管或直接以止水夹夹住靠近所述连接管处的软管关闭微流体芯片出样口与所述抽气装置连接通路，然后将流体样品一滴加至微流体芯片进样口上方的聚二甲基硅氧烷加样框中溶解可溶性膜，或通过加样针刺穿进样口上方胶带，利用所述微流体芯片内部空间与外部大气压环境之间的高负压驱动流体样品一快速进入，并填充微流体芯片内部微管道/微腔空间；
(3)将流体样品二滴加至微流体芯片进样口，然后上移出样口连接管或取下止水夹重新打开微流体芯片出样口与所述抽气装置连接通路，再次利用高负压驱动流体样品二进行微流体芯片，移除并替代微流体芯片进样口至出样口直通管道中的流体样品一，实现两种不同的流体样品的填充。
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