CN113234571A - 一种高通量酶筛选芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高通量酶筛选芯片，包括从上至下依次设置的盖板、气阀层和基板，其中，所述盖板、所述气阀层和所述基板之间密封配合形成芯片本体；所述盖板上开设有一级进样孔、二级进样孔、三级进样孔、气阀槽和进气通道；所述气阀层上开设有一级进样连通孔、二级进样连通微孔和三级进样连通微孔；所述基板上开设有一级进样池、加样分离池、第一流通通道、二级进样池、一级混合通道、反应池、第二流体通道、第三流体通道、三级进样池、二级混合通道和筛选检测池。本发明有望极大提高酶筛选效率，实现高通量筛选的应用，促进生物催化、物种筛选等生物技术领域的发展。

Description

一种高通量酶筛选芯片
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，更具体的说是涉及一种高通量酶筛选芯片。
背景技术
生物催化与转化是以细胞和酶作为催化剂进行物质转化，大规模生产化学品、医药、能源和材料的科学。大多数的酶被认为是蛋白质，可使生物体内体外的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。但是酶的种类繁多，仅人体中被发现的酶就高达5000多种，为了更高效和准确的利用酶的特性，在实际应用中常常会对酶进行筛选。然而，目前在酶的筛选和应用中酶的筛选效率、筛选灵敏度及可靠性仍是所面临的首要问题，其主要局限性在于：
1、酶的催化反应常常涉及多种催化机制(酶的抗原抗体结合、酶的显色剂底物结合反应等)，反应步骤繁琐，反应时间长；
2、酶的提取方法复杂，往往在生物体内含量极少，提取量少，但常规筛选用量大，耗时长；
3、自然界中的酶是生物产生的蛋白质或RNA，一般条件下，应尽快完成检测，否则易发生降解，影响反应及筛选结果；
4、不同种类或不同物种中提取的酶，具有不同特性，反应的灵敏度也不相同，传统的筛选过程中由于分子充分结合需要特定的时间，所以很难实现实时、准确检测。
因此，如何提供一种高通量酶筛选芯片是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高通量酶筛选芯片，集进样、反应和检测筛选模块为一体，实现集成反应一体化，达到快速、准确、集成化和高通量化的筛选效果。
为了实现上述方案，本发明采用以下技术方案：
一种高通量酶筛选芯片，包括从上至下依次设置的盖板、气阀层和基板，其中，所述盖板、所述气阀层和所述基板之间密封配合形成芯片本体；
所述盖板上开设有一级进样孔、二级进样孔、三级进样孔、气阀槽和进气通道；所述二级进样孔、所述三级进样孔和所述气阀槽均呈环状布置有多个；多个所述气阀槽之间通过所述进气通道连通，所述进气通道上开设有进气孔；
所述气阀层上开设有一级进样连通孔、二级进样连通微孔和三级进样连通微孔，所述一级进样连通孔与所述一级进样孔对应；所述二级进样连通微孔与所述二级进样孔对应，所述三级进样连通微孔与所述三级进样孔对应；
所述基板上开设有一级进样池、加样分离池、第一流通通道、二级进样池、一级混合通道、反应池、第二流体通道、第三流体通道、三级进样池、二级混合通道和筛选检测池；
所述一级进样池与所述加样分离池连通；所述一级进样池与所述一级进样孔对应且连通；所述加样分离池通过所述第一流通通道与所述二级进样池连通；所述二级进样池与所述二级进样连通微孔和所述二级进样孔对应且连通；所述二级进样池通过一级混合通道与所述反应池连通，所述反应池与所述第二流体通道连通；所述第三流体通道与所述三级进样池连通，所述三级进样池与所述三级进样连通微孔和所述三级进样孔对应且连通；所述三级进样池通过所述二级混合通道与所述筛选检测池连通；
所述第二流体通道的端部和所述第三流体通道的端部在垂直所述芯片本体的方向上与一个所述气阀槽重合。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道、所述筛选检测池、所述二级进样孔、所述三级进样孔、所述二级进样连通微孔、所述三级进样连通微孔和所述气阀槽形成检测单元；所述检测单元设置有若干个，以所述芯片本体的圆心为原点，呈放射状分布。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述一级进样池呈环形结构；所述基板上还开设有废液池和排气通道，所述一级进样池与所述废液池连通，所述废液池与所述排气通道连通；所述盖板上开设有排气孔，所述气阀层上开设有排气连通孔，所述排气连通孔与所述排气孔对应，所述排气通道与所述排气孔对应且连通。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述气阀层同时作为封闭层和键合层。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述二级进样连通微孔和所述三级进样连通微孔在无外力作用下，具有通气阻水性。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述一级进样池、所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述第三流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道和所述筛选检测池为通过刻蚀或者切割方式，在所述基板朝向所述气阀层一面形成的凹槽结构。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述气阀槽和所述进气通道为通过刻蚀或者切割方式，在所述盖板朝向所述气阀层一面形成的凹槽结构。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述盖板中心设置有盖板固定孔，所述气阀层中心设置有气阀层固定孔，所述基板中心设置有基板固定孔；所述盖板固定孔与所述气阀层固定孔、所述基板固定孔形状相同且重合设置，形成贯穿所述芯片本体的芯片固定孔。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述一级进样池、所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述第三流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道和所述筛选检测池距离所述基板固定孔由近至远依次排布。
优选的，在上述一种高通量酶筛选芯片中，所述盖板和所述基板的材质为硅片、石英、玻璃或高分子合物中的一种；所述气阀层采用TPE材料制作而成。
本发明利用具有优越的弹性密闭能力和通道复制能力，且具有良好生物兼容性和荧光透过性的热塑性弹性体TPE材料，作为微流控芯片键合层、流体通道复制层和气阀层的理想材料。其透光性好，荧光背景低，不影响生化试剂的显色及检测反应。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种热塑性弹性体TPE材料材料作为中间键合层、气阀层和密闭层的高通量酶筛选芯片，具有以下有益效果：
1、本发明中的酶筛选芯片，可实现酶的高通量筛选，大大提高了检测和筛选效率。
2、酶的提取用量有限，本发明中微流控芯片可实现微量检测，且可实现检测筛选程序化，以实现酶的高效筛选。
3、芯片的模块和通道设计合理，在保证各反应试剂混合均匀的同时，可有效避免液体样本回流和污染。
4、芯片的反应池、筛选检测池均具有混合和定量功能，可有效避免混合不匀或液体移液不精确带来的误差。
5、利用键合能力优越、能作为弹性密闭气阀层的TPE材料作为微流控芯片的键合层，该键合层也可以同时包含芯片流体结构，以及作为弹性气阀层。可达到流体通道、键合与气阀封闭层一体化。
6、克服了传统的双面胶等粘胶材料作为中间密封层时，产生的分子渗透、黏点扩散等问题，大大缩小了通道与气阀层的不良率。本发明中TPE材料的应用，不仅提升了微流控芯片的键合效率，优化了芯片制备流程，还利用其自身的弹性特性解决了气阀层的封闭和开放问题，有望在微流控领域广泛应用
本发明有望极大提高酶筛选效率，实现高通量筛选的应用，促进生物催化、物种筛选等生物技术领域的发展。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的整体结构示意图；
图2附图为本发明中盖板的结构示意图；
图3附图为本发明中气阀层的结构示意图；
图4附图为本发明中基板的结构示意图。
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做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。
本发明实施例公开了一种高通量酶筛选芯片，包括从上至下依次设置的盖板1、气阀层2和基板3，其中，盖板1、气阀层2和基板3之间密封配合形成芯片本体；
盖板1上开设有一级进样孔11、二级进样孔12、三级进样孔13、气阀槽14和进气通道15；二级进样孔12、三级进样孔13和气阀槽14均呈环状布置有多个；多个气阀槽14之间通过进气通道15连通，进气通道15上开设有进气孔16；
气阀层2上开设有一级进样连通孔21、二级进样连通微孔22和三级进样连通微孔23，一级进样连通孔21与一级进样孔11对应；二级进样连通微孔22与二级进样孔12对应，三级进样连通微孔23与三级进样孔13对应；
基板3上开设有一级进样池31、加样分离池32、第一流通通道33、二级进样池34、一级混合通道35、反应池36、第二流体通道37、第三流体通道38、三级进样池39、二级混合通道310和筛选检测池311；
一级进样池31与加样分离池32连通；一级进样池31与一级进样孔11对应且连通；加样分离池32通过第一流通通道33与二级进样池34连通；二级进样池34与二级进样连通微孔22和二级进样孔12对应且连通；二级进样池34通过一级混合通道35与反应池36连通，反应池36与第二流体通道37连通；第三流体通道38与三级进样池39连通，三级进样池39与三级进样连通微孔23和三级进样孔13对应且连通；三级进样池39通过二级混合通道310与筛选检测池311连通；
第二流体通道37的端部和第三流体通道38的端部在垂直芯片本体的方向上与一个气阀槽14重合。
为了进一步优化上述技术方案，加样分离池32、第一流通通道33、二级进样池34、一级混合通道35、反应池36、第二流体通道37、三级进样池39、二级混合通道310、筛选检测池311、二级进样孔12、三级进样孔13、二级进样连通微孔22、三级进样连通微孔23和气阀槽14形成检测单元；检测单元设置有若干个，以芯片本体的圆心为原点，呈放射状分布。
为了进一步优化上述技术方案，一级进样池31呈环形结构；基板3上还开设有废液池312和排气通道313，一级进样池31与废液池312连通，废液池312与排气通道313连通；盖板1上开设有排气孔17，气阀层2上开设有排气连通孔24，排气连通孔24与排气孔17对应，排气通道313与排气孔17对应且连通。
为了进一步优化上述技术方案，气阀层2同时作为封闭层和键合层。
为了进一步优化上述技术方案，二级进样连通微孔22和三级进样连通微孔23在无外力作用下，具有通气阻水性。通过二级进样连通微孔22和三级进样连通微孔23向对应的反应腔室内加液时，可用移液枪从该孔中加入少量液体。但由于气阀层2具有良好的弹性和韧性，在内部无压力状态下，该小孔处于相对封闭状态。只有在高速离心状态下，上级液池中液体向该级液池内转移液体，该液池内部形成正压时，气体将慢速从该孔中透出。
为了进一步优化上述技术方案，一级进样池31、加样分离池32、第一流通通道33、二级进样池34、一级混合通道35、反应池36、第二流体通道37、第三流体通道38、三级进样池39、二级混合通道310和筛选检测池311为通过刻蚀或者切割方式，在基板3朝向气阀层2一面形成的凹槽结构。
为了进一步优化上述技术方案，气阀槽14和进气通道15为通过刻蚀或者切割方式，在盖板1朝向气阀层2一面形成的凹槽结构。
为了进一步优化上述技术方案，盖板1中心设置有盖板固定孔18，气阀层2中心设置有气阀层固定孔25，基板3中心设置有基板固定孔314；盖板固定孔18与气阀层固定孔25、基板固定孔314形状相同且重合设置，形成贯穿芯片本体的芯片固定孔。
为了进一步优化上述技术方案，一级进样池31、加样分离池32、第一流通通道33、二级进样池34、一级混合通道35、反应池36、第二流体通道37、第三流体通道38、三级进样池39、二级混合通道310和筛选检测池311距离基板固定孔314由近至远依次排布。
为了进一步优化上述技术方案，盖板1和基板3的材质为硅片、石英、玻璃或高分子合物中的一种；气阀层2采用TPE材料制作而成。考虑微流控芯片的光学检测要求，优先使用透光率较高的玻璃或聚苯乙烯，环烯烃共聚物，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸酯等。本发明中的微流控芯片中的TPE材料包括TPS,TPU,TPV,TPEE,TPO等。
本发明利用具有优越的弹性密闭能力和通道复制能力，且具有良好生物兼容性和荧光透过性的热塑性弹性体TPE材料，作为微流控芯片键合层、流体通道复制层和气阀层2的理想材料。其透光性好，荧光背景低，不影响生化试剂的显色及检测反应。
检测使用方法：
检测过程中将芯片本体通过芯片固定孔安装在离心设备上，在离心设备运动时带动芯片本体转动，通过产生的离心力使芯片本体中液体流动。
酶的筛选流程为：将样品经一级进样孔11和一级进样连通孔21加入到一级进样池31中，600-1000r/min 10-30s处理，将样品离心分液进入加样分离池32；通过二级进样孔12、二级进样连通微孔22将酶加入二级进样池34；
通过进气孔16、进气通道15给芯片内部的气阀槽14施加正压，使具有弹性的气阀层2紧密贴合在第二流体通道37、第三流体通道38之间的平面区域，从而隔离了第二流体通道37、第三流体通道38，液体无法通过该阀结构从反应池36进入到三级进样池39，然后对芯片本体进行2000-3000r/min，30-120s处理，将样品与酶在离心力驱动下混合并定量进入反应池36，此时可根据酶反应特性停留一定的反应时间，使反应充分；
将检测物质通过三级进样孔13、三级进样连通微孔23加入到三级进样池39，后给芯片内部施加负压，气阀层2箱气阀槽14内拱起，在第二流体通道37、第三流体通道38间位置形成中空结构，从而连同了两条通道，液体可通过该中空阀结构从反应池36进入到三级进样池39，经过2000-3000r/min30-120s处理，将反应液和检测液混合并定量进入筛选检测池311，随后进行筛选检测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，包括从上至下依次设置的盖板、气阀层和基板，其中，所述盖板、所述气阀层和所述基板之间密封配合形成芯片本体；
所述盖板上开设有一级进样孔、二级进样孔、三级进样孔、气阀槽和进气通道；所述二级进样孔、所述三级进样孔和所述气阀槽均呈环状布置有多个；多个所述气阀槽之间通过所述进气通道连通，所述进气通道上开设有进气孔；
所述气阀层上开设有一级进样连通孔、二级进样连通微孔和三级进样连通微孔，所述一级进样连通孔与所述一级进样孔对应；所述二级进样连通微孔与所述二级进样孔对应，所述三级进样连通微孔与所述三级进样孔对应；
所述基板上开设有一级进样池、加样分离池、第一流通通道、二级进样池、一级混合通道、反应池、第二流体通道、第三流体通道、三级进样池、二级混合通道和筛选检测池；
所述一级进样池与所述加样分离池连通；所述一级进样池与所述一级进样孔对应且连通；所述加样分离池通过所述第一流通通道与所述二级进样池连通；所述二级进样池与所述二级进样连通微孔和所述二级进样孔对应且连通；所述二级进样池通过一级混合通道与所述反应池连通，所述反应池与所述第二流体通道连通；所述第三流体通道与所述三级进样池连通，所述三级进样池与所述三级进样连通微孔和所述三级进样孔对应且连通；所述三级进样池通过所述二级混合通道与所述筛选检测池连通；
所述第二流体通道的端部和所述第三流体通道的端部在垂直所述芯片本体的方向上与一个所述气阀槽重合。
2.根据权利要求1所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道、所述筛选检测池、所述二级进样孔、所述三级进样孔、所述二级进样连通微孔、所述三级进样连通微孔和所述气阀槽形成检测单元；所述检测单元设置有若干个，以所述芯片本体的圆心为原点，呈放射状分布。
3.根据权利要求2所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述一级进样池呈环形结构；所述基板上还开设有废液池和排气通道，所述一级进样池与所述废液池连通，所述废液池与所述排气通道连通；所述盖板上开设有排气孔，所述气阀层上开设有排气连通孔，所述排气连通孔与所述排气孔对应，所述排气通道与所述排气孔对应且连通。
4.根据权利要求3所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述气阀层同时作为封闭层和键合层。
5.根据权利要求4所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述二级进样连通微孔和所述三级进样连通微孔在无外力作用下，具有通气阻水性。
6.根据权利要求5所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述一级进样池、所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述第三流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道和所述筛选检测池为通过刻蚀或者切割方式，在所述基板朝向所述气阀层一面形成的凹槽结构。
7.根据权利要求6所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述气阀槽和所述进气通道为通过刻蚀或者切割方式，在所述盖板朝向所述气阀层一面形成的凹槽结构。
8.根据权利要求7所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述盖板中心设置有盖板固定孔，所述气阀层中心设置有气阀层固定孔，所述基板中心设置有基板固定孔；所述盖板固定孔与所述气阀层固定孔、所述基板固定孔形状相同且重合设置，形成贯穿所述芯片本体的芯片固定孔。
9.根据权利要求8所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述一级进样池、所述加样分离池、所述第一流通通道、所述二级进样池、所述一级混合通道、所述反应池、所述第二流体通道、所述第三流体通道、所述三级进样池、所述二级混合通道和所述筛选检测池距离所述基板固定孔由近至远依次排布。
10.根据权利要求1所述的一种高通量酶筛选芯片，其特征在于，所述盖板和所述基板的材质为硅片、石英、玻璃或高分子合物中的一种；所述气阀层采用TPE材料制作而成。
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