CN114517145A - 生物分子捕获机构和微流控芯片 - Google Patents

生物分子捕获机构和微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生物分子捕获机构和微流控芯片，涉及生物分子捕获技术领域，其中，生物分子捕获机构包括：基底；设置在所述基底上的多个捕获部，每个所述捕获部均包括导电柱和用于吸引生物分子的修饰层，每个所述导电柱均与第一电源端连接，所述修饰层覆盖在与其相应的所述导电柱的至少部分表面上。本发明结构简单，易于集成。

Description

生物分子捕获机构和微流控芯片
技术领域
本发明涉及生物分子捕获技术领域，具体涉及一种生物分子捕获机构和微流控芯片。
背景技术
生物大分子的捕获和处理，是进行生命科学研究的重要环节。由于含有目的核酸/蛋白质的样本成分往往比较复杂，当目的核酸/蛋白质的含量或占比不足时，其关键信息往往被噪声掩盖，造成信息获取的困难。因此，能否准确、高效地捕获包括核酸/蛋白质在内的生物大分子，是亟待解决的关键问题。
目前，通常采用磁珠法进行核酸、蛋白捕获，在磁珠法中，通过细胞裂解液使得动植物的细胞裂解，并使与DNA结合的蛋白质变性，从而使DNA游离释放，而磁珠可以吸附DNA，之后通过洗涤，去除DNA以外的蛋白质、多糖等杂质，再用洗脱液解离吸附在磁珠上的DNA，最终得到纯度和浓度均很高的DNA。
但是，传统的磁珠法为吸附磁珠需要外置的磁棒装置，而去处杂质还需要通过移液器来实现，其结构复杂，不利于集成。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种生物分子捕获机构和微流控芯片。
为了实现上述目的，本发明提供一种生物分子捕获机构，其中，包括：
基底；
设置在所述基底上的多个捕获部，每个所述捕获部均包括导电柱和用于吸引生物分子的修饰层，每个所述导电柱均与第一电源端连接，所述修饰层覆盖在与其相应的所述导电柱的至少部分表面上。
可选地，所述基底包括：
设置在所述基底与所述捕获部之间的导电层，所述导电层与所述第一电源端连接；
设置在所述导电层与所述捕获部之间的绝缘层，所述绝缘层上设置有过孔，所述过孔中设置有连接部，所述导电柱通过所述过孔中的所述连接部与所述导电层连接。
可选地，所述导电层包括多个绝缘间隔的导电部，每个所述导电部至少与一个所述捕获部的导电柱连接。
可选地，所述导电柱在所述基底上的正投影位于与其相应的所述过孔在所述基底上的正投影的范围内。
可选地，多个所述捕获部划分为多组，每组包括至少一个所述捕获部，不同组的所述捕获部在所述基底上的正投影的面积不同。
可选地，所述修饰层为多孔薄膜。
本发明还提供一种微流控芯片，其中，包括反应池，所述反应池中设置有上述的生物分子捕获机构。
可选地，所述微流控芯片还包括：进样口、第一进液通道、多个储液池和多个第二进液通道，所述第一进液通道的第一端与所述进样口连通，所述第一进液通道的第二端与所述反应池连通，每个所述储液池对应一个所述第二进液通道；
每个所述储液池上均设置有第一阀门，每个所述储液池均通过所述第一阀门与相应的所述第二进液通道的第一端连通，每个所述第二进液通道的第二端均与所述反应池连通。
可选地，所述微流控芯片还包括：第一收集池、第二收集池、第二阀门和出液通道；
所述出液通道的第一端与所述反应池连通，所述第二阀门具有第一状态和第二状态，当所述第二阀门处于第一状态时，将所述第一收集池与所述出液通道的第二端连通；当所述第二阀门处于第二状态时，将所述第二收集池与所述出液通道的第二端连通。
可选地，所述第一收集池和所述第二收集池中均设置有第一电极，所述第一电极与第二电源端连接，所述第二电源端被配置为，提供与所述第一电源端所提供的电信号极性相反的电信号。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的生物分子捕获机构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的反应池的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明实施例提供一种生物分子捕获机构，图1为本发明实施例提供的生物分子捕获机构的结构示意图，如图1所示，该生物分子捕获机构包括：基底1、设置在基底1上的多个捕获部2。每个所述捕获部2均包括导电柱21和用于吸引生物分子的修饰层22，每个所述导电柱21均与第一电源端连接，所述修饰层22覆盖在与其相应的所述导电柱21的至少部分表面上。
在本发明实施例中，生物分子是指例如DNA分子或蛋白质分子等生物大分子。基底1的材料可以采用玻璃材料或含硅材料。修饰层22上可以含有羟基，羧基，多肽链，寡核苷酸链等物质中的一种或多种。第一电源端可以采用直流电源，其电压可以设置为0.1mV至5V。第一电源端包括正极和负极。在本发明实施例中，生物分子捕获机构可以具有捕获状态和解吸附状态，当生物分子捕获机构处于捕获状态时，第一电源端的正极与导电柱21导通；当生物分子捕获机构处于解吸附状态时，第一电源端的负极与导电柱21导通。当第一电源端的正极与导电柱21导通时，可以促进包括核酸等带负电荷的生物分子的捕获；当第一电源端的负极与导电柱21导通时，可以促进包括核酸等带负电荷的生物分子的解吸附。
采用本发明实施例生物分子捕获机构，其利用修饰层22吸引生物分子，并通过与第一电源端连接的导电柱21加强捕获和解吸附效果，从而可以实现较高的捕获率、回收率和纯化效果。相较于现有的磁珠法，本发明实施例的生物分子捕获机构无需设置磁力棒和移液器，且结构体积更小，结构简单，易于集成，可以降低制造成本。
下面结合对本发明实施例的生物分子捕获机构进行详细说明，具体地，基底1包括：设置在基底1与捕获部2之间的导电层3和设置在导电层3与捕获部2之间的绝缘层4。导电层3与第一电源端连接，绝缘层4上设置有过孔，过孔中设置有连接部5，导电柱21通过过孔中的连接部5与导电层3连接，从而与第一电源端连接。
在一些具体实施例中，导电层3包括多个绝缘间隔的导电部31，每个导电部31至少与一个捕获部2的导电柱21连接。
导电层3的材料可以包括铝、铝合金、铜、金、银、铁及铁的氧化物等。导电层3可以包括多个绝缘间隔的导电部31，导电部31在基底1上的正投影可以为条状，导电部31具有第一端和第二端，其中，导电部31的第一端用于与第一电源端的正极连接，导电部31的第二端用于与第一电源端的负极连接。在本发明实施例中，可以通过磁控溅射等成膜工艺在基底1上形成第一导电材料层，之后，再通过光刻等构图工艺在第一导电材料层上形成相应的图案，从而到导电层3。
绝缘层4覆盖在导电层3的表面上，绝缘层4的材料可以包括氮化硅、聚酰亚胺等。绝缘层4上对应于捕获部2的部分上设置有过孔，过孔在基底1上的正投影的形状可以为圆形或矩形等，当过孔在基底1上的正投影的形状为圆形时，其直径的范围可以设置为10nm至200μm；当过孔在基底1上的正投影的形状为矩形时，其边长的范围可以设置为10nm至200μm。多个过孔彼此间隔开。如图1所示，在本发明实施例中，绝缘层4对应于捕获部2的部分可以是指绝缘层4位于捕获部2正下方的部分。在本发明实施例中，可以通过沉积等成膜工艺在基底1和导电层3上形成绝缘材料层，之后，再通过光刻等构图工艺在绝缘材料层上形成相应的图案，以得到绝缘层4。
如图1所示，对于每一个导电部31而言，绝缘层4覆盖在该导电部31上的部分可以设置有一个或多个过孔，在每个过孔中，均设置有连接部5，连接部5的一端与导电柱21接触，另一端与相应的导电部31接触。在本发明实施例中，连接部5的材料与导电层3的材料可以相同也可以不同，具体根据实际需要确定，在此不作限制。例如，连接部5的材料可以包括铝、铝合金、铜、金、银、铁及铁的氧化物等。
在一些具体实施例中，导电柱21在基底1上的正投影位于与该导电柱21相应的过孔在基底1上的正投影的范围内。其中，与导电柱21相应的过孔是指，位于导电柱21正下方的过孔。可选地，导电柱21在基底1上的正投影的面积可以与相应的过孔在基底1上的正投影的面积相同。
在一些具体实施例中，对于多个捕获部2在基底1上的正投影而言，多个捕获部2在基底1上的正投影均相同，或者，至少两个捕获部2在基底1上的正投影不同。当多个捕获部2中至少两个捕获部2在基底1上的正投影不同时，具体可以是，多个捕获部2划分为多组，每组包括至少一个捕获部2，不同组的捕获部2在基底1上的正投影的面积不同。例如，如图1所示，多个捕获部2划分为三组，第一组中的捕获部2(即图1中最左侧捕获部2)在基底1上的正投影的面积最大，第三组中的捕获部2(即图1中最右侧两个捕获部2)在基底1上的正投影的面积最小，第二组中的捕获部2(即图1中中间的捕获部2)在基底1上的正投影的面积介于上述第一组和第三组捕获部2在基底1上的正投影的面积之间。
导电柱21的材料可以包括导体材料或半导体材料，例如，铝、铝合金、铜、金、银、铁及铁的氧化物或者硅等。多个导电柱21彼此间隔开，多个导电柱21可以根据实际需要进行排布，例如，多个导电柱21可以呈阵列分布。对于绝缘层4上的每一个过孔而言，该过孔远离基底1的一侧上可以设置有一个或多个导电柱21。不同的过孔上设置的导电柱21的数量可以不同，例如，如图1所示，最左侧过孔上方设置有一个导电柱21，而最右侧过孔上方设置有两个导电柱。可以理解的是，当过孔上设置有多个导电柱21时，多个导电柱21在基底1上的正投影均位于该过孔在基底1上的正投影之内。在本发明实施例中，可以通过磁控溅射或沉积等成膜工艺在绝缘层4上形成第二导电材料层，之后再通过光刻等构图工艺在第二导电材料层形成相应的图案，以得到导电柱21。
在一些具体实施例中，多个导电柱21的高度均相等，导电柱21的高度可以设置为1nm至2000nm。对于多个导电柱21之间的间距而言，任意相邻两个导电柱21之间的间距均相等，或者，至少一对相邻两个导电柱21之间的间距与其他对相邻两个导电柱21之间的间距不同，具体可以根据实际需要确定。在本发明实施例中，相邻两个导电柱21是指沿多个导电柱21的行方向或列方向，相邻的两个导电柱21。当至少一对相邻两个导电柱21之间的间距与其他对相邻两个导电柱21之间的间距不同时，间距可以是渐变的，例如，沿多个导电柱21的行方向或列方向，相邻两个导电柱21之间的间距逐渐减小。其中，相邻两个导电柱21之间的间距可以设置为10nm至200μm。
在一些具体实施例中，修饰层22为多孔薄膜。修饰层22的材料可以包括SiO2、TiO2或Al2O，修饰层22上可以含有羟基，羧基，多肽链，寡核苷酸链等物质中的一种或多种。修饰层22的厚度可以设置为1nm至1000nm，多孔薄膜上的微孔的直径可以设置为5nm至500nm。在本发明实施例中，可以通过沉积工艺和氧化工艺在导电柱21的表面形成初始材料层，之后，再通过刻蚀等构图工艺在初始材料层上形成相应的图案以得到修饰层22。
在本发明实施例中，当需要捕获生物分子时，修饰层22上含有的羟基，羧基等物质可以吸引例如DNA分子等生物分子，并与DNA分子形成氢键连接，此时，可以使导电柱21与第一电源端的正极导通，从而使带有负电荷的DNA分子被牢固地吸附在捕获部2上；当需要使生物分子从捕获部2上解吸附时，可以通过洗脱试剂破坏氢键连接，并使导电柱21与第一电源端的负极导通，此时，带有负电荷的DNA分子受到捕获部2排斥，加速脱离捕获部2，从而完成解吸附。
本发明实施例还提供一种微流控芯片，图2为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图，如图2所示，该微流控芯片包括反应池61，图3为本发明实施例提供的反应池的示意图，如图3所示，反应池61中设置有上述的生物分子捕获机构，在本发明实施例中，生物分子捕获机构可以设置在反应池61的底部。
采用本发明实施例微流控芯片，其中的生物分子捕获机构可以实现较高的核酸或蛋白质的捕获率、回收率和纯化效果。相较于现有的磁珠法，本发明实施例的微流控芯片无需设置磁力棒和移液器，且结构体积更小，结构简单，易于集成，可以降低制造成本。
在一些具体实施例中，微流控芯片还包括：进样口62、第一进液通道63、多个储液池64和多个第二进液通道65，第一进液通道63的第一端与进样口62连通，第一进液通道63的第二端与反应池61连通，每个储液池64对应一个第二进液通道65；每个储液池64上均设置有第一阀门，每个储液池64均通过第一阀门与相应的第二进液通道65的第一端连通，每个第二进液通道65的第二端均与反应池61连通。
在一些具体实施例中，微流控芯片还包括：第一收集池66a、第二收集池66b、第二阀门67和出液通道68；出液通道68的第一端与反应池61连通，第二阀门67具有第一状态和第二状态，当第二阀门67处于第一状态时，将第一收集池66a与出液通道68连通；当第二阀门67处于第二状态时，将第二收集池66b与出液通道68连通。
在本发明实施例中，第二阀门67可以包括磁性阀芯和阀芯运动通道，其中，磁性阀芯可以为球型，阀芯运动通道的截面可以呈圆形。磁性阀芯可以在具有磁性的驱动部的控制下在阀芯运动通道中运动，从而在第一状态和第二状态之间切换。进样口62用于待测样本的注入，第一收集池66a用于收集废液，第二收集池66b用于收集目标物质。通过第二阀门67可以控制从反应池61中流出的液体进入第一收集池66a或者第二收集池66b。当待测样本从进样口62注入后，经过第一进液通道63进入反应池61，储液池64中储存的试剂根据使用需要通过第一阀门进行释放，并经过与储液池64相应的第二进液通道65进入反应池61，此时，待测样本中待捕获的目标物质，如核酸或蛋白质等生物分子在反应池61中与储液池64释放的试剂发生反应，从而被捕获部2捕获，或者从捕获部2表面解吸附。同时，通过使第一电源端的正极或负极与导电柱21导通，可以促进目标物质的捕获或解吸附。
在一些具体实施例中，第一收集池66a和第二收集池66b中均设置有第一电极69，第一电极69与第二电源端连接，第二电源端被配置为，提供与第一电源端所提供的电信号极性相反的电信号。
在本发明实施例中，如图2所示，微流控芯片上还设置有用于使生物分子捕获机构中的导电层与第一电源端连接的接口70。第二电源端具有正极和负极，当第一电源端的正极与捕获部2导通时，可以使第二电源端的负极与第一电极导通；当第一电源端的负极与捕获部2导通时，可以使第二电源端的正极与第一电极导通。
下面对本发明实施例的微流控芯片的具体工作过程进行说明，以目标物质为裂解H1975细胞后释放的DNA分子为例，首先，将捕获部2与第一电源端的正极导通，将第一电极与第二电源端的负极导通，并且使第二阀门67处于第一状态，第一收集池66a与出液通道68连通。此时，待测样本进入反应池61后，其中的DNA分子受到捕获部2的修饰层上的羟基、羧基吸引，与捕获部2上的羟基、羧基形成氢键连接，并且，由于DNA分子带负电荷，因此，DNA分子被牢固的吸附在捕获部2上，而待测样本中除DNA分子之外的其他带有正电荷的杂质则收到第一电极吸引加速流至第一收集池66a，从而提高了DNA分子捕获的纯度；之后，向反应池21中通入洗脱试剂，以及将捕获部2与第一电源端的负极导通，将第一电极与第二电源端的正极导通，并且使第二阀门67处于第二状态，第二收集池66b与出液通道68连通。此时，被捕获部2捕获的DNA分子与洗脱试剂发生反应，DNA分子发生变性，导致DNA分子与羟基、羧基之间的氢键连接被破坏，并且，由于DNA分子带负电荷，因此，DNA分子被捕获部2排斥，从而加速从捕获部2上解吸附，同时，由于第二收集池66b中的第一电极与第二电源端的正极连接，带有负电荷的DNA分子受到第一电极吸引加速流向第二收集池66b，从而提高DNA分子的采集速率。
需要说明的是，在本发明实施例中，在向反应池61中通入洗脱试剂之前，还可以向反应池61中通入清洗剂以对吸附在捕获部2上的DNA分子进行清洗，从而进一步去除杂质，提高捕获纯度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物分子捕获机构，其特征在于，包括：
基底；
设置在所述基底上的多个捕获部，每个所述捕获部均包括导电柱和用于吸引生物分子的修饰层，每个所述导电柱均与第一电源端连接，所述修饰层覆盖在与其相应的所述导电柱的至少部分表面上。
2.根据权利要求1所述的生物分子捕获机构，其特征在于，所述基底包括：
设置在所述基底与所述捕获部之间的导电层，所述导电层与所述第一电源端连接；
设置在所述导电层与所述捕获部之间的绝缘层，所述绝缘层上设置有过孔，所述过孔中设置有连接部，所述导电柱通过所述过孔中的所述连接部与所述导电层连接。
3.根据权利要求2所述的生物分子捕获机构，其特征在于，所述导电层包括多个绝缘间隔的导电部，每个所述导电部至少与一个所述捕获部的导电柱连接。
4.根据权利要求2所述的生物分子捕获机构，其特征在于，所述导电柱在所述基底上的正投影位于与其相应的所述过孔在所述基底上的正投影的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物分子捕获机构，其特征在于，多个所述捕获部划分为多组，每组包括至少一个所述捕获部，不同组的所述捕获部在所述基底上的正投影的面积不同。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的生物分子捕获机构，其特征在于，所述修饰层为多孔薄膜。
7.一种微流控芯片，其特征在于，包括反应池，所述反应池中设置有如权利要求1至6中任一项所述的生物分子捕获机构。
8.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括：进样口、第一进液通道、多个储液池和多个第二进液通道，所述第一进液通道的第一端与所述进样口连通，所述第一进液通道的第二端与所述反应池连通，每个所述储液池对应一个所述第二进液通道；
每个所述储液池上均设置有第一阀门，每个所述储液池均通过所述第一阀门与相应的所述第二进液通道的第一端连通，每个所述第二进液通道的第二端均与所述反应池连通。
9.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括：第一收集池、第二收集池、第二阀门和出液通道；
所述出液通道的第一端与所述反应池连通，所述第二阀门具有第一状态和第二状态，当所述第二阀门处于第一状态时，将所述第一收集池与所述出液通道的第二端连通；当所述第二阀门处于第二状态时，将所述第二收集池与所述出液通道的第二端连通。
10.根据权利要求9所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一收集池和所述第二收集池中均设置有第一电极，所述第一电极与第二电源端连接，所述第二电源端被配置为，提供与所述第一电源端所提供的电信号极性相反的电信号。
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