CN115093962B - 基于柔性薄膜的微流控芯片及其在核酸扩增中的应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于柔性薄膜的微流控芯片及其在核酸扩增中的应用。该微流控芯片包括复合膜、固定结合区、多个功能腔室、一次性阀门和阻液阻气沟道等；在所述功能腔室及阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在压力作用下可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换。当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离并形成流体通道时，所述流体通道允许液体通过但会阻止液体中的孤立气泡。与现有技术相比，本申请提供的微流控芯片可以解决液体在不同功能腔室转移时出现的“死体积”以及气泡影响核酸扩增反应等问题，并能有效降低进行核酸扩增的难度，提高核酸扩增效率。

Description

基于柔性薄膜的微流控芯片及其在核酸扩增中的应用

技术领域

本申请涉及一种微流控芯片，具体涉及一种基于柔性聚合物薄膜的微流控芯片及其在核酸扩增中的应用，属于微流控技术领域。

背景技术

自聚合酶链式反应（PCR）技术问世以来，通过扩增DNA来进行基因分析已成为一种普遍的技术。但传统的基于PCR管的扩增装置，由于其自身较大的热质量、固有的结构缺陷等所带来的能源损耗高、检测时间长、交叉污染、无法现场实时检测等弊病，传统PCR装置越来越不能满足人们对不同场景应用的需求。

伴随着微流控（Microfluidics）技术的问世，其集成化、微型化、全封闭、多应用场景等优点受到人们的广泛重视。在过去的十多年里，大量的具有不同结构以及热循环实现方式的微流控芯片被研究出来，并被应用于进行PCR反应。

目前常用的PCR微流控芯片主要是通过硅基或者聚合物基微加工技术实现，与IC工艺兼容，比较适合于批量生产和大规模集成。但是，由于PCR反应溶液在封闭的微反应池内受热升温，容易导致反应液蒸发或者液体内不溶性气体的膨胀，从而容易引起气泡生成。另外，微反应池的衬底材料作为加热和冷却的直接受体参与热循环，从而大大制约了微池静态式PCR微流控芯片的升降温能力。同时，现有PCR微流控芯片中通常需要设置具有一定物理空间的反应腔室、连接通道等，因此在进行PCR反应时，难以避免包含PCR扩增组件的液体在反应腔室、连接通道等处余留，这也是本领域一直渴望解决的“死体积”问题，这一问题的存在一方面导致PCR反应体系的实际使用率降低，另一方面还可能使某一反应腔室内的反应进程因受到污染而被严重影响。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种基于柔性薄膜的微流控芯片及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本申请采用的技术方案包括：

本申请的一个方面提供了一种基于柔性薄膜的微流控芯片，其包括复合膜、固定结合区、多个功能腔室、一次性阀门和阻液阻气沟道；

所述复合膜包括层叠设置的第一柔性薄膜和第二柔性薄膜；

所述固定结合区、多个功能腔室、阻液阻气沟道均设置在所述复合膜内，并沿与所述复合膜共平面的方向分布，且所述功能腔室及阻液阻气沟道在与所述复合膜共平面的方向上的大小和形状由所述固定结合区的边界定义；

所述多个功能腔室包括第一功能腔室和第二功能腔室，所述第一功能腔室和第二功能腔室通过一次性阀门及阻液阻气沟道连接，所述一次性阀门在被从关闭状态改变为打开状态时允许流体通过，所述流体包括液体；

在所述固定结合区内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜不可逆地结合，而在所述功能腔室及阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，

其中，当所述功能腔室内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述功能腔室能够容纳流体，

当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，在第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间形成流体通道，所述流体通道在液体流动方向上的至少一个位置处的直径在一阈值以下，所述阈值小于或等于与所述阻液阻气沟道连接的一个功能腔室内的液体所包含的孤立气泡的直径。

本申请的另一个方面提供了一种核酸扩增装置，其包括所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其中的第一功能腔室为储液池，第二功能腔室为PCR扩增池。

本申请的另一个方面提供了一种核酸扩增方法，其包括：

提供所述的核酸扩增装置；

将包含PCR扩增组件的液体注入储液池，之后挤压所述储液池，使所述液体通过连接于储液池和PCR扩增池之间的一次性阀门及阻液阻气沟道后进入PCR扩增池；

按照设定PCR反应程序对所述PCR扩增池内液体的温度进行调节，直至完成PCR反应。

与现有技术相比，本申请至少有如下有益效果：

（1）通过采用层叠的柔性薄膜制备微流控芯片，工艺简单，成本低，开发周期短，且制成的微流控芯片在应用于PCR反应时，因薄膜厚度小，故而热传导路径短，具有显著提升的升降温能力。

（2）提供的微流控芯片中各功能腔室是利用层叠的两层柔性薄膜成型，利用柔性薄膜具有一定的纵向拉伸力的特性，至少可以产生如下效应：

其一，使得各功能腔室的容积可在一定范围内变化，而非固定的容积，能满足对不同体积反应体系进行PCR反应的需求；

其二，使各功能腔室、阻液阻气通道、排气排液通道等随液体的进入、流出而相应产生、消失，可以基本杜绝液体在微流控芯片中的不同区域转移时出现“死体积”，基本可实现各功能腔室、阻液阻气通道、排气排液通道内的零液体残留，显著提高PCR反应物的利用率，有效避免因PCR反应物残留导致的污染等缺陷；

其三，在PCR池内填充包含PCR扩增组件的液体后，可利用柔性薄膜因拉伸而自发产生的应力，使液体内保持一定的内压力，从而可以抑制液体在被加热时产生的气泡，降低或避免气泡对PCR反应造成的影响。

（3）通过在微流控芯片中设置阻液阻气通道，可以克服液体中的气泡随液体在不同功能腔室之间流动的问题，特别是避免储液池内的液体携带气泡进入PCR池，更有效的消除气泡对PCR反应造成的不良影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本申请一实施方案中一种微流控芯片的剖视图；

图2是图1所示微流控芯片在储液池被注入液体后的剖视图；

图3是图2所示微流控芯片在储液池被挤压后的剖视图；

图4是图1所示微流控芯片中阻液阻气沟道的工作原理图（俯视）；

图5是本申请实施例1中一种微流控芯片的剖视图；

图6是本申请实施例2中一种微流控芯片的剖视图；

图7是本申请实施例3中一种微流控芯片的剖视图。

具体实施方式

通过阅读以下具体实施方式及附图将更完整地理解本申请。本文中揭示本申请的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本申请的示范性，本申请可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本申请的代表性基础。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以及，除非另有明确的规定和限定，术语“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，或一体的连接；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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的一些实施例提供的一种基于柔性薄膜的微流控芯片包括复合膜、固定结合区、多个功能腔室、一次性阀门和阻液阻气沟道；

所述复合膜包括层叠设置的第一柔性薄膜和第二柔性薄膜；

所述固定结合区、多个功能腔室、阻液阻气沟道均设置在所述复合膜内，并沿与所述复合膜共平面的方向分布，且所述功能腔室及阻液阻气沟道在与所述复合膜共平面的方向上的大小和形状由所述固定结合区的边界定义；

所述多个功能腔室包括第一功能腔室和第二功能腔室，所述第一功能腔室和第二功能腔室通过一次性阀门及阻液阻气沟道连接，所述一次性阀门在被从关闭状态改变为打开状态时允许流体通过，所述流体包括液体；

在所述固定结合区内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜不可逆地结合，而在所述功能腔室及阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，

其中，当所述功能腔室内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述功能腔室能够容纳流体，

当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，在第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间形成流体通道，所述流体通道在液体流动方向上的至少一个位置处的直径在一阈值以下，所述阈值小于或等于与所述阻液阻气沟道连接的一个功能腔室内的液体所包含的孤立气泡的直径，从而使所述阻液阻气沟道允许液体通过，而阻止所述孤立气泡通过。其中，所述孤立气泡是指气泡四周有液体环绕。

更具体的讲，本申请通过在两个功能腔室之间设置阻液阻气沟道，并通过使阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在相互分离时的间距被限制在一定范围内，可以将由此形成的流体通道的直径限制在前述的阈值以下，进而使液体内的孤立气泡无法进入或通过该流体通道，而液体则可沿着阻液阻气沟道的内壁流动。阻液阻气沟道的结构、尺寸等参数随着需要阻止的孤立气泡大小的变化而变化。一般来说，孤立气泡直径越小，则第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在相互分离时的间距应越小，阻液阻气沟道的结构越紧凑。同时，随着第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在相互分离时的间距的变化，液体通过阻液阻气沟道时的速度也随之变化，因此可以通过优化该阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在相互分离时的间距，来达到液体缓慢通过的目的。

较为优选的，所述流体通道在其液体入口处的直径在所述阈值以下，以阻止所述孤立气泡进入所述阻液阻气沟道。当然，在一些情况下，也可以将所述流体通道在液体流动方向上的其它一个或多个位置处的直径设置在所述阈值以下。

在一个实施例中，当所述功能腔室或阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合时，所述功能腔室或阻液阻气沟道内能够容纳流体的物理空间消失。

在本申请中对于所述“物理空间消失”可以理解为：

在理想状态下，所述物理空间将完全消失，实现流体在功能腔室、阻液阻气沟道等区域的零残留；

在实际应用中，考虑到所述功能腔室、阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜可能存在不能完全贴合而留有微小间隙的情况，此时功能腔室、阻液阻气沟道内可能会存在一定的物理空间，但该物理空间相较于现有的微流控芯片中的固定物理空间通常是极小的，因而可以认为该物理空间接近于0，即，该物理空间基本消失。

进一步，因柔性薄膜通常具有一定的纵向拉伸性，故而所述功能腔室内物理空间大小可以随注入其内部的液体的体积变化，也即是，微流控芯片内功能腔室的容积大小可以被很容易的控制，以满足不同的工作需求。

更具体的，在向一个功能腔室或阻液阻气沟道内注入具有一定压力的流体（包括液体或者液体与气体）时，可以利用流体产生的内压力使该功能腔室或阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜分离，特别是使其中至少一个柔性薄膜发生局部形变，从而形成可容纳流体且容积可变的储液囊腔或者使阻液阻气沟道可供流体中的液体通过。当流体从该功能腔室或阻液阻气沟道完全流出时，内压力消失，此时由于柔性薄膜的纵向拉伸性，会使第一柔性薄膜与第二柔性薄膜自动恢复相互的贴合状态，使该功能腔室或阻液阻气沟道内基本实现零液体残留。特别是对于所述阻液阻气沟道等来说，其通常为条形或线形，具有较大的长径比，更易于利用柔性薄膜自身的纵向拉伸性在其内部实现第一柔性薄膜与第二柔性薄膜的自动贴合，进而更好的实现阻液阻气沟道内的液体零残留。当然，在一些情况下，也可以通过在外部向所述功能腔室或阻液阻气沟道施加合适的压力，使该功能腔室或阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合，进而使该功能腔室或阻液阻气沟道内用于容纳流体的物理空间消失。

通过采用前述设计，本申请的微流控芯片在使用时，当流体从上一个功能腔室向下一个功能腔室转移时，在上一个功能腔室和相应阻液阻气沟道内几乎是零残留，从而有效解决了“死体积”的问题，能显著提升液体的利用率，也利于减少微流控芯片的进样量，还可以防止因液体在上一个功能腔室残留而导致的污染等问题。同时，当各功能腔室或阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合时，相当于在相应区域形成了关闭的阀门，进而防止微流控芯片内其它区域的流体进入该功能腔室或流体中的液体通过该阻液阻气沟道。

在一个实施例中，所述阻液阻气沟道内还分布有至少一个流道直径调节机构；当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述流道直径调节机构与第一柔性薄膜及第二柔性薄膜中的至少一者之间留有可供液体通过的间隙。

进一步的，所述流道直径调节机构可以呈现为多种形态，如矩形、三角形、菱形、点阵形等。所述流道直径调节机构与由所述阻液阻气沟道形成的流体通道的的一侧内壁连接，并与所述流体通道的另一侧内壁之间留有间隙，或者也可以是与所述流体通道的两侧内壁之间都留有间隙。所述流体阻挡也可以与所述流体通道的内壁一体设置。

在本申请中，所述一次性阀门可以采用本领域已知的多种弱连接结构，其用于将两个功能腔室相互隔离，并可以在一定的热、电磁辐照或力作用下被破坏而从关闭状态改变为打开状态。例如，可以使第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在与一次性阀门对应位置处可分离地结合并形成所述一次性阀门，其可以在一定压力的流体冲击下被破坏，从而从关闭状态改变为打开状态。例如，当向一个容纳有流体的功能腔室施加设定压力时，可以使所述流体向设置于该功能腔室和另一功能腔室之间的不可逆的一次性阀门被冲击破坏，从而使所述流体可以由此进入另一个功能腔室。所述一次性阀门可以在物理意义上构成不同功能腔室之间的“阀”，这些“阀”可以通过选择性挤压而被简单、快速的关闭，且“阀”在关闭后无物理空间，相较于传统的阀更易于操作且不会导致流体被浪费。

在一个实施例中，所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜中均具有一定弹性模量，例如为1.0×10⁸~1.0×10¹⁰N/m²。当然依据实际应用的需求，也可以选用弹性模量更大或更小的弹性薄膜作为所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜。当将具有一定压力的流体注入一个所述功能腔室内时，所述功能腔室处的弹性薄膜会发生可逆的弹性形变并产生张紧力，从而自动对所述功能腔室内的液体施加压力。该压力的存在可以抑制液体中生成气泡，例如因加热导致的液体内溶解氧的释放而产生的气泡。相较于对所述功能腔室人为施力以抑制液体中生成气泡的方式，可以获得自动抑制液体中生成气泡的功能，并且因该压力的大小是随所述功能腔室中液体的体积变化的，所以该自动抑制液体中生成气泡的功能是自适应的，无需人为调控所施加压力的大小，进而可以大幅减少操作人员的工作量。当然，在一些情况下，若弹性薄膜形变产生的内压力不足以很好的抑制液体内的气泡，则还可以人为施力的方式辅助施力。

在一个实施例中，所述微流控芯片还包括排气排液沟道，所述排气排液沟道设置在所述复合膜内，所述多个功能腔室还包括第三功能腔室，所述第三功能腔室通过所述排气排液沟道与所述第二功能腔室连接。

在一个实施例中，所述排气排液沟道在与所述复合膜共平面的方向上的大小和形状也由所述固定结合区的边界定义，并且在所述排气排液沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜也可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换；

其中，当所述排气排液沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述排气排液沟道允许流体通过。

在一个实施例中，当所述排气排液沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合时，所述排气排液沟道内能够容纳流体的物理空间消失。此处“物理空间消失”的释义可以参阅上文。

通过采用排气排液沟道和排气池的组合设置，可以帮助液体完全填充满第二功能腔室，第二功能腔室内原先保留的气体（实际情况下，在制备所述微流控芯片时，第一柔性薄膜和第二柔性薄膜之间可能会存在微小间隙，从而使第二功能腔室内留存一定的气体）会通过排气排液沟道排入到排气池内。当排气池内填充一定的气体后，会产生一定气压，阻止液体通过排气排液沟道进入排气池，从而可以通过调节排气排液沟道的宽度和长度、排气池的大小来调节第二功能腔室内的液体体积。

在一个实施例中，所述微流控芯片还包括至少一个进液口，其中一个进液口与所述第一功能腔室连通。

在一个实施例中，所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜包括PET薄膜、PE薄膜、PP薄膜、TPU薄膜、PA薄膜、PS薄膜、PI薄膜中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

在一些情况下，所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜的厚度可以为0.01-5mm，例如0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm或5mm等，示例性的可以为0.1mm-0.5mm。依据实际应用的需求，也可以选用厚度更大或更小的弹性薄膜作为所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜。相较于现有的各类PCR微流控芯片，本申请的微流控芯片在进行PCR反应时，热传导路径的长度仅为柔性薄膜的厚度，因此升降温能力有显著提升，且柔性薄膜能与加热件更为紧密地贴合，接触面积更大，热传递效率更高，这更有利于缩短核酸扩增反应时间，降低能耗。

在一个实施例中，在所述固定结合区内第一柔性薄膜和第二柔性薄膜至少通过热压、激光焊接、超声焊接、粘接中的一种方式不可逆地结合，且不限于此。

在本申请的一个较为典型的实施方式中，请参阅图1-图4所示，一种微流控芯片包括由第一柔性薄膜11与第二柔性薄膜12层叠形成的复合膜，该复合膜内沿膜平面方向分布有固定结合区13、第一功能腔室14、一次性阀门（图中未示出）、阻液阻气沟道15、第二功能腔室16、排气排液沟道17和第三功能腔室18等。第一功能腔室14依次通过一次性阀门和阻液阻气沟道15与第二功能腔室16连接，第二功能腔室16通过排气排液沟道17与第三功能腔室18连接。第一功能腔室还与设置在复合膜上的进液口（图中未示出）连接。该微流控芯片在被使用前，特别是在被注入流体之前，整体为膜状，如图1所示。当从进液口向第一功能腔室14内注入流体（液体或者液体与气体）后，则在第一功能腔室内第一柔性薄膜和第二柔性薄膜相互分离且发生变形，从而形成储液囊腔，如图2所示。若在此时对第一功能腔室施加一定的挤压力，则其内部的流体将产生的一定的内压力，将一次性阀门破坏，且流体中的液体将通过阻液阻气沟道进入第二功能腔室，同时将第二功能腔室内可能存在的气体通过排气排液沟道排放至第三功能腔室，如图3所示。其中，对于阻液阻气沟道15来说，可通过结构设计，使得阻液阻气沟道内第一柔性薄膜和第二柔性薄膜在有内部压力的情况下相互分离时，两层薄膜分离的距离，也可以认为是由阻液阻气沟道形成的流体通道的直径被限制在一定范围内，这个距离可以定义为最大分离距离，特别是在所述流体通道的入口处，该最大分离距离小于孤立气泡的直径。如此，当第一功能腔室容纳的液体19中存在孤立气泡110，且气泡直径大于该设计的最大分离距离，在孤立气泡来到所述流体通道的入口附近时，由于空间限制而无法进入所述流体通道内，不能随着液体流动，被困在第一功能腔室内，而液体则可沿着所述流体通道的内壁流走。阻液阻气沟道的结构、尺寸等参数可以随着需要阻止的孤立气泡大小的变化而变化。具体而言，孤立气泡直径越小，则前述最大分离距离越小，阻液阻气沟道的结构越紧凑。同时随着前述最大分离距离的变化，液体通过阻液阻气沟道的速度也随之变化，因而可以通过优化该最大分离距离，来达到液体缓慢通过阻液阻气沟道的目的。

本申请的一些实施例提供的一种制备所述微流控芯片的制备方法包括：

将第一柔性薄膜与第二柔性薄膜层叠设置形成复合膜，

在所述复合膜的第一区域内定义出多个功能腔室和连接通道（包括阻液阻气沟道或排气排液沟道），并在所述复合膜的第二区域内使所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜固定结合，所述第一区域和第二区域沿所述复合膜的膜平面方向分布。

在一个实施例中，所述的制备方法还包括：在所述复合膜上设置进液口，并将一个进液口与对应的一个功能腔室连接。

在一个实施例中，所述的制备方法具体包括：至少通过热压、激光焊接、超声焊接或粘接等方式使所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在所述固定结合区内不可逆的结合，且不限于此。

在一个实施例中，可以定义第一柔性薄膜用于与第二柔性薄膜结合的一侧表面为第一面，并在该第一面上选择一设定区域，该设定区域与前述功能腔室和连接通道对应，从而定义出多个功能腔室和连接通道；之后，将第一柔性薄膜的第一面的设定区域以离型膜等保护，并在该第一面的其余区域涂布粘接剂；然后，将第一柔性薄膜的第一面与第二柔性薄膜的一侧表面粘贴结合，从而形成所述复合膜。

在一个实施例中，可以直接将第一柔性薄膜与第二柔性薄膜层叠设置形成复合膜，之后对所述复合膜的第二区域进行热压焊接、激光焊接或超声焊接，使所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜在所述固定结合区内不可逆的结合。这些方案相较于采用粘接剂粘合的方式，操作更为简单快捷，且可以杜绝在第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间设置黏结层可能带来的一些问题。

本申请的一些实施例提供的一种核酸扩增装置包括：

所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其中的第一功能腔室为储液池，第二功能腔室为PCR扩增池；

至少一个施压机构，其中一个施压机构对应所述储液池设置，并用于选择性地对所述储液池施加压力，以驱使所述储液池容纳的流体通过连接于储液池和PCR扩增池之间的一次性阀门及阻液阻气沟道后进入PCR扩增池；

温控模块，用于依据设定PCR反应程序调节所述PCR扩增池内的温度。

在一个实施例中，所述微流控芯片中的第三功能腔室为排气池。

在一个实施例中，所述温控模块包括多个加热件，每一加热件与一功能腔室对应设置。所述加热件可以是电热丝、发热膜等常见加热元件，且不限于此。

在一个实施例中，所述的核酸扩增装置还包括芯片底座和芯片压盖，所述微流控芯片设置在所述微流控芯片压盖与芯片底座之间，所述温控模块设置在所述微流控芯片底座内，所述微流控芯片压盖上设有与所述施压机构配合的窗口。

本申请的一些实施例提供的一种核酸扩增方法包括：

提供所述的核酸扩增装置；

将包含PCR扩增组件的液体注入储液池，之后挤压所述储液池，使所述液体通过连接于储液池和PCR扩增池之间的一次性阀门及阻液阻气沟道后进入PCR扩增池；

按照设定PCR反应程序对所述PCR扩增池内液体的温度进行调节，直至完成PCR反应。

其中，所述设定PCR反应程序可以是常规的PCR扩增程序，例如包括变性反应、退火反应、延伸反应程序等。

其中，所述PCR扩增组件的定义是本领域熟知的，其通常包括DNA模板、上下游引物、聚合酶、多种dNTP、缓冲液等。

以下结合附图及若干实施例对本申请的技术方案进行更为详细的解释说明。

实施例1 请参阅图5，本实施例提供的一种微流控芯片包括由第一柔性薄膜21与第二柔性薄膜22层叠形成的复合膜，该复合膜内沿膜平面方向分布有固定结合区（图中未示出）、第一功能腔室23、一次性阀门24、阻液阻气沟道25、第二功能腔室26、排气排液沟道27和第三功能腔室28。其中，该第一功能腔室23、第二功能腔室26、第三功能腔室28分别为储液池、PCR池、排气池。该第一功能腔室与设置在复合膜上的进液口20连接。

该第一柔性薄膜21、第二柔性薄膜22均采用厚度约0.12mm的PE薄膜，其弹性模量约为1.0×10⁸N/m²。

在固定结合区23内第一柔性薄膜21与第二柔性薄膜22热压结合，而在第一功能腔室23、阻液阻气沟道25、第二功能腔室26、排气排液沟道27和第三功能腔室28等处，第一柔性薄膜21与第二柔性薄膜22可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换。在与一次性阀门24对应位置处第一柔性薄膜21与第二柔性薄膜22也是热压结合，从而形成一次性阀门24，且在与一次性阀门24对应位置处的这种结合可以在一定压力的流体冲击下被破坏，从而使一次性阀门24被从阻止流体通过的关闭状态转换为允许流体通过的打开状态。其中第一功能腔室23、阻液阻气沟道25、第二功能腔室26、排气排液沟道27和第三功能腔室28的形状大小等均由固定结合区23的边界定义。

其中，在复合膜的膜平面方向上，阻液阻气沟道25、排气排液沟道27均为条形，其长度与宽度的比值可以控制在10：1左右。当然，当实际应用的需求改变该微流控芯片的规格、形状时，所述条形的长度与宽度的比值也可以相应放大或缩小。进一步的，对于阻液阻气沟道25来说，可以通过对其在复合膜的膜平面方向上的形状及尺寸进行调控，使阻液阻气沟道内第一柔性薄膜和第二柔性薄膜在流经的液体压力下相互分离形成流体通道时，第一柔性薄膜和第二柔性薄膜之间的距离（也可以认为是流体通道的直径）被控制在一个阈值以下，这个阈值应小于或等于注入到储液池的液体（包含PCR扩增组件的反应液）内所分布的孤立气泡的直径，例如可以为0.01-1mm，更具体的可以是0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm或1mm等。特别是使所述流体通道在其液体入口处的直径小于该阈值，从而利用空间位阻效应阻止孤立气泡进入所述流体通道，并使液体可以通过所述流体通道进入PCR池。

进一步的，在该阻液阻气沟道25内还设置有一个椭圆形流道直径调节机构29，通过这样的设置可以使所述流体通道的局部区域的直径进一步减小，从而可以更有效的阻止液体中可能存在的更微小的气泡通过所述流体通道。该流道直径调节机构29的大小和形状可以依据该阻液阻气沟道的形状和尺寸相应调整，以既能达成阻止气泡通过，又能保障液体较快通过所述流体通道。在一些情况下，设置在阻液阻气沟道25内的流道直径调节机构29也可以是多个。优选的，其中一个流道直径调节机构29设置在与流体通道的入口邻近位置处。

该微流控芯片可以通过多种简单方法制备。示例性的，可以预先制作微流控芯片的热压模具，将第一柔性薄膜和第二柔性薄膜叠合后，以热压模具热压焊接，使第一柔性薄膜和第二柔性薄膜在固定结合区固定结合或者结合为一体，而使第一柔性薄膜和第二柔性薄膜在储液池、PCR池、排气池、阻液阻气沟道、排气排液沟道等处可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换。其中热压焊接的温度由第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的材质决定，这是本领域技术人员熟知的。这种微流控芯片的制作方法具有成型工艺简单、开发周期短、成本低等优点。

基于该微流控芯片可以构建一种核酸扩增装置。具体的，可以将该微流控芯片与一施压机构和一温控模块配合形成核酸扩增装置。该施压机构可以采用电动、气动或液压驱动的挤压头等，其与储液池对应设置，用于依照设定程序对储液池施压。而温控模块可以包括电热元件和温度传感器等，该电热元件可以是常用PCR仪的加热元件，其可以与PCR池的外壁接触，用于依照设定程序对PCR池进行加热。此外，该核酸扩增装置还可以包括一控制模块，该控制模块可以是常用PCR仪的控制模块。

在利用该核酸扩增装置进行核酸扩增时，可以先将包含PCR扩增组件的反应液通过进液口注入储液池，之后以施压机构挤压该储液池，使反应液在挤压力的作用下依次经过一次性阀门、阻液阻气沟道进入PCR池，同时将PCR池内可能存在的气体经排气排液沟道排入排气池。待PCR池被反应液填满后，按照设定程序对PCR池进行加热，从而依次完成变性、延伸、退火，直至完成PCR扩增反应。

实施例2 请参阅图6，本实施例提供的一种微流控芯片的结构与实施例1基本相同，也包括由第一柔性薄膜31与第二柔性薄膜32层叠形成的复合膜。该复合膜内沿膜平面方向分布有固定结合区（图中未示出）、第一功能腔室33、一次性阀门34、阻液阻气沟道35、第二功能腔室36、排气排液沟道37和第三功能腔室38等。其中，该第一功能腔室33、第二功能腔室36、第三功能腔室38分别为储液池、PCR池、排气池。该第一功能腔室与设置在复合膜上的进液口30连接。

本实施例提供的微流控芯片与实施例1的微流控芯片的区别在于：

其中第一柔性薄膜31、第二柔性薄膜32采用厚度约为0.15mm的PP薄膜，其弹性模量为1.79×10⁹N/m²，且在固定结合区内，第一柔性薄膜31与第二柔性薄膜32是通过超声焊接固定结合。

其中阻液阻气沟道35内设置有一个长条形流道直径调节机构39，该流道直径调节机构39接近由所述阻液阻气沟道35形成的流体通道的入口设置。

本实施例提供的微流控芯片的制备方法及在核酸扩增中的应用方式可以参考实施例1。

实施例3 请参阅图7，本实施例提供的一种微流控芯片的结构与实施例1基本相同，也包括由第一柔性薄膜41与第二柔性薄膜42层叠形成的复合膜。该复合膜内沿膜平面方向也分布有固定结合区（图中未示出）、第一功能腔室43、一次性阀门44、阻液阻气沟道45、第二功能腔室46、排气排液沟道47和第三功能腔室48等。其中，该第一功能腔室43、第二功能腔室46、第三功能腔室48分别为储液池、PCR池、排气池。该第一功能腔室与设置在复合膜上的进液口40连接。

本实施例提供的微流控芯片与实施例1的微流控芯片的区别在于：

其中第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42采用厚度约为0.5mm的PET/PE复合薄膜，其弹性模量约为1.0×10¹⁰N/m²，且在固定结合区内，第一柔性薄膜41与第二柔性薄膜42是通过激光焊接固定结合。

其中阻液阻气沟道45内设置有多个流道直径调节机构49，其中部分流道直径调节机构49连接在第一柔性薄膜上，其余流道直径调节机构49连接在第二柔性薄膜上，这些流道直径调节机构49交错设置形成叉指结构，该叉指结构接近由所述阻液阻气沟道45形成的流体通道的入口设置，该叉指结构内形成有连续的曲线形流道。该叉指结构的设置，可以使阻液阻气沟道45具有比实施例1、2更佳的阻气功能。

本实施例提供的微流控芯片的制备方法及在核酸扩增中的应用方式也可以参考实施例1。

此外，依据实际应用的需求，以上实施例中的柔性薄膜还可以替换为厚度在0.01-5mm范围内、弹性模量在1.0×10⁸~1.0×10¹⁰N/m²范围内的PET薄膜、PE薄膜、PP薄膜、TPU薄膜、PA薄膜、PS薄膜、PI薄膜或其复合膜。

应当理解，以上所述仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于，包括复合膜、固定结合区、多个功能腔室、一次性阀门和阻液阻气沟道；

所述复合膜包括层叠设置的第一柔性薄膜和第二柔性薄膜，所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜的弹性模量为1.0×108~1.0×1010N/m2；

所述固定结合区、多个功能腔室、阻液阻气沟道均设置在所述复合膜内，并沿与所述复合膜共平面的方向分布，且所述功能腔室及阻液阻气沟道在与所述复合膜共平面的方向上的大小和形状由所述固定结合区的边界定义；

所述多个功能腔室包括第一功能腔室和第二功能腔室，所述第一功能腔室和第二功能腔室通过一次性阀门及阻液阻气沟道连接，所述一次性阀门在被从关闭状态改变为打开状态时允许流体通过，所述流体包括液体；

在所述固定结合区内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜不可逆地结合，而在所述功能腔室及阻液阻气沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，

其中，当所述功能腔室内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述功能腔室能够容纳流体，

当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，在第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间形成流体通道，所述流体通道在液体流动方向上的至少一个位置处的直径在一阈值以下，所述阈值小于或等于与所述阻液阻气沟道连接的一个功能腔室内的液体所包含的孤立气泡的直径。

2.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：当所述功能腔室或阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合时，所述功能腔室或阻液阻气沟道内能够容纳流体的物理空间消失。

3.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：所述阻液阻气沟道内还分布有至少一个流道直径调节机构；当所述阻液阻气沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述流道直径调节机构与第一柔性薄膜及第二柔性薄膜中的至少一者之间留有可供液体通过的间隙。

4.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片还包括排气排液沟道，所述排气排液沟道设置在所述复合膜内，所述多个功能腔室还包括第三功能腔室，所述第三功能腔室通过所述排气排液沟道与所述第二功能腔室连接。

5.根据权利要求4所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：所述排气排液沟道在与所述复合膜共平面的方向上的大小和形状也由所述固定结合区的边界定义，并且在所述排气排液沟道内第一柔性薄膜与第二柔性薄膜也可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换；

其中，当所述排气排液沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互分离时，所述排气排液沟道允许流体通过。

6.根据权利要求5所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：当所述排气排液沟道内的第一柔性薄膜与第二柔性薄膜相互贴合时，所述排气排液沟道内能够容纳流体的物理空间消失。

7.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片还包括至少一个进液口，其中一个进液口与所述第一功能腔室连通。

8.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：在所述固定结合区内第一柔性薄膜和第二柔性薄膜至少通过热压、激光焊接、超声焊接、粘接中的一种方式不可逆地结合。

9.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其特征在于：所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜包括PET薄膜、PE薄膜、PP薄膜、TPU薄膜、PA薄膜、PS薄膜、PI薄膜中的任意一种或多种的组合。

10.一种核酸扩增装置，其特征在于包括：

权利要求1-9中任一项所述的基于柔性薄膜的微流控芯片，其中的第一功能腔室为储液池，第二功能腔室为PCR扩增池；

至少一个施压机构，其中一个施压机构对应所述储液池设置，并用于选择性地对所述储液池施加压力，以驱使所述储液池容纳的流体通过连接于储液池和PCR扩增池之间的一次性阀门及阻液阻气沟道后进入PCR扩增池；

温控模块，用于依据设定PCR反应程序调节所述PCR扩增池内的温度。

11.根据权利要求10所述的核酸扩增装置，其特征在于：所述微流控芯片中的第三功能腔室为排气池。

12.一种核酸扩增方法，其特征在于包括：

提供权利要求10-11中任一项所述的核酸扩增装置；

将包含PCR扩增组件的液体注入储液池，之后挤压所述储液池，使所述液体通过连接于储液池和PCR扩增池之间的一次性阀门及阻液阻气沟道后进入PCR扩增池；

按照设定PCR反应程序对所述PCR扩增池内液体的温度进行调节，直至完成PCR反应。

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