CN115204392A - 一种用于dna计算和存储的微流控芯片及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于DNA计算和存储的微流控芯片及其操控方法，该微流控芯片包括底板、盖板和密封结构，盖板通过所述密封结构与所述底板密封并在盖板和所述底板之间形成DNA算子液滴的移动空间；所述底板上形成有用于驱动所述DNA算子液滴在底板移动的电极；其中，所述盖板上设置有注液口和检测口，外部加注设备通过所述注液口向芯片内加注所述DNA算子液滴，所述DNA算子液滴在所述电极的电场控制下按照预定计算流程在所述底板上运动，检测设备通过所述检测口对所述DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序。本发明通过微流控芯片实现了DNA计算和存储，具有环境要求低，试剂消耗量小、体积微小、成本低、自动化程度高等优点。

Description

一种用于DNA计算和存储的微流控芯片及其操控方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种用于DNA计算和存储的微流控芯片及其操控方法。

背景技术

DNA计算是一种新型生物计算技术，该技术是利用DNA分子内的序列信息为“数据”，以DNA分子之间的自组装反应为“运算方法”的先进生物计算技术。DNA计算技术是生物分子的先进计算机最具潜力的技术途径之一。RSA加密算法创始人Adleman于1994年首次利用DNA生物反应过程成功解决了哈密顿路径(典型NP完全)问题，开启了DNA计算研究的新纪元。类比于电子计算机计算原理，DNA计算的基本思想：将基于高低电平(0、1)二进制编码，替代为基于A、T、G、C 4种碱基的四进制DNA链状空间拓扑编码；将基于电压控制的电子晶体管开关机理，替代为DNA分子碱基互补配对原则；将基于电子晶体管组合逻辑硬件电路，替代为DNA分子与生物酶的液相反应过程。由于DNA分子空间尺度小(纳米级别)、稳定性高、具备多种生物算子(拼接、断裂、复制等功能酶)，因此，DNA计算机在存储能力、并行计算能力以及能耗方面展现了巨大的优势，根据研究显示，DNA计算一步反应可完成1020次运算，并行计算能力较传统计算机提升至十万倍以上；1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿个二进制数据，存储密度可提升百万倍以上；能耗仅为传统计算机的千万分之一。

数字微流控是将功能各异的多个单元或模块，在微尺度上连接并存，并协同完成样品制备、生物与化学反应、分离检测等一系列复杂的生化分析工作。最终可以把生物和化学等领域中所涉及的所有功能模块集成在一块几平方厘米的芯片上，直接应用于生物化学检测、环境快速检测等。但是，现有已经逐步开展应用的片上实验室，其核心的关键功能实现——微流体驱动，主要以压力驱动、热驱动等方式进行，需要从外界提供动力，驱动的流体量相对较大，流道驱动组件多、功耗高，且驱动方式不具有不同器件间的通用性，无法发挥作为微流体基本操作单元“液滴”的有效功能。因此，形成一种有效、易于操作的微流体平台级液滴操控方法，对后续片上实验室的发展，具有至关重要的作用。

现有数字微流控技术在DNA计算和存储上的应用刚刚起步，大多数方案仅处于实验、摸索阶段，并没有完整的利用微流控芯片来实现DNA计算和存储的方案出现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够实现DNA计算和存储完整功能的微流控芯片及其操控方法。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于DNA计算和存储的微流控芯片，包括底板、盖板和密封结构，所述盖板通过所述密封结构与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成DNA算子液滴的移动空间；所述底板上形成有用于驱动所述DNA算子液滴在底板移动的电极；其中，所述盖板上设置有注液口和检测口，外部加注设备通过所述注液口向芯片内加注所述DNA算子液滴，所述DNA算子液滴在所述电极的电场控制下按照预定计算流程在所述底板上运动，检测设备通过所述检测口对所述DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序。

进一步，所述底板包括基板、电极层、绝缘层和疏水层，所述电极层、绝缘层和所述疏水层依序层叠设置在所述基板上。

进一步，所述基板的材料包括玻璃、硅片、氧化硅片和PCB印刷电路板中的一种。

进一步，所述电极层阵列设置多个所述电极，所述电极材料包括金属、ITO化合物和导电聚合物，所述绝缘层材料包括光刻胶、派瑞林、ParFilm、氮化硅和氧化硅中的一种或多种。

进一步，所述盖板的内侧形成导电层和疏水层，通过在所述导电层和所述电极施加电压来驱动所述DNA算子液滴在底板移动。

进一步，所述疏水层的接触角大于90°。

进一步，所述密封结构为密封框胶，所述密封框胶将所述盖板和所述底板密封，且将所述盖板支撑在所述底板上形成供所述DNA算子液滴移动的移动空间。

进一步，所述密封框胶的厚度为50um-3mm。

进一步，所述移动空间按照功能划分为注液区、运算区和检测区，所述注液区位于所述注液孔与所述底板之间垂直投影区域，所述注液区用于所述DNA算子液滴的注入和取出操作；所述检测区位于所述检测口与所述底板之间垂直投影区域，所述检测区用于对DNA算子液滴在运算区的运动结果进行读取和检测；所述运算区为芯片内所述注液区和所述检测区之间的区域，所述运算区用用通过电极的电场作用下控制DNA算子液滴的迁移、分裂、合并和混合中的一种或多种操作。

本发明第二方面提供一种上述第一方面所述的微流控芯片的操控方法，包括如下步骤：

在所述注液口向芯片内加注DNA算子液滴；

在所述电极的电场作用下控制所述DNA算子液滴按照预定计算流程在所述底板上运动；

通过所述检测口对底板上运动的DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序检测。

进一步，所述DNA算子液滴在底板上运动包括迁移、分裂、合并和混合中的一种或多种。

进一步，所述操控方法还包括：

在电极的驱动下将注入的DNA算子液滴从注液区移动至运算区；

在电极的驱动下将运算区的DNA算子液滴移动至检测区。

本发明通过注液口可以向芯片内注入和取出DNA算子液滴，通过底板上形成的电极控制DNA算子液滴在底板做迁移、分裂、合并、混合等操作，实现基于DNA算子的信息流处理，通过检测口对DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序，能够满足DNA计算和存储应用的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的用于DNA计算和存储的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明一实施例的微流控芯片内功能区的示意图；

图3为本发明一实施例的微流控芯片的操控方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，用于DNA计算和存储的微流控芯片，包括底板1、盖板2和密封结构3，所述盖板2通过所述密封结构3与所述底板1密封并在所述盖板2和所述底板1之间形成DNA算子液滴的移动空间；所述底板1上形成有用于驱动所述DNA算子液滴在底板1移动的电极121；其中，所述盖板2上设置有注液口21和检测口22，外部加注设备4通过所述注液口21向芯片内加注所述DNA算子液滴，所述DNA算子液滴在所述电极121的电场控制下按照预定计算流程在所述底板1上运动，检测设备5通过所述检测口22对所述DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序。DNA算子液滴在底板上移动路径和运动方式可以通过电极灵活控制，可以实现DNA计算和存储所需的迁移、分裂、合并和混合等操作。DNA算子，是参与计算的DNA分子链，也包括DNA链接、打断、杂交、混合等核酸处理过程中的生物酶/生物素、无机物(盐酸、氢氧化钾、缓冲液等)以及功能性液滴(磁珠液等)。

本发明通过注液口可以向芯片内注入和取出DNA算子液滴，通过底板上形成的电极控制DNA算子液滴在底板做迁移、分裂、合并、混合等操作，实现基于DNA算子的信息流处理，通过检测口对DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序，利用电极可以灵活控制计算和存储流程，能够满足DNA计算和存储应用的需求。

在本发明一实施例中，所述底板1包括基板11、电极层12、绝缘层13和疏水层14，所述电极层12、绝缘层和13所述疏水层14依序层叠设置在所述基板11上。所述基板11的材料包括玻璃、硅片、氧化硅片和PCB印刷电路板中的一种，基板11选用硬性基材为芯片提供支撑。

在本发明一实施例中，所述电极层12阵列设置多个所述电极121，所述电极121材料包括金属、ITO化合物和导电聚合物，并且该电极以阵列化的方式存在，阵列规模大于3×3，较多数量的驱动电极为DNA计算提供更多的计算资源和规划资源。所述绝缘层13材料包括光刻胶(典型的如SU8、OC负性光刻胶或AZ601等正性光刻胶)、派瑞林、ParFilm、氮化硅和氧化硅中的一种或多种。绝缘层13的添加可以有效降低DNA算子液滴驱动过程中的击穿问题，降低液滴驱动功耗、显著提高芯片的寿命和可靠性。疏水层14用于提供疏水表面，为液滴的电学驱动提供驱动力。疏水层14的接触角可以根据液滴的类型和所需驱动力进行选择，例如疏水层14的接触角大于90°，此时疏水层可具有良好的DNA算子液滴的驱动力。需要说明的是，本发明并不局限于此，其可根据实际需要做相应改变。

在本发明一实施例中，所述盖板2的内侧形成导电层(图中未示出)和疏水层23，通过在所述导电层和所述电极121施加电压来驱动所述DNA算子液滴在底板1移动。DNA算子液滴在电极121和导电层之间的电场作用下可以在底板上做相应运动。盖板2的材质可以为玻璃、硅片、表面导电的塑料等。

在本发明一实施例中，所述密封结构3为密封框胶，所述密封框胶将所述盖板2和所述底板1密封，且将所述盖板2支撑在所述底板1上形成供所述DNA算子液滴移动的移动空间。该移动空间内可以为真空、也可以为空气填充、也可以采用硅油进行填充，以适应不同的工作环境。所述密封框胶的厚度为50um-3mm，密封框架的厚度在此尺寸下具有良好的DNA算子液滴的驱动效果。

如图2所示，底板1和盖板2之间形成的移动空间按照功能划分为注液区6、运算区7和检测区8，所述注液区6位于所述注液孔与所述底板1之间垂直投影区域，所述注液区6用于所述DNA算子液滴的注入和取出操作；所述检测区8位于所述检测口22与所述底板1之间垂直投影区域，所述检测区8用于对DNA算子液滴在运算区7的运动结果进行读取和检测；所述运算区7为芯片内所述注液区6和所述检测区8之间的区域，所述运算区7用用通过电极121的电场作用下控制DNA算子液滴的迁移、分裂、合并和混合中的一种或多种操作。基于上述结构，芯片内部实现了三种功能区域，第一个功能区域是液体的注入孔，用于DNA算子的注入和取出等操作，第二个功能区是在芯片内部空间，利用电极阵列形成的液滴运算区域，在该区域内，DNA算子之间通过迁移、分裂、合并、混合、加热、磁富集等操作，实现基于DNA分子的信息流处理。第三个功能区是序列检测与产物提取部分，用于对过程中的结果进行读取和检测。

如图3所示，本发明的微流控芯片的操控方法，包括如下步骤：

步骤S310：在所述注液口向芯片内加注DNA算子液滴；

步骤S320：在所述电极的电场作用下控制所述DNA算子液滴按照预定计算流程在所述底板上运动；其中，所述DNA算子液滴在底板上运动包括迁移、分裂、合并和混合中的一种或多种。

步骤S330：通过所述检测口对底板上运动的DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序检测。

在本发明一实施例中，所述操控方法还包括：

在电极的驱动下将注入的DNA算子液滴从注液区移动至运算区。本步骤在步骤S310之后操作，使得DNA算子液滴注入后移动至运算区进行DNA计算和存储等操作。

在电极的驱动下将运算区的DNA算子液滴移动至检测区。本步骤在步骤S320之后操作，使得在运算区的DNA算子运动完成后，例如DNA算子之间通过迁移、分裂、合并、混合、加热、磁富集等操作后移动至检测区进行荧光或者DNA测序检测。

为使本领域技术人员更清楚地理解本发明的技术方案，现将本发明的微流控芯片工作原理介绍如下：

以DNA的典型的链置换运算过程为例，阐述本发明的DNA运算过程。首先，在电子计算机上，输入要求解的计算问题，然后计算机操控DNA序列合成模块，生成计算所需要的若干DNA算子，然后DNA分子溶于水溶液后，形成算子液滴。将DNA算子液滴依照计算顺序加入到微流控芯片中。通过液体注入口加入到微流控芯片中，进入液滴运算区域，算子液滴在电极的控制下，在算子运算区域内按照计算流程进行运动，其运动包括液滴分裂、迁移、合并等操作，同时，依靠外部的加热模块，可以实现片上的等温或者变温PCR过程，实现DNA分子的扩增；依靠外部的磁模块，可以实现片上的DNA富集操作；通过热和磁模块，可以实现DNA的扩增与特异性富集。利用液滴运算区内大量的阵列化电极，通过电信号，可以实现运算流程的重构和在线控制。DNA液滴计算后的结果，通过片上的检测，利用芯片上的在线检测模块，通过实现荧光或者DNA测序，实现结果或者中间结果的读出。与此同时，算子液滴也可以通过液滴注入孔被移动到片外的序列检测机构，进行DNA序列的高精度测序。检测或者测序结果可以作为中间结果反馈到前端进行下一步的DNA运算过程，另外还有一部分作为运算结果输出到外部。

综上，本发明通过注液口可以向芯片内注入和取出DNA算子液滴，通过底板上形成的电极控制DNA算子液滴在底板做迁移、分裂、合并、混合等操作，实现基于DNA算子的信息流处理，通过检测口对DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序，能够满足DNA计算和存储应用的需求。该设备具有环境要求低，试剂消耗量小、体积微小、成本低、自动化程度高等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于DNA计算和存储的微流控芯片，其特征在于，包括底板、盖板和密封结构，所述盖板通过所述密封结构与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成DNA算子液滴的移动空间；所述底板上形成有用于驱动所述DNA算子液滴在底板移动的电极；其中，所述盖板上设置有注液口和检测口，外部加注设备通过所述注液口向芯片内加注所述DNA算子液滴，所述DNA算子液滴在所述电极的电场控制下按照预定计算流程在所述底板上运动，检测设备通过所述检测口对所述DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述底板包括基板、电极层、绝缘层和疏水层，所述电极层、绝缘层和所述疏水层依序层叠设置在所述基板上。

3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述基板的材料包括玻璃、硅片、氧化硅片和PCB印刷电路板中的一种。

4.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述电极层阵列设置多个所述电极，所述电极材料包括金属、ITO化合物和导电聚合物，所述绝缘层材料包括光刻胶、派瑞林、ParFilm、氮化硅和氧化硅中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述盖板的内侧形成导电层和疏水层，通过在所述导电层和所述电极施加电压来驱动所述DNA算子液滴在底板移动。

6.如权利要求2或5所述的微流控芯片，其特征在于，所述疏水层的接触角大于90°。

7.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述密封结构为密封框胶，所述密封框胶将所述盖板和所述底板密封，且将所述盖板支撑在所述底板上形成供所述DNA算子液滴移动的移动空间。

8.如权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述密封框胶的厚度为50um-3mm。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的微流控芯片的操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

在所述注液口向芯片内加注DNA算子液滴；

在所述电极的电场作用下控制所述DNA算子液滴按照预定计算流程在所述底板上运动；

通过所述检测口对底板上运动的DNA算子液滴进行荧光或者DNA测序检测。

10.如权利要求9所述的操控方法，其特征在于，所述DNA算子液滴在底板上运动包括迁移、分裂、合并和混合中的一种或多种。

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