CN115322888A - 微流控囊袋式循环pcr芯片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微流控囊袋式循环PCR芯片及其应用。该PCR芯片包括复合膜以及分布在复合膜内的固定区、功能区和进出液口等；所述功能区包括变性腔室、退火腔室、延伸腔室及连接通道等，且在功能区内第一薄膜与第二薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换。与现有技术相比，本申请提供的PCR芯片结构简单，易于制作，成本低，在应用于PCR反应时，反应温区数量和反应循环数不受芯片结构的限制，并可大幅缩减PCR反应时间，还可以有效减小气泡对PCR反应造成的负面影响。
Description
技术领域
本申请涉及一种微流控芯片，具体涉及一种微流控囊袋式循环PCR芯片及其应用，属于微流控与基因检测技术领域。
背景技术
目前，常用的微流控PCR芯片有微池静态式PCR芯片、微通道连续流动式PCR芯片等。这些PCR芯片各有其优劣之处。
例如，微池静态式PCR芯片可以通过硅基或者聚合物基微加工技术实现，与IC工艺兼容，比较适合于批量生长和大规模集成。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芯片的升降温能力。
不同于微池静态式PCR芯片，在微通道连续流动式PCR芯片中，PCR反应溶液沿着微通道依次连续地流过2个或者3个不同的温度区域以实现PCR过程的高温变性、低温退火和中温延伸反应。现有的微通道连续流动式PCR芯片主要是基于MEMS技术或毛细管实现的，其大多存在如下弊端：
1）加热过程中产生的气泡无法避免，气泡的产生会隔断毛细管内液体的连续性；
2）MEMS加工成本高，工艺相对复杂；
3）毛细管道有很大的内表面积，内壁的非特异性吸附强，需要一些特殊的前处理过程，如用牛血清白蛋白（BSA）来钝化管道内壁；
4）可进行的PCR循环数与芯片的结构设计有直接关系，当需要改变反应的热循环数量时，则需要更改芯片的设计。例如，在基于毛细管的PCR芯片中，是将毛细管缠绕在三个反应温区的圆柱上，PCR反应液在三个反应温区内流动一圈完成一个循环。需要几个循环，则需要将毛细管缠绕几圈，反应温区数量和反应循环数均受到芯片结构的限制。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种微流控囊袋式循环PCR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微流控囊袋式循环PCR芯片，其包括：
复合膜，其包括层叠设置的第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜和第二薄膜中的至少一者为柔性膜；
固定区，其沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内，且在所述固定区内第一薄膜与第二薄膜不可逆地结合；
功能区，其包括沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内的变性腔室、退火腔室、延伸腔室及连接通道，所述功能区的形状由所述固定区的边界定义，所述连接通道包括第一连接通道、第二连接通道和第三连接通道，所述变性腔室经第一连接通道与退火腔室连接，所述退火腔室经第二连接通道与延伸腔室连接，所述延伸腔室经第三连接通道与变性腔室连接；
进出液口，其设置在所述复合膜上，并与所述变性腔室连接；
其中，在所述功能区内第一薄膜与第二薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，
当所述功能区中任一腔室内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，则相应腔室形成能够容纳流体的微囊袋，
当所述连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，所述连接通道允许流体通过。
本申请的另一个方面提供了所述微流控囊袋式循环PCR芯片的应用，例如在制备核酸扩增装置或核酸扩增方法中的应用。
与现有技术相比，本申请的优点至少在于：
（1）提供的微流控囊袋式循环PCR芯片结构简单，易于制作，成本低，在应用于PCR反应时，基本没有升降温过程，可极大程度地缩减PCR反应时间，特别是反应温区数量和反应循环数不受芯片结构的限制。
（2）提供的微流控囊袋式循环PCR芯片主要是利用具有一定纵向拉伸力的柔性薄膜制成，因此芯片中各腔室的容积是可变地，能满足容纳不同体积PCR反应体系的需求，且各腔室、连接通道内的物理空间是随流体的进入、流出而相应产生、消失，可以基本可实现液体在各腔室、连接通道之间转移时的零残留，同时还可利用柔性薄膜因拉伸而自发产生的应力，有效可以抑制PCR反应液在被加热时产生的气泡，减少气泡对PCR反应造成的负面影响。
（3）提供的微流控囊袋式循环PCR芯片因采用了前述结构设计，使其中储液腔室、变性腔室、退火腔室、延伸腔室等具有储液、动力源、阀门三效合一的功能，可以有效简化芯片结构，进一步缩短芯片开发周期，降低芯片制作成本。
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是本申请一实施例中一种微流控囊袋式循环PCR芯片的俯视图；
图2是本申请一实施例中一种微流控囊袋式循环PCR芯片的剖视图；
图3是本申请一实施例中一种核酸扩增装置的结构示意图；
图4是图2所示微流控囊袋式循环PCR芯片的工作状态示意图之一；
图5是图2所示微流控囊袋式循环PCR芯片的工作状态示意图之二。
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微流控囊袋式循环PCR芯片包括：
复合膜，其包括层叠设置的第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜和第二薄膜中的至少一者为柔性膜；
固定区，其沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内，且在所述固定区内第一薄膜与第二薄膜不可逆地结合，该不可逆地结合可以采用但不限于热压、激光焊接、超声焊接、粘接等方式实现；
功能区，其包括沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内的变性腔室、退火腔室、延伸腔室及连接通道，所述功能区的形状由所述固定区的边界定义，所述变性腔室、退火腔室、延伸腔室通过所述连接通道两两连接；
进出液口，其设置在所述复合膜上，并与所述变性腔室连接；
其中，在所述功能区内第一薄膜与第二薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，
当所述功能区中任一腔室内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，则相应腔室形成能够容纳流体的微囊袋，
当所述连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，所述连接通道允许流体通过。
在一个实施例中，所述连接通道包括第一连接通道、第二连接通道和第三连接通道，所述变性腔室经第一连接通道与退火腔室连接，所述退火腔室经第二连接通道与延伸腔室连接，所述延伸腔室经第三连接通道与变性腔室连接。
在一个实施例中，当所述功能区中任一腔室或所述连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互贴合时，则相应腔室或所述连接通道内能够容纳流体的物理空间消失。
示例性的，在向所述功能区内的一个腔室或一个连接通道内注入具有一定压力的流体时，可以利用流体产生的内压力使该腔室或连接通道内的第一薄膜与第二薄膜分离，特别是使其中至少一个柔性膜发生局部形变，从而形成可容纳流体的储液囊腔或者使连接通道允许流体通过。所述流体包括液体、气体等，例如包含PCR扩增组件的PCR反应液。其中，所述PCR扩增组件可以为本领域常用的PCR反应所需的多种原料，包括DNA模板、上下游引物、聚合酶、多种dNTP、缓冲液等。而当流体从该腔室或连接通道内完全流出时，内压力消失，此时由于柔性薄膜的纵向拉伸性，会使第一薄膜与第二薄膜自动恢复相互的贴合状态，此时该腔室或连接通道内用于容纳流体的物理空间消失，实现流体在该腔室或连接通道内的零残留。
在一些情况下，也可以通过在外部挤压所述功能区内的相应腔室或连接通道，使该腔室或连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互贴合。
在本申请中所述“物理空间消失”是一种理想情况。在实际应用中，所述腔室、连接通道内的第一薄膜与第二薄膜在贴合状态下，两者之间也可能会留有微小间隙，使得该腔室、连接通道内仍可能会存在一定的物理空间，但该物理空间相较于现有的PCR芯片中的固定物理空间通常是极小的，可以认为接近于0，即相当于该物理空间基本消失。
通过采用了前述设计，使得本申请的微流控囊袋式循环PCR芯片在实际应用时，当流体从功能区内的一个腔室向另一个腔室转移时，在该一个腔室和相应连接通道内几乎是零残留，相较于现有的基于毛细管或者PDMS芯片加工技术来成型的圆形闭环式连续循环流动PCR芯片，有效解决了“死体积”的问题，能显著提升PCR反应液的利用率，也利于减少微流控囊袋式循环PCR芯片的进样量；并且，所述功能区内的各个腔室还同时具有储液、动力源、阀门三个功能，而无需在芯片中额外设置阀门、驱动机构等，可以有效简化芯片结构，降低其开发及制作成本。以储液腔室、变性腔室、退火腔室、延伸腔室为例，其既可以用于容纳流体，实现储液功能，也可以利用拉伸的柔性薄膜产生的应力和/或外部施加的压力驱使内部所容纳的流体向外流动，实现驱动功能，还可以在未被注入流体之前和/或容纳的流体完全流出之后，阻止流体通过，实现阀门功能。
在一个实施例中，所述功能区还包括储液腔室，所述连接通道还包括第四连接通道，所述进出液口与储液腔室连接，所述储液腔室经第四连接通道与所述变性腔室连接。
在一个实施例中，所述变性腔室、退火腔室和延伸腔室均可以为一个或多个，其可以在与所述复合膜共平面的方向上按照任何合适方式分布，例如成环形布局。示例性的，所述变性腔室、退火腔室和延伸腔室在与所述复合膜共平面的方向上成三角形布局。
在一个实施例中，所述第一连接通道、第二连接通道和第三连接通道均为单向流动通道，从而使所述变性腔室、退火腔室及延伸腔室组成可供流体沿指定方向循环流动的闭环式通路，所述指定方向为使流体从变性腔室依次流向退火腔室、延伸腔室的方向。进一步的，所述指定方向可以是顺时针方向或逆时针方向。
示例性的，所述第一连接通道、第二连接通道、第三连接通道为变径通道，所述变径通道的流体入口端的口径大于流体出口端的口径，则入口端克服柔性薄膜的张紧力使其纵向变形的力要小于流体出口端。在相同的液体压力条件下，液体流入入口端的阻力要小于流入流体出口端的阻力，液体优先进入流体入口端。当液体进入流体入口端后，第一薄膜与第二薄膜相互分离，形成物理空间，进一步减少液体进入的阻力，通道导通，形成从流体入口端到流体出口端的单向流动通道。示例性的，所述变径通道的内径从流体入口端向流体出口端逐渐减小，通过调节变径通道两端的开口度和长度，造成变径通道两端对液体流动阻力不同，液体在流动时优先选择阻力小的一端流动，从而形成单向流动。
在一些情况下，所述第一连接通道、第二连接通道、第三连接通道也可以是可供PCR反应液双向流动的双向流动通道，从而使PCR反应液可以在不同腔室之间往返流动，例如使PCR反应液在变性腔室与延伸腔室之间往返流动，以满足一些特定应用需求，例如双温区PCR反应的需求。
本申请通过采用层叠的薄膜制成微流控囊袋式循环PCR芯片，并采用前述的闭环式通路设计，使得该芯片在应用于进行PCR反应时，一方面可以基本省略升降温过程，极大缩减PCR反应时间，另一方面还使得反应温区数量和反应循环数不受芯片结构的限制。
在一个实施例中，还可以在所述复合膜上设置独立于进出液口的排液口，所述排液口与所述功能区内的至少一个腔室连通，用于将所述PCR芯片内的PCR反应液排出。
在一个实施例中，所述柔性薄膜具有一定弹性模量，例如为1.0×108~3.0×1010N/m2，或者也可以选用弹性模量更大或更小的柔性薄膜，以满足实际应用的需求。当将具有一定压力的流体注入所述功能区中的一个腔室内时，该腔室处的柔性薄膜会发生可逆的弹性形变并产生张紧力，从而自动对该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PCR反应液内溶解氧的释放而产生的气泡，并且因该压力的大小是随相应腔室中液体的体积变化的，所以与人为施力以抑制液体中生成气泡等的方式相比，本申请可以自动、自适应地抑制液体中生成的气泡，进而可以大幅减少操作人员的工作量。在一些情况下，若柔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，所述第一薄膜、第二薄膜包括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，所述第一薄膜、第二薄膜还可以是PET薄膜、PE薄膜、PP薄膜、PA薄膜、PS薄膜、PI薄膜的镀铝膜、与铝箔的复合膜等，且不限于此。
在一些情况下，所述第一薄膜、第二薄膜的厚度可以为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柔性薄膜作为所述第一薄膜、第二薄膜。本申请的PCR芯片在使用时，热传导路径的长度仅为柔性薄膜的厚度，升降温能力有显著提升，且柔性薄膜能与加热机构更为紧密地贴合，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。
本申请的一些实施例提供的一种制备所述微流控囊袋式循环PCR芯片的制备方法包括：
将第一薄膜与第二薄膜层叠设置形成复合膜，
在所述复合膜上定义出功能区和固定区，并在固定区内使所述第一薄膜与第二薄膜固定结合，以及在所述功能区内定义出多个腔室和连接通道，且在所述功能区内使第一薄膜与第二薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换；
在所述复合膜上设置进出液口，并使进出液口与所述功能区内的一个腔室连通，该腔室可以为储液腔室。
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薄膜与第二薄膜在所述固定区内不可逆的结合，且不限于此。
在一个实施例中，可以定义第一薄膜用于与第二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，该设定区域与所述功能区对应，从而定义出多个腔室和连接通道；之后，将第一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，将第一薄膜的第一面与第二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，可以直接将第一薄膜与第二薄膜层叠设置形成复合膜，之后对所述复合膜的固定区进行热压焊接，使所述第一薄膜与第二薄膜在所述固定区内不可逆的结合。该方案相较于采用粘接剂粘合的方式，操作更为简单快捷，且可以杜绝在第一薄膜与第二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：
所述的微流控囊袋式循环PCR芯片；
多个施压机构，每一施压机构对应于功能区内的一个腔室设置，并用于选择性地对相应腔室施加压力，以驱使该腔室内容纳的流体向其他腔室流动；
温控组件，用于依据设定程序调节所述功能区内各腔室的温度。
在一个实施例中，所述的核酸扩增装置还包括底座和压盖，所述温控组件包括加热机构，所述微流控囊袋式循环PCR芯片设置在所述压盖与底座之间，所述加热机构设置在所述底座内，所述压盖上设有与多个所述施压机构配合的窗口。
在一个实施例中，所述加热机构可以是Peltier、电热丝、发热膜等电热元件，且不限于此。
在一个实施例中，所述温控组件还可以包括控制模块、温度传感模块等，这些功能模块可以按照本领域常见的方式与加热机构连接，其工作原理等均是本领域习知的，因而此处不再予以详细说明。
在本申请中，所述施压机构可以选用本领域常见的气动挤压装置、电动挤压装置、液压式挤压装置等，且不限于此。
本申请的一些实施例提供的一种核酸扩增方法是基于所述核酸扩增装置实施，并且所述核酸扩增方法包括：
提供所述的核酸扩增装置；
将包含PCR扩增组件的PCR反应液通过进出液口注入微流控囊袋式循环PCR芯片；
使温控组件按照设定程序调节所述功能区内各腔室的温度；
使与功能区内各腔室对应的多个施压机构按设定程序工作，从而使所述PCR反应液沿指定方向在变性腔室、退火腔室、延伸腔室之间循环流动，并分别在变性腔室、退火腔室、延伸腔室内进行变性反应、退火反应、延伸反应，直至完成核酸扩增反应。
在一个实施例中，所述的核酸扩增方法具体包括：使与变性腔室、退火腔室、延伸腔室对应的多个施压机构按设定程序执行施压动作，从而使PCR反应液沿指定方向在变性腔室、退火腔室、延伸腔室之间循环流动，并分别在变性腔室、退火腔室、延伸腔室内进行变性反应、退火反应、延伸反应，直至完成核酸扩增反应。
以下结合一具体实施案例对本申请的技术方案进行更为详细的解释说明。
请参阅图1-图2所示，本实施例提供的一种微流控囊袋式循环PCR芯片100包括：
复合膜1，由第一薄膜11和第二薄膜12上下层叠组成；
固定区，其沿与复合膜共平面的方向分布在复合膜1内；
功能区，其包括沿与复合膜1共平面的方向分布在复合膜1内的储液腔室3、变性腔室5、第一连接通道4、第二连接通道6、退火腔室7、延伸腔室8、第三连接通道9和第四连接通道10，其中储液腔室3和变性腔室5通过第四连接通道10连接，变性腔室5通过第一连接通道4与退火腔室7连接，退火腔室7通过第二连接通道6与延伸腔室8连接，延伸腔室8通过第三连接通道9与变性腔室5连接，从而使变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8配合形成一个闭环式通路，PCR反应液可在该闭环式通路内循环流动；
进出液口2，其设置在复合膜1的边缘处，并与储液腔室3连通。
该微流控囊袋式循环PCR芯片100中，在固定区内第一薄膜11和第二薄膜12是不可逆结合的。而在功能区内第一薄膜11和第二薄膜12可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换。
其中，第一薄膜11、第二薄膜12可以采用弹性模量为1.0×108~3.5×109N/m2的柔性薄膜，其材质可以选自但不限于PET、PE、PP、PA、PS、PI中的一种或多种，例如由其中的两种或多种组合形成的复合膜。
其中，第一薄膜11、第二薄膜12的厚度可以设置在0.01-5mm范围内，例如0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm或5mm等。或者，依据实际应用的需求，也可以选用厚度更大或更小的柔性薄膜。优选的，可以将微流控囊袋式循环PCR芯片100的整体厚度控制在0.1mm-0.5mm范围内，使其既有足够的力学强度，又能保持柔软、轻薄的特点。
其中，功能区的尺寸和形状可以由固定区的边界定义。而储液腔室3、变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8及各连接通道的形状、尺寸可以依据实际应用需求而定。示例性的，储液腔室3、变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8可以为圆形，其直径可以分别设置为10-30、10-30、10-30、10-30mm，但也可以随芯片规格增大或减小。各连接通道可以为条形，其长度、宽度可以分别设置为1-10、0.5-5mm，但也可以随芯片规格增大或减小。
其中，第一连接通道4、第二连接通道6、第三连接通道9、第四连接通道10可以全部或部分采用双向流动通道，使PCR反应液可以在储液腔室3、变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8中的两个或更多腔室之间往复转移。
其中，为了使PCR反应液在前述闭环式通路内单向循环流动，可将第一连接通道4、第二连接通道6、第三连接通道9设置为单向流动通道。示例性的，可以将第一连接通道4、第二连接通道6、第三连接通道9均设置为流体入口端开口大、流体出口端开口小的变径通道，通过调节变径通道的长度和两端的开口度，使变径通道两端对PCR反应液流动阻力不同，具体来说，PCR反应液在流动时优先选择阻力小的一端流动，从而形成单向流动。
该微流控囊袋式循环PCR芯片100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囊袋式循环PCR芯片100的热压模具，将第一薄膜11和第二薄膜12叠合后，以热压模具热压焊接，使第一薄膜11和第二薄膜12在固定区内固定结合或者结合为一体，而使第一薄膜11和第二薄膜12在功能区内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薄膜11和第二薄膜12的材质决定，这是本领域技术人员熟知的。这种微流控囊袋式循环PCR芯片100的制作方法具有成型工艺简单、芯片版本迭代快、开发周期短、成本低等优点。
请参阅图3所示，可以将该微流控囊袋式循环PCR芯片100与施压组件、温控组件、芯片压盖200、芯片底座300等组合形成一种核酸扩增装置。其中该微流控囊袋式循环PCR芯片100可以被设置于芯片压盖200和芯片底座300之间。该施压组件包括多个施压机构，多个施压机构分别与储液腔室3、变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8对应设置。所述施压机构可以为挤压头400。每一挤压头400一端设置为平整按压面，另一端可以设置手柄或与自动化机械施力设备连接。每一挤压头400的挤压面的尺寸和形状与功能区内的相应腔室匹配。芯片压盖200上可以设置多个窗口，每一窗口分别与一挤压头400配合。工作人员可以通过手柄操控挤压头400而执行向相应腔室施加挤压力或撤销挤压力的操作。该温控组件可以包括多个加热器500，每一加热器500分别与变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8中的相应一腔室对应设置，以调整该腔室的温度。加热器500的形状、尺寸、材质可以依据实际需求而定。示例性的，加热器500可以为柱形，且芯片底座300内可以设置若干容纳槽孔，以容纳加热器500。优选的，芯片底座300上端面平整，当加热器500被置入容纳槽孔时，加热器500上端面与芯片底座300上端面平齐，以使每一加热器500与相应腔室紧密贴合，同时不影响以挤压头400向相应腔室施加挤压力。例如，所述加热器500可以采用Peltier加热器。
在一些情况下，该核酸扩增装置还可以包括控制模块（图中未示出），通过在该控制模块预设控制程序，可以使施压组件内的多个挤压头400和温控组件内的多个加热器500按设定程序工作，从而自动完成核酸扩增反应。进一步的，可以参照现有PCR仪的结构，在该核酸扩增装置中温控组件、控制模块等功能模块。
本实施例中，利用该核酸扩增装置进行的一种核酸扩增方法包括如下步骤：
（1）通过进出液口2向储液腔室3内注入适量的PCR反应液，然后封闭进出液口。在被注入PCR反应液13之前，第一薄膜11和第二薄膜12在该储液腔室3处紧贴在一起，而当被注入PCR反应液13之后，第一薄膜11和第二薄膜12在该储液腔室3处彼此分离且产生弹性形变，形成一微囊袋，参阅图4所示。由于第一薄膜11、第二薄膜12具有一定的纵向拉伸力，这种性能使得该微囊袋的容积可在一定范围内变化，而非固定的容积。对于变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8来说，其在被注入PCR反应液之后，也会有类似表现。与现有PDMS芯片循环式PCR相比，这种设计可以使得本实施例的PCR芯片中PCR反应体系的体积不受物理空间的限制。
（2）利用挤压头向储液腔室3施加一定的挤压力，则该储液腔室3内的PCR反应液进入第四连接通道10，该第四连接通道10在被注入PCR反应液前后与储液腔室3有相似的表现，具体而言，当被注入PCR反应液之后，第一薄膜11和第二薄膜12在该第四连接通道10处彼此分离且产生弹性形变，此时该第四连接通道10允许PCR反应液由储液腔室3经该第四连接通道101流入变性腔室5。
（3）撤出挤压头向储液腔室3施加的挤压力，使第四连接通道10封闭，从而将PCR反应液保存在变性腔室5内，参阅图5所示。
（4）参照步骤（1）-步骤（3）的操作，以相应的挤压头依次轮流挤压变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8，使PCR反应液依次流经变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8。其中，可以通过控制对变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8的挤压次数，来保证发生PCR反应的循环数，从而满足不同PCR循环数反应的需求。
在前述注入PCR反应液、施加挤压力、撤销挤压力的过程中，储液池3、变性腔室5、延伸腔室8、退火腔室7中的每一腔室均分别呈现均有储液、动力源、阀门三个功能。以变性腔室5为例，对变性腔室5施加挤压力后，其中容纳的PCR反应液被排出，由于柔性薄膜的纵向拉伸性，第一薄膜11和第二薄膜12会在变性腔室5处重新紧贴在一起，从而形成一种闭合的阀门，使得PCR反应液无法通过该变性腔室5，也使得PCR反应液无法从延伸腔室8或者退火腔室7进入该变性腔室5。
该核酸扩增方法中，按照设定程序执行前述步骤（1）-步骤（4）的操作，依次提供或撤除施加在变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8上的挤压力，可以实现PCR反应液的单向循环流动。示例性的：先在延伸腔室8上施加挤压力，使得延伸腔室8关闭，再撤除施加在退火腔室7上的挤压力，之后向变性腔室5施加挤压力，使得PCR反应液从变性腔室5流向退火腔室7，而不会流向延伸腔室8。然后，撤除施加在延伸腔室8上的挤压力，保持施加在变性腔室5上的挤压力，再对退火腔室7施加挤压力，使得PCR反应液从退火腔室流向延伸腔室。其后，保持施加在退火腔室7上的挤压力，撤销施加在变性腔室5上的挤压力，对延伸腔室8施加挤压力，使得PCR反应液从延伸腔室流向变性腔室。从而完成一次PCR循环。与现有毛细管式循环PCR相比，本实施例中的反应温区数量和反应循环数不受芯片结构的限制。
在一些情况下，也可以关闭变性腔室5、延伸腔室8、退火腔室7中的一个或两个腔室，而实现双温区或单温区PCR反应。示例性的：通过对退火腔室7施加一定的压力以关闭该腔室，通过交替对变性腔室5、延伸腔室8施加挤压力，来实现双温区PCR反应。
在PCR反应液进入变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8时，可以加热器500调整相应腔室的温度。示例性的：可以将变性腔室的温度设置为95℃，延伸腔室的温度设置为72℃，退火腔室的温度设置为58℃。
通过使PCR反应液在变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8依次流过，由于微流控囊袋式循环PCR芯片非常轻薄，热传导路径很短，所以几乎没有升降温过程，只需控制PCR反应液在各腔室需要停留的时间，即可实现PCR反应升降温的需求，从而可极大程度的缩减PCR反应时间。
同时，一般来说，在PCR反应时，会因加热导致PCR反应液内溶解氧释放而产生气泡，在本实施例中，当PCR反应液13被注入变性腔室5、退火腔室7、延伸腔室8中的任一腔室后，该腔室内第一薄膜11和第二薄膜12会形变而自动产生张紧力，该张紧力会对该腔室内的PCR反应液产生一定的内压力，该内压力可以有效抑制PCR反应液内气泡的生成，因而无需通过对每一腔室内的PCR反应液额外施加压力的方式来抑制气泡的产生，从而促使PCR反应能更为顺利、充分地进行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于包括：
复合膜，其包括层叠设置的第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜和第二薄膜中的至少一者为柔性膜；
固定区，其沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内，且在所述固定区内第一薄膜与第二薄膜不可逆地结合；
功能区，其包括沿与所述复合膜共平面的方向分布在所述复合膜内的变性腔室、退火腔室、延伸腔室及连接通道，所述功能区的形状由所述固定区的边界定义，所述连接通道包括第一连接通道、第二连接通道和第三连接通道，所述变性腔室经第一连接通道与退火腔室连接，所述退火腔室经第二连接通道与延伸腔室连接，所述延伸腔室经第三连接通道与变性腔室连接；
进出液口，其设置在所述复合膜上，并与所述变性腔室连接；
其中，在所述功能区内第一薄膜与第二薄膜可在相互分离和相互贴合两种状态之间切换，
当所述功能区中任一腔室内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，则相应腔室形成能够容纳流体的微囊袋，
当所述连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互分离时，所述连接通道允许流体通过。
2.根据权利要求1所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：当所述功能区中任一腔室或所述连接通道内的第一薄膜与第二薄膜相互贴合时，则相应腔室或所述连接通道内能够容纳流体的物理空间消失。
3.根据权利要求1所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：所述功能区还包括储液腔室，所述连接通道还包括第四连接通道，所述进出液口与储液腔室连接，所述储液腔室经第四连接通道与所述变性腔室连接。
4.根据权利要求1所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：所述第一连接通道、第二连接通道和第三连接通道均为单向流动通道，从而使所述变性腔室、退火腔室及延伸腔室组成可供流体沿指定方向循环流动的闭环式通路，所述指定方向为使流体从变性腔室依次流向退火腔室、延伸腔室的方向。
5.根据权利要求4所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：所述单向流动通道的流体入口端的口径大于流体出口端的口径。
6.根据权利要求1所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：所述柔性膜的弹性模量为1.0×108～1.0×1010N/m2；
和/或，在所述固定区内第一柔性膜和第二柔性膜至少通过热压、激光焊接、超声焊接、粘接中的一种方式不可逆地结合。
7.根据权利要求1所述的微流控囊袋式循环PCR芯片，其特征在于：所述第一薄膜、第二薄膜包括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。
8.一种核酸扩增装置，其特征在于，包括：
权利要求1-7中任一项所述的微流控囊袋式循环PCR芯片；
多个施压机构，每一施压机构对应于功能区内的一个腔室设置，并用于选择性地对相应腔室施加压力，以驱使该腔室内容纳的流体向其他腔室流动；
温控组件，用于依据设定程序调节所述功能区内各腔室的温度。
9.根据权利要求8所述的核酸扩增装置，其特征在于还包括底座和压盖，所述温控组件包括加热机构，所述微流控囊袋式循环PCR芯片设置在所述压盖与底座之间，所述加热机构设置在所述底座内，所述压盖上设有与多个所述施压机构配合的窗口。
10.一种核酸扩增方法，其特征在于，包括：
提供权利要求8-9中任一项所述的核酸扩增装置；
将包含PCR扩增组件的PCR反应液通过进出液口注入微流控囊袋式循环PCR芯片；
使温控组件按照设定程序调节所述功能区内各腔室的温度；
使与功能区内各腔室对应的多个施压机构按设定程序工作，从而使所述PCR反应液沿指定方向在变性腔室、退火腔室、延伸腔室之间循环流动，并分别在变性腔室、退火腔、延伸腔室室内进行变性反应、退火反应、延伸反应，直至完成核酸扩增反应。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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