CN116139957A - 一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流体芯片技术领域，具体为一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其应用。包括：亲水性基底、疏水性微流体通道和封装片。通过疏水性微通道或结构设计产生能量梯度实现液滴自输运，无需设置微阀微泵等结构。能量梯度的构建方式为：疏水性微流体通道的宽度和/或相邻两个疏水性微流体通道之间的间距逐渐减小的设计，构筑出浸润性梯度表面；或通过亲水基底上位于较大区域的二氧化硅纳米颗粒，在液滴的撞击下，形成的电荷梯度，以此控制液滴产生方向性运动。通过疏水性微流体通道的两个侧壁特有的内凹结构，提高液滴输运稳定性的同时，减少了输运过程中受到的干扰，提高液滴输运效率。

Description

一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其应用
技术领域
本发明涉及微流体芯片技术领域，具体涉及到一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其应用。
背景技术
蛋白质检测技术在临床医学诊断、食品安全及检验检疫等领域有着重要应用。近年来，微流控生物芯片系统等微型反应器快速发展，并应用到了蛋白质定性定量检测中，使得生物分析检测更加灵敏便捷。相对于传统的双缩脲比色法、凯氏定氮法、Folin一酚法和考马斯亮蓝法等检测方法，微流控生物芯片检测消除了人工操作产生的误差，其检测手段更加智能化；且相对于上述检测方法使用的试管、比色皿和孔板等，待测试剂用量(传统手段用量至少为几百微升)有了较为明显的减少，反应量降至微升乃至纳升量级。然而，微流控生物芯片在蛋白质定性定量检测中的应用还不完全成熟，主要体现在：
1、封闭的微流控生物芯片的分析检测环境是苛刻的，我们要求分析环境时长保持干燥状态避免影响分析结果，而液体下落撞击表面和运动的状态不可避免的会产生微小液滴的飞溅。
2、超疏水通道的引用虽然减少了试剂的用量，但理论上也减少了表面的稳定性，当液滴在表面上发生润湿态的转变时，这个过程是不可逆的，有时甚至会损坏微流控生物芯片。
可见，目前对蛋白质进行定性和定量检测的方法有微量样本的准确操控并非易事。近年来，研究者利用了光、电、磁、振动等外场刺激来引导和控制液滴产生方向性的运动，然而，这些额外的驱动设备增加了微流控芯片的复杂程度，外场产生的液滴运动往往需要额外设备与其配合，增加了制造成本。成为当前微流控生物芯片亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其应用，是利用微液滴的自输运可以依靠材料表面能量梯度，以操控表面这一特点，通过设置的疏水性微通道及结构设计产生能量梯度实现液滴自输运，无需设置微阀微泵等结构，节约实验成本，通过亲水基底设置，使分析环境长时间保持干燥，避免污染与残留，增加检测结果的准确性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，包括：亲水性基底、疏水性微流体通道和封装片；
所述亲水性基底包括由自下而上依次层叠的基片、亲水储层和纳米级薄疏水盖层，将亲水性基底上表面划分为大小不同的两个区域，并将较小区域作为测样区；
所述疏水性微流体通道设置在亲水性基底上较大区域上，并与亲水性基底贴合固定，其长度与该区域等长；疏水性微流体通道的截面为“T”型，共有多条；沿液滴输运方向：疏水性微流体通道的宽度和/或相邻两个疏水性微流体通道之间的间距逐渐减小，或疏水性微流体通道宽度及相邻两个疏水性微流体通道之间的间距均相等；
所述封装片设于疏水性微流体通道的上方，并延伸至测样区域上方，其底面至疏水性微流体通道顶面的垂直距离为5～11mm；封装片上设两个贯穿封装片的通孔，其中一个通孔作为进样口，开设在疏水性微流体通道的上方，另一个通孔作为测样口，开设在测样区域的上方。
进一步的，当疏水性微流体通道宽度及间距均相等时，需先采用液滴多次撞击纳米级薄疏水盖层表面，以使其形成电荷梯度。
进一步的，所述亲水性基底的基片为玻璃基片，亲水储层为壳聚糖D-葡萄糖胺(CHI)和羧甲基纤维素(CMC)交替的聚合物薄膜；其制备采用静电自组装法，逐层交替沉积CHI和CMC。
更进一步的，所述聚合物薄膜厚度根据CHI/CMC双分子层数进行微调，所述CHI/CMC双分子层数为20～40层，聚合物薄膜厚度为1200～2400nm。
进一步的，所述纳米级薄疏水盖层为采用分层组装法沉积在亲水储层的二氧化硅纳米颗粒。
进一步的，为提升输运过程的稳定性；所述疏水性微流体通道由一个支撑结构和设于支撑结构顶面的台面组成，且台面的宽度大于支撑结构的宽度，以使台面与支撑结构的连接处形成液滴悬挂点的内凹结构。
更进一步的，所述内凹结构为台面顶部与台面侧壁形成的转角，转角角度为0～180度。
更进一步的，所述疏水性微流体通道按照如下步骤制作在亲水性性基底上：
a1、采用光刻工艺在光刻胶上制备多条疏水性微流体通道模板；
a2、向疏水性微流体通道模板中注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并依次通过固化、翻转、分离，得到反向的疏水性微流体通道PDMS微井；
a3、将聚氨酯甲基丙烯酸酯(PFPE)的预聚物填充到PDMS微井中，将其与注入了硅油的亲水性基底充分接触贴合，去除多余的PFPE，随后经紫外线光固化、分离冲洗、干燥后，成功将疏水性微流体通道转移到亲水性性基底上。
利用上述一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片对牛血清白蛋白分子进行快检测，包括如下步骤：
步骤b1、将0.01g/mL硫酸铜的酒石酸钾钠溶液加入到0.1g/mL氢氧化钠溶液中，摇匀后获得双缩脲试剂；
步骤b2、分别取10μL双缩脲试剂和10μL待测蛋白质溶液分别置于自驱动的稳定检测的微流控生物芯片的进样口以及测样口处，通过自驱动的方式使双缩脲试剂自发地向待测蛋白质溶液移动并混合；
步骤b3、观测或测量液滴在分析前后的变化，进行定性及定量/半定量分析。
进一步的，所述步骤b3使用紫外-可见分光光度计测量液滴在分析前后的变化。
本发明提供的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，是利用微液滴的自输运可以依靠材料表面能量梯度，以操控表面这一特点，通过疏水性微通道或结构设计产生能量梯度实现液滴自输运。能量梯度的构建方式为：疏水性微流体通道的宽度和/或相邻两个疏水性微流体通道之间的间距逐渐减小的设计，构筑出浸润性梯度表面；或通过亲水基底上位于较大区域的二氧化硅纳米颗粒，在液滴的撞击下，形成的电荷梯度，以此控制液滴产生方向性运动。通过疏水性微流体通道的两个侧壁特有的内凹结构，提高液滴输运稳定性的同时，减少了输运过程中受到的干扰，提高液滴输运效率。
此外，将基底设计为透明的亲水基底，能使分析环境长时间保持干燥，避免污染与残留，增加检测结果的准确性，为在更恶劣的环境挑战中要求的高光学透明度的传感器和显示器制备光学涂层提供新的途径。
与现有技术相比，本发明仅通过能量梯度的构建，即可实现液滴自输运，无需设置微阀微泵等结构，节约了实验成本，同时其反应腔四周为密封状态，也具有防蒸发、防融合效果好等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的亲水性基底及疏水性微流体通道的制备流程图；
图3为实施例1的通过浸润性梯度实现自驱动的俯视示意图；
图4为实施例2的通过电荷梯度实现自驱动的侧视示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
如图1、所示，本实施例提供的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，包括:亲水性基底、疏水性微流体通道、封装片、进样口以及测样口。
所述亲水性基底包括由自下而上依次层叠的基片、亲水储层和纳米级薄疏水盖层，将亲水性基底上表面划分为大小不同的两个区域，并将较小区域作为测样区。本实施例亲水基底为玻璃基片，整体长度为100mm，宽度W1为30mm。其中较大的区域长度L1为75mm，较小的区域长度L2为25mm。
所述疏水性微流体通道设置在亲水性基底上较大区域上，并与亲水性基底贴合固定，其长度与该区域等长；疏水性微流体通道的截面为“T”型，个数为20～100个，宽度W2为5～50μm，相邻两个结构之间的间距D为20～200μm，高度H为20～30μm。沿液滴输运方向：疏水性微流体通道的宽度和/或相邻两个疏水性微流体通道之间的间距逐渐减小。
所述封装片设于疏水性微流体通道的上方，其底面至疏水性微流体通道顶面的垂直距离为5～11mm。封装片为无色透明材料，其上设有设两个贯穿封装片的通孔，其中一个通孔作为进样口，开设在疏水性微流体通道的上方，另一个通孔作为测样口，开设在测样区域的上方。进样口和测样口均位于封装片宽边中心连线上，且进样口距离封装片远离测样区的一侧宽边10mm，测样口距封装片靠近测样区的一侧宽边为10mm。进样口及测样口可与外界连通。
本实施例所述疏水性微流体通道为一个支撑结构和设于支撑结构顶面的台面组成，且台面的宽度大于支撑结构的宽度，同时，台面被设计为提供液滴悬挂点的内凹结构。所述内凹结构为台面顶部与台面侧壁形成的转角，转角角度为0～180度。
为使分析环境长时间保持干燥，避免污染与残留，增加检测结果的准确性。本实施例亲水性基底由自下而上依次层叠的玻璃基片、亲水储层和纳米级薄疏水盖层构成。所述亲水性基底的基片为玻璃基片，亲水储层为壳聚糖D-葡萄糖胺(CHI)和羧甲基纤维素(CMC)交替的聚合物薄膜；其制备采用静电自组装法，逐层交替沉积CHI和CMC。所述CHI/CMC双分子层数为20～40层，聚合物薄膜厚度为1200～2400nm，其厚度根据CHI/CMC双分子层数进行微调，所述纳米级薄疏水盖层为二氧化硅纳米颗粒，通过分层组装的方式沉积在亲水储层上。
疏水性微流体通道作为本实施例生物芯片的核心部件，其在亲水性基底上的制备过程如图2所示，包括以下步骤：
a1、采用光刻工艺在光刻胶上制备至少2条疏水性微流体通道模板；
a2、向疏水性微流体通道模板中注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并依次通过固化、翻转、分离得到反向的疏水性微流体通道PDMS微井；
a3、将聚氨酯甲基丙烯酸酯(PFPE)的预聚物填充到PDMS微井中，并将其与注入了硅油的亲水性基底充分接触贴合，去除多余的PFPE，随后经紫外线光固化、分离冲洗、干燥后，成功将疏水性微流体通道转移到亲水性性基底上。
本实施例自驱动液滴定向运动是通过浸润性梯度实现的，其浸润性梯度的形成为：沿液滴运动方向，疏水性微流体通道的宽度逐渐变窄。如图3所示，疏水性微流体通道的进样口宽，测样口窄，呈放射状自进样口向测样口收紧，根据工艺难度及运输速度，进样口处结构宽度与测样口处结构宽度比优选为2:1～4:1。
利用上述一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片对牛血清白蛋白分子进行快检测，检测方法仍然利用典型的双缩脲法对蛋白质进行定性和定量检测；包括以下步骤：
步骤b1、将0.01g/mL硫酸铜的酒石酸钾钠溶液加入到0.1g/mL氢氧化钠溶液中，摇匀后获得双缩脲试剂；
步骤b2、分别取10μL双缩脲试剂和10μL待测蛋白质溶液分别置于进样口及测样口，通过自驱动的方式使双缩脲试剂自发地向待测蛋白质溶液移动并混合；
步骤b3、通过肉眼观测液滴在分析浓缩前后的变化，或利用紫外-可见分光光度计测量液滴在分析浓缩前后的变化，完成蛋白质的定性及定量/半定量分析。
实施例2
本实施例提供的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，结构与实施例1基本相同，其与实施例1的区别在于：
疏水性微流体通道宽度及相邻两个疏水性微流体通道之间的间距均相等，且需先采用液滴多次撞击纳米级薄疏水盖层表面，以使其形成电荷梯度，控制滴液产生方向性运动。电荷梯度的实现方式为：
如图4所示，当液滴以较低速度撞击二氧化硅纳米颗粒表面时，会发生相对较弱的电荷分离，但若多次在相同位置撞击，表面电荷的强度则会逐渐累积增强，通过法拉第杯控制撞击位置和次数，可以产生带有电荷梯度的亲水储层表面；其中液滴撞击表面的高度为10mm，液滴大小为10μL，撞击次数为1～20次。
本实施例用于撞击表面产生电荷梯度的液滴为水或氯化钠溶液。
利用本实施例的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片对牛血清白蛋白分子进行快检测，检测方法仍然利用典型的双缩脲法对蛋白质进行定性和定量检测；包括以下步骤：
步骤b1、将0.01g/mL硫酸铜的酒石酸钾钠溶液加入到0.1g/mL氢氧化钠溶液中，摇匀后获得双缩脲试剂；
步骤b2、分别取10μL双缩脲试剂和10μL待测蛋白质溶液分别置于进样口及测样口，通过自驱动的方式使双缩脲试剂自发地向待测蛋白质溶液移动并混合；
步骤b3、通过肉眼观测液滴在分析浓缩前后的变化，或利用紫外-可见分光光度计测量液滴在分析浓缩前后的变化，完成蛋白质的定性及定量/半定量分析。
综上可知，本发明提出了一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片及其制备方式，微液滴的自输运可以依靠材料表面能量梯度的引入来实现，若将能量梯度引入微液滴的操控表面，本发明中梯度表面的构筑主要是通过电荷梯度表面和浸润性梯度表面；通过单凹结构的引入来提高液滴自运输时的稳定性，同时将基底设计为亲水基底，能使分析环境长时间保持干燥，避免污染与残留，增加检测结果的准确性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，包括：亲水性基底、疏水性微流体通道和封装片，其特征在于：
所述亲水性基底包括由自下而上依次层叠的基片、亲水储层和纳米级薄疏水盖层，将亲水性基底上表面划分为大小不同的两个区域，并将较小区域作为测样区；
所述疏水性微流体通道设置在亲水性基底上较大区域上，并与亲水性基底贴合固定，其长度与该区域等长；疏水性微流体通道的截面为“T”型，共有多条；沿液滴输运方向：疏水性微流体通道的宽度和/或相邻两个疏水性微流体通道之间的间距逐渐减小，或疏水性微流体通道宽度及相邻两个疏水性微流体通道之间的间距均相等；
所述封装片设于疏水性微流体通道的上方，并延伸至测样区域上方，其底面至疏水性微流体通道顶面的垂直距离为5～11mm；封装片上设两个贯穿封装片的通孔，其中一个通孔作为进样口，开设在疏水性微流体通道的上方，另一个通孔作为测样口，开设在测样区域的上方。
2.如权利要求1所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：当疏水性微流体通道宽度及间距均相等时，需先采用液滴多次撞击纳米级薄疏水盖层表面，以使其形成控制液滴定向运动的电荷梯度。
3.如权利要求1或2所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：所述亲水性基底的基片为玻璃基片，亲水储层为CHI和CMC交替的聚合物薄膜；其制备采用静电自组装法，逐层交替沉积CHI和CMC。
4.如权利要求3所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：所述聚合物薄膜厚度根据CHI/CMC双分子层数进行微调，所述CHI/CMC双分子层数为20～40层，聚合物薄膜厚度为1200～2400nm。
5.如权利要求1或2所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：所述纳米级薄疏水盖层为采用分层组装法沉积在亲水储层的二氧化硅纳米颗粒。
6.如权利要求1或2所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：所述疏水性微流体通道由一个支撑结构和设于支撑结构顶面的台面组成，且台面的宽度大于支撑结构的宽度，以使台面与支撑结构的连接处形成液滴悬挂点的内凹结构。
7.如权利要求6所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：，所述内凹结构为台面顶部与台面侧壁形成的转角，转角角度为0～180度。
8.如权利要求1所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，其特征在于：所述疏水性微流体通道按照如下步骤制作在亲水性性基底上：
a1、采用光刻工艺在光刻胶上制备多条疏水性微流体通道模板；
a2、向疏水性微流体通道模板中注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并依次通过固化、翻转、分离，得到反向的疏水性微流体通道PDMS微井；
a3、将聚氨酯甲基丙烯酸酯(PFPE)的预聚物填充到PDMS微井中，将其与注入了硅油的亲水性基底充分接触贴合，去除多余的PFPE，随后经紫外线光固化、分离冲洗、干燥后，成功将疏水性微流体通道转移到亲水性性基底上。
9.一种快检测牛血清白蛋白分子的方法，该方法利用如权利要求1～8任一项所述的一种自驱动的稳定检测的微流控生物芯片，按照如下下步骤进行快检查：步骤b1、将0.01g/mL硫酸铜的酒石酸钾钠溶液加入到0.1g/mL氢氧化钠溶液中，摇匀后获得双缩脲试剂；
步骤b2、分别取10μL双缩脲试剂和10μL待测蛋白质溶液分别置于自驱动的稳定检测的微流控生物芯片的进样口以及测样口处，通过自驱动的方式使双缩脲试剂自发地向待测蛋白质溶液移动并混合；
步骤b3、观测或测量液滴在分析前后的变化，进行定性及定量/半定量分析。
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