CN117205980A - 微流控芯片及微流控芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控芯片及微流控芯片的制备方法，其中，微流控芯片包括反应模块，反应模块包括进样流道、分样流道和反应池，进样流道的一端设有进样口；分样流道包括多个，所有分样流道沿进样流道内流体运动方向依次与进样流道连接；沿进样流道内流体运动方向上与进样流道连接的分样流道内流道长度逐渐缩短；每个分样流道的出样口均分别设有反应池。在本申请提供的微流控芯片中，进样流道的一端设有进样口；分样流道包括多个，沿进样流道内流体运动方向上，与进样流道连接的分样流道内流道长度逐渐缩短，使得进样流道内的液体几乎同步通过分样流道进入反应池，实现多个反应同步进行。进而使得微流控芯片的检测通量提高。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种微流控芯片及微流控芯片的制备方法。
背景技术
微流控芯片又称为微全分系统(Miniaturized TotalAnalytical System或MicroTotal Analysis Systems，MTAS)，它能够在微米级尺度的通道及腔道中控制反应液的流动，进而实现反应的封闭。微流控芯片技术涉及化学、流体力学、生物学、医学、微电子、新材料等学科和领域的知识。例如以聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)为基础的分子检测技术在医学、农业、食品等领域应用广泛，PCR反应能实现在体外将微量的目标DNA进行扩增，具有特异性强，灵敏度高，操作相对简单的特点。目前广泛应用的PCR技术主要包括实时荧光定量PCR技术、数字PCR技术、等温扩增PCR技术等。
微流控芯片技术能够把样本检测的多个步骤集中在一张芯芯片上，通过流道、微阀门、腔体等的组合设计来集成功能单元，最终实现芯片装置的小型化、自动化。通过微流道网络，能同时将待检测样本分流到多个相互独立的高通量与高效率反应单位，因此可以根据需要对同一个样本进行多任务并行的检测。然而，传统的微流控芯片检测通量低，集成度不高等缺陷，导致微流控芯片推广使用困难。
因此，如何提高微流控芯片的检测通量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流控芯片，该微流控芯片的检测通量提高。
为实现上述目的，本发明提供一种微流控芯片，包括反应模块，所述反应模块包括：
进样流道，所述进样流道的一端设有进样口；
分样流道，所述分样流道包括多个，所有所述分样流道沿所述进样流道内流体运动方向依次与所述进样流道连接；沿所述进样流道内流体运动方向上与所述进样流道连接的所述分样流道内流道长度逐渐缩短；
反应池，每个所述分样流道的出样口均分别设有所述反应池。
可选地，在上述微流控芯片中，所述进样流道包括第一流道及与所述第一流道连接的第二流道，所述进样口设置在所述第一流道上，所述分样流道与所述第二流道连接，所述第二流道为弧形流道。
可选地，在上述微流控芯片中，所述分样流道沿所述第二流道长度方向呈辐射状设置。
可选地，在上述微流控芯片中，还包括基板，所述反应模块包括多个，所有所述反应模块均设置在所述基板上。
可选地，在上述微流控芯片中，所述基板上设有8个所述反应模块，每个所述反应模块上设有32个分样流道。
可选地，在上述微流控芯片中，所述反应模块对称分布在所述基板中心线相对两侧。
可选地，在上述微流控芯片中，所述进样口位于所述进样流道靠近所述基板中心线一端。
可选地，在上述微流控芯片中，所述反应池内反应液的高度低于所述分样流道底端的高度。
一种微流控芯片制备方法，用于制备上述微流控芯片，包括步骤：
利用计算机三维绘图软件初步绘制微流控芯片的进样流道、分样流道和反应池，形成微流控芯片初始模型图；
将进样流道进行弧形设计；
在三维模拟软件中，结合流体状态、额定压力和同等进样时间条件下，得到单个反应模块各个反应池的进样体积与分样流道长度；
其中流体状态为，在三维模拟过程中，根据纳维-斯托克斯方程(a)在动能守恒(b)的状态下计算流体在微流控芯片中的流动状态；
公式(a)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数
I表示湍流变量
K表示不可压缩液体
F表示单位矩阵
公式(b)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数。
在本申请提供的微流控芯片制备方法中，通过刻蚀加工出反应模块。
在上述技术方案中，本发明提供的微流控芯片包括反应模块，反应模块包括进样流道、分样流道和反应池，进样流道的一端设有进样口；分样流道包括多个，所有分样流道沿进样流道内流体运动方向依次与进样流道连接；沿进样流道内流体运动方向上与进样流道连接的分样流道内流道长度逐渐缩短；每个分样流道的出样口均分别设有反应池。
通过上述描述可知，在本申请提供的微流控芯片中，进样流道的一端设有进样口；分样流道包括多个，沿进样流道内流体运动方向上，与进样流道连接的分样流道内流道长度逐渐缩短，使得进样流道内的液体几乎同步通过分样流道进入反应池，实现多个反应同步进行。进而使得微流控芯片的检测通量提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的微流控芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的微流控芯片对不同分样流道长度在进样后20毫秒的进样量模拟示意图。
其中图1中：1-基板、2-进样口、3-进样流道、4-分样流道、5-反应池。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种微流控芯片，该微流控芯片的检测通量提高。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2。
在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的微流控芯片包括反应模块，反应模块包括进样流道3、分样流道4和反应池5，进样流道3的一端设有进样口2，进样流道3可以为直条型流道、曲线流道或折线形流道中的一种或两种组合。进样流道3和分样流道4以实现流体自动流动为准，具体尺寸根据实际需要而定，本申请不做具体限定。进样流道3和分样流道4具体为毛细管结构。
分样流道4包括多个，所有分样流道4沿进样流道3内流体运动方向依次与进样流道3连接，具体的，相邻两个分样流道4的具体可以相等或不等。沿进样流道3内流体运动方向上与进样流道3连接的分样流道4内流道长度逐渐缩短；每个分样流道4的出样口均分别设有反应池5。
具体的，可以在反应池5中包被用于检测样品靶标DNA的引物以及对应探针。引物种类根据实际需要而定，本申请不做具体限定。
通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的微流控芯片中，进样流道3的一端设有进样口2；分样流道4包括多个，沿进样流道3内流体运动方向上，与进样流道3连接的分样流道4内流道长度逐渐缩短，使得进样流道3内的液体几乎同步通过分样流道4进入反应池5，实现多个反应同步进行。进而使得微流控芯片的检测通量提高。
在一种具体实施方式中，进样流道3包括第一流道及与第一流道连接的第二流道，进样口2设置在第一流道上，分样流道4与第二流道连接，第二流道为弧形流道。如图1所示，第一流道可以为L型流道，第一流道和第二流道连通设置，加工时，优选，进样流道3一体成型。
分样流道4沿第二流道长度方向呈辐射状设置。具体的，第二流道优选为直线型流道。以使得流体顺利流动至反应池5。
微流控芯片还包括基板1，反应模块包括多个，所有反应模块均设置在基板1上，提高反应模块集成度。具体的，同一个基板1上反应模块的数量可以为4-10个。每个反应模块上设有10-40个分样流道4。
基板1上设有8个反应模块，每个反应模块上设有32个分样流道4。如此设置该芯片可开展1个样品满足256个靶标的检测工作，或者8个样品，每个样品32个靶标的检测工作。在每个反应池5中包埋检测靶标的DNA引物及相应的探针，配套相应的检测设备以及核酸扩增反应试剂，本申请提供的微流控芯片为转基因成分筛查、农作物品系鉴定、食品检验、医学诊断等多个检测领域提供了一种高通量的检测方法。
为了使得反应模块布局规整，便于对各个反应模块加样，优选，反应模块对称分布在基板1中心线相对两侧。当然，各个反应模块可以以基板1的中心为圆心，圆周方向均匀分布。
进一步，进样口2位于进样流道3靠近基板1中心线一端。减少加样针在各个进样口2之间行走距离，进一步提高加样速度。
反应池5内反应液的高度低于分样流道4底端的高度。如此设置，防止加样过程中的反应液溢出造成检测反应的相互污染。具体的，微流控芯片反应池5的体积应大于实际应用中检测实验反应液的总体积。
本申请提供的一种微流控芯片制备方法，用于制备上述任一种微流控芯片，包括步骤：
利用计算机三维绘图软件初步绘制微流控芯片的的进样流道3、分样流道4和反应池5，形成微流控芯片初始模型图；
微流控芯片的反应池5在额定进样压力和同等进样时间条件下达到同等进样体积的前提条件下，进样流道3采用弧形设计；
在三维模拟软件中，结合流体状态、额定压力和同等进样时间条件下，得到单个反应模块各个反应池5的进样体积与分样流道4长度；
具体的，可以根据模拟计算结果对微流控芯片的集合模型进行修改完善，用于微流控芯片的制备
其中流体状态为，在三维模拟过程中，根据纳维-斯托克斯方程(a)在动能守恒(b)的状态下计算流体在微流控芯片中的流动状态。
公式(a)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数
I表示湍流变量
K表示不可压缩液体
F表示单位矩阵
公式(b)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数。
通过三维模拟软件对微流芯片进样时间、进样压力和进样体积的关系进行模拟实验，确定微流控芯片的进样时间和进样压力。如图2所示，右侧颜色表示溶液在流道中所占的体积分数，由上至下体积分数逐渐减小，进样预设时间后，反应池位置进样量几乎相同。
根据模拟计算结果对微流控芯片的几何模型进行修改完善，用于微流控芯片的制备。
具体的，通过刻蚀加工出反应模块，利用激光刻蚀的方法，根据微流控芯片绘制图中的各个组件的尺寸，完成微流控芯片的刻蚀。
在具体使用时，通过提取待检测样品DNA，确定单个靶标检测体系中各成分的占比，根据检测靶标的数量和反应体系中成分的占比配置检测反应预混液。接着确定单个检测靶标检测体系中各个成分的体积占比。
根据反应的总体积，选择进样压力的进样时间，利用毛细管压力进样法将样品分装进入各个反应池5中，预混液和预埋的靶标引物和探针在进样压力的作用下将反应体系混匀。
将完成进样的微流控芯片放入配有控温和荧光信号检测单元的设备中，进行核酸扩增反应和结果实时检测。扩增结束后，通过荧光信号分析判断检测靶标的是否检出。
本发明用于生物育种产业化新品种及其相关产品的检测和鉴定，具有以下优点：
产品检测通量高、适用范围广、集成度高且便携。
具体的，在具体加工时，基板1上的进样流道3、分样流道4和反应池通过密封膜密封，加工后的微流控芯片密封性强，能够减少人工操作及环境对检测结果的影响，检测更加准确。
本申请提供的微流控芯片可用于聚合酶链式反应技术，主要指实时荧光PCR技术，其目的是利用体外扩增的方式在体外短时间内得到足够用于结果表征的目标DNA片段。此时，检测样品靶标的DNA引物是根据检测的靶标DNA的特异性序列，结合聚合酶链式反应的特点设计合成的DNA序列，对应的探针是基于引物DNA序列扩增出的片段而设计合成的，并带有荧光标记，以便于后续检测结果的表征。本发明将目标引物DNA和带有荧光标记的DNA探针利用冷冻包被的方式包被在微流控芯片的反应池5中，并进行冷冻保存。
本本申请使用的的DNA检测模板是通过细胞裂解、DNA分离和沉淀的方式提取待检测样品的基因组DNA。
为了便于理解，下面结合具体实施例对本申请进行说明：
实施例1
(1)用途：用于农作物及相关产品转基因成分的筛查。
(2)制备过程：根据绘制的微流控芯片的尺寸刻蚀微流控芯片，主要包括进样口2、进样流道3、分样流道4、反应池5，共8个反应模块，能够满足8个样品，每个样品32个靶标的检测，或1个样品256个靶标的检测。在每个反应池5中包埋针对检测靶标的引物DNA和对应的探针，检测靶标的DNA引物序列来源主要为中华人民共和国国家标准中涉及的耐除草剂、抗虫耐除草剂玉米转化体，耐除草剂、抗虫、品质改良大豆转化体，抗虫、抗虫耐除草剂水稻转化体，抗虫、耐除草剂棉花转化体及其衍生品种定性PCR方法中相关序列，以及检测中常见的转基因及其产品成分检测基因bar、pat、CaMV35S启动子、FMV 35S启动子、NOS启动子、NOS终止子和CaMV35S等，共计256个检测靶标。
(3)应用方法：过细胞裂解、DNA分离和沉淀的方式提取农作物及其相关产品中的基因组DNA。将其稀释作为检测模板，依据反应液中各成分的占比和检测样品的数量配置预混液，利用毛细管压力将反应液填充到反应池5中，在压力进样的作用下将反应体系混匀。
将加样完成的微流控芯片置于加热及荧光信号检测设备中，设置反应温度、反应时间和荧光信号采集时间。扩增结束后，通过荧光信号分析判断是否有相关转基因成分检测的检出。
实施例2
(1)用途：用于农作物品种的鉴定。
(2)制备过程：制备过程：根据绘制的微流控芯片的尺寸刻蚀微流控芯片，主要包括进样口2、进样流道3、分样流道4、反应池5，共8个反应模块，能够满足8个样品，每个样品32个靶标的检测，或1个样品256个靶标的检测。根据玉米、小麦、大豆、水稻、棉花等作物基因组SNP标记设计鉴定引物和探针，基于荧光探针法进行物种SNP位点的分型鉴定，并将扩增引物和探针包埋在反应池5中。开展玉米、小麦、大豆、水稻、棉花等作物基因组SNP位点的检测。
(3)应用方法：利用DNA提取试剂盒提取待检测样品的基因组DNA，并将DNA稀释成适宜浓度作为检测模板。依据反应液中各成分的占比和检测样品的数量配置预混液，利用毛细管压力将反应液填充到反应池5中，在压力进样的作用下将反应体系混匀。
将加样完成的微流控芯片置于加热及带有荧光信号检测设备中，设置反应温度、反应时间和荧光信号采集时间。扩增结束后，通过荧光信号分析判断是否有相关转基因成分检测的检出。
实施例3
(1)用途：用于食品中食源性病原菌大肠杆菌、沙门氏菌、单核增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、副溶血弧菌、蜡样芽胞杆菌等的检测。
(2)制备过程：制备过程：制备过程：根据绘制的微流控芯片的尺寸刻蚀微流控芯片，主要包括进样口2、进样流道3、分样流道4、反应池5，共8个反应模块，能够满足8个样品，每个样品32个靶标的检测，或1个样品256个靶标的检测。根据致病菌的核酸序列特征进行引物和探针的设计，并包埋在反应池5中。
(3)应用方法：过细胞裂解、DNA分离和沉淀的方式提取待检测样品的基因组DNA，并将其稀释作为检测模板，依据反应液中各成分的占比和检测样品的数量配置预混液，利用毛细管压力将反应液填充到反应池5中，在压力进样的作用下将反应体系混匀。
将加样完成的微流控芯片置于加热及带有荧光信号检测设备中，设置反应温度、反应时间和荧光信号采集时间。扩增结束后，通过荧光信号分析判断是否有相关转基因成分检测的检出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种微流控芯片，其特征在于，包括反应模块，所述反应模块包括：
进样流道(3)，所述进样流道(3)的一端设有进样口(2)；
分样流道(4)，所述分样流道(4)包括多个，所有所述分样流道(4)沿所述进样流道(3)内流体运动方向依次与所述进样流道(3)连接；沿所述进样流道(3)内流体运动方向上与所述进样流道(3)连接的所述分样流道(4)内流道长度逐渐缩短；
反应池(5)，每个所述分样流道(4)的出样口均分别设有所述反应池(5)。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述进样流道(3)包括第一流道及与所述第一流道连接的第二流道，所述进样口(2)设置在所述第一流道上，所述分样流道(4)与所述第二流道连接，所述第二流道为弧形流道。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述分样流道(4)沿所述第二流道长度方向呈辐射状设置。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，还包括基板(1)，所述反应模块包括多个，所有所述反应模块均设置在所述基板(1)上。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述基板(1)上设有8个所述反应模块，每个所述反应模块上设有32个分样流道(4)。
6.根据权利要求4所述的微流控芯，其特征在于，所述反应模块对称分布在所述基板(1)中心线相对两侧。
7.根据权利要求6所述的微流控芯片制备方法，其特征在于，所述进样口(2)位于所述进样流道(3)靠近所述基板(1)中心线一端。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述反应池(5)内反应液的高度低于所述分样流道(4)底端的高度。
9.一种微流控芯片制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-8中任一项所述的微流控芯片，包括步骤：
利用计算机三维绘图软件初步绘制微流控芯片的进样流道(3)、分样流道(4)和反应池(5)，形成微流控芯片初始模型图；
将进样流道(3)进行弧形设计；
在三维模拟软件中，结合流体状态、额定压力和同等进样时间条件下，得到单个反应模块各个反应池(5)的进样体积与分样流道(4)长度；
其中流体状态为，在三维模拟过程中，根据纳维-斯托克斯方程(a)在动能守恒(b)的状态下计算流体在微流控芯片中的流动状态；
公式(a)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数
I表示湍流变量
K表示不可压缩液体
F表示单位矩阵
公式(b)中各变量为：
ρ表示流体密度
u表示流体速度
表示常值函数。
10.根据权利要求9所述的微流控芯片制备方法，其特征在于，通过刻蚀加工出反应模块。
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