CN117797887A - 一种数字elisa微流控芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种数字ELISA微流控芯片及其制造方法，所述微流控芯片包括：芯片本体，所述芯片本体内形成一流道结构；流道结构包括若干呈微阱阵列分布的主流道，主流道用于实现液体和微球混合液的流动，所述主流道的下方交叠设置有若干呈微阱阵列分布的次级流道，所述次级流道用于实现液体的侧向流动、且微球无法穿过；所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向垂直，或者所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向之间的夹角在0到90度内。本发明通过上下层流道形成垂直或具有0‑90°倾斜角度的微阱阵列，注入的试剂自动形成双向流，使得结构简单及操作方便，假阳性较低，同时，冲洗后能够减少流道内的微球残留，提高了检测的灵敏度。

Description

一种数字ELISA微流控芯片及其制造方法

技术领域

本申请涉及微流控芯片技术领域，特别是涉及一种数字ELISA微流控芯片及其制造方法。

背景技术

精准医疗是现代医学的发展方向，其核心是由精准诊断和精准治疗构成。蛋白质作为生命功能的最终的执行者，是精准诊断不可或缺的重要手段之一，在临床诊断、疾病分析、药物筛选等生物医学领域具有重要的意义。目前蛋白检测的主要手段是用免疫检测的方法，免疫检测主要包括酶联免疫吸附法（Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay，ELISA）、化学发光、电化学发光等方法。传统的免疫检测通过测量待测样本宏观信号的强度变化与目标分子浓度关系进行定量，这种方法灵敏度普遍不高，检测限一般在10^-9至10^-12mol/L，无法满足日益增长的临床诊断需求。

单分子免疫检测是蛋白质检测领域中颠覆性的新技术，其通过免疫标记的新方法，利用抗体捕获和识别抗原，进行信号分子标记或酶联标记的形式，通过单分子荧光信号检测或单分子酶促反应实现单分子级别蛋白分子的检测，其检测灵敏度是ELISA的1000倍。

数字ELISA 是单分子免疫检测最主要的技术之一，其可实现样本的数字化绝对定量，使每个单元包含0或1个靶蛋白，然后通过直接计数或者泊松分布公式来达到绝对定量的目的。

微阵列是目前数字ELISA应用最广泛的一种方式，其在毫米级的芯片上雕刻或浇筑成千上万个微米级的微阱，通过将捕获有免疫复合物的磁珠分至单个微阱中，使每个微阱阵列中包含0或1个靶蛋白，实现样本的微滴化处理，从而达到绝对定量的目的。

目前公开的SimoA数字ELISA产品，存在的不足：1、其产品采用的盲孔的结构，样品中微球的掉孔率不高；2、为了使液体能够进入到疏水的小室内，其每个小室有7-10度的倾斜，增加了整个装置的复杂度以及芯片制作的难度；3、为了防止掉孔后的微球出孔，采用用氟化油密封的方式，增加了用户的使用成本；4、易产生假阳性。

目前已公开的相关专利中，CN110646493A采用的一种双极性的电极微流控芯片，其芯片制作比较复杂，检测过程中较难控制且掉孔率较低；此外CN 112666240 A 利用仿猪笼草的微阱阵列和化学发光结合的方式，猪笼草的微阱阵列制作工艺较为复杂，操作要求较高。

Quantarix公司的SimoA是目前最具有代表性的基于微阵列技术的数字ELISA免疫检测产品。SimoA的小室阵列具有亲水的底部和疏水的外壁，试剂加入后，微球由于重力的作用下沉降在小室中，使得微球可以实现单分散并被硅油或氟化油封闭在小室内部。SimoA装置使用较为复杂，成本较高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

基于此，本申请提供了一种数字ELISA微流控芯片及其制造方法，使得结构简单及操作方便，假阳性较低，同时，提高芯片检测的灵敏度。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种数字ELISA微流控芯片，包其括：

芯片本体，所述芯片本体内形成一流道结构；

所述流道结构包括若干呈微阱阵列分布的主流道，所述主流道用于实现液体和微球混合液的流动，所述主流道的下方交叠设置有若干呈微阱阵列分布的次级流道，所述次级流道用于实现液体的侧向流动、且微球无法穿过；

所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向垂直，或者所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向之间的夹角在0到90度内。

优选地，所述主流道和/或次级流道设置成间断不连续的流道。

优选地，所述主流道的高度为微球直径的1至5倍。

优选地，所述次级流道的高度或相邻两个次级流道之间的间距至少有一个小于微球直径。

优选地，所述次级流道的高度满足如下公式：

且/>，

其中，D为微球直径；

所述次级流道的宽度为微球直径的1至10倍。

优选地，相邻两个所述次级流道之间的间距满足如下公式：

且/>，

其中，D为微球直径；

所述次级流道的高度为微球直径的1至10倍。

优选地，所述芯片本体上设置有一加样口，所述加样口用于将液体和微球混合液加入芯片本体中而进入流道结构内，所述芯片本体上设置有至少两个出液口；

所述加样口与流道结构之间设置有液体分配区，所述液体分配区用于将液体和微球混合液均匀分配至不同的主流道；

所述出液口与流道结构之间设置有废液收集区。

优选地，所述加样口的直径为0.5mm至2mm。

优选地，所述流道结构进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5度至40度之间。

本申请还提供了一种数字ELISA微流控芯片的制造方法，其包括如下步骤：

采用光刻、刻蚀、纳米压印、注塑、复模、翻模、真空热压方法，将PDMS、PS、PMMA、玻璃或者石英加工成流道结构；

采用CVD化学气相沉积、物理吸附、亲水试剂喷涂或者涂布，对流道结构进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5至40度之间；

采用热压、超声键合、胶粘、激光键合或者等离子键合方法，将盖板、底板与流道结构封合起来，从而制作出微流控芯片。

本发明所提供的一种数字ELISA微流控芯片具有如下优点和有益效果：

通过上下层流道形成垂直或具有0-90°倾斜角度的微阱阵列，使注入的试剂样本自动形成双向流，使得结构简单及操作方便；

由于该芯片对流体的压力以及流速不敏感，因此可以利用注射泵、移液器等常见的加液装置实现加液，流体控制简单；

由于微阱阵列的尺寸与磁珠微球的尺寸较为适配，捕获住的磁珠微球呈现单分散，且孔间的干扰较小，因此芯片的假阳性较低，整个芯片具有较高的落孔率，因此芯片能够捕获试剂免疫反应而产生的荧光信号；

由于微阱阵列的尺寸与磁珠微球的尺寸较为适配，掉孔的磁珠很难被冲出孔，因此可以在加样后进行多次冲洗，减少流道内的磁珠微球残留，提高芯片检测的灵敏度。

本申请提供的一种数字ELISA微流控芯片的制造方法具有如下优点和有益效果：加工制作方便。

附图说明

图1为本申请数字ELISA微流控芯片实施例一的结构示意图。

图2为本申请数字ELISA微流控芯片实施例二的结构示意图。

图3为本申请数字ELISA微流控芯片中流道结构实施例一的示意图。

图4为本申请数字ELISA微流控芯片中流道结构实施例二的示意图。

图5为本申请数字ELISA微流控芯片中流道结构实施例三的示意图。

图6为使用本申请的数字ELISA微流控芯片通过高度限制微球的示意图。

图7为使用本申请的数字ELISA微流控芯片通过宽度限制微球的示意图。

图8为使用本申请的数字ELISA微流控芯片捕获微球的效果图。

实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在一个实施例中，如图1至图5所示，提供了一种数字ELISA微流控芯片，其包括：芯片本体，所述芯片本体内形成一流道结构；所述流道结构包括若干呈微阱阵列分布的主流道，所述主流道用于实现液体和微球混合液的流动，所述主流道的下方交叠设置有若干呈微阱阵列分布的次级流道，所述次级流道用于实现液体的侧向流动、且微球无法穿过；所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向垂直，或者所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向之间的夹角在0到90度内。

通过阵列排布的多个微阱结构实现，微球及液体在流道内有至少2个流动方向可流动，进而微球被特定的卡槽捕获固定住，形成均匀、阵列、单分散的微球阵列，剩余液体会从不同方向流出流道结构。

该微流控芯片主要通过上下层流道形成垂直或具有一定倾斜角度的微阱阵列，使注入的试剂样本自动形成双向流，在试剂注入的过程中可以捕获其中80%的微球。整个芯片具有较高的落孔率，因此芯片能够捕获试剂免疫反应而产生的荧光信号，从而提高了整个芯片的灵敏度；此外还具有操作简单、成本低的优势，尤其适用于单分子痕量蛋白检测，具备潜在的经济价值。

具体实施时，如图5所示，所述主流道和/或次级流道设置成间断不连续的流道，当然也是可以设置成连续不间断的流道。

由于对微球捕获起主要作用的是次级流道，为了保证试剂中的微球进入到芯片的主流道时能够顺畅通液不被堵塞，主流道的高度是微球直径D的1至5倍，均可实现磁珠微球的单分散效果。

具体实施时，如图6至图7所示，为了实现对试剂中微球捕获的目的，芯片的次级流道可以设计成两种不同的形式，一种是用芯片的高度对微球进行限制，实现液体中微球的捕获；另外一种方式是用宽度限制的方法，实现液体中微球的捕获，也就是所述次级流道的高度或相邻两个次级流道之间的间距至少有一个小于微球直径，从而保证微球无法通过次级流道。

用高度限制微球的方法：所述次级流道的高度满足如下公式：/>且，其中，D为微球直径，优选尺寸是微球直径的0.5倍至1倍；所述次级流道的宽度为微球直径的1至10倍，可以实现微球的单分散的效果，如图6所示。

用宽度限制微球的方法：相邻两个所述次级流道之间的间距满足如下公式：且/>，其中，D为微球直径，优选尺寸是微球直径的0.5倍至1倍；所述次级流道的高度为微球直径的1至10倍，可以实现微球的单分散的效果，如图7所示。

具体实施时，如图1和图2所示，所述芯片本体上设置有一加样口，所述加样口用于将液体和微球混合液加入芯片本体中而进入流道结构内，所述芯片本体上设置有至少两个出液口；所述加样口与流道结构之间设置有液体分配区，所述液体分配区用于将液体和微球混合液均匀分配至不同的主流道；所述出液口与流道结构之间设置有废液收集区。废液收集区的作用是将流道结构流出的液体收集起来。

芯片在进液的过程中，为了实现二次流，因此需要设计了多个出液口；为了平衡芯片中双向流的流速可以在芯片主体结构的侧边设计多个出液口。

具体实施时，所述加样口的直径为0.5mm至2mm，芯片的微球捕获区域尺寸为5.5mm*6.5mm或者更大，也就是流道结构的长度、宽度分别为6.5mm、5.5mm；整个区域共有10至100万的微球卡槽。

具体实施时，用CVD化学气相沉积（如APTMS）或物理吸附（如二氧化钛）、亲水试剂喷涂、涂布等方法，对芯片的流道区域，进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5~40度，最优为10度；改性后导流槽有较强的毛细作用力，可使芯片内进入的液体尽快、流畅地通过微球捕获区进入废液区，并被收集起来。

该芯片的使用方法：

使用注射泵、恒压泵或其他加样动力源，将混合有微球的试剂缓慢注入加样口；

混合有微球的试剂进入流道结构后，大部分液体沿主流道流动，小部分液体沿次级流道流动，液体中悬浮的微球在流动过程中逐渐被主流道侧边的微球卡槽捕获固定住；

剩余的试剂通过主流道和次级流道被收集到废液区；

被捕获的微球形成规则的、单个分散的阵列；

使用光学、电学或其他方式，对芯片铺展开的微球进行检测或后续其他操作。

微球的固定捕获方法：使用平均直径为3um的磁珠微球，使用相应的稀释液进行稀释，终浓度为0.05mg/ml；使用注射泵，抽入500ul清洗液和100ul微球混合液，以10ul/min的缓慢注入芯片中，芯片捕获微球的效果，如图8所示。

磁铁固定的方式：为了进一步提高芯片的磁珠微球捕获率，在加样过程中，可以在芯片的底部固定一个磁铁，实现试剂中80%-90%的磁珠微球捕获率。

本申请还提供了一种数字ELISA微流控芯片的制造方法，其包括如下步骤：

S100、采用光刻、刻蚀、纳米压印、注塑、复模、翻模、真空热压方法，将PDMS、PS、PMMA、玻璃或者石英加工成流道结构；

S200、采用CVD化学气相沉积、物理吸附、亲水试剂喷涂或者涂布，对流道结构进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5至40度之间；

S300、采用热压、超声键合、胶粘、激光键合或者等离子键合方法，将盖板、底板与流道结构封合起来，从而制作出微流控芯片。

比如可以采用软光刻的方式实现芯片结构的制作，用PDMS倒模的方式制作成微流控芯片。

本申请具有如下优点及有益效果：

结构简单：该微流控芯片主要通过上下层流道形成垂直或具有0-90°倾斜角度的微阱阵列，使注入的试剂样本自动形成双向流；

掉孔率高：与SimoA 产品相比，通孔代替了盲孔，磁珠微球更容易掉入孔中，掉孔率可高达80%；

流体控制简单及操作简单：由于该芯片对流体的压力以及流速不敏感，因此可以利用注射泵、移液器等多种常见的加液装置实现加液；

假阳性低：由于微阱阵列的尺寸与磁珠的尺寸较为适配，捕获住的磁珠呈现单分散，且孔间的干扰较小，因此芯片的假阳性较低；

易冲洗：由于微阱阵列的尺寸与磁珠的尺寸较为适配，掉孔的磁珠很难被冲出孔，因此可以在加样后进行多次冲洗，减少流道内的磁珠残留，提高芯片检测的灵敏度；

易加工制作及成本较低：通过简单的MEMS加工工艺即可实现微流控芯片的制作。

综上，本申请提供的一种数字ELISA微流控芯片及其制造方法；微流控芯片包括：芯片本体，所述芯片本体内形成一流道结构；所述流道结构包括若干呈微阱阵列分布的主流道，所述主流道用于实现液体和微球混合液的流动，所述主流道的下方交叠设置有若干呈微阱阵列分布的次级流道，所述次级流道用于实现液体的侧向流动、且微球无法穿过；所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向垂直，或者所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向之间的夹角在0到90度内，通过上下层流道形成垂直或具有0-90°倾斜角度的微阱阵列，注入的试剂自动形成双向流，使得结构及操作简单，假阳性较低，同时，冲洗后能够减少流道内的微球残留，提高检测的灵敏度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种数字ELISA微流控芯片，包括芯片本体，其特征在于，所述芯片本体内形成一流道结构；

所述流道结构包括若干呈微阱阵列分布的主流道，所述主流道用于实现液体和微球混合液的流动，所述主流道的下方交叠设置有若干呈微阱阵列分布的次级流道，所述次级流道用于实现液体的侧向流动、且微球无法穿过；

所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向垂直，或者所述主流道的流动方向与次级流道的流动方向之间的夹角在0到90度内。

2.根据权利要求1所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述主流道和/或次级流道设置成间断不连续的流道。

3.根据权利要求1所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述主流道的高度为微球直径的1至5倍。

4.根据权利要求3所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述次级流道的高度或相邻两个次级流道之间的间距至少有一个小于微球直径。

5.根据权利要求4所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述次级流道的高度满足如下公式：

且/>，

其中，D为微球直径；

所述次级流道的宽度为微球直径的1至10倍。

6.根据权利要求4所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，相邻两个所述次级流道之间的间距满足如下公式：

且/>，

其中，D为微球直径；

所述次级流道的高度为微球直径的1至10倍。

7.根据权利要求1所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体上设置有一加样口，所述加样口用于将液体和微球混合液加入芯片本体中而进入流道结构内，所述芯片本体上设置有至少两个出液口；

所述加样口与流道结构之间设置有液体分配区，所述液体分配区用于将液体和微球混合液均匀分配至不同的主流道；

所述出液口与流道结构之间设置有废液收集区。

8.根据权利要求7所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述加样口的直径为0.5mm至2mm。

9.根据权利要求1所述的数字ELISA微流控芯片，其特征在于，所述流道结构进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5度至40度之间。

10.一种数字ELISA微流控芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用光刻、刻蚀、纳米压印、注塑、复模、翻模、真空热压方法，将PDMS、PS、PMMA、玻璃或者石英加工成流道结构；

采用CVD化学气相沉积、物理吸附、亲水试剂喷涂或者涂布，对流道结构进行表面处理，使得导流槽区域的接触角在5至40度之间；

采用热压、超声键合、胶粘、激光键合或者等离子键合方法，将盖板、底板与流道结构封合起来，从而制作出微流控芯片。