CN117899949A - 微流控芯片、微流控系统以及导电盖板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流控芯片、微流控系统以及导电盖板的制造方法，该芯片包括扩增组件，扩增组件包括有芯片基板、导电盖板、隔绝层、第二疏水层、亲水层以及第一疏水层；第一疏水层位于绝缘层邻近导电盖板的一侧；芯片基板包括衬底板、电极阵列和位于芯片基板与导电盖板绝缘层；电极阵列位于衬底板上，绝缘层覆盖电极阵列；隔绝层之间，芯片基板与导电盖板之间形成有相互连通且与电极阵列对应的液路腔和扩增腔；导电盖板包括相互连接的液路区与扩增区，亲水层位于扩增区邻近芯片基板的一侧。第二疏水层位于液路区邻近芯片基板的一侧。本发明使得扩增区的样品稳定的进行扩增反应，同时能够减少扩增反应过程中试剂内气泡的产生。

Description

微流控芯片、微流控系统以及导电盖板的制造方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其是涉及一种微流控芯片、微流控系统以及导电盖板的制造方法。

背景技术

聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)是现代分子生物学和诊断学的核心技术。这种依赖温度的技术通过加热和冷却的反复循环以指数方式扩增DNA。传统热循环仪体积庞大，典型的PCR通常需要12小时。在临床即时诊断中，尤其是对于传染病，反应时间、反应特异性以及仪器便携化对于在护理现场(point of care)快速得出临床决策至关重要。利用微流控技术或毛细管反应器的小型化特征，许多快速PCR方法被开发并应用于即时诊断。

数字微流控(Digital microfluidics,DMF)是微流控领域中的一种分支技术，可以控制单个微升至纳升大小的液滴。基于介电质层上的电润湿现象(electrowetting-ondielectric,EWOD)的数字微流控技术可通过电润湿力在电极阵列上处理单个液滴。它的电驱动功能和占地面积小使其成为即时诊断的有前途的技术。

在数字微流控系统上的PCR方法分为两类，一种是基于时间(time domain)的静止PCR(stationary PCR)，一种是基于空间(space domain)的穿梭PCR(shuttling PCR)。在静止PCR的实验设置中，PCR反应液滴停留在一个电极上进行原位PCR反应，通过控制加热时间来实现热循环。加热器可以是加热和冷却整个芯片的大型外部加热器，也可以是具有较小加热体积的芯片上加热器。在微流控中使用PCR方法进行定性及定量的实时过程中，一是需要将试剂加热至95℃；二是大部分PCR都是使用荧光法，需要光学模块的配合。而在此温度下，试剂很容易产生蒸发而产生气泡，从而影响试剂形态，使其无法读取扩增曲线。

现有的一种微流控芯片包括导电盖板和芯片基板，导电盖板与邻近芯片基板的一侧设置有TEFLON疏水层，芯片基板邻近导电盖板的一侧相对设置有膨体PTFE薄膜，来减少或者避免微流控芯片进行扩增反应时产生气泡。但是该方法成本较高，生产制造相对复杂，不适合批量化生产。

现有还有一种微流控芯片，导电盖板邻近芯片基板的一侧涂覆有亲水层，芯片基板邻近导电盖板的一侧相对设置有疏水层。但是该方案一旦产生气泡，容易导致样品试剂被产生的气泡推动，从而导致样品移动，妨碍观察。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的第一目的是提供一种减小PCR过程中气泡对检测结果影响的微流控芯片。

本发明的第二目的是提供一种包括上述微流控芯片的微流控系统。

本发明的第三目的是提供一种应用于上述微流控芯片的导电盖板的制作方法。

为了实现上述第一目的，本发明提供的微流控芯片包括扩增组件，扩增组件包括有芯片基板、导电盖板、隔绝层以及第一疏水层；芯片基板与导电盖板相对设置；芯片基板包括衬底板、电极阵列和绝缘层；电极阵列位于衬底板上，绝缘层覆盖电极阵列；第一疏水层位于绝缘层邻近导电盖板的一侧；隔绝层位于芯片基板与导电盖板之间，隔绝层、芯片基板与导电盖板之间形成有相互连通的液路腔和扩增腔，液路腔、扩增腔与电极阵列对应设置；导电盖板包括相互连接的液路区与扩增区，液路区与液路腔对应，扩增区与扩增腔对应；扩增组件还包括相邻的第二疏水层以及亲水层；亲水层位于扩增区邻近芯片基板的一侧；第二疏水层位于液路区邻近芯片基板的一侧，第二疏水层、亲水层与第一疏水层相对设置。

由上可见，由于水性试剂和待测样品在亲水表面湿润性强，使得试剂对亲水表面有很强的吸附作用，设置有亲水层的导电盖板的疏气效果好，水性试剂和待测样品在扩增区扩散的更加充分，且芯片基板涂覆有第一疏水涂层，使得进行扩增反应时能够减少甚至避免气泡的产生，芯片基板加热后水性试剂与待测样品产生的气泡能够迅速排出，避免试剂持续蒸发，从而影响观察。液路区设置的第二疏水层环绕亲水层，使得试剂能够稳定的在扩增区进行扩增反应，防止试剂被产生的气泡推走，从而影响观察。

进一步的方案是，隔绝层包括胶水和塑料珠的混合物，芯片基板与导电盖板的之间的间距等于塑料珠的直径。

由上可见，通过胶水与指定直径的塑料珠混合，使胶水达到密封、粘接作用的同时，能够精确的限制两平面之间的高度，相对于传统工艺中采用垫片和胶水等进行限高的方法，本方案降低了加工的难度，减小了加工时长。

进一步的方案是，胶水的密度与塑料珠的密度的比值大于或等于95％。

由上可见，塑料珠与胶水的密度接近，使得塑料珠在胶水中能均匀的分散，从而避免颗粒沉降不均匀的情况。

进一步的方案是，微流控芯片包括提取组件，提取组件与扩增组件连通；提取组件包括依次连通的裂解腔、清洗腔以及洗脱腔；裂解腔、清洗腔以及洗脱腔之间通过石蜡阀间隔；微流控芯片还包括设置在芯片基板内的加热单元，加热单元包括设置在衬底板内的第一加热丝和第二加热丝，第一加热丝与石蜡阀对应，第二加热丝与扩增腔对应。

由上可见，通过将提取组件和扩增组件进行结合能够有效的简化操作流程避，通过设置的石蜡阀能够对提取组件中不同腔室之间预存的试剂进行有效的间隔，防止不同试剂间被污染，通过在衬底板内设置加热丝，能够有效减小微流控芯片的体积。

为了实现上述第二目的，本发明提供的微流控系统包括上述微流控芯片的微流控系统。该系统还包括驱动电路和控制终端：控制终端与驱动电路电连接，控制终端用于向驱动电路发送控制指令；驱动电路与电极阵列电连接，驱动电路用于控制电极阵列的通电状态的改变。进一步的方案是，该微流控系统还包括磁吸装置和荧光检测装置，磁吸装置用于控制样品在提取结构提取组件内移动；荧光检测装置用于检测样品在扩增区内扩增后的结果。

为了实现上述第三目的，该方法应用于上述任意的微流控芯片，该方法包括以下步骤：在导电盖板上涂覆第一疏水层，将涂覆有第一疏水层的导电盖板安装到在固定治具上，使用擦除工具将扩增区表面的第一疏水层擦除。

进一步的方案是，在擦除了第一疏水层的扩增区的表面进行亲水处理。

由上可见，在擦除了疏水涂层的扩增区表面进行亲水处理，能够有效提升扩增区的亲水性。

进一步的方案是，固定治具仅使导电盖板露出扩增区。

综上可见，本方案的微流控芯片能够减小PCR过程产生的气泡的风险，同时使得扩增区的样品试剂能够稳定存在，方便观察。

附图说明

图1为本发明微流控芯片实施例扩增组件的剖视图。

图2为本发明微流控芯片实施例提取组件的剖视图。

图3为本发明微流控芯片实施例第一视角的结构图。

图4为本发明微流控芯片实施例第二视角的结构图。

图5为待测样品位于现有微流控芯片扩增区两层疏水层之间的状态图。

图6为待测样品位于本发明微流控芯片实施例扩增区的状态图。

图7为本发明微流控系统实施例的结构框图。

具体实施方式

参见图1至图5，本实施例提供的微流控芯片304包括盖板15、芯片基板3和导电盖板8，盖板15与导电盖板8均盖合在芯片基板3上，盖板15、导电盖板8与芯片基板3之间通过隔绝层4间隔，隔绝层4包括一种混合物，该混合物由胶水和塑料珠混合而成，胶水的密度与塑料珠的密度相近，例如，胶水的密度与塑料珠的密度的比值大于或等于95％。盖板15、导电盖板8与芯片基板3之间的间距等于塑料珠的直径。可选择的，隔绝层也可以包括垫片和胶水。

盖板15与芯片基板3组合形成有提取组件2，导电盖板8与芯片基板3组合形成有扩增组件1，提取组件2与扩增组件1连通，提取组件2包括依次连通的裂解腔200、第一清洗腔201、第二清洗腔202以及洗脱腔204，裂解腔200内预存有裂解液，第一清洗腔201和第二清洗腔202内均预存有清洗液，洗脱腔204内预存有洗脱液，裂解腔200与第一清洗腔201之间通过第一石蜡阀203间隔，第二清洗腔202与洗脱腔204之间通过第二石蜡阀205间隔。

导电盖板8可以是ITO玻璃。芯片基板3包括衬底板7、加热单元13、电极阵列14和绝缘层5，电极阵列14设置在衬底板7上，绝缘层5覆盖电极阵列14，绝缘层5邻近导电盖板8和盖板15的一侧涂覆有第一疏水层6。衬底板7内设置加热单元13，加热单元13包括设置在衬底板7内的第一加热丝和第二加热丝，第一加热丝位于石蜡阀的正下方，第二加热丝位于扩增腔12的正下方。绝缘层5可以为介电质层。疏水层可以采用现有疏水材料，此为现有技术，在此不再赘述。

导电盖板、隔绝层4以及芯片基板3之间形成有液路腔11和扩增腔12。导电盖板包括有液路区100和扩增区101，液路区100与液路腔11对应，扩增区101与扩增腔12对应，电极阵列14位于液路腔11和扩增腔12的正下方，扩增区101邻近芯片基板3的一侧经过亲水处理(涂覆亲水层9)，亲水层9与第一疏水层6相对设置。液路区100邻近芯片基板3的一侧涂覆有第二疏水层10。

参见图6，由于扩增区101周围为均是第二疏水层10，样品试剂能够稳定的与亲水层9接触，从而不会被产生的气泡推走，并且由于芯片基板3上与扩增区101相对的一侧为第一疏水层6，样品试剂与第一疏水层6接触的面积相对于亲水层9较小，能够减少甚至避免产生气泡，且产生的气泡能够快速排出。

参见图1、图2并结合图6，本实施例还提供包括上述微流控芯片304的微流控系统，该系统包括控制终端300、磁吸装置301、荧光检测装置302和驱动电路303，控制终端300通过驱动电路303与电极阵列14电连接，控制终端300向所述驱动电路303发送控制指令，驱动电路303与电极阵列14电连接，驱动电路303用于控制电极阵列14的通电状态。控制终端300控制磁吸装置301移动，从而控制带有磁珠的待测样品和试剂在提取组件2内移动，荧光检测装置302用于检测待测样品在扩增区101扩增后的结果。

本实施例还提供一种导电盖板8的制造方法，该方法用于制造上述微流控芯片304。首先在导电盖板8上涂上第一疏水层6，将涂覆有第一疏水层6的导电盖板8设置在固定治具(图中未示出)上，该固定治具仅使导电盖板8露出扩增区101，使用棉棒等擦除工具将扩增区101表面的第一疏水层6擦除。可选择的，为了进一步提升ITO玻璃的亲水性，在擦除了疏水涂层的扩增区101表面涂覆亲水层9，或者使用激光、刻蚀、等离子的方法对扩增区的表面进行亲水处理。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.微流控芯片，包括扩增组件，所述扩增组件包括有芯片基板、导电盖板、隔绝层以及第一疏水层；

所述芯片基板与所述导电盖板相对设置；

所述芯片基板包括衬底板、电极阵列和绝缘层；

所述电极阵列位于所述衬底板上，所述绝缘层覆盖所述电极阵列；

所述第一疏水层位于所述绝缘层邻近所述导电盖板的一侧；

所述隔绝层位于所述芯片基板与所述导电盖板之间，所述隔绝层、所述芯片基板与所述导电盖板之间形成有相互连通的液路腔和扩增腔，所述液路腔、所述扩增腔与所述电极阵列对应设置；

其特征在于：

所述导电盖板包括相互连接的液路区与扩增区，所述液路区与所述液路腔对应，所述扩增区与所述扩增腔对应；

所述扩增组件还包括相邻的第二疏水层以及亲水层；

所述亲水层位于所述扩增区邻近所述芯片基板的一侧；

所述第二疏水层位于所述液路区邻近所述芯片基板的一侧，所述第二疏水层、所述亲水层与所述第一疏水层相对设置。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：

所述隔绝层包括胶水和塑料珠的混合物，所述芯片基板与所述导电盖板的之间的间距等于所述塑料珠的直径。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于：

所述胶水的密度与所述塑料珠的密度的比值大于或等于95％。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的微流控芯片，其特征在于：

所述微流控芯片包括提取组件，所述提取组件与所述扩增组件连通；

所述提取组件包括依次连通的裂解腔、清洗腔以及洗脱腔；

所述裂解腔、所述清洗腔以及所述洗脱腔之间通过石蜡阀间隔；

所述微流控芯片还包括设置在所述芯片基板内的加热单元，所述加热单元包括设置在所述衬底板内的第一加热丝和第二加热丝，所述第一加热丝与所述石蜡阀对应，所述第二加热丝与所述扩增腔对应。

5.微流控系统，其特征在于：

包括如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，该系统还包括驱动电路和控制终端：

所述控制终端与所述驱动电路电连接，所述控制终端用于向所述驱动电路发送控制指令；

所述驱动电路与所述电极阵列电连接，所述驱动电路用于控制所述电极阵列的通电状态的改变。

6.根据权利要求5所述的微流控系统，其特征在于：

该微流控系统还包括磁吸装置和荧光检测装置，所述磁吸装置用于控制样品在所述提取组件内移动；

所述荧光检测装置用于检测所述样品在所述扩增区内扩增后的结果。

7.导电盖板的制造方法，应用于如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于包括以下步骤：

在导电盖板上涂覆第一疏水层，将涂覆有所述第一疏水层的所述导电盖板安装到在固定治具上，使用擦除工具将所述扩增区表面的所述第一疏水层擦除。

8.根据权利要求7所述导电盖板的制造方法，其特征在于：

在擦除了所述第一疏水层的所述扩增区的表面进行亲水处理。

9.根据权利要求7所述导电盖板的制造方法，其特征在于：

所述固定治具仅使所述导电盖板露出所述扩增区。