CN203096061U - 用于pcr快速反应的芯片结构 - Google Patents

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何越
周如华
张健
荣吉赞
杨楠
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Abstract

本实用新型涉及用于PCR快速反应的芯片结构，包括至上而下依次设置的盖片、介质层、PCR芯片和外部加热结构，盖片上加工有通孔，PCR芯片上设有微腔孔，PCR芯片上覆介质层，介质层通过盖片上的通孔呈现负压吸附盖片，PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触；PCR芯片可以是一层结构，直接加工出微腔孔；或者是多层结构，在至少一层上加工出微腔孔，再与基材复合。易于快速实现PCR扩增，显著提高生物化学反应的速度；芯片的微环境的热容量小，可进行高速的升降温控制，并能精确的检测与控制区域的温度；温度循环系统体积减小，热容降低，反应时间大大缩短；反应液体积减小，扩增的特异性增强，既节省了成本又提高了效率。

Description

用于PCR快速反应的芯片结构
技术领域
本实用新型涉及一种用于PCR快速反应的芯片结构，属于PCR技术领域。
背景技术
聚合酶链式反应（PCR）是一种分子生物学技术，用于放大特定的DNA片段，可看作生物体外的特殊DNA复制。PCR技术原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成：①模板DNA的变性：模板DNA经加热至94℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便与引物结合，为下轮反应做准备；②模板DNA与引物的退火（复性）：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至50-65℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；③引物的延伸：DNA模板-引物结合物在Taq DNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，重复循环变性-退火-延伸三过程就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。PCR技术已经是生命科学和医学领域发展中一个重要发展方向，成为一种广泛应用的检测手段与技术方法，在生命科学、医学工程、遗传科学、法医鉴定等方面具有广阔的应用价值。
PCR扩增的关键是快速而准确的控制温度循环，PCR扩增循环中的每一步都有最短的有效反应时间，温度变化过程太长不仅浪费时间，且随着时间的延长Taq DNA聚合酶的活性而逐渐下降，因此较长的反应过程对PCR是很不利的。因此直接提供PCR反应效率的思路就是减少PCR混合液的体积，可以缩短循环时间，提高扩增产物的含量。静态腔式PCR芯片芯片具有如下优点：
1）温度循环系统体积减小，热容降低，可以达到很高的升/降温速率（甚至可高达60-90℃／s），反应时间成倍缩短；
2）反应液体积减小，反应试剂的消耗量降低，反应液温度的均匀性提高，扩增的特异性增强，既节省了成本，又提高了效率；
3）可选用导热系数高的材料，提升热传递速率，大大降低反应液温度平衡的时间和循环所需要耗费时间，温度能够更快的稳定和检测。
静态微腔室型PCR芯片结构比较简单，一般使用微加工技术加工出反应的微腔室（微腔室有可以封闭的流体进出口），用于加热与温度传感的电极以及冷却与散热装置。其基本原理和传统PCR仪器相近，是对注入反应腔内的PCR反应混合物进行直接的升降温控制，实现温度循环。虽然结构简单，但是由于微观尺度效应，热惯性小，PCR反应液在微腔室中可以很快地进行升降温工作，热传感器也能及时反馈并对温度进行控制。由于微腔室芯片结构简单，也意味着能够在一块芯片上加工多个反应池，同时进行多个PCR反应。微腔室通过微机械加工的方法制作得到。这些特点都在实际使用中具有很大的优势。静态微腔室型PCR芯片显著地降低了混合液的消耗量，但温控系统及结构设计直接决定加热冷却速度，仍旧对温度循环与稳定起着决定性作用，一般来说与理想的升降温反应速度仍旧有一定差距。一般加热与散热装置需要集成加工在芯片上，这使得加工成本也有所上升，且传统静态腔室PCR芯片的试剂准备、反应后试剂提取依旧需要有外部转移过程，可能导致试剂的浪费与转移污染的出现。因此，实现PCR的独立多温区循环成为静态腔PCR芯片发展的方向之一。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于PCR快速反应的芯片结构。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
用于PCR快速反应的芯片结构，特点是：包括至上而下依次设置的盖片、介质层、PCR芯片和外部加热结构，所述盖片上加工有通孔，所述PCR芯片上设有微腔孔，PCR芯片上覆介质层，介质层通过盖片上的通孔呈现负压吸附盖片，PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触。
进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述PCR芯片的厚度为100μm～10mm，PCR芯片上微腔孔的体积为0.01μL~10mL。
更进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述PCR芯片为石英玻璃、三氧化二铝、石英、玻璃、硅、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚偏氟乙烯中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合；所述任意至少两种材料通过键合、粘接或超声波焊接方式相接复合。
更进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述盖片为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲脂、玻璃、石英玻璃、聚二甲基硅氧烷、硅胶材质中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
再进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述介质层为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚对二甲苯、聚酰亚胺、硅橡胶、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合；所述介质层的厚度为10nm~10mm。
再进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述外部加热结构包含薄膜加热片以及与其粘接的导热材料；所述导热材料为金属、金属氧化物、硅、碳化硅、石墨、导热硅酮树脂、导热塑料中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
再进一步地，上述的用于PCR快速反应的芯片结构，其中，所述微腔孔的形状为圆柱状或者圆台状。
本实用新型技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本实用新型易于快速实现PCR扩增，显著提高生物化学反应的速度；芯片的微环境的热容量小，可进行高速的升降温控制，并能精确的检测与控制区域的温度；温度循环系统体积减小，热容降低，可达到很高的升／降温速率，反应时间大大缩短；反应液体积减小，反应液温度的均匀性提高，扩增的特异性增强，既节省了成本又提高了效率；芯片易于集成和功能化，快速便捷的实现扩增，便于批量化低成本生产。
附图说明
下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
图1：本实用新型的截面结构示意图；
图2：盖片的俯视示意图；
图3：PCR芯片的俯视示意图。
具体实施方式
如图1所示，用于PCR快速反应的芯片结构，包括至上而下依次设置的盖片1、介质层2、PCR芯片3和外部加热结构4，如图2，盖片1上加工有通孔101，如图3， PCR芯片3上设有微腔孔301，微腔孔301的深度小于芯片的厚度，PCR芯片上覆介质层，介质层通过盖片上的通孔呈现负压吸附盖片，PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触。
盖片1通过介质层2与PCR芯片3相接，PCR芯片3的厚度为100μm～10mm，PCR芯片上微腔孔301的体积为0.01μL~10mL，微腔孔的形状呈圆柱状或者圆台状。
PCR芯片3为石英玻璃、三氧化二铝、石英、玻璃、硅、PC、PTFE、PET、PSU、PVDF中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合，任意至少两种材料通过键合、粘接或超声波焊接方式相接复合。
盖片1为聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、玻璃、石英玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硅胶材质中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
介质层2为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸酯（PC）、环烯烃共聚物（COC）、聚对二甲苯、聚酰亚胺（PI）、硅橡胶、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合；介质层2的厚度为10nm~10mm。
外部加热结构4包含薄膜加热片以及与其粘接的导热材料；导热材料为金属、金属氧化物、硅、碳化硅、石墨、导热硅酮树脂、导热塑料中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
PCR芯片3上的微腔孔301中放入PCR溶液，然后由盖片1密封，利用外部的加热结构进行PCR扩增。盖片1和PCR芯片3之间设有一层介质层2，每次使用更换介质膜即可。介质层2通过盖片上边的通孔呈现负压吸附盖片，PCR扩增结束时恢复到正压，以方便更换介质膜。外部加热结构4通过导热好的材料与PCR芯片3的下表面尽量的完全直接接触，以达到快速升降温的效果。加热温度在三个温度之间连续变换，降温过程是自然降温，以实现PCR扩增。一个PCR扩增循环的具体过程为：在PCR芯片3上的微腔孔301内放入PCR溶液，盖片1吸附一层介质层2，然后在盖片1上施加一定压力与微腔孔面密封（保持吸附状态），然后外部加热结构4进行加热，在三个温度之间各自保持一定时间，降温为自然降温，实现PCR扩增，移开盖片1，吸附的介质膜被去除掉，取出PCR溶液进行后续实验。
实施例1
PCR芯片：采用石英玻璃作为基材，尺寸为80mm×20mm，厚度为2mm，使用激光打孔工艺，在石英玻璃片上加工两排微腔孔，每排为八个相同孔径的微腔孔，两排微腔孔中，一排微腔孔的直径均为1.6mm，另一排微腔孔的直径均为3.0mm，深度均为1.5mm，微腔孔中心之间的间距为9mm，微腔孔中心与长边之间的距离为8.5mm，微腔孔中心与短边之间的距离为5.5mm。加工后的石英玻璃芯片需要经过超声波清洗，工艺为：于丙酮溶液中，清洗5min；取出直接放入乙醇溶液中，清洗5min，取出后直接放入去离子水中，清洗5min，氮气吹干。
盖片：采用PC板材质作为硬质材料，加工成为80mm×20mm尺寸，厚度为1.5mm，将0.5mm厚的硅胶片也加工成80mm×20mm尺寸，然后使用结构胶将PC板与硅胶片粘接在一起，并在上边加工出直径为2mm的通孔，利用通孔吸附介质层。
介质层：采用PET薄膜作为介质层，长宽尺寸分别为80mm和20mm。
外部加热结构：采用薄膜加热片作为热源，硅片作为热传导介质。将薄膜加热片制作成长宽尺寸分别为80mm和20mm，厚度为500μm的硅片也加工成长宽尺寸分别为80mm和20mm，然后使用导热胶将薄膜加热片与硅片粘接在一起构成外部加热结构。
用于PCR扩增时，其工艺步骤为：
1）将PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触在一起；
2）在PCR芯片上，直径为1.6mm的八个微腔孔内分别注入3μL的 PCR溶液，直径为3.0mm的八个微腔孔内分别注入10μL的甲酰胺溶液；
3）将盖片的硬质材料上表面和外部抽真空装置相连，使其具有吸力，吸附一层PET薄膜，然后将带有薄膜的盖片与PCR芯片的上表面相接密封；
4）外部加热结构进行加热，三个温度变化值和顺序分别为95℃—59℃—72℃，降温过程为自然降温，反复循环30次完成PCR扩增。
实施例2
PCR芯片：采用7740玻璃和硅片作为芯片基材，7740玻璃直径尺寸为100mm，厚度为1.5mm，在玻璃片上划出两个80mm×20mm尺寸的单元。使用激光打孔工艺，每个单元都有两排微腔孔为通孔，每排含有八个相同孔径的微腔孔，同一个单元中的两排微腔孔直径分别1.6mm和3.0mm，微腔孔中心之间的间距为9mm，微腔孔中心与单元的长边之间的距离为8.5mm，通孔中心与单元短边之间的距离为5.5mm。硅片直径尺寸为100mm，厚度为500μm。利用阳极键合技术，将清洗后的含有通孔的玻璃片和硅片粘接在一起，形成PCR芯片。加工后的玻璃片和硅片都需要经过超声波清洗，工艺为：于丙酮溶液中，清洗5min；取出直接放入乙醇溶液中，清洗5min，取出后直接放入去离子水中，清洗5min，氮气吹干。
盖片、介质层和外部加热结构的加工方法与实施例1相同。
可以看出，PCR芯片可以是一层结构，直接在上边加工出微腔孔；或者是多层结构，在至少一层上加工出微腔孔，再通过键合、粘接或者焊接的方式与另一基材复合，多层结构时，层的材质可以不同；以便实现快速PCR。
本实用新型与现有PCR芯片结构相比，凸显以下特点
（1）静态腔式PCR芯片，能够提高生物化学反应的速度，便于批量化低成本的生产；
（2）芯片的微环境的热容量小，可进行高速的升降温控制，并能精确的检测与控制区域的温度；
（3）温度循环系统体积减小，热容降低，可达到很高的升／降温速率（甚至可高达60-90℃／s），反应时间显著缩短；
（4）反应液体积减小，反应液温度的均匀性提高，扩增的特异性增强，既节省了成本又提高了效率；
（5）芯片易于集成和功能化，能够快速便捷的实现扩增。
需要理解到的是：以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：包括至上而下依次设置的盖片、介质层、PCR芯片和外部加热结构，所述盖片上加工有通孔，所述PCR芯片上设有微腔孔，PCR芯片上覆介质层，介质层通过盖片上的通孔呈现负压吸附盖片，PCR芯片的下底面与外部加热结构紧密接触。
2.根据权利要求1所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述PCR芯片的厚度为100μm～10mm，PCR芯片上微腔孔的体积为0.01μL~10mL。
3.根据权利要求1或2所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述PCR芯片为石英玻璃、三氧化二铝、石英、玻璃、硅、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚偏氟乙烯中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
4.根据权利要求3所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述任意至少两种材料通过键合、粘接或超声波焊接方式相接复合。
5.根据权利要求1所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述盖片为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲脂、玻璃、石英玻璃、聚二甲基硅氧烷、硅胶材质中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
6.根据权利要求1所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述介质层为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚对二甲苯、聚酰亚胺、硅橡胶、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
7.根据权利要求1或6所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述介质层的厚度为10nm~10mm。
8.根据权利要求1所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述外部加热结构包含薄膜加热片以及与其粘接的导热材料。
9.根据权利要求8所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述导热材料为金属、金属氧化物、硅、碳化硅、石墨、导热硅酮树脂、导热塑料中的任意一种材料或者是任意至少两种材料的复合。
10.根据权利要求1所述的用于PCR快速反应的芯片结构，其特征在于：所述微腔孔的形状为圆柱状或者圆台状。
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