CN205133580U - 核酸测序芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于核酸测序技术领域，提供了一种核酸测序芯片，包括芯片本体，芯片本体内设有流道，核酸可粘附于流道的内壁，芯片本体设有容外部液体流入流道的液体入口以及容流道内液体流至外部的液体出口。芯片本体设有多条流道以及与流道相同数量的液体入口和液体出口，每条流道分别对应一个液体入口和一个液体出口。流道的内壁设有可容纳核酸的容纳孔。芯片本体包括底板、芯板及盖板，流道设于芯板上且贯通芯板的上表面和下表面，底板、芯板及盖板由下至上依序叠置形成芯片本体。本实用新型通过设置液体入口、流道及液体出口，试剂溶液可在液体入口流入流道，最终从液体出口流出，实现核酸测序“流水式”作业，大大提高了核酸测序的效率。

Description

核酸测序芯片

技术领域

本实用新型涉及一种核酸测序装置，特别是涉及一种核酸测序芯片。

背景技术

核酸测序/基因测序(包括DNA测序和RNA测序)是研究核酸的重要方法之一。DNA测序(DNAsequencing，或译DNA定序)是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的排列方式。同理，RNA测序是指分析特定RNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)的排列方式。

在现有技术中普遍使用的核酸测序方法是“桑格法”(SangerMethod)，又称“双脱氧链终止法”(DideoxyChain-TerminationMethod)，但桑格法测序所用到的设备繁多，结构复杂，操作步骤复杂，其具有效率低下的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种核酸测序芯片，其具有结构简单、操作便捷、测序效率高的优点。

本实用新型是这样实现的，一种核酸测序芯片，包括芯片本体，所述芯片本体内设有流道，核酸可粘附于所述流道的内壁，所述芯片本体设有容外部液体流入所述流道的液体入口以及容所述流道内液体流至外部的液体出口。

进一步地，所述芯片本体设有多条所述流道以及与所述流道相同数量的所述液体入口和所述液体出口，每条所述流道分别对应一个所述液体入口和一个所述液体出口。

更进一步地，所述流道包括流入段、中间段及流出段，所述中间段两端分别与所述流入段和所述流出段连接；所述流入段和所述流出段的宽度均小于所述中间段的宽度；所述液体入口与所述流入段连通，所述液体出口与所述流出段连通。

优选地，所述流入段与所述中间段的连接处、所述流出段与所述中间段的连接处，均光滑过渡。

特别地，所有相邻的所述液体入口的中心距之和、所有相邻的所述液体出口的中心距之和，均小于所有所述流道的最宽处的宽度之和。

具体地，所述流道的内壁设有可容纳核酸的容纳孔。

进一步地，所述芯片本体包括底板、芯板及盖板，所述流道设于所述芯板上且贯通所述芯板的上表面和下表面，所述底板、所述芯板及所述盖板由下至上依序叠置形成所述芯片本体。

更进一步地，所述底板与所述芯板一体成型。

可选地，所述芯板与所述盖板一体成型。

具体地，所述液体入口和/或所述液体出口设于所述底板上、所述芯板上或者所述盖板上。

往液体入口注入含核酸的溶液，核酸分子可粘附于流道内壁且可进行扩增；核酸扩增完毕后可注入清洗液对流道进行清洗；清洗完毕后可注入测序试剂(例如含碱基的溶液)，对核酸进行边合成边测序。流道内的液体均能由液体出口排出。本实用新型所提供的核酸测序芯片既可用于核酸扩增，又可用于核酸测序，一块芯片多种用途。本实用新型通过设置液体入口、流道及液体出口，试剂溶液可在液体入口流入流道，最终从液体出口流出，实现核酸测序“流水式”作业，这种方式大大提高了核酸测序的效率，而且该芯片的结构简单，其还具有操作便捷的优点。

附图说明

图1为本实用新型所提供的核酸测序芯片的一种实施方式的主视图；

图2为图1的后视图；

图3为本实用新型所提供的核酸测序芯片第一种实施方式的立体装配图；

图4为图3的分解图；

图5为本实用新型所提供的核酸测序芯片第二种实施方式的立体装配图；

图6为图5的分解图；

图7为本实用新型所提供的核酸测序芯片第三种实施方式的立体装配图；

图8为图7的分解图；

图9为本实用新型所提供的核酸测序芯片第四种实施方式的立体装配图；

图10为图9的分解图；

图11为本实用新型所提供的核酸测序芯片第五种实施方式的立体装配图；

图12为一种核酸测序芯片安装座；

图13为核酸测序的一种简化原理图；

图14为激光激发核酸荧光基团和采集荧光信号的一种实施方式；

图15为激光激发核酸荧光基团和采集荧光信号的另一种实施方式；

图16为流道内壁的局部放大图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图13，图中所示的是正在合成的DNA双链21，DNA双链21左边的那条单链为待测序的DNA单链模板22。载体20可粘附DNA链，测序前，DNA单链模板22一端先粘附于载体20上，接着往DNA单链模板22右侧加入一段引物23作为右边DNA单链的起始端，然后加入腺嘌呤(A)24、胸腺嘧啶(T)25、胞嘧啶(C)26与鸟嘌呤(G)27碱基分子，每个碱基分子上都带有阻断基团29(用正六边形图案表示)以及不同颜色的荧光标记/荧光基团28(用六角星图案表示)。DNA双链21每合成一个碱基，使用激光照射它，不同颜色的荧光基团受到激光激发能够发出对应的颜色，通过对荧光基团颜色的识别可检测出对应的碱基。采集荧光信号后，再将阻断基团29切除，使下一个碱基能够合入DNA双链21中，进行下一个碱基类型的检测。不断循环合成及荧光信号采集的步骤，即可采集到一系列有序的荧光信号，根据荧光信号的颜色就可分析出DNA的序列。上述过程称为DNA测序。RNA测序方法与DNA测序方法相似，区别仅在于将胸腺嘧啶(T)改为尿嘧啶(U)。DNA测序和RNA测序统称为“核酸测序”。DNA双链合成所运用到的原理是碱基互补配对原理。

在实际测序过程中，一般不会仅对一个DNA分子进行测序操作，通常DNA分子需要先在载体20上进行扩增(简单来说就是复制)，使其DNA分子数量足够多，如图14和图15所示，载体20上已经扩增了若干个DNA分子簇(DNA单链模板22)。当载体20上的DNA分子数量足够多的时候就可以开始批量测序了，激光源照射核酸分子的方式可以有很多，图14所示的是在载体20上方设有一个激光源30，它所射出的入射激光31从载体20的上方照射核酸分子21；图15所示的激光源30则是位于载体20下方，它所发出的入射激光31从载体20底部往上照射核酸分子21，这里的载体20就需要是透光的。当然，实际情况下不会仅使用一条激光光线照射单个核酸分子，而是使用一束较宽的激光同时照射载体20上某个区域的多个核酸分子。图14和图15中也示出了荧光采集装置/相机33，荧光基团被激光激发后，辐射出对应颜色的荧光光线32，荧光采集装置33则用于采集这些光线的颜色和来源位置。

需要说明的是，为了便于理解，上述仅为核酸测序的一种简化原理，核酸测序原理有多种，核酸测序的微观原理实际上是非常复杂的。由于本实用新型并不涉及生物化学的微观技术方案，因此在本文中不对其原理进行详细描述。

本实用新型提供了一种核酸测序芯片，图1与图2示出了核酸测序芯片的其中一种实施方式，图1示出了其上表面视图，图2示出了其下表面视图。这种核酸测序芯片1，包括芯片本体2，所述芯片本体2内设有流道3，核酸可粘附于所述流道3的内壁，所述芯片本体2设有容外部液体流入所述流道3的液体入口4以及容所述流道3内液体流至外部的液体出口5。

往液体入口4注入含核酸分子的溶液，核酸分子可粘附于流道3内壁且可进行扩增；核酸扩增完毕后可注入清洗液对流道3进行清洗(粘附于内壁上的核酸分子不会被清洗掉)；清洗完毕后可注入测序试剂(例如含碱基的溶液)，对核酸进行边合成边测序。流道3内的液体均能由液体出口5排出。本实用新型所提供的核酸测序芯片1既可用于核酸扩增，又可用于核酸测序，一块芯片多种用途。本实用新型通过设置液体入口4、流道3及液体出口5，试剂溶液可在液体入口4流入流道3，最终从液体出口5流出，实现核酸测序“流水式”作业，这种方式大大提高了核酸测序的效率，而且该芯片的结构简单，其还具有操作便捷的优点。

本实用新型所提供的核酸测序芯片可以仅设置一条流道，如果希望一次性测序的数量较大，则可以适当地将流道的宽度设计得较大。但是，如果流道的宽度过大，则有可能导致液体在流道内的流动速度不均匀、覆盖程度不均匀，最终导致核酸测序结果不准确。为了解决这一问题，所述芯片本体2可设有多条所述流道3以及与所述流道3相同数量的所述液体入口4和所述液体出口5，每条所述流道3分别对应一个所述液体入口4和一个所述液体出口5。在一块芯片上设置多条流道3，每条流道3的宽度设计在合适的范围内，这样同样能够同时对更多的核酸进行测序。附图所示的核酸测序芯片1设置了8条流道3、8个液体入口4和8个液体出口5，每条流道3单独对应一个液体入口4和一个液体出口5。实际上，一个液体入口和一个液体出口也可以对应多条流道，其可根据需要设计。

作为本实用新型关于流道3具体形状结构的一种实施方式，所述流道3包括流入段6、中间段7及流出段8，所述中间段7两端分别与所述流入段6和所述流出段8连接；所述流入段6和所述流出段8的宽度均小于所述中间段7的宽度；所述液体入口4与所述流入段6连通，所述液体出口5与所述流出段8连通。流道3这种两头窄、中间宽的形状，可使得液体流动速度更加均匀。

为使液体在流道3内流动更顺畅，所述流入段6与所述中间段7的连接处9、所述流出段8与所述中间段7的连接处10，可做光滑过渡处理，这样，流道3内就不存在曲折的拐角，不易阻碍液体的流动，不易积留液体。

作为本实用新型的一种优选实施方式，所有相邻的所述液体入口4的中心距之和、所有相邻的所述液体出口5的中心距之和，均小于所有所述流道3的最宽处的宽度之和。从附图可知，8条流道3并列布置，8个液体入口4位于一条直线上，8个液体出口5也位于一条直线上，从8条流道3所形成的整体形状来看，其呈两端窄、中间宽的形状，这样除了能够使液体整体上可以均匀流动之外，还可以使8个液体入口4之间的距离足够的小，一般来说，外部液体是由一条主干流体分流为8条分支流体后再对应流入8个液体入口4的，如果8个液体入口4之间的距离过大，则有可能造成外部液体进入8条流道3的前后时间差过大，可能会导致最终的测序结果不够精准，因此，如果8个液体入口4之间的距离足够的小，则可保证外部液体能够更接近同步地流入各流道3内，有效提高测序的准确度。

所述芯片本体2还可以设置倒角11或者其它定位构造。安装或存放核酸测序芯片1时，倒角11可以起到准确定位和识别正反面的作用。

流道3的内壁可以是平整的表面，核酸分子直接粘附于该表面上；流道3的内壁表面也可以设有专门用于容纳核酸分子的容纳空间，例如图16所示，所述流道3的内壁34设有可容纳核酸的容纳孔35。每个容纳孔35可设计成对应容置一个核酸分子，也可以设置成容置若干个分子。设置容纳孔35可以更规则地限定核酸分子的布局，使分析更加方便准确。容纳孔35的尺寸一般是纳米级别的，所以也可以称为“纳米孔”。图16为流道3的内壁某个局部的放大图，它可以用于示意流道3的内壁任何一个位置的局部放大图。

核酸测序芯片1的芯片本体2结构可以有以下几种实施方式：

实施方式一：

参见图3和图4，所述芯片本体2包括底板12、芯板13及盖板14，所述流道3设于所述芯板13上且贯通所述芯板13的上表面和下表面，所述底板12、所述芯板13及所述盖板14由下至上依序(密封)叠置形成所述芯片本体2。换句话说，芯片本体2可以由三个层面叠加形成，但这并不限定三个层面(底板12、芯板13及盖板14)必须分开制造成型后再叠加形成芯片本体2。为保证激光可射入流道3内，底板12和/或盖板14为透光材质。

实施方式二：

参见图5和图6，实施方式一中的底板12与芯板13是一体成型的，底板12与芯板13一体形成一块下基板15。需要说明的是，下基板15并不是由底板12与芯板13粘合后形成的，下基板15是一块不可分割的、完整的材料，流道3是直接加工于下基板15上的。底板12与芯板13在本实施方式中实际上只是一个虚拟的概念，可以理解为：如果对下基板15水平切一刀，那么它就能形成底板12与芯板13两层结构。本实施方式实际上等同于：“所述芯片本体2包括下基板15及盖板14，所述流道3设于所述下基板15的上表面，所述盖板14叠置于所述下基板15的上表面上”。

实施方式三：

参见图7和图8，实施方式一中的芯板13与盖板14是一体成型的，芯板13与盖板14一体形成一块上基板16。与实施方式二同理，上基板16是一块不可分割的、完整的材料，它并不是由实际的芯板13与盖板14两块板层粘合而成的。流道3设置于上基板16的下表面，由于图8的视角是由上往下看的，因此，图8中并未示出流道3。本实施方式实际上等同于：“所述芯片本体2包括底板12及上基板16，所述流道3设于所述上基板16的下表面，所述上基板16叠置于所述底板12的上表面上”。

核酸测序芯片1的材质，可以根据需要选择使用透光材料，例如，当需要从上方射入激光光线时，则盖板14可选用透光材料；当需要从下方射入激光光线时，底板12可选用透光材料。为了避免光线的干扰，核酸测序芯片1的外部表面或者内部表面可以涂覆遮光层。

本实用新型中的所述液体入口4和/或所述液体出口5可以设于所述底板12上、所述芯板13上或者所述盖板14上。也就是说，液体入口4与液体出口5可以开设于核酸测序芯片1的上表面、下表面或者是侧面。图1、2、3、4、5、6、7、8所示的核酸测序芯片1的液体入口4与液体出口5是开设于下表面的；图9、10所示的液体入口4与液体出口5开设于上表面；图11所示的液体入口4与液体出口5开设于侧面，液体出口5位于与液体入口4相对的另一端。

为使技术人员能够更好地理解本实用新型，下面以图5和图6所示的核酸测序芯片1为例，对它的使用方法和工作流程进行描述：

Step1：将核酸测序芯片1放置于图12所示的安装座17上，输液针18插入液体入口4，排液针19插入液体出口5；

Step2：输液针18往液体入口4注入含核酸分子的溶液，溶液流经流道3，核酸分子粘附于流道3的内壁，同时进行核酸分子扩增，最终形成粘附于流道3内壁的核酸分子簇；

Step3：核酸分子扩增完毕后可注入清洗液，对流道3进行清洗，此时核酸分子依然粘附于流道内壁上并不会被清除；

Step4：注入测序溶液/试剂，溶液含大量腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)碱基分子，这些碱基分子上带有荧光基团/荧光标记；

Step5：注入清洗液，洗除流道3内的碱基溶液；

Step6：向核酸测序芯片1照射激光，激发荧光基团/荧光标记辐射荧光信号，利用显微镜相机/荧光采集装置采集流道3内各个位置所辐射荧光的颜色；

Step7：注入清洗液，切除碱基上的阻断基团和荧光基团，并将它们排出芯片外；

不断重复Step4-7，直至测序结束为止，通过分析显微镜相机所采集的所有荧光信号颜色次序，即可分析出核酸的碱基序列。

上述“Step”是“步骤”的意思。

需要说明的是，本实用新型并不以上述使用方法和工作流程为限，其还可以有更广的使用范围和更多的使用方法。

本文中所有结构以外的描述(例如对生物化学内容的描述和对核酸测序芯片工作流程的描述)均用于辅助技术人员更好理解本实用新型而已，这些描述并不能用于限制本实用新型的结构。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核酸测序芯片，包括芯片本体，其特征在于：所述芯片本体内设有流道，核酸可粘附于所述流道的内壁，所述芯片本体设有容外部液体流入所述流道的液体入口以及容所述流道内液体流至外部的液体出口。

2.如权利要求1所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述芯片本体设有多条所述流道以及与所述流道相同数量的所述液体入口和所述液体出口，每条所述流道分别对应一个所述液体入口和一个所述液体出口。

3.如权利要求2所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述流道包括流入段、中间段及流出段，所述中间段两端分别与所述流入段和所述流出段连接；所述流入段和所述流出段的宽度均小于所述中间段的宽度；所述液体入口与所述流入段连通，所述液体出口与所述流出段连通。

4.如权利要求3所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述流入段与所述中间段的连接处、所述流出段与所述中间段的连接处，均光滑过渡。

5.如权利要求3所述的核酸测序芯片，其特征在于：所有相邻的所述液体入口的中心距之和、所有相邻的所述液体出口的中心距之和，均小于所有所述流道的最宽处的宽度之和。

6.如权利要求1所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述流道的内壁设有可容纳核酸的容纳孔。

7.如权利要求1-6任一项所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述芯片本体包括底板、芯板及盖板，所述流道设于所述芯板上且贯通所述芯板的上表面和下表面，所述底板、所述芯板及所述盖板由下至上依序叠置形成所述芯片本体。

8.如权利要求7所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述底板与所述芯板一体成型。

9.如权利要求7所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述芯板与所述盖板一体成型。

10.如权利要求7所述的核酸测序芯片，其特征在于：所述液体入口和/或所述液体出口设于所述底板上、所述芯板上或者所述盖板上。