CN207567249U - 一种用于核酸扩增检测的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于核酸扩增检测的微流控芯片，包括三层密封键合的膜片，三层膜片从上至下依次为上层膜片、中层膜片和底层膜片；底层膜片上设有加样主流道一、加样主流道二、排气主流道一、排气主流道二、反应腔和与反应腔数量相等的排气单向阀；上层膜片上设有加样孔一、排气孔一、分样流道、溢流流道和排气分流道；中层膜片包括加样孔二、排气孔二、加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯。本实用新型能同时进行多个靶基因的核酸扩增检测，且各个反应腔互不污染，核酸扩增时能够独立进行扩增互不干扰，检测结束后也没有扩增产物外漏。另外，芯片还能采用荧光检测，并能定性和定量分析。

Description

一种用于核酸扩增检测的微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及微流控技术领域，特别是一种用于核酸扩增检测的微流控芯片。

背景技术

聚合酶链式反应是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点，是能将微量的DNA大幅增加。PCR（聚合酶链式反应）是利用DNA在体外摄氏95°高温时变性会变成单链，低温（经常是60°C左右）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度（72°C左右），DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互补链。

一般PCR反应均是在PCR管中，用PCR仪完成升降温的反应过程。但是用普通PCR仪进行升降温步骤的速度较慢，整体检测时间长，且前期操作繁琐，需要向PCR管内添加不同的试剂，难以满足目前市场上需要的自动化操作和高通量检测需求。

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上， 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片技术中将核酸扩增集成到芯片上进行是目前研究的热点。虽然PCR扩增技术是现有技术，但如能将其集成到芯片上，满足扩增反应及检测的需求，这样操作将更为简便快捷。

目前常用在微流控平台上进行核酸扩增检测的芯片只能针对单个靶基因进行扩增，检测方法也多为电泳法、胶体金显色法等。

现有的微流控芯片核酸扩增检测芯片无法解决对多个靶基因同时进行核酸扩增及检测，而且大多为两层芯片结构，只能进行单个PCR反应。当要做多个反应时，只能并联的使用多个芯片，这样就造成了试剂能源的大大浪费。而做到一个芯片进行多个反应的扩增，首先要解决芯片的整理设计，芯片材料多个功能模块的组装与键合，液体流道分流的不稳定性，压力控制，防回流设计，阀门控制，排气孔等很多难点。到目前为止液体分流也一直是微流控领域的一大难题。同时保证多个独立PCR扩增腔室在整个反应过程中的完全密闭也是个难题。因此需要克服很多的难点才能设计出多反应微流控芯片。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于核酸扩增检测的微流控芯片，该用于核酸扩增检测的微流控芯片能同时在微流控芯片上进行多个靶基因的核酸扩增检测，且能使各个反应腔在反应前不互相污染，核酸扩增时能够独立进行扩增互不干扰，检测结束后也没有扩增产物外漏。另外，芯片还能采用荧光检测，并能对反应进行定性和定量分析。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于核酸扩增检测的微流控芯片，包括三层膜片，三层膜片之间均采用密封键合；三层膜片从上至下依次为上层膜片、中层膜片和底层膜片。

底层膜片上设置有加样主流道一、加样主流道二、排气主流道一、排气主流道二、若干个反应腔和与反应腔数量相等的排气单向阀。

加样主流道二沿底层膜片的一个长度边布设，加样主流道一设置在底层膜片的中部，加样主流道一与加样主流道二相垂直连通。

若干个反应腔并列设置在加样主流道一的两侧。

排气主流道一沿底层膜片的另一个长度边布设，排气主流道二也设置在底层膜片的中部，排气主流道二与排气主流道一相垂直连通。

排气单向阀并列设置在排气主流道二的两侧。

上层膜片上设置有加样孔一、排气孔一、若干个并列设置的分样流道、若干个并列设置的溢流流道和若干个并列设置的排气分流道；分样流道、溢流流道和排气分流道的数量均与反应腔的数量相等。

中层膜片包括加样孔二、排气孔二、加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯；加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯的数量均与反应腔的数量相等。

加样孔一和加样孔二竖向贯通，加样孔二底部与加样主流道一相连通。

每个加样单向阀的底部进口端均与加样主流道二相连通，每个加样单向阀的顶部出口端均与对应的分样流道的入口相连通。

每个分样流道的出口均与加样导向孔的顶端相连接，每个加样导向孔的底端均指向对应的反应腔。

每个溢流导向孔一的底端指向对应的反应腔，每个溢流导向孔一的顶端与对应溢流通道的入口相连通。

每个溢流导向孔二的顶端与对应溢流通道的出口相连接，每个溢流导向孔二的底端均与对应排气单向阀的入口相连通。

每个排气单向阀的出口均通过对应的排气导向孔与排气分流道的入口相连接，每个排气分流道的出口与对应透气阻水滤芯的入口相连通，每个透气阻水滤芯的出口均与排气主流道一相连通。

排气主流道二的出口与排气孔二底部相连通，排气孔二与排气孔一竖向贯通。

底层膜片上的加样主流道一和排气主流道二同轴设置，反应腔与对应的排气单向阀同轴设置。

排气单向阀排气单向阀包括膜片，膜片包括膜片连接端和膜片悬置端；膜片悬置端设置有若干个相互平行的膜片悬置端间隙，每个膜片悬置端间隙仅能允许气体通过，液体水分子不能通过。

分样流道和溢流流道均为热熔结构流道。

三层膜片均为透明硬质材料。

透明硬质材料为高分子聚合物、石英玻璃和硅片中的一种。

三层膜片采用热键合或超声键合的方式密封形成一个整体。

每个反应腔内预先固定有用于检测不同靶基因的试剂干粉，试剂干粉包括引物、荧光探针和酶。

本实用新型创造性地设计了三层膜片结构的核酸扩增检测芯片，能够同时对多种靶基因进行核酸扩增和检测，只需加样一次，操作简便，通量高，反应过程中无泄漏，无需专门的PCR实验室即可进行核酸扩增检测，便于缺少实验条件的疾病检测机构使用。目前市场上还未有相关的微流控芯片出现，本实用新型的加样单向阀、排气单向阀与熔断结构能够带来技术上的革新，填补微流控领域的空白，而同时检测多个病原体的芯片能够大大的减少医疗资源的浪费，对医疗市场是个非常巨大的利好。另外，三层膜片结构的设计，每一层膜片的加工工艺都较为简单，便于大规模生产的需要。

附图说明

图1显示了本实用新型一种用于核酸扩增检测的微流控芯片的整体结构示意图。

图2显示了底层膜片的结构示意图。

图3显示了中层膜片的结构示意图。

图4显示了上层膜片的结构示意图。

图5显示了排气单向阀在底层膜片上的安装示意图。

图6显示了排气单向阀的结构示意图。

图7显示了膜片的结构示意图。

其中有：

10.上层膜片；

11.加样孔一；12.排气孔一；13.分样流道；14.溢流流道；15.排气分流道；

20.中层膜片；

21.加样孔二；22.排气孔二；23.加样单向阀；24.加样导向孔；25.溢流导向孔一；26.溢流导向孔二；27.排气导向孔；28.透气阻水滤芯；

30.底层膜片；

31.加样主流道一；32.加样主流道二；33.反应腔；34.排气主流道一；35.排气主流道二；36.排气单向阀；

40.膜片；41.膜片连接端；42.膜片悬置端；43.膜片悬置端间隙；44.膜片嵌槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于核酸扩增检测的微流控芯片，包括三层膜片，三层膜片之间均采用密封键合；优选为热键合或超声键合等密封形成一个整体，以满足核酸扩增及检测的需要。

三层膜片均优选为透明硬质材料，透明硬质材料优选为高分子聚合物、石英玻璃和硅片等中的一种。

三层膜片从上至下依次为上层膜片10、中层膜片20和底层膜片30。

如图2所示，底层膜片30上设置有加样主流道一31、加样主流道二32、排气主流道一34、排气主流道二35、若干个反应腔33和与反应腔数量相等的排气单向阀36。

加样主流道二沿底层膜片的一个长度边布设，也即加样主流道二与底层膜片的长度边相平行。

加样主流道一设置在底层膜片的中部，加样主流道一与加样主流道二相垂直，加样主流道一的出口与与加样主流道二相连通。

若干个反应腔并列设置在加样主流道一的两侧，若干个反应腔优选相互平行，且位于同一根直线，若干个反应腔所在直线与加样主流道二相平行。

排气主流道一沿底层膜片的另一个长度边布设，也即排气主流道一与底层膜片的长度边相平行。

本实用新型中，加样主流道一和排气主流道二优选同轴设置。

排气主流道二也设置在底层膜片的中部，排气主流道二与排气主流道一相垂直，排气主流道二的入口与排气主流道一相连通。

排气单向阀并列设置在排气主流道二的两侧，每个排气单向阀对应一个反应腔，反应腔优选与对应的排气单向阀同轴设置。

排气单向阀能够阻水但能使气体通过，如图5、图6和图7所示，排气单向阀包括膜片40，膜片包括膜片连接端41和膜片悬置端42。膜片悬置端42设置有若干个相互平行的膜片悬置端间隙43，每个膜片悬置端间隙43仅能允许气体通过，液体水分子不能通过。

膜片的膜片连接端41优选安装在底层膜片的膜片嵌槽44中，膜片的顶部贴紧排气导向孔安装。

膜片优选采用弹性膜材料制成，膜片悬置端的截面优选为矩形。

当液体水分子从排气分流道通过排气导向孔，进入排气单向阀的入口时，膜片悬置端会被液体水分子的压力打开，使液体水分子正常通过。当气体从排气分流道或排气单向阀的入口通过时，会由膜片悬置端间隙通过，双向均可正常通过。当液体水分子从溢流导向孔流入排气单向阀的入口，并向排气分流道行进时，会把膜片悬置端向上顶起，堵住排气导向孔，封闭流道，阻止液体水分子通行。

如图4所示，上层膜片10上设置有加样孔一11、排气孔一12、若干个并列设置的分样流道13、若干个并列设置的溢流流道14和若干个并列设置的排气分流道15。

如图3所示，中层膜片包括加样孔二21、排气孔二22、加样单向阀23、加样导向孔24、溢流导向孔一25、溢流导向孔二26、排气导向孔27和透气阻水滤芯28。

上述分样流道、溢流流道、排气分流道、加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯的数量均与反应腔的数量相等，并均与反应腔相对应。也即每个反应腔所在的纵向平面上，均包括分样流道、溢流流道、排气分流道、加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯各一个。

加样孔一和加样孔二竖向贯通，加样孔二底部与加样主流道一相连通。

加样孔一和加样孔二内优选设有弹性材料的塞子，从而防止加样漏液。

每个加样单向阀的底部进口端均与加样主流道二相连通，每个加样单向阀的顶部出口端均与对应的分样流道的入口相连通。

上述加样单向阀结构主要由弹性材料构成，如硅胶、橡胶等，加样单向阀的设置，能使各个分样流道间的阻力达到平衡，起到将加样孔试样均匀分配至各个分样流道的作用。

每个分样流道的出口均与加样导向孔的顶端相连接，每个加样导向孔的底端均指向对应的反应腔。

每个溢流导向孔一的底端指向对应的反应腔，每个溢流导向孔一的顶端与对应溢流通道的入口相连通。

每个溢流导向孔二的顶端与对应溢流通道的出口相连接，每个溢流导向孔二的底端均与对应排气单向阀的入口相连通。

每个排气单向阀的出口均通过对应的排气导向孔与排气分流道的入口相连接，每个排气分流道的出口与对应透气阻水滤芯的入口相连通，每个透气阻水滤芯的出口均与排气主流道一相连通。

透气阻水滤芯材质优选为三维孔状结构的特殊材质，如玻璃纤维、聚乙烯等，进一步优选为Biocomma型号F10-14-16的20um滤芯。

排气主流道二的出口与排气孔二底部相连通，排气孔二与排气孔一竖向贯通。

进一步，分样流道和溢流流道均为热熔结构流道。热熔结构流道的设置，是芯片多个反应腔密闭的主要结构，替代多而复杂的阀门结构，为多反应结构芯片提供了快捷的密闭方式。

试验时，将提取好的核酸样品由加样孔一进入芯片，流经底层膜片上的加样主流道一和加样主流道二，通过加样单向阀，经过分样流道进入反应腔，芯片内气体由排气单向阀、透气阻水滤芯通过排气孔排出。

不同的反应腔内可以预先固定有用于检测不同靶基因的引物、荧光探针、酶等试剂干粉，核酸进入反应腔后与试剂混合，形成反应液可以进行PCR扩增反应。

待所有反应腔充满液体，多余的液体会在排气单向阀位置被堵住，无法继续流动，然后通过仪器对位于上层膜片上的分样流道和溢流流道等用热封刀片熔化阻断，使所有反应腔与其他部分完全隔绝，之后开始在不同温度的加热模块之间，如95℃和60℃，按照反应程序移动芯片，进行PCR扩增反应。扩增完成后，对反应腔内的反应液进行荧光定量或定性分析，确定检测结果。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：包括三层膜片，三层膜片之间均采用密封键合；三层膜片从上至下依次为上层膜片、中层膜片和底层膜片；

底层膜片上设置有加样主流道一、加样主流道二、排气主流道一、排气主流道二、若干个反应腔和与反应腔数量相等的排气单向阀；

加样主流道二沿底层膜片的一个长度边布设，加样主流道一设置在底层膜片的中部，加样主流道一与加样主流道二相垂直连通；

若干个反应腔并列设置在加样主流道一的两侧；

排气主流道一沿底层膜片的另一个长度边布设，排气主流道二也设置在底层膜片的中部，排气主流道二与排气主流道一相垂直连通；

排气单向阀并列设置在排气主流道二的两侧；

上层膜片上设置有加样孔一、排气孔一、若干个并列设置的分样流道、若干个并列设置的溢流流道和若干个并列设置的排气分流道；分样流道、溢流流道和排气分流道的数量均与反应腔的数量相等；

中层膜片包括加样孔二、排气孔二、加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯；加样单向阀、加样导向孔、溢流导向孔一、溢流导向孔二、排气导向孔和透气阻水滤芯的数量均与反应腔的数量相等；

加样孔一和加样孔二竖向贯通，加样孔二底部与加样主流道一相连通；

每个加样单向阀的底部进口端均与加样主流道二相连通，每个加样单向阀的顶部出口端均与对应的分样流道的入口相连通；

每个分样流道的出口均与加样导向孔的顶端相连接，每个加样导向孔的底端均指向对应的反应腔；

每个溢流导向孔一的底端指向对应的反应腔，每个溢流导向孔一的顶端与对应溢流通道的入口相连通；

每个溢流导向孔二的顶端与对应溢流通道的出口相连接，每个溢流导向孔二的底端均与对应排气单向阀的入口相连通；

每个排气单向阀的出口均通过对应的排气导向孔与排气分流道的入口相连接，每个排气分流道的出口与对应透气阻水滤芯的入口相连通，每个透气阻水滤芯的出口均与排气主流道一相连通；

排气主流道二的出口与排气孔二底部相连通，排气孔二与排气孔一竖向贯通。

2.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：底层膜片上的加样主流道一和排气主流道二同轴设置，反应腔与对应的排气单向阀同轴设置。

3.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：排气单向阀排气单向阀包括膜片，膜片包括膜片连接端和膜片悬置端；膜片悬置端设置有若干个相互平行的膜片悬置端间隙，每个膜片悬置端间隙仅能允许气体通过，液体水分子不能通过。

4.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：分样流道和溢流流道均为热熔结构流道。

5.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：三层膜片均为透明硬质材料。

6.根据权利要求5所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：透明硬质材料为高分子聚合物、石英玻璃和硅片中的一种。

7.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：三层膜片采用热键合或超声键合的方式密封形成一个整体。

8.根据权利要求1所述的用于核酸扩增检测的微流控芯片，其特征在于：每个反应腔内预先固定有用于检测不同靶基因的试剂干粉，试剂干粉包括引物、荧光探针和酶。