CN207944100U - 一种微滴式数字pcr平衡压力芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微滴式数字PCR平衡压力芯片，包括：上片与下片键合形成的芯片本体；设置在芯片本体内且依次连通的进样腔、液滴存储腔、排油通道和排油腔；与进样腔连通的进样孔；与排油腔连接的排油孔；进样孔为漏斗状，进样孔连接有硅胶材质的密封接口塞；进样腔设置在芯片本体的上片；液滴存储腔、排油通道和排油腔设置在芯片本体的下片。本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片可以在制备液滴及PCR扩增过程中，始终保持芯片内部与外界压力平衡，从而使制备出均一、稳定平铺于芯片、可供检测的液滴，操作简便、准确，通量高。

Description

一种微滴式数字PCR平衡压力芯片

技术领域

本实用新型涉及微滴试PCR芯片领域，具体涉及一种微滴式数字PCR平衡压力芯片。

背景技术

1985年至今，PCR分析历经3代技术的发展。第一代PCR分析只可对PCR产物进行定性和研究，除了无法实现靶基因的定量检测外，且存在操作繁琐、交叉污染风险大等不足。第二代PCR技术实时荧光定量PCR，通过对荧光探针标记的靶基因荧光信号进行实时采集，最终确定定靶基因的拷贝数或基因表达水平。荧光定量PCR极大程度上拓展了PCR技术在整个生命科学的研究与应用，但该方法的绝对定量分析结果最终依赖于Ct值和标准曲线，只能进行相对定量。而且，在检测低拷贝靶基因分子或模板浓度差异细微的条件下，其灵敏度和精确度方面都不能达到实际需求。随着市场及临床需求日益迫切，加上微流控等技术和工艺的成熟，第三代PCR分析技术即数字PCR应运而生，并逐渐成熟。

数字PCR操作时不需要制作标准曲线就可以进行精确的绝对定量。可检测极微量的核酸样本、复杂背景下的稀有突变、表达量微小差异等。数字PCR技术分三类即基于大规模集成微流控芯片、微反应室/孔板和液滴的数字PCR。液滴数字PCR可把原来单个PCR管中的反应试剂划分成数万甚至数百万个微小液滴，在这些微滴中同时进行PCR反应，并通过扩增后微滴的荧光分析计算目标基因的拷贝浓度。

数字PCR技术因其优异的检测灵敏度、特异性、重复性在基因表达及基因组遗传变异研究中由巨大应用优势。液滴数字PCR技术在检测基因突变方面，其检测灵敏度较荧光定量PCR至少提高了200倍，其检测下限可达0.0005％。

微流控技术在数字PCR方面的应用，使我们可以将样品分解为纳升甚至皮升级，反应单元大大提升，进而提高了数字PCR的检测灵敏度、可信度及动态范围度。目前，具代表性的液滴数字PCR系统有3款，分别是Bio-Rad公司的QX100^TM/QX200^TM数字PCR系统、Raindance公司的RainDrop^TM数字PCR系统及Stilla technologies公司最新推出的Naica^TM数字PCR系统。QX100^TM/QX200^TM系统具较高的运行通量和良好的数字PCR分析能力，但在运行中需多次移液操作，这对于微滴反应体系来说易发生液滴融合、损失等不良影响，可能会进一步影响结果的精确度，虽后来的升级系统实现了液滴制备及转移的自动化，但机器费用较高，不易推广。Raindance公司的RainDrop^TM数字PCR系统同样基于微液滴技术，可在液滴制备过程中，进行实时质量监控，闭关操作且自动化水平较高，具优异的低丰度核酸定量检测，但液滴制备及分析时间较长。而Naica^TM数字PCR系统在运行通量上稍显不足。

实用新型内容

本实用新型公开了一种微滴式数字PCR平衡压力芯片，能够制备出均

一、稳定平铺于芯片的液滴。

一种微滴式数字PCR平衡压力芯片，包括：

上片与下片键合形成的芯片本体；

设置在所述芯片本体内且依次连通的进样腔、液滴存储腔、排油通道和排油腔；

与所述进样腔连通的进样孔；

与所述排油腔连接的排油孔；

所述的进样孔为漏斗状，所述的进样孔连接有(硅胶材质的)密封接口塞；

所述的进样腔设置在芯片本体的上片；

所述的液滴存储腔、排油通道和排油腔设置在芯片本体的下片。

本实用新型中，进样孔设有硅胶材质的密封接口塞，密封接口塞设有连通进样腔的孔道，可通过移液枪头进入该孔道，密封接口塞横截面为圆型，连通进样腔的孔道纵切面为漏斗状。硅胶材质具有良好的弹性，以及内部漏斗腔的设计，既可保证加油相及水相时，移液枪头可与密封塞紧密结合，确保加样时芯片流道内的密封性，使液滴流速及芯片内部压力均可在可控范围，保证液滴形成的均一性。在PCR扩增时，该封口塞可随反应程序中温度的变化，通过改变自身形状来保证芯片内部压力平衡，使液滴不会因外界温度瞬时变化而出现急速流动、破裂及回窜等现象，大大提升液滴稳定性，保证实验的成功率。

同时，本实用新型将进样腔设置在芯片本体的上片，液滴存储腔、排油通道和排油腔设置在芯片本体的下片，使得上片与下片键合形成的芯片本体，有利于液滴的生成与移动。

本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片可以在制备液滴及PCR扩增过程中，始终保持芯片内部与外界压力平衡，从而使制备出均一、稳定平铺于芯片、可供检测的液滴，操作简便、准确，通量高。

以下作为本实用新型的优选技术方案：

所述的进样孔与进样腔通过衔接段连接，所述的进样腔的一端与衔接段连接，所述的进样腔的另一端收窄后与液滴存储腔连接。

所述的进样腔的外缘设有液滴形成孔道，所述的液滴形成孔道包括两排间隔设置的多个液滴挡块，相邻两个液滴挡块之间为液滴形成孔。

所述的排油通道包括围绕所述液滴形成孔道呈U型排布的多个排油挡块，相邻两个排油挡块之间形成排油孔。

所述的液滴形成孔道与排油通道之间为液滴存储腔，所述的排油通道与所述排油腔连接的一侧还连接有储油腔，所述的储油腔为漏斗状。

所述液滴储存腔为U型结构，设于芯片本体下片，所述进样腔为直线型结构，底端止于液滴储存腔下1/3处，且进样腔结构外周设有多个平行布置的液滴形成孔道，设于芯片本体上片，芯片上下片键合后，进样腔嵌于U型结构两臂之间；进样腔设于芯片上片可使水相进入进样腔的同时，水相可直接由进样腔分散到液滴生成通道以生成液滴存储于液滴储存腔；进样腔周边设有大量液滴形成孔道，以提高液滴生成通量，同时也在很大程度上避免生成的液滴在储油腔远距离迁移，而发生破坏和损失。所述排油腔设于所述U型结构外周及底端。所述的U型结构底端排油腔出油方向连一漏斗状储油腔，漏斗底部出口连接液滴出油孔。所述的出油孔周围有一与排油腔隔绝的凹形储油腔。所述的漏斗状储油腔及连接出油孔的凹形储油腔均可在液滴生成及PCR扩增时起到压力缓冲作用，以保证芯片内外压力平衡，使液滴完整以供检测。

所述的液滴形成孔道的水平高度和排油通道的水平高度均高于所述液滴储存腔的水平高度。即液滴储存腔下嵌形成凹槽，作为液滴储存腔，经过液滴形成孔道形成的液滴进入液滴储存腔，之后通过排油通道流出。本实用新型新型微滴式数字PCR平衡压力芯片，芯片内部台阶结构的设计使水相在进入液滴储存腔发生断裂形成液滴，液滴储存腔深度大于进样腔及排油通道，故在液滴生成过程中，油相会经排油通道进入排油腔并经排油孔存于接口塞处，其内部腔体与微通道的高度差，使液滴生成后不会通过液滴形成孔道及排油通道流出液滴储存腔。且芯片接口塞及出油孔处凹形储油腔的设计可保证在液滴形成及PCR扩增的过程中液滴的稳定性，在其缓冲作用下，芯片本体与其密封的外环境压力始终保持平衡，一定程度上提高了液滴数字PCR检测的稳定性。

所述的进样孔和排油孔均设置在所述芯片本体的上片。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片，设计液滴形成孔道高度高于液滴储存腔高度，使两者之间形成台阶结构，在水相由液滴储存通道进入液滴储存腔时，由于毛细及表面张力作用，使水相发生断裂，形成液滴。所生成的液滴可稳定均匀的铺在液滴储存腔，无需对液滴转移即可直接在芯片上进行PCR扩增及荧光图像采集，极大程度上减少了手动操作过程，简化了操作系统。利于本实用新型制备的液滴均一、稳定，制备通量高，速度快，节省了液滴制备时间。

附图说明

图1为本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片的结构示意图；

图2为本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片的部分结构示意图；。

图3为本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片的部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型微滴式数字PCR平衡压力芯片作进一步详细描述。

如图1、图2和图3所示，微滴式数字PCR平衡压力芯片，包括：上片1与下片2键合形成的芯片本体；设置在芯片本体内且依次连通的进样腔3、液滴存储腔4、排油通道7和排油腔5；与进样腔3连通的进样孔8；与排油腔5连接的排油孔9；进样孔8为漏斗状，进样孔8连接有硅胶材质的密封接口塞12；进样腔3设置在芯片本体的上片1；液滴存储腔4、排油通道7和排油腔5设置在芯片本体的下片2。进样孔8与进样腔3通过衔接段10连接，进样腔3的一端与衔接段10连接，进样腔3的另一端收窄后与液滴存储腔4连接。

进样腔3的外缘设有液滴形成孔道，液滴形成孔道包括两排间隔设置的多个液滴挡块，相邻两个液滴挡块之间为液滴形成孔。

排油通道7包括围绕液滴形成孔道呈U型排布的多个排油挡块，相邻两个排油挡块之间形成排油孔。

液滴形成孔道与排油通道7之间为液滴存储腔4，排油通道7与排油腔5连接的一侧还连接有储油腔。储油腔为漏斗状。

液滴形成孔道的水平高度和排油通道7的水平高度均高于液滴储存腔4的水平高度。液滴储存腔4下嵌形成凹槽，作为液滴储存腔4，经过液滴形成孔道形成的液滴进入液滴储存腔4，之后通过排油通道7流出。

液滴存储腔4为U型结构，进样腔3为直线结构，且进样腔3结构外周设有多个平行布置的液滴形成孔道，芯片上片1下片2键合后，进样腔3嵌于U型结构两臂之间；排油腔5设于U型结构外周。进样腔3与液滴储存腔4、液滴储存腔4与排油腔5间设有多个微型液滴形成孔道与排油通道7。

芯片键合后，进样腔3嵌于U型结构两臂之间；进样腔3设于芯片上片1可使水相进入进样腔3的同时，水相可直接由进样腔3分散到液滴形成孔道以生成液滴存储于液滴储存腔4；进样腔3周边设有大量液滴形成孔道，以提高液滴生成通量，同时也在很大小程度上避免生成的液滴在储油腔远距离迁移，而发生破坏和损失。

芯片本体表面设有连通进样腔3与排油腔5的进样孔8和排油孔9，进样孔8与排油孔9均设于芯片上片1。进样孔8靠近U型结构开端部为进样端，进样端与进样孔8之间设有狭长的衔接段10。液滴形成孔道的排布密度从进样端起始逐渐增大。这种密度梯度的排列使液滴在各液滴生成通道处形成液滴的速度接近，避免由于各液滴生成通道与进样端距离的不同，而致液滴局部生成较多，造成液滴挤压变形甚至融合。

液滴形成孔道的横截面为矩形，宽度为5-200um，高度为1-100um，液滴储存腔4高度为10-200um。在一定范围内，生成液滴的大小与液滴生成通道的大小呈正相关，即液滴形成孔道在一定范围内越大，所生产的液滴也就越大，可通过调整液滴生成通道的大小来控制液滴的生成大小。喇叭口状也利于液滴的生成与移动。

进样孔8设有硅胶材质的密封接口塞12，密封接口塞12设有连通进样腔的孔道，密封接口塞12横截面为圆环型，连通进样腔3的孔道纵切面为漏斗状。硅胶材质具有良好的弹性，以及内部漏斗腔的设计，可保证加油相及水相时，移液枪头可与密封接口塞12紧密结合，确保加样时芯片流道内的密封性，使液滴流速及芯片内部压力均可在可控范围，保证液滴形成的均一性。

使用时，首先将油相经进样孔8注入并使之充满芯片内部，排出空气后，通过进样孔8注入水相，在一定压力下，水相由进样腔3进入液滴形成孔道，随即进入液滴存储腔4时，由于液滴形成孔道的高度高于液滴储存腔4，即液滴形成孔道与液滴储存腔4交界处形成台阶结构，水相在表面张力作用下流动加速，而与液滴形成孔道内的水相发生断裂，形成液滴。液滴进入液滴存储腔4后，相同体积的油相随之通过排油通道7进入排油腔5，再经与排油腔5连接的排油孔9排出，故可保证整个液滴生成过程中芯片内外压力始终保持平衡状态。由于排油通道7的高度高于液滴储存腔4，且排油通道宽度足够小，使生成的液滴不能从排油孔道7排出。连续产生的大量液滴终平铺于液滴存储腔4。液滴制备完成后，可直接将芯片放置于相应PCR仪器内扩增，扩增完成后，直接将该芯片放置于芯片分析仪中进行荧光信号成像分析。

以上所述的具体实施方式对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的最优选实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微滴式数字PCR平衡压力芯片，包括：

上片与下片键合形成的芯片本体；

设置在所述芯片本体内且依次连通的进样腔、液滴存储腔、排油通道和排油腔；

与所述进样腔连通的进样孔；

与所述排油腔连接的排油孔；

其特征在于，所述的进样孔为漏斗状，所述的进样孔连接有密封接口塞；

所述的进样腔设置在芯片本体的上片；

所述的液滴存储腔、排油通道和排油腔设置在芯片本体的下片。

2.根据权利要求1所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的进样孔与进样腔通过衔接段连接，所述的进样腔的一端与衔接段连接，所述的进样腔的另一端收窄后与液滴存储腔连接。

3.根据权利要求1所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的进样腔的外缘设有液滴形成孔道，所述的液滴形成孔道包括两排间隔设置的多个液滴挡块，相邻两个液滴挡块之间为液滴形成孔。

4.根据权利要求3所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的排油通道包括围绕所述液滴形成孔道呈U型排布的多个排油挡块，相邻两个排油挡块之间形成排油孔。

5.根据权利要求4所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的液滴形成孔道与排油通道之间为液滴存储腔，所述的排油通道与所述排油腔连接的一侧还连接有储油腔。

6.根据权利要求5所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的储油腔为漏斗状。

7.根据权利要求1所述的微滴式数字PCR平衡压力芯片，其特征在于，所述的液滴形成孔道的水平高度和排油通道的水平高度均高于所述液滴储存腔的水平高度。