CN208200912U - 微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微流控芯片及其应用，包括芯片基板及设置于芯片基板底部的塑料薄膜，所述芯片基板上开设有样品孔及出样孔，所述样品孔与所述出样孔之间还设置有反应腔，样品孔、出样孔及反应腔之间通过微流控通道联通。该芯片可用于乳液滴的扩增反应，本实用新型的微流控芯片可以使液滴自然地在微流控芯片的反应腔室内形成单层液滴紧密排列，在后续地PCR反应中传热速率可以显著提高，荧光检测过程中也可以防止液滴和液滴间地荧光干扰。

Description

微流控芯片

技术领域

本实用新型属于高通量的分析系统技术领域，尤其涉及一种微流控芯片及其应用。

背景技术

油-水两相生成的微乳液已经应用于高通量的分析系统，其应用范围有着不断扩大的趋势。比如将乳液形成用于聚合酶链式反应（PCR）结合，在液滴里进行核酸靶分子的单拷贝的放大，从而实现对靶的单分子的存在，和具体基因序列的检测。美国公司10XGenomics应用乳液PCR的方法并结合GemCode技术来生成长链DNA，从而实现长链DNA序列测序，或单细胞测序，已经被业界公认是最好的进行长链DNA测序和单细胞测序的最好技术之一。而现有的生成乳液滴和反应后的信号读取的必须设备为微流控芯片。

现有的技术一般采用Biorad的数字PCR系统。在他们的系统中，用户将生成的液滴用移液器移至PCR反应试管中，然后将试管放入PCR热循环仪中进行PCR反应，待反应完毕后用户将PCR tube取出放入液滴荧光检测仪中进行液滴荧光的检测。其检测的原理是将液滴和油打入一个毛细管中，液滴单个的通过检测位置，仪器对液滴有无荧光进行读取。这样的系统有以下几个缺点：1）用户需要在PCR完毕后进行人工的操作才能进行下一步荧光检测；2）由于传热速率的限制（试管内样品量较厚，加热从试管外侧开始），PCR在试管中进行反应速度较慢，所以整个PCR过程时间长（150分钟）；3）对液滴荧光检测只能进行定量的荧光检测，没法检测液滴的大小，如果上游生成的液滴大小不均一或样品间液滴大小差异较大，会影响最后定量的准确性4）样品不可保存和重复检测。

实用新型内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种微流控芯片及其应用。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

微流控芯片，包括芯片基板及设置于芯片基板底部的塑料薄膜，所述芯片基板上开设有样品孔及出样孔，所述样品孔与所述出样孔之间还设置有反应腔，所述样品孔、出样孔及反应腔之间通过微流控通道联通。

优选地，所述芯片基板与所述塑料薄膜键合连接，所述键合包括但不限于热键合、溶剂辅助键合或黏胶键合。

优选地，所述芯片基板上还设置有用于光学检测仪定位的光学基准标记。

优选地，所述光学基准标记设置于所述反应腔的两侧。

优选地，所述芯片基板上的反应腔与微流控通道均设置有一开口，所述开口设置于塑料薄膜侧，通过塑料薄膜形成密闭空间。

优选地，所述芯片基板厚度为1㎜-3㎜，所述塑料薄膜的厚度为50μm-500μm。

优选地，所述反应腔的厚度为90μm-250μm，长度为10㎜-100㎜，宽度为2㎜-30㎜。

优选地，所述反应腔并列设置有至少两个，每个反应腔与出样孔通过相应的微流控通道联通。

优选地，所述样品孔至少设置有一个，所述样品孔与所述反应腔通过微流控通道联通。

优选地，以上任意所述的微流控芯片的应用，所述微流控芯片用于乳液滴的核酸扩增反应。

本实用新型的有益效果体现在：本实用新型的微流控芯片可以使液滴自然地在微流控芯片的反应腔室内形成单层液滴紧密排列，本实用新型中的反应腔厚度只有90-250um，在后续地PCR反应中传热速率可以显著提高，荧光检测过程中也可以防止液滴和液滴间地荧光干扰。

附图说明

图1：本实用新型微流控芯片结构示意图。

图2：本实用新型的第二实施例结构示意图。

图3：本实用新型的第三实施例结构示意图。

图4：图1的A-A的剖面结构示意图。

图5：液滴在反应腔室内的排列示意图，其中图中的标尺为100μm。

图6：微流控芯片升温曲线示意图。

图7：荧光检测图。

具体实施方式

本实用新型揭示了一种微流控芯片，结合图1-图4所示，包括芯片基板1及键合于芯片基板1底部的塑料薄膜2。所述键合包括但不限于热键合、溶剂辅助键合或黏胶键合。所述芯片基板1由塑料注模的方法制成，塑料可以是PMMA，PC，PS，COP，COC等等，对此不做限制。

所述芯片基板1上开设有样品孔3及出样孔4，所述样品孔3与所述出样孔4之间还设置有反应腔5，所述样品孔、出样孔及反应腔之间通过微流控通道6联通。反应腔5提供了液滴进行PCR反应以及反应后进行荧光检测的空间。为了在检测时能更好的与光学检测仪定位，所述反应腔5的两侧设置有光学基准标记7。具体加工时，所述芯片基板1上的反应腔5与微流控通道6均开设有一开口，所述开口设置于塑料薄膜侧，通过塑料薄膜2形成密闭空间。

所述反应腔与样品孔及出样孔之间的结构设置可以根据需求进行多样化，同一个微流控芯片上可以同时并列设置有三个反应腔，每个反应腔与出样孔通过相应的微流控通道联通。所述样品孔至少设置有一个，所述样品孔与所述反应腔通过微流控通道联通。样品孔可以同时设置有三个，对应与所述的反应腔联通，也可以设置有一个，通过多条微流控管道与不同的反应腔联通。反应腔的数量还可以采用其他数量。

一般，所述芯片基板厚度为1㎜-3㎜，微流控芯片上反应腔的尺寸根据需要容纳地液滴数，液滴大小，以及液滴和油地比例来确定。通常，所述反应腔的厚度为90μm-250μm，长度为10㎜-100㎜，宽度为2㎜-30㎜。为了提高PCR反应时的导热速率以及减少荧光检测的材料自发荧光的强度和噪音，所述塑料薄膜需要越薄越好，但考虑到材料强度和可加工性，所述塑料薄膜的厚度为50μm-500μm。

以上任意所述的微流控芯片的应用，所述微流控芯片用于乳液滴的核酸扩增反应，可用于乳液滴的核酸扩增反应。所述核酸扩增反应包括但不局限于目标核酸分子的线性或指数性扩增。扩增反应中的温度包括线性或者循环温度。扩增也可以在合适的条件下发生，例如热循环或者等温反应。除此，本实用新型也适用于RNA 逆转录反应(RT-PCR)，所述逆转录反应中利用RNA 为模板复制出一条互补DNA单链。

本实用新型的微流控芯片可以制备成集成芯片，用做乳液滴PCR反应后的成像。同时类似乳液滴的颗粒，比如细胞，也可以用来成像。本实用新型的集成芯片的用途包括对细胞的分析和检测，细胞表面的抗原和荧光标记的抗体结合后，细胞可以均匀排布在微流控芯片内。适用本实用新型所阐述的集成芯片可以对每个细胞的荧光标记情况进行成像分析。本实用新型所阐述的集成式微流控芯片可以应用在细胞分析领域，用来取代现有的流式细胞仪的流体系统。

具体的，本实用新型的微流控芯片适用的扩增反应之一是PCR反应。但本实用新型也适用但不局限于其他扩增反应，例如滚环扩增（rolling circle amplification）、恒温扩增 (isothermal amplification)、环介导等温扩增 (Loop medicated isothermalamplification)、联级PCR 反应（Cascade RCA），或者是几种使用了位点特异性引物，嵌套引物，或者随机引物的扩增反应的组合。

本实用新型中所举实例为数字PCR反应，但实用新型中所阐述的微流控集成芯片的应用范围包括但不局限于微液滴式数字PCR反应，下一代高通量测序技术（NGS）的样品制备，单细胞DNA 或者RNA测序等包含了核酸扩增步骤的反应。

以下结合图5-图7阐述下本实用新型中微流控芯片的操作实施过程：

将制备好的液滴和油的混合物（样品）加入样品孔3，样品可以通过虹吸力或者外界压力通过与样品孔3连接的微流控管道流入反应腔5，等样品到达与反应腔室连接的另一端出口孔后，用户再将另一种油，所述油包括但不限于氟油，硅油，矿物油等，分别加入到样品孔3和出样孔4中以防止液滴和油的挥发。

然后将制备好的微流控芯片11放入PCR热循环反应仪中，仪器可以提供0-20psi的正压，此正压通过manifold给样品孔3和出样孔4同时施加相同的压力，以防止液滴在反应时因加热发生移动。待施加的压力达到稳定后，PCR反应开始启动，加热循环从塑料薄膜2底侧进行，直至PCR结束，压力维持恒定。PCR反应完毕后，将正压撤销，系统恢复到正常大气压。

微流控芯片11由机械传动装置转移到荧光检测平台进行荧光检测。激发光从塑料薄膜侧进入，液滴的发射光也是透过塑料薄膜底侧由仪器接受检测。液滴做完PCR 反应后保存在微流控芯片中，芯片的样品孔和出样孔被油封住，防止液滴挥发。密封的油包括但不限于氟油，硅油和矿物油。液滴可以在密封后的芯片中保存1-4天。保存了液滴的芯片可以多次读取荧光信号。

如图7所示为经过PCR热循环反应后，包含目标DNA在液滴内产生的荧光，荧光检测平台下显示的带有荧光的液滴。结果显示，本实用新型的微流控芯片可以达到所需的荧光信噪比，可以很容易的区分有和没有荧光的液滴，从而对荧光的液滴数进行定量。

图中表明了，带有荧光的液滴内含有DNA模板，说明PCR反应发生。没有荧光的液滴内不含有DNA模板，没有PCR反应发生。没有荧光的液滴用来作为反应的阴性对照，说明液滴内的荧光来自PCR反应而非液滴或者芯片的背景荧光。

本实用新型通过对微流控芯片反应腔尺寸的优化，可以将液滴致密的单层排列在反应腔室中，如图5所示。这样的单层排列有利于在PCR反应时快速热传导，腔室内的升温降温可以达到很快。同时在荧光检测时，也可防止液滴和液滴之间的干扰。同时，通过本实用新型的微流控芯片还可以通过对液滴的成像分析来测量液滴的大小，从而使得数字PCR的定量更准。

一般，常规的PCR反应通常需要2个小时，一个热循环需要至少2分钟。但本实用新型的微流控芯片加热是从薄膜侧进行的，热的传导速率很高，同时，本实用新型需要加热的反应腔室也很薄，所以本实用新型加热的时间可以很短。如图6所示，通过对加热片和微流控芯片反应腔内部温度进行测量，并形成曲线的测量图，结果显示芯片中的升温速度可以达到12.7C/s（市场同类仪器的升温速率在2C/s左右），降温速度也达到了6.7C/s，这样可以将PCR的反应速度提高2-3倍，减少整个分析的时间。

图6所示是微流控芯片反应腔内和加热片上的升降温曲线，其中，图中虚线为TEC加热模块的温度曲线，点虚线为微流控芯片反应腔内的温度曲线，实线为散热器的温度曲线。从图中可以看出，微流控芯片反应腔室中从55度到90度升温用了2.7s，平均升温速率为12.7C/s；从90度到50度的降温用了5.2s，平均降温速率为6.7C/s。

当然本实用新型尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.微流控芯片，其特征在于：包括芯片基板及设置于芯片基板底部的塑料薄膜，所述芯片基板上开设有样品孔及出样孔，所述样品孔与所述出样孔之间还设置有反应腔，所述样品孔、出样孔及反应腔之间通过微流控通道联通。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述芯片基板与所述塑料薄膜键合连接，所述键合包括但不限于热键合、溶剂辅助键合或黏胶键合。

3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于：所述芯片基板上还设置有用于光学检测仪定位的光学基准标记。

4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：所述光学基准标记设置于所述反应腔的两侧。

5.如权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于：所述芯片基板上的反应腔与微流控通道均设置有一开口，所述开口设置于塑料薄膜侧，通过塑料薄膜形成密闭空间。

6.如权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于：所述芯片基板厚度为1㎜-3㎜，所述塑料薄膜的厚度为50μm-500μm。

7.如权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于：所述反应腔的厚度为90μm-250μm，长度为10㎜-100㎜，宽度为2㎜-30㎜。

8.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述反应腔并列设置有至少两个，每个反应腔与出样孔通过相应的微流控通道联通。

9.如权利要求8所述的微流控芯片，其特征在于：所述样品孔至少设置有一个，所述样品孔与所述反应腔通过微流控通道联通。