CN209397220U - 微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微流控技术领域，特别涉及微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置。帽型腔室的结构设计配合微乳化液滴(W/O,Water in Oil,油包水)的操控，每个帽型腔室皆可提供一个完全独立的反应室，帽型腔室的远开口端或近开口端设有加热部件(6)(例如加热线圈)可进行温度循环，且此芯片系统可同时进行上千种样品的扩增，而后可藉由荧光探针直接于帽型腔室中测得荧光讯号的变化以获得定量的结果，或是将微乳化液滴抽出以进行测序等。本芯片可提供高通量及快速扩增的方法并简化繁琐的操作流程，使聚合酶链式反应可在微流体芯片中实现。
Description
技术领域
本实用新型涉及微流控技术领域，特别涉及微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置。
背景技术
传统的聚合酶连锁反应在核酸反应与核酸扩增反应中有着繁复的试剂，引物添加等的操作动作，且扩增过程需进行多次变性，接合与延伸的温度循环，反应体积需数十至数百微升并在96孔板上完成，系统庞大，操作复杂是传统聚合酶连锁反应的缺点。
微流控芯片技术(Microfluidics)又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，能在一个几平方厘米的微小芯片上集成传统的生物和化学实验室的基本功能，包括样品分离、制备、化学反应、检测等操作。
微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。液滴微流控技术是微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是在传统的单相微流控芯片技术发展而来的，最早由芝加哥大学RustemF.Ismagilov教授首先提出三入口T型微液滴芯片设计，并在之后的几年中得到广泛关注和应用。与单相微流控系统相比，由于其水/油两相分离的特征，具有如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快不易造成交叉污染，易于操控等优势。因此，在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化学反应进度等领域中有着重要的应用。微液滴因具有通量高，无交叉污染等优势，其在喷墨打印、微混合、DNA分析、材料合成、蛋白质结晶等领域呈现出巨大的应用潜力。
因此，提供一种用于核酸扩增的微流控芯片具有重要的现实意义。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置。该微流控芯片可用于聚合酶链式反应。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：
本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片1，所述基片设置有进样口4、出样口5、微流道2、帽型腔室3、加热部件6和电极7；
所述帽型腔室3设置于进样口4、出样口5之间，且所述帽型腔室3的开口与所述微流道2连通；
所述加热部件6设置于所述帽型腔室3的远开口端或近开口端；
所述电极7设置于所述帽型腔室3的垂直延长线上。
作为优选，所述帽型腔室3纵切面的开口长度不小于目标液滴和/或细胞的直径。
作为优选，所述帽型腔室3纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比不小于1.2:1。
作为优选，所述帽型腔室3纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比为(1.2～1.8):1。
作为优选，所述帽型腔室3的纵切面为长方形、拱形或梯形。
作为优选，所述帽型腔室3的个数不少于1个。
本实用新型还提供了所述微流控芯片在捕获液滴进行核酸扩增中的应用。
在此基础上，本实用新型提供了一种捕获液滴进行核酸扩增的装置，包括所述的微流控芯片。
本实用新型还提供了一种捕获液滴进行核酸扩增的方法，包括如下步骤：
步骤1：获得含有核酸的微乳化液滴；
步骤2：向本实用新型提供的所述的微流控芯片中通入所述含有核酸的微乳化液滴、油相和扩增试剂液滴，调整所述油相的密度，使所述含有核酸的微乳化液滴和/或扩增试剂液滴进入所述帽型腔室3；
步骤3：通过所述电极7施加电场，使得所述含有核酸的微乳化液滴和所述扩增试剂液滴融合，获得融合液滴；
步骤4：开启加热部件6，所述融合液滴发生扩增反应。
作为优选，扩增反应后，还包括翻转所述微流控芯片，使产物液滴离开所述帽型腔室3，进入所述微流道2，收集的步骤。
本实用新型提供了聚合酶链式反应微流体芯片，帽型腔室结构设计搭配微乳化液滴(W/O,Water in Oil,油包水)的操控，每个帽型腔室皆可提供一个完全独立的反应室，帽型腔室的远开口端或近开口端设有加热部件6(例如加热线圈)可进行温度循环，且此芯片系统可同时进行上千种样品的扩增，而后可通过荧光探针直接于帽型腔室中测得荧光讯号的变化以获得定量的结果，或是将微乳化液滴抽出以进行测序等。本芯片可提供通量及快速扩增的方法并简化繁琐的操作流程，使聚合酶链式反应可在微流体芯片中实现。
本实用新型提供的微流控芯片具有如下有益效果：
1.帽型腔室3的结构可依样本及试剂的微乳化液滴的大小调整纵切面开口的长度，使得样本及试剂的微乳化液滴仅会单一进入孔洞。如微乳化液滴直径D(可介于10～1000μm)，则帽型腔室3纵切面的开口长度及深度介于 1.2～1.8D。
2.由于电场的施加，可改变微乳化液滴的表面张力，促使样本及试剂微乳化液滴融合进行反应。
3.由于微流控芯片结构的设计与液体是极为微量，热循环系统的加热部件6可快速地进行升降温，精确的控制反应所需的温度。
4.帽型腔室3的结构可设计为阵列型，使此微流控芯片可同时处理数个到数千个样本，且每个样本的反应皆在独立的反应室内进行不互相影响。
5.传统PCR反应所需样本及试剂体积约5～50μL，微乳化液滴技术可使反应体积由数十μL下降至<1nL，大幅降低样本及反应试剂的体积(节省一万倍以上)。
6.利用油相及水相的密度差异操控微乳化液滴，使得产物微乳化液滴可透过反转晶片使微乳化液滴浮出帽型腔室3并注入油相而简易取出产物微乳化液滴，以进行后续产物分析或测序。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示本实用新型提供的微流控芯片的俯视图及侧视图；其中，图1A示俯视图，阵列型帽型腔室可依实验需求增量帽型腔室；图1B示侧视图，帽型腔室结构可因由水比重不同而使微乳化液滴停留于帽型腔室中；帽型腔室的近开口端设置加热线圈以进行温度循环；
图2示微流控芯片运作流程，图2A，图2B分别示样本乳化液滴与试剂微乳化液滴进入帽型腔室；图2C示施加额外电场促使微乳化液滴合并；图2D 示热循环作用；图2E示在位进行荧光检测；图2F示反应、分析结束后取出产物微乳化液滴；
其中，1-基片；2-微流道；3-帽型腔室；4-进样口；5-出样口；6-加热部件；7-电极；8-含有核酸的微乳化液滴；9-扩增试剂液滴；10-融合液滴；11- 产物液滴。
具体实施方式
本实用新型公开了一种微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本实用新型。本实用新型的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本实用新型技术。
本实用新型提供的微流控芯片及捕获液滴进行核酸扩增的装置中所用原料、部件及试剂均可由市场购得。
本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片1，所述基片设置有进样口4、出样口5、微流道2、帽型腔室3、加热部件6和电极7；
所述帽型腔室3设置于进样口4、出样口5之间，且所述帽型腔室3的开口与所述微流道2连通；
所述加热部件6设置于所述帽型腔室3的远开口端或近开口端；
所述电极7设置于所述帽型腔室3的垂直延长线上。
在本实用新型的一些具体实施方案中，所述帽型腔室3纵切面的开口长度不小于目标液滴和/或细胞的直径。作为优选，所述帽型腔室3纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比不小于1.2:1。更优选地，所述帽型腔室3纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比为(1.2～1.8):1。
在本实用新型的一些具体实施方案中，所述帽型腔室3的纵切面为长方形、拱形或梯形。
在本实用新型的一些具体实施方案中，所述帽型腔室3的个数不少于1 个。
因分析目标物的直径不同，或者产生的液滴的直径不同，帽型腔室纵切面的长度也可随之改变(1.2<d<1.8)，能应各种不同目标物的捕获。改变帽型腔室的尺寸、纵切面的形状、帽型腔室的数量增减对于本领域的技术人员来说容易实现，本实用新型在此不做赘述，凡是适合目标物的帽型腔室纵切面的长度、帽型腔室的结构及数量均在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型还提供了所述微流控芯片在捕获液滴进行核酸扩增中的应用。
在此基础上，本实用新型提供了一种捕获液滴进行核酸扩增的装置，包括所述的微流控芯片。
基于上述微流控芯片的捕获液滴进行核酸扩增的方法，获得含有核酸的微乳化液滴；向本实用新型提供的所述的微流控芯片中通入所述含有核酸的微乳化液滴、油相和扩增试剂液滴，调整所述油相的密度，使所述含有核酸的微乳化液滴和/或扩增试剂液滴进入所述帽型腔室3；通过所述电极7施加电场，使得所述微乳化液滴和所述扩增试剂液滴融合，获得融合液滴；开启加热部件6，所述融合液滴发生扩增反应。扩增反应完成后，可以翻转所述微流控芯片，使产物液滴以及未发生反应的所述含有核酸的微乳化液滴和扩增试剂液滴离开所述帽型腔室3，进入所述微流道2，收集的步骤。
具体的，本实用新型结合微乳化技术，先将样本(单细胞或DNA)，试剂等形成微乳化液滴(W/O)再将微乳化液滴注入本实用新型提供的微流控芯片(如图1)，由于使用的油相密度大于水相的密度，因此当微乳化液滴进入帽型腔室3会受浮力作用而进入帽型腔室3内，达到隔离样本微乳化液滴的目的。待样本微乳化液滴皆进入孔洞后(如图2A)，再注入扩增反应试剂 (如细胞裂解液，DNA引物等)的微乳化液滴，该扩增反应试剂液滴也会因浮力作用而进入帽型腔室3(如图2B)。然后施加电场改变微乳化液滴的表面张力，使两液滴融合(如图2C)。液滴融合后即可开启加热部件6，使DNA 进行变性，退火和延伸(如图2D)。实验结束后，如果添加的扩增反应试剂具荧光讯号，可直接在帽型腔室3检测荧光强度进行分析(如图2E)。当反应、分析结束需取出产物液滴时，只需翻转微流控芯片即可取出。具体为：将微流控芯片反转后使产物液滴因浮力作用离开帽型腔室3后，再注入油相液体使产物液滴输出微流控芯片，收集以便进行后续检测(如图2F)。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.微流控芯片，其特征在于，包括基片(1)，所述基片设置有进样口(4)、出样口(5)、微流道(2)、帽型腔室(3)、加热部件(6)和电极(7)；
所述帽型腔室(3)设置于进样口(4)、出样口(5)之间，且所述帽型腔室(3)的开口与所述微流道(2)连通；
所述加热部件(6)设置于所述帽型腔室(3)的远开口端或近开口端；
所述电极(7)设置于所述帽型腔室(3)的垂直延长线上。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述帽型腔室(3)纵切面的开口长度不小于目标液滴和/或细胞的直径。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述帽型腔室(3)纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比不小于1.2:1。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述帽型腔室(3)纵切面的开口长度与目标液滴和/或细胞的直径的比为(1.2～1.8):1。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述帽型腔室(3)的纵切面为长方形、拱形或梯形。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述帽型腔室(3)的个数不少于1个。
7.一种捕获液滴进行核酸扩增的装置，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的微流控芯片。
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|---|---|---|---|---|
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| CN112029653A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-12-04 | 浙江大学 | 基于CRISPR和Cas的数字化核酸扩增检测方法和集成化检测系统 |
| WO2021120289A1 (zh) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 苏州昊通仪器科技有限公司 | 单细胞样本制备和处理装置及单细胞样本微滴的处理方法 |
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