CN209974793U - 一种数字pcr装置及离心微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物学和分析化学及医学检测技术领域，公开一种离心微流控芯片，包括芯片本体(1)，所述芯片本体(1)内设置有至少一个液滴形成机构(2)，所述液滴形成机构(2)包括进样储液池(3)、收集储液池(4)、液滴发生结构(5)，所述液滴发生结构(5)连通所述进样储液池(3)与所述收集储液池(4)。本实用新型的一种离心微流控芯片，结构简单、使用方便。同时公开一种数字PCR装置，包括离心微流控芯片，所述离心微流控芯片为上述的离心微流控芯片。本实用新型的一种数字PCR装置，结构简单、操作方便、反应时间快。

Description

一种数字PCR装置及离心微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及生物学和分析化学及医学检测技术领域，尤其涉及一种数字PCR装置及离心微流控芯片。

背景技术

在进行生物研究和实际检测时，有时待测DNA样品的量较少或者从样品中提取的待测DNA分子浓度较低时，为了得到较好的结果，通常需要先对样品分子的量进行聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction， PCR)。虽然常规的PCR技术已广泛应用于生命科学研究及相关领域，并且在应用过程中不断得到改进，但目前仍然存在着耗时太长，操作繁琐，试剂消耗量大，扩增结果不稳定等缺点。因此人们一直在寻求更快速更简便的PCR方法。

基于微流控技术发展产生的数字PCR，具有比常规的PCR更小的反应体积、更快的反应速度、更低的系统噪声和更高的灵敏度。数字PCR技术在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测和表达量微小差异鉴定方面表现出的优势已被普遍认可，而其在基因表达研究、microRNA研究、基因组拷贝数鉴定、癌症标志物稀有突变检测、致病微生物鉴定、转基因成分鉴定、NGS测序文库精确定量和结果验证等诸多方面具有的广阔应用前景已经受到越来越多的关注。

数字PCR技术的策略概括起来非常简单，就是“分而治之”，具体通过将单个DNA分子封装到单独的微小的反应器中，其中微小的反应器可以是微滴，实现DNA分子间的相互隔离，每个DNA分子被限制在自己的反应器中单独的进行扩增，避免来自其他序列竞争。在合适的温度条件下完成DNA分子的扩增后，通过记录微滴的总体个数和可以检测到荧光信号的反应器个数，利用泊松分布算法就可以实现对DNA拷贝数的精确定量。

数字PCR装置中微液滴的形成依赖于微流控芯片，常规的产生微液滴的微流控芯片采用平面式微流控芯片，如CN201710429242.6专利，需要两种液体，因此需要连接两个以上的动力源(注射泵)，操作复杂，设备难以小型化，并且难以实现高通量。

而且，商业化的数字PCR装置需要对微流控芯片进行循环升降温，扩增时间在2小时以上，时间较长。

另外，现有技术需要对微流控芯片进行疏水处理，避免液滴形成过程中发生破裂，而且对芯片的疏水性要求较高。

基于上述情况，我们有必要设计一种能够解决上述问题的数字PCR装置及离心微流控芯片。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种离心微流控芯片，结构简单、使用方便。

本实用新型的另一目的在于：提供一种数字PCR装置，结构简单、操作方便、反应时间快。

为达此目的，一方面，本实用新型提供一种离心微流控芯片，包括芯片本体，所述芯片本体内设置有至少一个液滴形成机构，所述液滴形成机构包括进样储液池、收集储液池、液滴发生结构，所述液滴发生结构连通所述进样储液池与所述收集储液池。

具体地，所述芯片本体呈圆盘形，所述芯片本体上设置有可与离心机相连接的固定结构。所述进样储液池内存储有水相溶液，所述收集储液池内存储有油相溶液，离心机带动所述离心微流控芯片转动时产生的离心力迫使所述进样储液池内的水相溶液通过液滴发生结构并进入所述收集储液池内，在离心力、界面张力和浮力等作用下，水相溶液逐步形成微液滴。

优选的，所述进样储液池体积大于所述收集储液池体积，从而确保油相溶液能够充满所述收集储液池。

作为一种优选的技术方案，所述液滴发生结构包括液滴发生主体、设置在所述液滴发生主体中的多个液滴发生管道。

具体地，所述水相溶液通过所述液滴发生管道进入所述收集储液池内。

优选的，多个所述液滴发生管道均匀地设置在所述液滴发生结构主体内。

作为一种优选的技术方案，所述液滴发生主体的宽度大于液滴发生管道的宽度。

优选的，所述液滴发生主体的宽度是所述液滴发生管道宽度的1.5至3倍，可避免液滴形成过程中相互影响。

优选的，所述收集储液池的深度为所述液滴发生高度的0.5至1.5倍，确保形成的微液滴单层分布。

作为一种优选的技术方案，所述液滴形成机构还包括进样口、溢流槽、溢流收集池、溢流池排气槽，所述进样储液池通过所述进样口与外界连通，所述溢流槽连通所述收集储液池与所述溢流收集池，所述溢流池排气槽连通所述溢流收集池与所述进样储液池。

具体地，可通过所述进样口向所述液滴形成机构内加入水相溶液或油相溶液。所述溢流池排气槽连通所述溢流收集池与所述进样储液池，可避免所述液滴形成机构内气压不平衡。

另一方面，本实用新型提供一种数字PCR装置，包括离心微流控芯片，所述离心微流控芯片为上述的离心微流控芯片。

作为一种优选的技术方案，还包括至少一组温度控制机构，所述温度控制机构与所述液滴形成机构相对应，所述温度控制机构包括变性加热模块、退火加热模块、延伸加热模块，当所述离心微流控芯片转动时，所述液滴形成机构依次通过所述变性加热模块、所述退火加热模块、所述延伸加热模块形成的温区。

具体地，所述变性加热模块、所述退火加热模块、所述延伸加热模块根据需求设定固定温度，分别形成变性温区、退火温区、延伸温区，可分别完成变性、退火、延伸三个反应步骤。所述变性加热模块、所述退火加热模块、所述延伸加热模块保持静止，离心机带动所述离心微流控芯片转动时，所述液滴形成机构依次通过变性温区、退火温区、延伸温区，并在三个温区中循环，直至完成扩增。直接使所述液滴形成机构内的微液滴在不同温区中转换，避免了单个加热模块的升降温过程，极大的缩短了扩增所需的时间。

优选的，所述温度控制机构为一组或两组或三组或四组或五组。

作为一种优选的技术方案，所述数字PCR装置包括n组温度控制机构，所述离心微流控芯片上设置有 3n个液滴形成机构。

具体地，液滴形成机构是温度控制机构的三倍，能确保在所述离心微流控芯片转动时，每一个液滴形成结构都对应有一个温区，充分利用离心微流控芯片，提高了数字PCR的通量。

作为一种优选的技术方案，所述数字PCR装置还包括微液滴检测装置。

具体地，所述微液滴检测装置保持静止，扩增完成后，采取单个成像结构，通过控制所述离心微流控芯片转动，实现所述离心微流控芯片上不同位置微液滴的检测。现有平面微流控芯片，需要借助复杂的机械结构，才能够多个芯片逐个检测，本实用新型通过离心机控制离心微流控芯片转动，可以快速实现单一芯片上多个样本的快速更换和检测。

本实用新型的有益效果为：提供一种离心微流控芯片，无需采用多个注射泵，结构简单、使用方便；芯片本体上能加工多组液滴发生结构，使用单一离心机能够实现控制，简单快速提高了通量。同时提供一种数字PCR装置，采用固定温度的加热模块，离心机带动芯片在不同的加热模块中转换，实现扩增，避免了传统芯片单个加热模块多次升降温过程，极大的缩短了扩增所需的时间。

附图说明

图1为本实用新型离心微流控芯片的结构示意图；

图2为本实用新型中液滴发生结构的轴向示意图；

图3为本实用新型中微液滴形成过程；

图4为本实用新型中另一实施例的离心微流控芯片的结构示意图。

其中，芯片本体1，固定结构11，液滴形成机构2，进样储液池3，收集储液池4，液滴发生结构5，液滴发生主体51，液滴发生管道52，进样口6，溢流槽7，溢流收集池8，溢流池排气槽9，微液滴10。

具体实施方式

为使对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解和认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

实施例一

一种离心微流控芯片，如图1所示，包括芯片本体1，作为本实用新型的改进，芯片本体1内设置有至少一个液滴形成机构2，液滴形成机构2包括进样储液池3、收集储液池4、液滴发生结构5，液滴发生结构5连通进样储液池3与收集储液池4。

作为本实用新型进一步的改进，液滴发生结构5包括液滴发生主体51、设置在液滴发生主体51中的多个液滴发生管道52。液滴发生主体51的宽度大于液滴发生管道52的宽度。液滴形成机构2还包括进样口6、溢流槽7、溢流收集池8、溢流池排气槽9，进样储液池3通过进样口6与外界连通，溢流槽7连通收集储液池4与溢流收集池8，溢流池排气槽9连通溢流收集池8与进样储液池3。

如图1所示，离心微流控芯片的芯片本体1上设置有可与离心机(图未示)相连接的固定结构11。离心微流控芯片连接到离心机上后，由离心机带动离心微流控芯片转动，形成微液滴10以及完成后续的操控，离心机可以控制转速、转向和加速度，可进行编程控制。固定结构11将离心微流控芯片固定于离心机，其位置不限于离心微流控芯片中心，可以在离心微流控芯片任意位置，通常在中心或者四周；其形状通常为不对称结构，便于确定离心微流控芯片和离心机的相对位置，且不对称结构避免了离心微流控芯片和离心机之间的相对位移。本实施例的固定结构11为固定孔。

芯片本体1包含两层或者两层以上结构，其中关键结构液滴发生结构5在通道层和封合层进行密封，形成密闭的离心微流控芯片，其中封合方法根据芯片材质不同，包括了热压、等离子、胶粘、激光、超声波封合等不同方式。

芯片本体1材质包括了玻璃、硅片、石英、或者常见的聚合物材料。聚合物材料包括了聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(COC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、氟塑料。芯片本体1材质可以使上述材料中的一种或者几种。

离心微流控芯片加工方法根据材质和结构，可以选取光刻、数控、浇注、注塑、激光雕刻、等离子刻蚀、湿法刻蚀等不同方法中的一种或者几种。

水相溶液和油相溶液包括领域内常见的各种液体，其中水相溶液可以是核酸溶液或者细胞悬液等。油相溶液可以是以氟油为主的各种性能稳定的油相。根据需求可以在水相溶液或者油相溶液中添加表面活性剂，以此增加液滴的稳定性。

进样储液池3体积大于收集储液池4体积，从而确保油相能够充满收集储液池4。

水相溶液根据微液滴发生数量的需求，体积在0.5-10微升之间，油相溶液体积在2-30微升之间。本实用新型要求水相溶液密度大于油相溶液密度，这也是本领域中多数溶液能够满足的需求。

如图2所示，液滴发生管道52即流体经过和液滴形成的位置。W1为液滴发生主体部分51的宽度， W2为液滴发生管道52的宽度，H代表液滴发生主体51结构的高度。本实用新型形成微液滴10尺寸在 5-300μm之间，优选10-50μm。W2根据微液滴尺寸需求、两相液体性质以及离心转速进行调节，通常在 5-50μm，为了避免微液滴形成过程互相影响，W1＝(1.5-3)W2，H＝(0.5-2)W2，收集储液池4深度为H 的0.5-1.5倍，确保微液滴10单层分布。

离心微流控芯片通过固定结构11安装于离心机(图未示)上，将油相溶液通过移液枪(图未示)加入到进样口6中，油相溶液储存于进样储液池3中，离心机带动离心微流控芯片转动，将油相溶液通过液滴发生管道52全部排入收集储液池4中，上述转速受离心微流控芯片结构(液滴发生结构5距离芯片本体1圆心的位置，液滴发生管道52宽度，液滴发生结构5的高度，液滴发生管道52的数量等)以及油相溶液的性质和体积影响，转速通常在300-2000rpm，多余的油相溶液通过溢流槽7，储存于溢流收集池8 中。本实用新型油相溶液首先浸润了整个芯片结构，微液滴10形成过程离心力远大于界面张力，因此本实用新型中不需要提前对芯片结构做严格的疏水处理。

将水相溶液(数字PCR实验过程中，水相溶液包含了模板、引物、酶等必要成分)通过移液枪加入到进样口6中，水相溶液储存于进样储液池3种，此时用密封膜等将进样口6密封，避免交叉污染。离心机带动离心微流控芯片转动，转速通常在500-4000rpm(取决于芯片结构尺寸和水相溶液的密度和粘度等性质)，由于水相溶液密度大于油相溶液，如图3所示，离心力迫使水相溶液通过液滴发生管道52，水相溶液通过液滴发生管道52进入到收集储液池4中，此时收集储液池4中已经充满了油相溶液，在离心力、界面张力和浮力等作用下，水相溶液逐步形成了微液滴10。如果出现水相溶液粘度过大，液滴发生管道 52过宽，离心转速过小等原因造成的微液滴10无法脱落，可以通过离心机控制离心微流控芯片正反转的形式，促进微液滴10的脱落。

微液滴10脱落之后，由于水相溶液密度大于油相溶液密度，在离心力作用下，转速通常在500-4000rpm，水相溶液向芯片本体1外缘运动，此时收集储液池4中储存的油相溶液逐步通过溢流槽7储存于溢流收集池8中，溢流收集池8中的空气进入进样储液池3中，避免气压不平衡。此时形成的微液滴10主要分布在收集储液池4中的外缘部分，微液滴10集中，便于后续操作，例如加热和拍照等。

实施例二

一种数字PCR装置，包括离心微流控芯片，作为本实用新型的改进，离心微流控芯片为实施例一中的离心微流控芯片。

作为本实用新型进一步的改进，还包括至少一组温度控制机构(图未示)，温度控制机构与液滴形成机构2相对应，温度控制机构包括变性加热模块(图未示)、退火加热模块(图未示)、延伸加热模块(图未示)，当离心微流控芯片转动时，液滴形成机构2依次通过变性加热模块、退火加热模块、延伸加热模块形成的温区。数字PCR装置包括n组温度控制机构，离心微流控芯片上设置有3n个液滴形成机构2。数字PCR装置还包括微液滴检测装置(图未示)。

微液滴10形成之后，需要对微液滴10进行温控处理即需要对液滴进行循环加热降温，实现微液滴10 中待测核酸的扩增，该过程由变性--退火--延伸三个基本反应步骤，需要进行30-40个循环，常规对应温度为93℃--55℃--72℃。以图4为例，离心微流控芯片上三组温度控制机构分别对应变性加热模块、退火加热模块、延伸加热模块形成的三个温区，通过离心机(图未示)控制芯片本体1转动，实现不同微液滴10 在不同温区的转换，从而实现了变性--退火--延伸三个基本反应步骤的循环，本实用新型30-40个循环需要 15-45min完成扩增，本实用新型的加热模块可采用帕尔贴元件或其他常规电加热片，均为现有技术，在此不再赘述。进入检测阶段，检测采用激发荧光模式，本实用新型采用单一检测系统，通过离心微流控芯片的转动，完成不同位置微液滴10的检测。

现有平面式微流控芯片进行数字PCR实验，需要对芯片进行循环升降温，采用单个温控模块，需要进行升降温操作，时间在多数在1h以上。本实用新型采用离心式微流控芯片，单个芯片可以包括3组液滴形成结构，如图4所示，在每个液滴发生结构5下方设置一个加热模块，图4所示，A、B、C分别对应变性、退火、延伸三个反应步骤，三个加热模块保持静止，通过转动离心微流控芯片，实现ABC三组液滴发生结构5在不同温区之间的循环，避免了单个加热模块的升降温，极大的缩短了数字PCR的扩增过程。

扩增完成后，采取单个成像结构，通过控制离心微流控芯片转动，实现离心微流控芯片上不同位置微液滴10的检测。现有平面微流控芯片，需要借助复杂的机械结构，才能够多个芯片逐个检测，本实用新型通过离心机控制离心微流控芯片转动，可以快速实现单一芯片上多个样本的快速更换和检测。

本实用新型未涉及的部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

最后应说明的是：在本实用新型的描述中，技术术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本实用新型的技术方案，以上说明并非对本实用新型作了限制；以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (7)

1.一种离心微流控芯片，包括芯片本体(1)，其特征在于，所述芯片本体(1)内设置有至少一个液滴形成机构(2)，所述液滴形成机构(2)包括进样储液池(3)、收集储液池(4)、液滴发生结构(5)，所述液滴发生结构(5)连通所述进样储液池(3)与所述收集储液池(4)。

2.根据权利要求1所述的一种离心微流控芯片，其特征在于，所述液滴发生结构(5)包括液滴发生主体(51)、设置在所述液滴发生主体(51)中的多个液滴发生管道(52)。

3.根据权利要求2所述的一种离心微流控芯片，其特征在于，所述液滴发生主体(51)的宽度大于液滴发生管道(52)的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种离心微流控芯片，其特征在于，所述液滴形成机构(2)还包括进样口(6)、溢流槽(7)、溢流收集池(8)、溢流池排气槽(9)，所述进样储液池(3)通过所述进样口(6)与外界连通，所述溢流槽(7)连通所述收集储液池(4)与所述溢流收集池(8)，所述溢流池排气槽(9)连通所述溢流收集池(8)与所述进样储液池(3)。

5.一种数字PCR装置，包括离心微流控芯片，其特征在于，所述离心微流控芯片为权利要求1～4任意一项所述的离心微流控芯片。

6.根据权利要求5所述的一种数字PCR装置，其特征在于，还包括至少一组温度控制机构，所述温度控制机构与所述液滴形成机构(2)相对应，所述温度控制机构包括变性加热模块、退火加热模块、延伸加热模块，当所述离心微流控芯片转动时，所述液滴形成机构(2)依次通过所述变性加热模块、所述退火加热模块、所述延伸加热模块形成的温区。

7.根据权利要求6所述的一种数字PCR装置，其特征在于，所述数字PCR装置包括n组温度控制机构，所述离心微流控芯片上设置有3n个液滴形成机构(2)。

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