CN212189151U - 一种数字微流控芯片及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种数字微流控芯片，包括：至少一个芯片上游；至少一个芯片下游，与至少一个所述芯片上游相对应；处理单元，分别连接所述芯片上游和所述芯片下游，所述芯片上游流出的流体先经过所述处理单元后再流入所述芯片下游；试剂仓库，储存有至少一种试剂，与所述处理单元连接。通过该数字微流控芯片结构，对于上游芯片流出的流体，先经过处理单元进行分析和处理，其中，还可以将试剂仓库中的试剂引入处理单元中以对流体进行更精确的处理，再传递至芯片下游中进行后续的操作，可实现检测过程中调整流体参数，可以确保检测方案的正确执行。

Description

一种数字微流控芯片及其检测系统

技术领域

本实用新型涉及微流控领域，特别是涉及一种增设了处理单元的数字微流控芯片及数字微流控芯片检测系统。

背景技术

数字微流控技术是微流控技术的分支，其特点是操控对象为微液滴而不是连续的微流体。连续微流体操控相比，其优点包括消耗试剂量更少、样本处理更便捷、结构简单易于集成和可操控的目标范围更广。目前数字微流控主要通过微电极阵列和介电浸润技术，实现微液滴的操控，包括微液滴的生成、分离、合成和运输等。通过在芯片上集成各种功能单元，在化学、生物和医学等各个领域都有应用价值，如充当微反应器、细胞和分子实验、全自动免疫分析、药物测定和临床诊断等。

在现有数字微流控芯片中，一般都是根据固定的操作流程对所有微流体进行处理已完成指定目标，只在操作完成后进行统一的分析，无法避免操作过程中因微流体理化指标与设定值出现偏差带来的影响，使得重复操作或高通量分析的结果存在不可避免的偏差，降低了操作的成功率和结果的可靠性，从而一定程度上限制了数字微流控技术的应用范围。

在一些数字微流控芯片中，为了保证操作的成功率和结果的可靠性，增加了流体蒸发超过阈值后补充流体，但由于功能单一应用较为局限。

为了解决现有技术中存在的问题，本领域技术人员希望开发一种能在操作流程中对流体进行分析和处理的微流控芯片，以提高检测结果的稳定性和准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种数字微流控芯片，通过增添了处理单元，以完善数字微流控中流体的分析处理功能。

本实用新型的另一目的在于提供一种数字微流控芯片，通过增添了处理单元，以完善数字微流控中流体的分析处理功能。

本实用新型的又一目的在于提供一种数字微流控芯片检测系统，增强了数字微流控中流体的分析处理功能，提高了检测结果的稳定性和准确性。

为此，本实用新型第一方面提出一种数字微流控芯片，包括：

至少一个芯片上游；

至少一个芯片下游，与所述至少一个芯片上游相对应；

处理单元，分别连接所述芯片上游和所述芯片下游，所述芯片上游流出的流体先经过所述处理单元后再流入所述芯片下游；

试剂仓库，储存有至少一种试剂，与所述处理单元连接。

通过在数字微流控芯片中增设处理单元，对于芯片上游流出的流体，先经过处理单元被分析和处理后，再流入至芯片下游中进行后续的操作，则可实现检测过程中调整流体参数，可以确保检测方案的正确执行。通过试剂仓库和处理单元连接，将试剂仓库中的试剂引入处理单元中以对流体进行更精确的处理，确保处理后的流体以最优状态参与芯片下游的后续操作，可以进一步确保检测方案的正确执行。

进一步的，所述处理单元包括：

流体分析区，与所述芯片上游连接，用于容纳待分析的流体；

流体处理区，与所述流体分析区连接，用于对流体进行处理。

进一步的，所述流体分析区包括：

流体体积检测区,用于测定流体的体积；

吸光度检测区，用于测定流体的吸光值；

和/或温度检测区，用于测定流体的温度。

进一步的，所述流体处理区包括：

流体混合区，用于将来自所述试剂仓库的试剂进行混合；

流体分离区，用于缩减流体的体积；

流体浓缩区，用于提高流体的浓度；

流体调温区，用于流体的升温或降温；

和/或流体萃取区，用于去除流体中的特定成分。

进一步的，所述流体分析区与所述流体处理区之间的连接为可逆流通连接，流体经过所述流体处理区处理完成后再次进入所述流体分析区进行确认。

进一步的，所述试剂仓库与所述流体分析区连接，调用所述试剂仓库时需先经过流体分析区的分析且满足设定的条件后再作为补充试剂进入流体处理进行原定检测方法的处理操作。

进一步的，所述芯片上游包括DNA提取纯化模块；

所述芯片下游包括DNA扩增模块；

所述流体分析区包括吸光度检测区、流体体积检测区和电阻测定区；

所述流体处理区包括流体混合区、流体分离区和流体浓缩区。

本实用新型第二方面提出一种数字微流控芯片，包括：

至少一个芯片上游；

至少一个芯片下游，与至少一个所述芯片上游相对应；

处理单元，分别与所述芯片上游和所述芯片下游连接，且所述芯片上游和所述芯片下游连接；

试剂仓库，储存有至少一种试剂，与所述处理单元连接。

进一步的，所述试剂仓库分别与所述处理单元、所述芯片上游和所述芯片下游连接。

本实用新型第三方面提出一种数字微流控芯片检测系统，包括处理模块和上述的数字微流控芯片，所述处理模块接收所述数字微流控芯片中处理单元内流体的数据并对得到的数据进行分析，和发出对所述数字微流控芯片内流体进行处理的指令。

本实用新型的有益效果在于：

在数字微流控芯片中增设处理单元，还设置了试剂仓库和处理单元连接，对于芯片上游流出的流体，先经过处理单元进行分析和处理，其中，还可以将试剂仓库中的试剂引入处理单元中以对流体进行更精确的处理，再传递至芯片下游中进行后续的操作，可实现检测过程中调整流体参数，可以确保检测方案的正确执行。

处理单元设置有流体分析区与流体处理区，其间的连接为可逆流通连接。可以使得经过流体处理后的流体能够再次进入流体分析区，然后进行第二次检测，符合设定要求后再进入芯片下游执行后续的操作。

反应过程中的分析结果与检测的最终结果数据均可以反馈至检测系统处理模块，检测系统处理模块根据反应过程中流体分析数据和芯片下游的检测结果数据，进行大数据统计和分析，得出此类检测流程和检测系统的最优处理方法，从而制定出基于处理单元的最佳配比方案。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的数字微流控芯片的示意图；

图2是处理单元的操作流程图；

图3是调用试剂仓库的试剂的操作流程图；

图4是基于处理单元的最佳配比方案的操作流程图。

图中：芯片上游1，芯片下游2，处理单元3，流体分析区31，流体处理区32，试剂仓库4。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

参考图1，根据本申请的一个实施例提供的数字微流控芯片，包括：

至少一个芯片上游1；

至少一个芯片下游2，与所述芯片上游1相对应；

处理单元3，分别连接所述芯片上游1和所述芯片下游2，所述芯片上游1流出的流体先经过所述处理单元3后再流入所述芯片下游2；

试剂仓库4，储存有至少一种试剂，与所述处理单元3连接。

在数字微流控芯片的检测过程中，流体会在数字微流控芯片的各区间流通进行相关的处理或反应，一般的，将流体先流通的区间称为芯片上游1，将流体后流通的区间称为芯片下游2。现有的数字微流控芯片中，一般都是芯片上游1流出的流体直接进入芯片下游2，在完成了芯片上游1与芯片下游2的全部操作后再对结果进行统一的分析，无法对操作过程中流体的性质和状态进行跟踪和调整，如果操作过程中流体的指标与设定值出现偏差，则会影响重复检测的稳定性以及高通量分析的结果的准确性。

本申请通过在数字微流控芯片中增设处理单元3，对于芯片上游1流出的流体，先经过处理单元3进行分析和处理，再传递至芯片下游2中进行后续的操作，实现对操作过程中流体的性质和状态进行跟踪和调整。在使用数字微流控芯片时，通常都会预先设定一个检测方案，数字微流控芯片根据既定的检测程序以完成检测过程。常规的数字微流控芯片只能设定流入芯片上游1的参数，而检测过程中不能再调整流体参数，而本数字微流控芯片中由于处理单元3的引入，处理单元3可在操作过程中调整流体参数，由此确保检测方案的正确执行。

通过试剂仓库4和处理单元3连接，由此在对流体分析完成后，根据需要将试剂仓库4中的试剂引入处理单元3中以对流体进行更精确的处理，确保处理后的流体以最优状态参与芯片下游2的后续操作，显著提升数字微流控芯片的操作成功率和结果可靠性，也大大提升了数字微流控芯片的应用价值。

进一步的，芯片上游的数量为n个，如芯片上游1、芯片上游2、芯片上游3…芯片上游n，相应的，芯片下游的数量也为n个，如芯片下游1、芯片下游2、芯片下游3…芯片下游n，且芯片下游和芯片上游可以一一对应，如芯片上游1与芯片下游1对应、芯片上游2与芯片下游2对应、芯片上游3与芯片下游3对应…芯片上游n与芯片下游n对应。人们可以根据具体的检测项目或检测需求设定n的数值，对于n的选值在此不做限定。

为了更好的执行分析和处理功能，处理单元3包括：流体分析区31，与所述芯片上游1连接，用于容纳待分析的流体；流体处理区32，与所述流体分析区31连接，用于对流体进行处理。

所述流体分析区可以实现分析流体的体积、温度、浊度、吸光度、电阻、电容、电感和/或电荷，只需要采用流体检测设备对流体分析区内的流体进行检测分析即可。当然，人们也可以根据检测项目和检测需求的不同设置相应的分析项目，分析项目包括但不限于声、光、电、热、力等信号，只要能满足检测需求即可，在此不再一一赘述。

为了更快速、更准确的进行流体分析，流体分析区可以设置与分析项目相匹配的对应分析区，例如，流体分析区可以设置有流体体积检测区用以测定流体的体积，设置有吸光度检测区测定流体的吸光值，和/或设置有温度检测区测定流体的温度，等等。显然的，流体分析区可以配合常规的流体检测设备以对流体进行分析，例如，测定流体的吸光值时可以配合吸光度检测仪器完成分析，测定流体的温度时可以配合测温仪器完成分析，本申请对具体的流体分析形式及检测设备不做限定。

所述流体处理包括对流体进行浓缩、混合、分离、萃取等处理，只需要采用常规的流体处理设备、流体处理结构或流体处理方法对流体处理区内的流体进行处理即可。

为了更快速、更准确的进行流体处理，流体处理区可以设置与处理要求相匹配的对应流体处理区。例如，所述流体处理区包括：流体混合区，用于将来自所述试剂仓库的试剂进行混合；流体分离区，用于缩减流体的体积；流体浓缩区，用于提高流体的浓度并缩减流体的体积；流体调温区，用于流体的升温或降温；和/或流体萃取区，用于去除流体中的特定成分。

具体的，所述流体处理包括：

将流体与试剂流入流体混合区进行混合以补充流体成分；

将流体流入流体分离区以缩减流体的体积；

将流体流入流体浓缩区以提高流体的浓度并缩减流体的体积；

将流体流入流体调温区以将流体升温或降温；

和/或将流体流入流体萃取区以去除流体中的特定成分。

该数字微流控芯片中通过设置有与处理单元3连接的试剂仓库4，且试剂仓库4内储存有至少一种试剂，试剂仓库4内的试剂可以作为补充试剂参与流体处理操作。由此，在流体处理时，可通过调用试剂仓库4内的试剂以补充流体处理时需要的试剂，进一步确保经过流体处理后的流体能符合预定的检测方案。

从试剂仓库4调用补充试剂以及进行流体处理的先后顺序可以根据检测需求具体调整，比如，在一个实施例中，对需要调整成分浓度的流体先进行浓缩处理后再调用试剂仓库4内补充试剂；在另外一个实施例中，对需要调整成分浓度的流体先调用试剂仓库4内补充试剂后再进行浓缩处理。

作为该数字微流控芯片结构的一种改进，试剂仓库4与处理单元3的流体分析区连接，从试剂仓库4流出的试剂先经过流体分析区31分析后且满足设定的条件后再作为补充试剂进入流体处理区32进行原定检测方法的处理操作。

作为该数字微流控芯片结构的一种改进，流体分析区31与流体处理区32之间的连接为可逆流通连接。可逆流通连接是指流体不仅能由流体分析区31流入流体处理区32，也可以由流体处理区32流入流体分析区31。由此，经流体分析区31分析后的流体可以流入流体处理区32进行处理，还可以使得经过流体处理后的流体能够再次进入流体分析区31，然后进行第二次检测，此时，可以重复处理单元3的分析流程，确保分析结果符合设定的检测方案后，再进入芯片下游2执行后续的操作。

根据本申请的另一个实施例提供的数字微流控芯片，包括：

至少一个芯片上游1；

至少一个芯片下游2，与所述芯片上游1相对应；

处理单元3，分别与所述芯片上游1和所述芯片下游2连接，且所述芯片上游1和所述芯片下游2连接；

试剂仓库4，储存有至少一种试剂，与所述处理单元3连接。

处理单元3分别与所述芯片上游1和所述芯片下游2连接，且所述芯片上游1和所述芯片下游2连接。由此，根据检测需要，在不需要进行分析处理时，芯片上游1的流体可以无需经过处理单元3而直接流入芯片下游2内，由此提高数字微流控芯片的使用效率和扩大了其使用领域。

作为该数字微流控芯片结构的一种改进，所述试剂仓库4分别与所述处理单元3、所述芯片上游1和所述芯片下游2连接。即试剂仓库4的试剂在不需要进行分析处理时可以无需经过处理单元3而直接流入芯片上游1或芯片下游2内参与检测，由此提高数字微流控芯片的使用效率和扩大了其使用领域。

根据本申请的又一个实施例提供的一种数字微流控芯片检测系统，包括处理模块和上述的数字微流控芯片，处理模块能接收所述数字微流控芯片中处理单元内流体的数据并对得到的数据进行分析，和发出对所述数字微流控芯片内流体进行处理的指令。

例如，检测系统处理模块能对处理单元3的流程进行操控，在处理由芯片上游1流入的流体时，将所述芯片上游1流出的需要处理的流体先流入所述流体分析区，得出相应的流体数据，并判断是否需要进行流体处理，当是时，控制流体进入所述流体处理区进行流体处理；当否时，控制流体进入所述芯片下游2。此时，进入芯片下游2的流体按照原定的检测方案继续进行后续操作，而进入流体处理区的流体则需要根据指令进行调整，以符合检测方案设定的流体参数。

具体的，参考图2，处理单元3在处理由芯片上游1流入的流体时，其操作流程为：

S110：待处理的流体传送至流体分析区31；

S120：根据需求进行流体分析，并将分析结果与设定值比对；

当偏差超出允许范围时，转入步骤S130，

当偏差在允许范围时，转入步骤S140；

S130：制定处理方案并将流体传送至流体处理区32进行处理，处理后执行步骤S110；

S140：分析处理完成，将流体传送至芯片下游2。

其中，设定值可以由预先制定的检测方案得知。

检测系统处理模块还能对调用试剂仓库内试剂的流程进行操控，具体的，调用试剂仓库内试剂的流程包括：将所述试剂仓库4中的试剂流入所述流体分析区，得出相应的流体数据，并判断是否满足试剂需求，当满足时流入流体处理区32进行原定操作，当不满足时，则需要进行对试剂相应的流体处理以达到补充试剂条件，再流入流体处理区32进行原定操作。

具体的，参考图3，在需要调用试剂仓库4的试剂时，调用流程为：

S210：将试剂传送至流体分析区31；

S220：进行检测浓度和体积，并将分析结果与设定值比对，

当偏差超出允许范围时，转入步骤S230，

当偏差在允许范围时，转入步骤S240；

S230：制定试剂处理方案并传送至流体处理区32对试剂进行体积/浓度调整，再执行步骤S210；

S240：分析处理完成，将试剂传送至流体处理区32进行原定操作。

其中，原定操作为预先制定的检测方案，设定值也可以由预先制定的检测方案得知。

此外，芯片下游2的操作结束后，其检测结果数据可以反馈至检测系统处理模块，检测系处理模块统根据反应过程中流体分析数据和芯片下游2的检测结果数据，进行大数据统计和分析，得出此类检测流程和检测系统的最优处理方法，从而制定出基于处理单元3的最佳配比方案。

通过以上流程的不断循环，每次测试后均记录于数据库进行统计和分析，可以实时更新最新最佳配比方案。

具体的，参考图4，基于处理单元3的最佳配比方案的操作流程包括：

S310:根据检测需求和数字微流控芯片性能制定检测方案；

S320：按照检测方案在数字微流控芯片上进行重复高通量测试；

S330：统计和分析所有数据，得出不同条件下的最佳配比方案；

S340：最佳配比方案存入数据库；

S350：后续测试中调用数据库中最佳配比方案，并将后续测试结果更新至原数据库，然后重复S330步骤。

其中，数据库存储于检测系统处理模块内。

该数字微流控芯片检测系统第一方面通过处理单元3能够对每个芯片上游流入的流体进行个性化分析处理，可以提高检测过程中关键操作的成功率以及结果的准确性；第二方面对流体的高通量处理和大数据分析可以为确定最佳方案提供支持，而且是人工智能操作的基础和前提；第三方面通过优化最佳配比方案，可以使数字微流控技术的样本分析处理性能向着理论极限逼近从而扩宽其应用范围，例如提高数字微流控芯片的准确度和检测限。

本申请的数字微流控芯片可以应用于所有需要在检测过程中分析处理流体检测领域，尤其适合应用于DNA的扩增领域，以下，以DNA的扩增为例，讲述该数字微流控芯片和检测系统的具体结构和操作。

一种数字微流控芯片，包括：

至少一个芯片上游1；

至少一个芯片下游2，与所述芯片上游1相对应；

处理单元3，分别连接所述芯片上游1和所述芯片下游2，所述芯片上游1流出的流体先经过所述处理单元3后再流入所述芯片下游2；

试剂仓库4，与所述处理单元3连接，所述试剂仓库4内储存有至少一种试剂。

处理单元3包括：流体分析区31，与所述芯片上游1连接，用于容纳待分析的流体；流体处理区32，与所述流体分析区31连接，用于对流体进行处理。

具体的，芯片上游1包括DNA提取纯化模块；芯片下游2包括DNA扩增模块；流体分析区31包括吸光度检测区、流体体积检测区和电阻测定区；流体处理区32包括流体混合区、流体分离区和流体浓缩区；试剂仓库的试剂包括ddH₂O、PCR buffer、dNTP Mix、引物1、引物2、Mg离子溶液和/或DNA聚合酶。

一种数字微流控芯片检测系统，其处理模块能够接收所述数字微流控芯片的数据并对得到的数据进行分析，和对所述数字微流控芯片发出指令。

具体的，在进行扩增前的DNA浓度分析时，来自芯片上游1DNA提取纯化模块内含有DNA样本的流体(DNA流体)在传送至芯片下游2扩DNA增模块前，被传送至处理单元3的流体分析区31，并在流体体积检测区测定流体体积，在吸光度检测区测定流体的吸光值并推算出DNA浓度和纯度，然后将结果反馈至检测系统处理模块。

在调整扩增体系成分配比时，包括如下步骤：

1)成分分析：首先在流体分析区31测定流体的体积和DNA浓度，并根据预先设定的检测方案中的数据指标对比；同时根据预先设定的检测方案从试剂仓库4调用特定体积的各种扩增体系组成试剂，并在流体分析区31对调用试剂的体积和浓度进行分析。

2)流体处理：根据分析数据与预先设定的检测方案的比对结果确定处理方案，利用处理单元3的流体处理区32，调整DNA流体和各调用试剂的体积和浓度；提高成分浓度的处理方法包括浓缩后补充溶剂和补充溶质后分离流体，降低成分浓度的处理方法包括补充溶剂后分离流体和浓缩后补充溶剂。

3)结果复核：将经过流体处理后的DNA流体和各调用试剂传送至流体分析区31进行二次分析，若分析数据与设定数据的偏差大于允许偏差则返回流体处理步骤。

4)试剂配制与输出：若复核时DNA流体和各调用试剂的实测数据与设定数据的偏差均不大于允许偏差，则将DNA流体和各调用试剂在流体混合区进行混匀并传送出至芯片下游的DNA扩增模块。

在高通量测试与数据分析得出不同DNA浓度对应的最优配比方案时，包括如下步骤：

1)测试方案设计：首先确定扩增体系中包括DNA模板在内的8种组成成分、各成分浓度范围值和浓度梯度值等影响因素，结合数字微流控芯片的测试效率(测试通量、耗时、成本等)，以DNA模板的浓度为核心，得出不同DNA浓度下体系配比的排列组合。

2)高通量测试：根据上述配比的排列组合，利用数字微流控芯片中的处理单元对不同流体执行不同配比组合对应的处理方案并进行芯片下游2的DNA扩增，每个配比方案的测试数量不少于3。

3)数据分析和最佳配比确定：将所有处理操作对应的芯片下游2的DNA扩增结果汇总统计并筛选得出不同DNA浓度对应的最佳配比方案，保存至处理单元的数据库作为配比的参考模板。

4)实测复核与修订：将后续所有实测的数据上传至数据库，复核原有分析结果并实时更新最佳配比方案。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种数字微流控芯片，其特征在于，包括：

至少一个芯片上游；

至少一个芯片下游，与至少一个所述芯片上游相对应；

处理单元，分别连接所述芯片上游和所述芯片下游，所述芯片上游流出的流体先经过所述处理单元后再流入所述芯片下游；

试剂仓库，储存有至少一种试剂，与所述处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述处理单元包括：

流体分析区，与所述芯片上游连接，用于容纳待分析的流体；

流体处理区，与所述流体分析区连接，用于对流体进行处理。

3.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述流体分析区包括:

流体体积检测区,用于测定流体的体积；

吸光度检测区，用于测定流体的吸光值；

和/或温度检测区，用于测定流体的温度。

4.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述流体处理区包括：

流体混合区，用于将来自所述试剂仓库的试剂进行混合；

流体分离区，用于缩减流体的体积；

流体浓缩区，用于提高流体的浓度并缩减流体的体积；

流体调温区，用于流体的升温或降温；

和/或流体萃取区，用于去除流体中的特定成分。

5.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述流体分析区与所述流体处理区之间的连接为可逆流通连接，流体经过所述流体处理区处理完成后再次进入所述流体分析区进行确认。

6.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述试剂仓库与所述流体分析区连接。

7.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，

所述芯片上游包括DNA提取纯化模块；

所述芯片下游包括DNA扩增模块；

所述流体分析区包括吸光度检测区、流体体积检测区和电阻测定区；

所述流体处理区包括流体混合区、流体分离区和流体浓缩区。

8.一种数字微流控芯片，其特征在于，包括：

至少一个芯片上游；

至少一个芯片下游，与至少一个所述芯片上游相对应；

处理单元，分别与所述芯片上游和所述芯片下游连接，且所述芯片上游和所述芯片下游连接；

试剂仓库，储存有至少一种试剂，与所述处理单元连接。

9.根据权利要求8所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述试剂仓库分别与所述处理单元、所述芯片上游和所述芯片下游连接。

10.一种数字微流控芯片检测系统，其特征在于，包括处理模块和权利要求1-9任意一项所述的数字微流控芯片，所述处理模块接收所述数字微流控芯片中处理单元内流体的数据并对得到的数据进行分析，和发出对所述数字微流控芯片内流体进行处理的指令。

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