RU2171467C1 - Микрореактор для химического и генетического тестирования - Google Patents
Микрореактор для химического и генетического тестирования Download PDFInfo
- Publication number
- RU2171467C1 RU2171467C1 RU2000116849A RU2000116849A RU2171467C1 RU 2171467 C1 RU2171467 C1 RU 2171467C1 RU 2000116849 A RU2000116849 A RU 2000116849A RU 2000116849 A RU2000116849 A RU 2000116849A RU 2171467 C1 RU2171467 C1 RU 2171467C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reaction chamber
- microchip
- base
- electric heater
- sublayer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Изобретение относится к прикладной физике и химии и может быть использовано в конструкции интегрированной микрочиповой системы для тестирования. Предложен микрореактор, содержащий кремниевый микрочип, проточную реакционную камеру, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере. Основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы, другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой. При этом на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой, в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси, а электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры. При этом микрочип и полый игольчатый радиатор могут быть выполнены в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины, а подложка микрофлюидной системы может быть выполнена из полиметилметакрилата. В результате повышается отвод тепла, снижается инерционность, повышается точность результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к прикладной физике и химии и может быть использовано в конструкции интегрированной микрочиповой системы для химического и генетического тестирования. Наиболее эффективно его использовать в аппаратуре, предназначенной для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР), анализа микропроб органических загрязнений окружающей среды, при проведении судебно-медицинских экспертиз и т.п.
Известно устройство для химического и генетического тестирования, содержащее термостат со штативом для микропипеток из прозрачного материала, заполненных реакционной смесью. Боковые стенки термостата выполнены с возможностью прилегания к микропипеткам и снабжены линзами по месту расположения анализируемых проб для их оптического контроля. Термостат снабжен системой программного регулирования температуры с управляющим воздействием с помощью электронагревателя (US 5241363, G 01 N 21/01, 21/31, 1993).
Такая конструкция является громоздкой, в том числе в отношении объема реакционной смеси, что не только не позволяет тестировать пробы объемом менее 1 мкл, но и создает инерцию, затрудняющую точное регулирование температуры по заданной программе. Кроме того, масляное покрытие существенно затрудняет возможность микросенсорного контроля анализируемой пробы.
Известна также конструкция устройства для химического и генетического тестирования, представляющего собой микрореактор, содержащий кремниевый микрочип, на рабочей стороне которого вытравлена открытая микрокамера для помещения реакционной смеси объемом 1,5 мкл, удерживаемой в микрокамере с помощью кремниевого масла, заливаемого над уровнем пробы. По всей поверхности дна камеры выполнен термодатчик, а за пределами по периметру дна камеры сформирован электронагреватель, подключенные к системе программного регулирования температуры (J. H. Daniel, S.Iqbal, R.B.Milington. Silicon Microchambers for DNA amplification// Sensors and Actuators, A 71, 1998, p. 81-88).
Данная конструкция не обеспечивает проточного режима тестирования, при этом анализируемая проба является большой.
Наиболее близким к заявляемому является микрореактор, для химического и генетического тестирования, содержащий кремниевый микрочип, в котором образованы проточные реакционная и детекционная камеры, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере (WO 9850154, PCT/US 98/09337, B 01 L 3/00, B 01 L 7/00, G 01 N 27/00, 1998).
Однако, известный микрореактор обладает неравномерностью и низкой точностью воспроизведения программного режима регулирования температуры в реакционной камере, что особенно нежелательно при генетическом тестировании, поскольку типовой температурный режим данного вида тестирования предусматривает быстрый нагрев пробы до 90oC и охлаждение до 50oC.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и равномерности регулирования температуры в термокамере микрореактора.
Решение указанной технической задачи состоит в том, что в конструкцию микрореактора для химического и генетического тестирования, содержащую кремниевый микрочип, проточную реакционную камеру, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере, вносятся следующие изменения:
1) основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы;
2) другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой;
3) на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой;
4) в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси;
5) электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры.
1) основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы;
2) другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой;
3) на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой;
4) в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси;
5) электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры.
Причинно-следственная связь внесенных изменений с решением поставленной технической задачи заключается в том, что отвод тепла с помощью радиатора повышает скорость теплообмена. Это имеет следствием снижение инерционности, а потому и повышение точности воспроизведения программного режима терморегулирования. Полая форма радиатора и расположение электронагревателя по периметру основания реакционной камеры обеспечивают равномерное распределение в ней температуры как при нагреве, так и при охлаждении. Расположение термодатчика по периметру основания реакционной камеры обеспечивает упреждающее измерение отклонения температуры от заданной программой, в том числе под действием помехи. Эта идея подтверждена результатами физического и математического моделирования.
При технической реализации предлагаемой конструкции кремниевый микрочип и полый игольчатый радиатор технологично выполнить в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины. При этом достигается также достаточно высокая теплопроводность радиатора.
Электронагреватель может быть выполнен из никеля. Однако, наиболее надежным является выполнение электронагревателя и резистивного термодатчика из карбида кремния, в том числе в варианте одновременного использования SiC-нагревателя в качестве термодатчика. Для электрической изоляции электронагревателя и термодатчика технологично нанести на соответствующую сторону микрочипа изолирующий слой нитрида кремния.
Подложка микрофлюидной системы может быть выполнена из полиметилметакрилата.
На фиг. 1 изображена схема расположения элементов микрореактора; на фиг. 2 - блок-схема системы программного регулирования температуры в реакционной камере.
Микрореактор для химического и генетического тестирования (фиг. 1) содержит кремниевый микрочип 1, сторона которого, используемая для прикрепления к ней реакционной камеры, защищена изолирующим слоем 2 из нитрида алюминия. Реакционная камера 3 размером 1,5x1,5x0,1 мм с электронагревателем 4 и термодатчиком 5, расположенными по периметру ее основания во фторопластовом защитном слое 6, выполнена с помощью микрофрезерования таким образом, что ее основание и боковые стенки расположены в полиметилметакрилатовой подложке 7 микрофлюидной системы. При этом реакционная камера 3 с помощью защитного слоя 6, служащего одним из ее оснований, герметично прикреплена к стороне микрочипа 1, покрытой изолирующим слоем 2. В подложке 7 выполнены капилляры 8 и 9, проходящие сквозь реакционную камеру 3 для подачи и отвода реакционной смеси. На микрочипе 1 со стороны, противоположной изолирующему слою 2, образован полый игольчатый радиатор 10 соосно с реакционной камерой 3. Элементы 1 и 10 выполнены в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины. Внутри реакционной камеры 3 расположен оптический микросенсор 12 для контроля за ходом реакции. Возможно использование других типов микросенсоров (например, микросенсора pH), а также установка их на выходной магистрали реакционной камеры 3.
Электронагреватель 4 и термодатчик 5 подключены к программному регулятору 13 (фиг. 2) с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере 3.
При работе с микрореактором реакционную смесь вносят в камеру 3 и/или прокачивают ее в циклическом режиме. При этом осуществляют повторяющиеся циклы программного изменения температуры в реакционной камере с детектированием контролируемого микросенсором 12 изменения физико-химического параметра.
По результатам испытания, проведенного на модели предлагаемого микрореактора, установлено, что точность программного регулирования температуры в реакционной камере при пропорционально-интегральном алгоритме управления составляет в установившемся режиме ±0,4oC по всему объему реакционной камеры 3, а время регулирования - от 0,5 до 1,0 с. Внесенные изменения в конструкцию позволяют реализовывать режим нагрева и охлаждения со скоростью от 50 до 150oC/с, что превосходит вышеуказанные технические характеристики известного устройства.
Claims (3)
1. Микрореактор для химического и генетического тестирования, содержащий кремниевый микрочип, проточную реакционную камеру, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере, отличающийся тем, что основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы, другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой, при этом на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой, в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси, а электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры.
2. Микрореактор по п. 1, отличающийся тем, что кремниевый микрочип и полый игольчатый радиатор выполнены в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины.
3. Микрореактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что подложка микрофлюидной системы выполнена из полиметилметакрилата.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116849A RU2171467C1 (ru) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | Микрореактор для химического и генетического тестирования |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116849A RU2171467C1 (ru) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | Микрореактор для химического и генетического тестирования |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2171467C1 true RU2171467C1 (ru) | 2001-07-27 |
Family
ID=20236916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000116849A RU2171467C1 (ru) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | Микрореактор для химического и генетического тестирования |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2171467C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537454C2 (ru) * | 2009-07-31 | 2015-01-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Анализ фазового поведения с применением микрофлюидной платформы |
-
2000
- 2000-06-30 RU RU2000116849A patent/RU2171467C1/ru active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537454C2 (ru) * | 2009-07-31 | 2015-01-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Анализ фазового поведения с применением микрофлюидной платформы |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Guttenberg et al. | Planar chip device for PCR and hybridization with surface acoustic wave pump | |
| EP1123739B1 (en) | Integrated device for microfluid thermoregulation, and manufacturing process thereof | |
| El-Ali et al. | Simulation and experimental validation of a SU-8 based PCR thermocycler chip with integrated heaters and temperature sensor | |
| Lee et al. | Bulk-micromachined submicroliter-volume PCR chip with very rapid thermal response and low power consumption | |
| Neuzil et al. | Disposable real-time microPCR device: lab-on-a-chip at a low cost | |
| US5939312A (en) | Miniaturized multi-chamber thermocycler | |
| JP2009526549A (ja) | 生物学的試料または化学的試料の温度調整装置とその使用方法 | |
| US8263392B2 (en) | Methods and compositions related to continuous flow thermal gradient PCR | |
| Hsieh et al. | Enhancement of thermal uniformity for a microthermal cycler and its application for polymerase chain reaction | |
| US20020132265A1 (en) | Methods and systems for performing superheated reactions in microscale fluidic systems | |
| US7142738B2 (en) | Integrated analytical biochip and manufacturing method thereof | |
| WO2010141104A2 (en) | Localized droplet heating with surface electrodes in microfluidic chips | |
| Ke et al. | Single step cell lysis/PCR detection of Escherichia coli in an independently controllable silicon microreactor | |
| Zhao et al. | Monolithically integrated PCR biochip for DNA amplification | |
| JP2016539802A (ja) | 液体試料を装填するためのシステム及び方法 | |
| JP2012242118A (ja) | 流体デバイスを用いる熱処理装置、および流体の処理方法 | |
| Noh et al. | In situ thermal diagnostics of the micro-PCR system using liquid crystals | |
| RU2171467C1 (ru) | Микрореактор для химического и генетического тестирования | |
| Zou et al. | Miniaturized independently controllable multichamber thermal cycler | |
| WO2019103730A1 (en) | Temperature-controlling microfluidic devices | |
| El-Ali et al. | SU-8 based PCR chip with integrated heaters and thermometer | |
| CN112770841B (zh) | 变温反应器及其加热器和控制电路 | |
| Zhao et al. | Heat properties of an integrated micro PCR vessel | |
| Mondal et al. | Miniaturized devices for DNA amplification and fluorescence based detection | |
| Shinohara et al. | Development of biological micro reactor array system |