具有可变温度循环的微流控热化芯片、使用该芯片的系统及用于检测DNA序列的PCR方法技术方案

本发明专利技术涉及一种热化微流控芯片、一种使用该芯片的系统和一种用于检测DNA序列的PCR方法。所述芯片由块体材料组成，所述块体中定位有能够包含至少一种流体的空腔，所述空腔包括至少一个入口孔和至少一个出口孔，用于流体的所述入口孔连接至至少一个且优选至少两个流体注入通道。根据本发明专利技术，所述芯片还包括用于绕过所述空腔的至少一个微流控通道，所述通道通过第一端连接至所述流体注入通道中的至少一个，所述旁路通道和所述流体注入通道之间的连接处与所述流体注入通道的所述入口孔相距距离L，所述距离优选小于2cm。

Microfluidic Thermal Chip with Variable Temperature Cycle, System Using the Chip and PCR Method for DNA Sequence Detection

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可变温度循环的微流控热化芯片、使用该芯片的系统及用于检测DNA序列的PCR方法
技术介绍
根据第一方面，本专利技术涉及一种用于可变温度循环的热化的微流控芯片，所述芯片由其中有可包含至少一种流体的空腔的块体材料形成，该空腔包括至少一个入口孔和至少一个出口孔，所述流体入口孔连接至至少两个流体注入通道。根据该第一方面，其还涉及一种用于使用该热化芯片来使包含DNA的样品快速改变热交换温度的系统，以及一种用于检测样品中的DNA序列的PCR方法。根据第二方面，本专利技术还涉及一种用于测试生物样品、尤其用于PCR型和/或荧光类型分析的具有中空块体形状的微流控样品芯片，所述中空块体包括至少一个腔室，所述至少一个腔室由上壁、下壁和至少一个侧壁界定，所述至少一个腔室中可引入待测试的样品。根据该第二方面，其还涉及一种用于包含在样品芯片的腔室中的PCR型样品的分析系统，以及一种用于使用所述芯片和使用用于所述样品的荧光测量的系统来检测DNA序列的PCR方法。根据所述第一方面，例如，与通过使用需要重复温度循环的反应(以下称为DNA样品的热“循环”，用于进行“聚合酶链反应”或更简单地“热循环”)来检测液体样品中的DNA序列的各种方法和装置有关的现有技术的详细技术在如下专利中有所说明：专利申请WO2009/105499。在这些热循环方法中，一些方法有利地使用在样品附近循环的传热液体以控制其温度。使用传热液体可获得所述样品的非常均匀的热化温度，这是因为对流限制了液体中温度梯度的出现，这与基于局部加热或利用热电元件的局部热泵的解决方案不同，而后者可在局部产生温度梯度。使用传热液体还实现到样品的非常有效的热传递，这是因为其仅取决于样品与传热液体的热接近程度和传热液体的对流系数，这些条件在这种液体在小尺寸的管道(微流控通道)中运输时是非常重要的。此外，使用传热液体可快速获得对于具有大体积(优于1微升)的样品的精确和均匀的温度控制(无论其大小如何)，且当样品放置在附近时，其温度很快趋向于传热液体的温度，者与基于热能注入的系统不同，比如焦耳效应加热，而后者则难以仅通过控制注入的功率来均匀地控制温度。US-A-5508197说明了以下方案：通过使传热液体在不同温度下预先“热化”(即达到精确和均匀的温度)来使具有非常薄的壁并包含PCR样品的阱孔热化，以通过使用一系列阀门连续地在阱孔周围循环，其中这些阀门将液体从热化储罐重新引导至多个样品。该系统实现了在约8秒内来改变样品温度，但该系统由于通过阱孔传递热量和15μl样品的体积而使速度受到限制，样品的该几何构型和尺寸无法实现更快速的传递。在该系统中，用于热化样品的液体体积很重要(约150mL)，以便使液体流速很重要(约10L/min)，而液体中的液体体积必须很重要(约25L)，以确保良好的温度稳定性。这些体积限制使得该系统体积庞大且能量密集。另外，该系统由于其尺寸而难以进行运输。EP-A-2415855说明以下方案：通过在不同温度下连续循环两种传热液体以使由薄铝板制成的阱孔中的样品热化来进行PCR反应，从而使得可利用具有扁平形状的阱孔来获得非常快速的温度变化(高达0.3s)该系统中使用的液体体积仍然保持很大(大约几十毫米)，以及流速(超过60mL/min)很大，从而使系统变得笨重且耗能。WO2011/138748说明了以下方案：一种微流控芯片和一种用于调节样品温度的系统，包括包括多个设置在具有平行六面体形状的空腔的底部的微流控通道，并包括低导热率的下壁以避免在使用过程中导致热量损失，以及包括在其上沉积待分析的样品的高导热率的上壁，从而在通道中循环的传热液体与样品之间实现良好的热交换。传热液体通过入口孔注入微流控通道中，并通过微流控通道另一端的出口孔回收。传热液体的温度在外部和远离芯片的入口孔的上游得到调节。一种用于制造该类型的芯片的方法的一个示例如ELVESYS公司的网站www.elveflow.com所述，其中文章题为“micro-fluidicsandmicro-fluidicchips:aReview”。该类型的芯片已由作者Houssin等人在2016年“Theroyalsocietyofchemistry2016”中公开的文章“Ultrafastsensorandlargevolumeon-chiprealtimePCRforthemoleculardiagnosisofbacterialandviralinfections”中使用，在该文章中，他们说明了实施热“循环”方法以进行不完全令人满意的PCR反应：通过在微流控芯片中交替循环来实现样品的温度变化，该微流控芯片包含与样品的热交换区、两种已通过使用两个热电模块(珀耳帖效应装置)预先热化的传热液体。芯片和样品之间的热交换使得能够进行液体样品的温度交替，从而使得可扩增样品中的DNA序列。如果该系统能够以低液体流速(约10mL/min或160μL/s)来进行快速热化(也约2s)，则该系统的性能仍受到供应芯片的管道的体积和热化的限制。的确，当液体不在芯片中流动时，具有小的体积并因此具有低的热惯性的管道的温度(微流控管道的直径从一微米到几百微米不等)则在几秒钟内趋向于室温。当液体再次循环时，首先要在接近室内温度的温度下排出所有液体(根据专利技术人进行的实验约为0.5秒)，然后使管道热化，也就是说使其达到稳定的温度，这取决于专利技术人从几秒到几十秒进行的实验。在达到这种稳定性之前，注入芯片中的液体的温度受到向管道传递热量的干扰。因此，实现95％的所需温度变化需要大约两秒钟，但根据条件变化，在较长时间内(一般约十秒)可观察到高达几度的温度漂移。由于温度漂移因取决于施加的温度变化之前的管道的温度而不可再生，所以不可能通过该系统来快速准确地控制小流量的样品温度，而这样是可实现系统的小型化并从而使其易于运输的。US2006/188979公开了一种用于在相同温度下在多个平行通道中同时使多种试剂与样品反应的系统，该通道的数量等于意图在该系统中使用的试剂的数量。因此，现有技术中目前提出的通过使用传热液体来快速改变温度的各种解决方案无法实现样品的温度(即少于约5秒)的控制，而这样可具有快速、准确、均匀、可重复和低能量的特点并使用了紧凑的设备。尽管如此，当前需要快速测试来定向诊断需要诸如在光和低能量装置中进行几分钟的PCR的反应，该装置可能是现场操作的，即该装置一方面具有小尺寸，而另一方面则可由电池供电。由于PCR型分析需要30到40个温度循环，所以每个周期的最短持续时间约为8秒，在样品温度变化的持续时间内获得的每秒则在这种类型的测试的总持续时间e上是显著的增益。此外，基于PCR、特别是对于多重检测的分子检测试剂盒的复杂性对循环的不同阶段的温度施加了精确控制，以便正常运行。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面所述的微流控热化芯片、系统和方法使得可解决因此产生的问题。根据本专利技术所述的微流控热化芯片由块体材料形成的微流控热化芯片，其中所述块体中依次设置有：-流体注入区，所述流体注入区包括至少一个用于流体注入的微流控通道，-平行六面体形空腔，所述平行六面体形空腔具有上侧，所述上侧包括热交换区，所述热交换区在所述空腔的所述上侧处设有表面热化区S，所述热化区包括至少一个用于所述流体循环的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可变温度循环的由块体材料形成的微流控热化芯片，所述块体中依次设置有：‑流体注入区(201)，所述流体注入区包括至少一个用于流体注入的微流控通道(4、5)，‑平行六面体形空腔(202)，所述平行六面体形空腔具有上侧，包括热交换区(204)，所述热交换区在所述空腔(202)的所述上侧处设有表面S的热化区(22)，所述热化区(22)包括至少一个用于所述流体循环的微流控通道(11)，该空腔(202)设有至少一个来自所述流体注入区(201)的流体入口孔(10)和至少一个流体出口孔(30)，所述热交换区(204)在所述至少一个流体入口孔和至少一个流体出口孔之间延伸，其特征在于，其优选包括单个流体入口孔(10)、优选一个流体出口孔(30)，并还包括用于绕过所述空腔(202)的至少一个微流控通道(6、7)，所述至少一个微流控通道在第一端连接至用于所述流体注入的所述微流控通道中的至少一个(4、5)，所述旁路通道(6、7)在所述流体注入通道(4、5)处的连接处(8、9)与所述空腔的所述流体入口孔(10)相距距离L，每个连接处(8、9)与所述流体入口孔之间的距离L如下：L<S/aS是所述空腔(202)的所述上侧的所述热化区(22)的表面，以m...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.19 FR 16/01823;2017.12.13 FR 17620581.一种具有可变温度循环的由块体材料形成的微流控热化芯片，所述块体中依次设置有：-流体注入区(201)，所述流体注入区包括至少一个用于流体注入的微流控通道(4、5)，-平行六面体形空腔(202)，所述平行六面体形空腔具有上侧，包括热交换区(204)，所述热交换区在所述空腔(202)的所述上侧处设有表面S的热化区(22)，所述热化区(22)包括至少一个用于所述流体循环的微流控通道(11)，该空腔(202)设有至少一个来自所述流体注入区(201)的流体入口孔(10)和至少一个流体出口孔(30)，所述热交换区(204)在所述至少一个流体入口孔和至少一个流体出口孔之间延伸，其特征在于，其优选包括单个流体入口孔(10)、优选一个流体出口孔(30)，并还包括用于绕过所述空腔(202)的至少一个微流控通道(6、7)，所述至少一个微流控通道在第一端连接至用于所述流体注入的所述微流控通道中的至少一个(4、5)，所述旁路通道(6、7)在所述流体注入通道(4、5)处的连接处(8、9)与所述空腔的所述流体入口孔(10)相距距离L，每个连接处(8、9)与所述流体入口孔之间的距离L如下：L<S/aS是所述空腔(202)的所述上侧的所述热化区(22)的表面，以m2表示a是等于0.005m的校正系数。2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，L<0.02m。3.根据前述权利要求中一项所述的芯片，其特征在于，每个流体注入通道(4、5)连接至至少一个旁路通道(6、7)。4.根据前述权利要求中一项所述的芯片，其特征在于，其包括至少两个微流控流体注入通道(4、5)。5.根据前述权利要求中一项所述的芯片，其特征在于，其包括相同数量的、优选两个注入通道(4、5)和旁路通道(6、7)，每个旁路通道连接至单个注入通道。6.根据前述权利要求中一项所述的芯片，其特征在于，所述空腔还包括位于所述微流控通道(11)中的所述入口孔(10)和所述流体入口(10bis)之间的入口均化区(203)，用于对应于所述热交换区(204)的所述流体循环，以便特别是在将所述流体注入所述流体循环通道(11)之前，将所述流体的温度均化。7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，所述入口均化区(203)包括均化树，所述均化树创建用于所述入口孔(10)和所述流体入口(10bis)之间的流体的多个流动路径，这些路径具有基本相同的长度。8.根据前述权利要求中一项所述的芯片，其特征在于，所述芯片由平行六面体形的块体材料形成，所述块体材料的空腔(202)由与所述空腔(202)的侧壁一体或独立的上板(41)封闭，该晶片(41)具有旨在与所述样品接触的上表面并优选具有小于0.002m的厚度。9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述上板...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·卢备尔，A·琵历熙，W·米奈拉，
申请(专利权)人：碧佛尔酷瑞公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR