一体式液滴微流控芯片结构、微流控芯片组件制造技术

本实用新型专利技术提出的一体式液滴微流控芯片结构，将微滴生成、扩增和检测功能模块全部集成在同一个微流控芯片上，实现液滴生成到荧光检测的全过程封闭。本实用新型专利技术还涉及微流控芯片组件。兼容正压或者负压驱动方式，压力响应时间短，可以实现液滴的快速生成，大大减少样品准备的时间。本实用新型专利技术无需要预先填充液滴生成油，操作简便，便于在数字PCR技术领域推广应用。

Integrated droplet microfluidic chip structure and microfluidic chip assembly

【技术实现步骤摘要】
一体式液滴微流控芯片结构、微流控芯片组件
本技术涉及PCR
，尤其涉及一体式液滴微流控芯片结构、微流控芯片组件。
技术介绍
聚合酶链式反应(PolymeraseChainReaction，PCR)可以实现DNA序列的体外扩增，是目前核酸检测的主要方法，也是生命科学研究和临床分子诊断领域的重要支撑技术，极大推动了生命科学等领域的快速发展。目前，PCR技术已经发展到第三代--数字PCR(DigitalPCR,dPCR)，基本原理是将样品分配到大量反应单元中，每个单元包含一个或多个拷贝的目标分子(DNA模板)，对目标分子进行PCR扩增，扩增结束后对反应单元的荧光信号进行统计学分析，概括起来就是对目标分子进行“分而治之”。不同于传统PCR技术，数字PCR技术无需标准曲线和参照，对影响PCR反应效率的抑制物不敏感，是一种核酸分子绝对定量技术。数字PCR技术具有高灵敏度、高特异性和精确定量等优点，在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测、表达量微小差异鉴定和拷贝数变异检测等方面得到了广泛应用。根据样品划分方式进行分类，数字PCR技术平台主要包括三类：大规模集成微流控芯片、微腔式和微滴式的数字PCR系统。其中大规模集成微流控芯片和微腔式数字PCR技术平台如Fluidigm公司的Bio-MarkTMHD系统和LifeTechnologies公司的QuantStudioTM3D系统，工作流程繁琐，芯片制作过程复杂，对制作工艺要求较高，增加了检测成本；样品通量低，并且受制作工艺水平等因素的限制，动态范围等性能的提升空间有限，这大大限制了其应用范围。而微滴式数字PCR技术平台如Bio-Rad公司的QX200TM系统和RainDance公司的RaindropTM系统，采用两相流技术将样品分散在大量的液滴中，液滴数量及大小精确可控，可以根据实际需要选择合适的样品通量，应用范围更广。但是，上述微滴式数字PCR系统的样品划分、扩增和检测三个功能结构仍然相互独立，集成化和自动化程度不高。由于功能结构相互独立，移液过程中易造成液滴融合、破碎以及交叉污染等问题，在应用方面会有一定的局限性。因此，需要进一步提高数字PCR的集成化和自动程度，以便在临床检测中发挥更大的技术优势。2015年，彭年才等人提出一种立体式液滴数字PCR芯片，利用浮力作用可以有效排除液滴收集腔内的气泡。但由于腔体竖直放置，液滴受浮力作用，容易积聚在腔体顶部，相互之间造成挤压，不易铺成单层且在扩增过程中液滴容易融合。2016年，FriedrichSchuler等人采用离心微流控技术，将数字PCR的液滴生成、扩增和检测功能结构集成在同一个芯片上。该方法通过改变液滴收集腔室内的高度，使气泡分布在腔体边缘，并没有彻底排除气泡；而在PCR扩增过程中，气泡容易导致液滴发生融合。2017年，景奉香等人制作玻璃基液滴收集腔，操作流程繁琐，不能实现液滴生成和收集结构的有效集成，也容易形成气泡。2016年，法国StillaTechnologies公司推出NaicaTMCrystal系统，这是目前唯一商业化的一体式液滴数字PCR系统，实现了全封闭集成化设计，减少了人工操作，无交叉污染。但由于其液滴生成方式独特，使得该系统的加压及卸压时间大于30min，大大增加了PCR检测的整体时间，降低了检测效率；该系统的芯片需要预先填充液滴生成油，这对芯片的操作提出了较高要求，增加了操作难度；此外，芯片结构设计的固有特点使得液滴的体积不可调控，样品的检测通量受到限制，提升空间有限。针对现有数字PCR存在的问题，需要开发集成度高、自动化程度高的新型一体式液滴微流控芯片，实现样品的快速、方便和高通量检测。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本技术提出的一种一体式液滴微流控芯片结构。本技术将微滴生成、扩增和检测功能模块全部集成在同一个微流控芯片上，实现液滴生成到荧光检测的全过程封闭。通过改变压力驱动模式，可以精确调控液滴的体积；根据样品总体积和实际需求，可以调控样品通量。提出一种新型的液滴收集腔结构，可以精确控制液体流动的前缘，便于排出气体，有效防止产生气泡；同时，利用树形通道和圆柱结构，可以实现液滴的均匀、单层平铺。通过并行设计多通道的结构，可以提高系统的检测通量。分散相样品和连续相油在压力驱动与微流道结构的作用下快速生成微液滴，生成的液滴直接流入与之相连的液滴收集腔内，而不需要进行移液等操作。液滴均匀、单层平铺在收集腔内，对液滴收集腔加热，可以进行PCR扩增及荧光检测。该芯片对外围的控制部件要求低，减少人工操作步骤，降低了操作难度，避免液滴损失和交叉污染等问题，在保证检测精度的同时大大提高了检测效率。采用PP、PC、COP、COC耐高温硬质聚合物作为芯片基材，以满足PCR反应的温度要求。采用热压成型技术制作液滴微流控芯片，利用热压键合方法实现芯片的封装键合。本技术提供一体式液滴微流控芯片结构，包括由硬质聚合物制成的流道层、盖板；所述流道层端面嵌入式的设有液滴生成结构、液滴分散结构、液滴收集结构；所述盖板覆盖于所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构上，以使得盖板侧的所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构隔离外界环境；其中，所述液滴生成结构与所述盖板形成用于生成液滴的微流道；所述液滴分散结构与所述盖板形成用于分散液滴的微流道；所述液滴收集结构与所述盖板形成用于收集液滴的微流道；所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构的微流道依次连通；通过压力作用，液滴从液滴生成结构的微流道生成后，经液滴分散结构的微流道进行分散流至所述液滴收集结构，以使得液滴收集结构的微流道内存储单层的液滴。优选地，所述液滴分散结构为多叉树型结构。优选地，所述液滴分散结构的微流道的通道高度为HF1，所述液滴生成结构的微流道末端的通道高度为HS，其中，HS≤HF1。优选地，所述液滴分散结构的微流道末端的通道高度为HF2，所述液滴收集结构的微流道的通道高度为HC，其中，HF2<HC。优选地，所述液滴收集结构为扁平型通道，所述液滴收集结构的微流道的通道高度为HC，液滴直径d，则d<HC<2d。优选地，所述液滴收集结构的微通道侧壁设有引导结构，用于引导所述液滴收集结构内的液滴向末端流动。优选地，所述液滴收集结构的微通道中设置有柱状结构，用于支撑盖板和/或阻挡液滴流动。优选地，远离液滴分散结构的若干所述柱状结构的阻挡大于靠近液滴分散结构的若干所述柱状结构的阻挡。微流控芯片组件，包括：一体式液滴微流控芯片结构、油腔、样品腔、废液腔；所述油腔与所述样品腔连通液滴生成结构，所述废液腔连通液滴收集结构；所述油腔用于加载液态油，所述样品腔用于加载样品，所述废液腔用于收集废液。优选地，所述废液腔连接正压或负压驱动装置。优选地，若干所述一体式液滴微流控芯片结构共用一所述废液腔。优选地，若干所述一体式液滴微流控芯片结构关于所述废液腔中心轴线旋转对称。优选地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一体式液滴微流控芯片结构，其特征在于:包括由硬质聚合物制成的流道层、盖板；所述流道层端面嵌入式的设有液滴生成结构、液滴分散结构、液滴收集结构；所述盖板覆盖于所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构上，以使得盖板侧的所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构隔离外界环境；其中，/n所述液滴生成结构与所述盖板形成用于生成液滴的微流道；所述液滴分散结构与所述盖板形成用于分散液滴的微流道；所述液滴收集结构与所述盖板形成用于收集液滴的微流道；所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构的微流道依次连通；/n通过压力作用，液滴从液滴生成结构的微流道生成后，经液滴分散结构的微流道进行分散流至所述液滴收集结构，以使得液滴收集结构的微流道内存储单层的液滴。/n

【技术特征摘要】
1.一体式液滴微流控芯片结构，其特征在于:包括由硬质聚合物制成的流道层、盖板；所述流道层端面嵌入式的设有液滴生成结构、液滴分散结构、液滴收集结构；所述盖板覆盖于所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构上，以使得盖板侧的所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构隔离外界环境；其中，
所述液滴生成结构与所述盖板形成用于生成液滴的微流道；所述液滴分散结构与所述盖板形成用于分散液滴的微流道；所述液滴收集结构与所述盖板形成用于收集液滴的微流道；所述液滴生成结构、所述液滴分散结构、所述液滴收集结构的微流道依次连通；
通过压力作用，液滴从液滴生成结构的微流道生成后，经液滴分散结构的微流道进行分散流至所述液滴收集结构，以使得液滴收集结构的微流道内存储单层的液滴。


2.如权利要求1所述的一体式液滴微流控芯片结构，其特征在于：所述液滴分散结构的微流道的通道高度为HF1，所述液滴生成结构的微流道末端的通道高度为HS，其中，HS≤HF1；所述液滴分散结构的微流道末端的通道高度为HF2，所述液滴收集结构的微流道的通道高度为HC，其中，HF2<HC。


3.如权利要求1所述的一体式液滴微流控芯片结构，其特征在于：所述液滴收集结构为扁平型通道，所述液滴收集结构的微流道的通道高度为HC，液滴直径d，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋克明，刘聪，周武平，刘聪，张涛，黎海文，张志强，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：新型
国别省市：江苏;32