一种用于微生物检测的PCR芯片及基于该PCR芯片的液滴分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种用于微生物检测的PCR芯片及基于该PCR芯片的液滴分配方法，本发明专利技术的PCR芯片结合和串联分配和并联分配的优势，同时兼具高的液滴分配速率和低空腔率，适于执行快速的核酸检测，并保证检测结果的准确性，还包括控制层，其能够自动感知单一输送通道内微反应腔是否已完成填充，并相应的激活对应于该输送通道的分配通道内的微阀，阻断液滴向该输送通道内的继续流动，从而加快微阀尚未激活的其他通道的液滴分配速度，位于不同等级分支通道内的微阀可以逐级激活，抵消因芯片制造工艺限制引起的通道不均匀性带来的高空腔率和因此被削减的分配速率。

A PCR chip for microbial detection and a droplet distribution method based on the PCR chip

【技术实现步骤摘要】
一种用于微生物检测的PCR芯片及基于该PCR芯片的液滴分配方法
本专利技术涉及一种微流控芯片，具体涉及一种用于微生物检测的PCR芯片及基于该PCR芯片的液滴分配方法。
技术介绍
聚合酶链式反应(PCR)检测是一种通过对特定DNA片段的扩增进行目标核酸检测的技术，其能够基于极微量的样品实施精确的定量检测，是当前的一种重要生物检测手段。当下，将PCR技术与微流控装置将相结合的PCR芯片是行业内的研究热点，其具有所需样品和试剂量少，检测速度快，反应单元数量多，精确度高等优点。PCR芯片相较于传统PCR实施手段的一个主要区别在于前者主要以单个微液滴作为一个微反应单元，而由于微液滴的尺寸很小，因此一块PCR芯片可以同时容纳很多微液滴，这使得基于PCR芯片执行的扩增反应相比于传统PCR实施手段具有高得多的精确性。目前，PCR芯片检测结果的输出主要依靠于荧光测试，即对扩增反应后的微液滴阵列区域进行荧光检测，然后采用统计学手段得出有荧光信号和无荧光信号的微液滴单元的比例，再结合扩增倍率最终得出目标DNA的原始浓度。因此，PCR芯片检测结果的准确性主要取决于有荧光信号和无荧光信号的微液滴单元比例。而这一比例的准确度则取决于作为反应单元的液滴在反应区域的准确分配。而在实际的应用过程中，这样的要求往往难以得到满足。以巢式PCR芯片为例，微液滴需要被均匀的分配到众多微反应腔中，这要求每个反应腔中均包含有一个液滴，不能出现空腔；同时，阵列区域除反应腔之外的空间不应当存在残留液滴。现有的液滴分配手段包括并联式和串联式两类，其中，串联式分配方案由于采用单一分配路径，其分配过程中的空腔率较低，但该方案完成所有微反应腔的液滴分配耗时太长，不利于实现快速检测；而并联式分配虽然分配速率快，但由于芯片制备水平的限制，多个并联分配通道的一致性通常难以保证，这使得各并联通道内实际的液滴分配量并不均衡，因此采用这类分配方案往往出现很高的空腔率，导致检测结果误差偏大。因此，亟需开发一种能够快速准确的执行微液滴分配的技术手段。
技术实现思路
为解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种用于微生物检测的PCR芯片。本专利技术的PCR芯片能够同时实现并联式分配的高分配速率和串联式分配方案的低空腔率；同时，本专利技术的PCR芯片还能够降低反应腔阵列区域的液滴残留量。为实现上述目标，本专利技术具体提供如下方案：一种用于微生物检测的PCR芯片，其包括盖片层1和结构层4；其中，所述结构层4包括液滴分配区42、微反应腔区41和出口区43；所述液滴分配区42包括主通道44，连接于所述主通道44末端的若干级连接通道45和连接于所述连接通道45末端的分配通道46；所述微反应腔区41包括与所述分配通道46数量相同的输送通道411，每一个所述输送通道411的入口均对应连接一个分配通道46的出口；还包括交替设置在所述输送通道411两侧，用于容纳微液滴5的若干微反应腔412；所述出口区43包括与所述输送通道411数量相同且一一对应连接的排出通道415；所述盖片层1至少对应于微反应腔区41的部分为透明材质。优选的，所述微反应腔412的尺寸仅允许容纳单个微液滴5，其前侧壁414(指靠近液体来流方向的一侧壁)和后侧壁均为相对于输送通道411内液体流动方向以锐角倾斜的斜面，所述锐角的角度优选不超过30度。优选的，每个所述微反应腔412的后侧壁上均设置一个向所述输送通道411内延伸的阻流凸起413；所述阻流凸起413到所述输送通道411的相对侧壁的最小距离小于液滴5的直径，从而使得液滴5需要经过形变才能通过所述阻流凸起413；所述阻流凸起413能够对输送通道411内的液滴5进行阻挡，使其优选填充于相应阻流凸起413前端尚未被填充的微反应腔412内；而由于所述微反应腔412的尺寸仅允许容纳充单个液滴5，液滴5在经过已被填充的微反应腔412对应的阻流凸起413处时，由于连续相流体的挤压，将被迫产生一定程度的形变，进而通过所述阻流凸起413，并继续向下游输送。所述阻流凸起413的设置保证了若干微反应腔412的有效填充。优选的，所述阻流凸起413在所述输送通道411内的竖直侧壁为曲线，且上游侧的弧度大于下游侧的弧度，从而防止液滴5在因在阻流凸起413处触碰尖锐表面或由于在所述阻流凸起413的下游形成强湍流而撕裂液滴。优选的，所述液滴分配区42处，除主通道44外，每一条连接通道45和分配通道46在其入口处的通道底面均设置有一个下覆膜电极423，且每一个所述下覆膜电极423均配设有一个与之电连接的第一触点电极421；相应的所述下覆膜电极423和所述第一触点电极421之间通过第一接线422实现电连接；所述第一触点电极421位于结构层4的上表面；所述第一接线422位于通道内的部分和所述下覆膜电极423的表面覆盖有疏水膜或疏水涂层。所述PCR芯片还包括直接贴附于结构层4上表面的控制层3；所述控制层3上设有对应于微反应腔区41的透明区31(可以是透明材质或镂空结构)；所述控制层3上还设有对应于分配所述液滴分配区42的分配控制区32；所述分配控制区32设有数量与所述下控制电极423的数量相同且处于对应位置(指且当所述结构层4和控制层3被正确贴合时，处于相同的垂直投影位置)的上覆膜电极323；以及数量与所述第一触点电极421相同且处于对应位置的第二触点电极321；所述上覆膜电极323与所述第二触点电极321之间不连通，每一个所述第二触点电极321均通过独立的触点引线322接通外部电源的一极；每一个所述上覆膜电极323均通过独立的覆膜引线324接通外部电源的另一极。因此，当所述结构层4与所述控制层3被正确贴合后，可以通过独立的覆膜引线324和触点引线322分别向对应的上覆膜电极323和下覆膜电极423通电，从而改变该对覆膜电极的表面对液滴5的润湿性能。当某一对覆膜电极被通电后，流经此处的液滴5将被可润湿的覆膜电极表面截留，从而形成阻止液滴5进一步流入下级通道或对应的输送通道411的微阀。所述结构层4的出口区43还包括设置在排出通道415的两侧壁上的条电极433，每一条电极433均通过一第二接线432连接一位于所述结构层4的上表面的第三触点电极431；其中，所述条电极433裸露设置在所述排出通道415中；相应的，所述控制层3上设有对应于所述出口区43的出口检测区33；所述出口检测区33包括数量与所述第三触点电极431相同且处于对应位置的第四触点电极331；每一个所述第四触点电极331均通过一个独立的检测引线332连接至外部电源。上述的结构层4和控制层3至少允许执行如下的液滴控制逻辑。当所述结构层4与所述控制层3被正确贴合后，外部电源通过检测引线332、第四触点电极331、第三触点电极431和第二接线432向位于所述排出通道415两侧的条电极433通电，当水相的液滴5尚未填满对应输送通道411内的所有微反应腔412时，仅有油连续相通过所述排出通道415，两个条电极433所在电路不能导通；反之，当对应输送通道411内的所有反应腔412均已被填充时，将有水相的液滴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微生物检测的PCR芯片，包括盖片层(1)和结构层(4)；所述结构层(4)包括液滴分配区(42)、微反应腔区(41)和出口区(43)；所述液滴分配区(42)包括主通道(44)，连接于所述主通道(44)末端的若干级连接通道(45)和连接于所述连接通道(45)末端的分配通道(46)；其特征在于：所述微反应腔区(41)包括与所述分配通道(46)数量相同的输送通道(411)，每一个所述输送通道(411)的入口均对应连接一个分配通道(46)的出口；还包括交替设置在所述输送通道(411)两侧，用于容纳液滴(5)的若干微反应腔(412)；所述出口区(43)包括与所述输送通道(411)数量相同且一一对应连接的排出通道(415)；所述盖片层(1)至少对应于微反应腔区(41)的部分为透明材质；所述微反应腔(412)的尺寸仅允许容纳单个液滴(5)，其前侧壁(414)和后侧壁均为相对于输送通道(411)内液体流动方向以锐角倾斜的斜面；每个所述微反应腔(412)的后侧壁上均设置一个向所述输送通道(411)内延伸的阻流凸起(413)；所述阻流凸起(413)到所述输送通道(411)的相对侧壁的最小距离小于液滴(5)的直径。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于微生物检测的PCR芯片，包括盖片层(1)和结构层(4)；所述结构层(4)包括液滴分配区(42)、微反应腔区(41)和出口区(43)；所述液滴分配区(42)包括主通道(44)，连接于所述主通道(44)末端的若干级连接通道(45)和连接于所述连接通道(45)末端的分配通道(46)；其特征在于：所述微反应腔区(41)包括与所述分配通道(46)数量相同的输送通道(411)，每一个所述输送通道(411)的入口均对应连接一个分配通道(46)的出口；还包括交替设置在所述输送通道(411)两侧，用于容纳液滴(5)的若干微反应腔(412)；所述出口区(43)包括与所述输送通道(411)数量相同且一一对应连接的排出通道(415)；所述盖片层(1)至少对应于微反应腔区(41)的部分为透明材质；所述微反应腔(412)的尺寸仅允许容纳单个液滴(5)，其前侧壁(414)和后侧壁均为相对于输送通道(411)内液体流动方向以锐角倾斜的斜面；每个所述微反应腔(412)的后侧壁上均设置一个向所述输送通道(411)内延伸的阻流凸起(413)；所述阻流凸起(413)到所述输送通道(411)的相对侧壁的最小距离小于液滴(5)的直径。


2.如权利要求1所述的用于微生物检测的PCR芯片，其特征在于：所述锐角的角度优选不超过30度；所述阻流凸起(413)在所述输送通道(411)内的竖直侧壁为曲线，且上游侧的弧度大于下游侧的弧度。


3.如权利要求1所述的用于微生物检测的PCR芯片，其特征在于：所述液滴分配区(42)处，除主通道(44)外，每一条连接通道(45)和分配通道(46)在其入口处的通道底面均设置有一个下覆膜电极(423)，且每一个所述下覆膜电极(423)均配设有一个与之电连接的第一触点电极(421)；相应的所述下覆膜电极(423)和所述第一触点电极(421)之间通过第一接线(422)实现电连接；所述第一触点电极(421)位于结构层(4)的上表面；所述第一接线(422)位于通道内的部分和所述下覆膜电极(423)的表面覆盖有疏水膜或疏水涂层。


4.如权利要求3所述的用于微生物检测的PCR芯片，其特征在于：还包括直接贴附于结构层(4)上表面的控制层(3)；所述控制层(3)上设有对应于微反应腔区(41)的透明区(31)；所述控制层(3)上还设有对应于所述液滴分配区(42)的分配控制区(32)；所述分配控制区(32)设有数量与所述下覆膜电极(423)的数量相同且处于对应位置的上覆膜电极(323)；以及数量与所述第一触点电极(421)相同且处于对应位置的第二触点电极(321)；所述上覆膜电极(323)与所述第二触点电极(321)之间不连通，每一个所述第二触点电极(321)均通过独立的触点引线(322)接通外部电源的一极；每一个所述上覆膜电极(323)均通过独立的覆膜引线(324)接通外部电源的另一极；相互对应的一对上覆膜电极(423)和下覆膜电极(323)构成可以封闭该通道内流体流动路径的微阀。


5.如权利要求4所述的用于微生物检测的PCR芯片，其特征在于：所述结构层(4)的出口区(43)还包括设置在排出通道(415)的两侧壁上的条电极(433)，每一条电极(433)均通过一第二接线(432)连接一位于所述结构层(4)的上表面的第三触点电极(431)；所述条电极(433)裸露设在所述排出通道(415)中。


6.如权利要求5所述的用于微生物检测的PCR芯片，其特征在于：所述控制层(3)上设有对应于所述出口区(43)的出口检测区(33)；所述出口检测区(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴骁伟，王麒，尹琎，旷婉，龚勋，
申请(专利权)人：华中科技大学同济医学院附属同济医院，
类型：发明
国别省市：湖北;42