專利名稱：一種微流控芯片及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片及其應(yīng)用，屬于微流控芯片領(lǐng)域以及生物檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控芯片是以微機(jī)電加工技術(shù)為基礎(chǔ)，由微管路在芯片上形成網(wǎng)絡(luò)，以可控微流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)并完成各種生物和化學(xué)過(guò)程的一種技術(shù)。在微流控芯片技術(shù)發(fā)展早期，芯片毛細(xì)管電泳是其主流技術(shù)，所用芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一；近年來(lái)，微流控芯片開始向功能化、集成化方向飛速發(fā)展，諸如DNA擴(kuò)增反應(yīng)、免疫反應(yīng)、細(xì)胞裂解等重要的生物和化學(xué)過(guò)程成為新的熱點(diǎn)，而為了研究這些復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，通常需要在芯片上制作大量、獨(dú)立、均一的微池，這些微池共同構(gòu)成了微反應(yīng)器陣列。構(gòu)建微反應(yīng)器陣列需要兩步第一步，分配試劑以形成大量、均一的微池(見圖 O;第二步，運(yùn)用閥或介質(zhì)隔離微池，保證各微池的均一性和獨(dú)立性。對(duì)于第一步，當(dāng)前的試劑分配方式多種多樣，如親水管路式(CN1996009B)、真空負(fù)壓式(CN101590389A)、離心式(US6627159, US20050199500A1, US6919058B2, US20030166265A1, W09533986A1)等。對(duì)于第二步，微池的隔離方式比較有限，只有管路變形隔離(US6627159)，礦物油/硅油隔離(CN101590389A),空氣自然隔離。管路變形隔離是采用外部設(shè)備將附有壓敏膠的金屬基材變形，進(jìn)而堵塞流路。此方法的缺陷是無(wú)法自動(dòng)化，對(duì)芯片基材的材質(zhì)有限制性要求，而且壓敏膠的成分會(huì)對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)生干擾。礦物油隔離是在試劑完成分配后，再次加入礦物油，利用油/水的表面張力差異來(lái)進(jìn)行隔離。此方法的缺陷是需要使用者二次加樣，而且由于芯片通常使用膠條封閉進(jìn)出口，礦物油會(huì)溶蝕膠條造成試劑泄露，污染環(huán)境?？諝庾匀桓綦x是在試劑完成分配后，原來(lái)的主通道就變?yōu)榱丝諝?，利用自然形成的空氣間隔來(lái)隔離。此方法原理簡(jiǎn)單，使用方便，但缺陷也最突出。在實(shí)際使用過(guò)程中，包含微池的芯片通常是整體溫度控制，而芯片的不同區(qū)域存在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)差異，這就導(dǎo)致微池內(nèi)的液體會(huì)逐漸蒸發(fā)并在沒有液體的主通道內(nèi)冷凝，冷凝出的小液滴會(huì)逐漸擴(kuò)大甚至形成液膜。蒸發(fā)首先導(dǎo)致各反應(yīng)池試劑不同程度的減少，損害各微池的均一性(見圖2);而且形成的液膜會(huì)連通各微池，造成交叉污染，損害各微池的獨(dú)立性(見圖3 )。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微流控芯片及其在應(yīng)用，所述微流控芯片設(shè)有局部溫度控制裝置，可以控制芯片內(nèi)主通道內(nèi)溫度高于微池內(nèi)溫度，可以有效避免微池試劑減少并避免冷凝液體產(chǎn)生液膜，保證微池的均一性和獨(dú)立性。本發(fā)明所提供的一種微流控芯片，包括基片和蓋片；所述基片上設(shè)有微反應(yīng)器陣列；所述微反應(yīng)器陣列包括至少I個(gè)主通道和至少2個(gè)分別與所述主通道相連通的微池；所述微流控芯片還包括至少I個(gè)局部溫控裝置，所述局部溫控裝置對(duì)所述主通道加熱或?qū)λ鑫⒊剡M(jìn)行冷卻。
上述的微流控芯片中，所述微流控芯片包括2個(gè)平行的主通道，所述2個(gè)主通道之間連通有若干個(gè)所述微池；所述局部溫控裝置為設(shè)置于所述蓋片上的Pt電極，所述Pt電極與所述主通道的位置相應(yīng)。本發(fā)明所提供的第2種微流控芯片，所述微流控芯片包括2個(gè)平行的主通道，所述2個(gè)主通道之間連通有若干個(gè)所述微池；所述局部溫控裝置為設(shè)置于玻璃基片上的冷卻管路，所述玻璃基片貼附于所述基片或蓋片上，且所述冷卻管路與所述微池的位置相應(yīng)。本發(fā)明所提供的第3種微流控芯片，所述微流控芯片包括I個(gè)圓形的主通道，所述主通道由若干個(gè)V型管路首尾連接而成；所述微池包括相連通的緩沖區(qū)和反應(yīng)區(qū)；每個(gè)所 述V型管路的頂部與所述緩沖區(qū)相連通；所述局部溫控裝置為一環(huán)形的電阻膜；所述電阻膜設(shè)于所述基片或蓋片上且與所述基片或蓋片之間設(shè)有間距；所述電阻膜與所述主通道的位置相應(yīng)。上述的微流控芯片，所述電阻膜與所述基片或蓋片之間的間距為(H). 5mm，但不為O ;所述基片或蓋片上與所述電阻膜的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。上述的微流控芯片，所述基片的上表面為經(jīng)硅烷化試劑疏水化的表面，所述疏水化的試劑可為十八燒基二氣娃燒、十八燒基二甲氧基娃燒、羊基二乙氧基娃燒、異丁基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或其同系物及其衍生物；所述蓋片為一鋁箔膜；所述微流控芯片還包括機(jī)械變形裝置，該機(jī)械變形裝置的凸臺(tái)上設(shè)有若干個(gè)圓柱形凸起，若干個(gè)所述圓柱形凸起呈圓形排列且可與若干個(gè)所述緩沖區(qū)位置對(duì)應(yīng)。本發(fā)明所提供的第4種微流控芯片，所述微流控芯片包括相連通的若干排主通道，所述若干排主通道呈矩形排列；所述主通道由若干個(gè)V型管路首尾連接而成，每個(gè)所述V型管路的頂部與所述微池相連通；所述局部溫控裝置包括帕爾貼，所述帕爾貼上設(shè)有若干個(gè)導(dǎo)熱鋁塊；所述帕爾貼與所述基片或蓋片配合時(shí)，所述導(dǎo)熱鋁塊與所述主通道的位置相應(yīng)。本發(fā)明所提供的第5種微流控芯片，所述微流控芯片包括I個(gè)螺旋形的主通道，所述主通道的外壁與若干個(gè)稱量池相連通，所述稱量池與所述微池相連通；所述局部溫控裝置包括一環(huán)形的鋁箔和若干個(gè)呈環(huán)形排列的LED燈；所述環(huán)形的鋁箔貼附于所述基片或蓋片上且與所述主通道的位置相應(yīng)；所述LED燈設(shè)于所述環(huán)形的鋁箔上且與所述環(huán)形的鋁箔之間設(shè)有間距。上述的微流控芯片，所述LED燈與所述環(huán)形的鋁箔之間的間距為(TlOmm，但不為
O;所述基片或蓋片上與所述鋁箔的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。本發(fā)明所提供的第6種微流控芯片，所述微流控芯片包括I個(gè)由若干個(gè)橢圓形區(qū)域連接而成的圓形的主通道；每個(gè)所述橢圓形區(qū)域與所述微池相連通；所述局部溫控裝置為一銅質(zhì)圓環(huán)；所述銅質(zhì)圓環(huán)貼附于所述基片或蓋片上且與所述微池的位置相應(yīng)。上述的微流控芯片，所述基片或蓋片上與所述銅質(zhì)圓環(huán)的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。
利用上述微流控芯片的保證微池均一性和獨(dú)立性的方法，包括如下步驟開啟所述局部溫控裝置以對(duì)所述主通道進(jìn)行加熱或?qū)λ鑫⒊剡M(jìn)行冷卻，使所述主通道內(nèi)的溫度高于所述微池內(nèi)的溫度，即可保證所述微池的均一性和獨(dú)立性。本發(fā)明還提供了上述微流控芯片在生物檢測(cè)或醫(yī)療檢驗(yàn)中的應(yīng)用；所述生物檢測(cè)或醫(yī)療檢驗(yàn)具體可為免疫分析、核酸擴(kuò)增反應(yīng)、核酸雜交反應(yīng)分析或蛋白一受體結(jié)合反應(yīng)。本發(fā)明提供的此微流控芯片，在局部溫控裝置的作用下，微池內(nèi)的試劑不會(huì)在主通道內(nèi)冷凝，這樣各微池內(nèi)的試劑體積保持不變，保證了微池的均一性，主通道內(nèi)沒有與各微池連通的液膜，保證了微池的獨(dú)立性。



圖I為現(xiàn)有微流控芯片中試劑分配后的微池示意圖。圖2為對(duì)現(xiàn)有微流控芯片整體溫控時(shí)微池示意圖，此時(shí)各微池內(nèi)液體的體積不再均一。圖3為對(duì)現(xiàn)有微流控芯片整體溫控時(shí)微池示意圖，此時(shí)各微池內(nèi)液體不再獨(dú)立。圖4為實(shí)施例I中的微流控芯片示意圖。圖5為實(shí)施例2中的微流控芯片示意圖。圖6為實(shí)施例2中的電阻膜示意圖。圖7為實(shí)施例2中實(shí)驗(yàn)組的等溫?cái)U(kuò)增反應(yīng)熒光圖。圖8為實(shí)施例2中對(duì)照組的等溫?cái)U(kuò)增反應(yīng)熒光圖。圖9為實(shí)施例3中的微流控芯片示意圖。圖10為實(shí)施例3中的紅外LED加熱裝置示意圖。圖11為實(shí)施例4中的機(jī)械變形裝置示意圖。圖12為實(shí)施例5中的微流控芯片示意圖。圖13為實(shí)施例6中的微流控芯片示意圖。圖14為實(shí)施例7中的微流控芯片示意圖。圖15為實(shí)施例7中的帕爾貼示意圖。圖16為對(duì)實(shí)施例7中的微流控芯片進(jìn)行手動(dòng)離心的示意圖。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下401主通道；402微池；403局部溫控區(qū)；501Pt電極；601反應(yīng)區(qū)；602緩沖區(qū)；603定位孔；701電阻膜；1001稱量池；1002鋁箔圓環(huán)；1101紅外LED ；1201圓柱形凸起；1301銅質(zhì)圓環(huán)；1401冷卻管路。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。下述實(shí)施例中，芯片制作技術(shù)和使用方法均為微流控芯片領(lǐng)域和生物檢測(cè)領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)和方法。實(shí)施例I、局部溫控區(qū)位于主通道區(qū)域，局部溫控裝置是芯片上的Pt電極如圖4所不,微流控芯片包括兩層,基片是厚度為4mm的聚甲基丙稀酸甲酷(PMMA)片，蓋片是厚度為2mm的玻璃底片；在基片的上表面上設(shè)置了微反應(yīng)器陣列，微反應(yīng)器陣列是根據(jù)公開號(hào)為CN1996009B的專利公開的方案設(shè)計(jì)的。微反應(yīng)器陣列包括2個(gè)平行設(shè)置的主通道401，2個(gè)主通道401之間連接有多個(gè)微池402，其中微池402為類似梭形結(jié)構(gòu)，最寬處6mm,每個(gè)微池體積是144 μ L ;主通道401寬4mm,所有結(jié)構(gòu)深度均為1mm。在蓋片上制作了 Pt電極501 (斜線區(qū)域)，Pt電極501與主通道401的位置相對(duì)應(yīng)，形成局部溫控區(qū)403。上述的微反應(yīng)器陣列可通過(guò)激光雕刻、機(jī)械加工或熱壓封接等現(xiàn)有技術(shù)制作。Pt電極501可通過(guò)濺射、濕法刻蝕等現(xiàn)有技術(shù)制作。PMMA蓋片和玻璃底片通過(guò)膠封接為一體。通過(guò)外接電源連接Pt電極501，目的為通過(guò)電極電阻只加熱局部溫控區(qū)403，而避免加熱微池 402。試劑為SDS溶液(10%W/V)，試劑分配過(guò)程參見專利CN1996009B中的實(shí)施例1，需注意的是所使用的不相溶和不相反應(yīng)的流體為空氣，即此時(shí)微流控芯片內(nèi)只有微池有試齊U，其余部分為空氣。試劑分配步驟完成后，將芯片進(jìn)出口密封，并置于烘箱內(nèi)整體加熱，溫 度為40°C ;同時(shí)通過(guò)Pt電極加熱并控制局部溫控區(qū)的溫度為90°C，這樣加熱過(guò)程中，主通道區(qū)域的溫度一直比微池溫度高。同時(shí)以無(wú)Pt電極的芯片作為對(duì)照。加熱I小時(shí)，將芯片從烘箱內(nèi)取出，顯微鏡觀察微池內(nèi)溶液的體積變化，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組的微池內(nèi)基本無(wú)氣泡，主通道內(nèi)也沒有液滴和液膜，這說(shuō)明微池的均一性和獨(dú)立性得到保證。而對(duì)照組的各微池內(nèi)均有大小不一的氣泡，液膜將各微池連通，對(duì)照組微池均一性和獨(dú)立性均被損害。實(shí)施例2、局部溫控區(qū)位于主通道區(qū)域，局部溫控裝置是芯片外部的電阻膜。如圖5所示，本實(shí)施例的微流控芯片包括兩層，蓋片是厚度為O. Imm的PMMA膜，基片是厚度為2mm的PMMA底片。在基片的上表面上設(shè)置了微反應(yīng)器陣列。微反應(yīng)器陣列可通過(guò)激光雕刻、機(jī)械加工或熱壓封接等現(xiàn)有技術(shù)制作?；蜕w片通過(guò)膠封接為一體。微反應(yīng)器陣列包括主通道401以及與主通道401并行連通的24個(gè)微池402，各個(gè)微池402之間的距離是相等的；其中主通道401是由24個(gè)V型管路首尾連接而成的圓形通道；微池402包括相連通的反應(yīng)區(qū)601和緩沖區(qū)602，每個(gè)V型管路的頂端處均與一緩沖區(qū)602相連通；緩沖區(qū)602為圓柱形，底面直徑I. 5mm ;反應(yīng)區(qū)601也為圓柱形，底面直徑2mm。局部溫控裝置為一環(huán)形的電阻膜701(如圖6所示)，電阻膜701設(shè)于蓋片之上且與蓋片之間保持O. 5mm的距離，且電阻膜701與主通道401的位置相對(duì)應(yīng)進(jìn)而形成了局部溫控區(qū)403 ；基片和蓋片上與電阻膜701的空心部分的位置相應(yīng)處設(shè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸定位孔603，其為一半圓，半徑為5mm。使用此芯片及配套裝置進(jìn)行等溫?cái)U(kuò)增反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果如下一、芯片制備引物序列如下ATTGTAAAACGACGGCCAGTG,BGACCATGATTACGCCAAGCG,CGCTTATCGATACCGTCGACCTCGTACGACTCACTATAGGGCGAAT,DCAGCCCGGGGGATCCACTAGCCTCACTAAAGGGAACAAAAGC ；
將引物A、B、C、D溶于水，得到含有4種引物的水溶液(A、B、C、D在溶液中的濃度均為O. I μ mol/L);取O. 7μ L引物混合液點(diǎn)樣于PMMA底片的奇數(shù)反應(yīng)區(qū)中卿1、3、5、7、9、
11、13、15、17、19、21、23 為陽(yáng)性)，偶數(shù)反應(yīng)區(qū)不點(diǎn)樣(即 2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24為陰性)。將點(diǎn)樣后的芯片置于50°C烘箱中，30分鐘后取出(此時(shí)引物呈固態(tài)吸附在反應(yīng)區(qū)底部)，將芯片的底片和蓋片封接，室溫保存。二、試劑加樣和分配擴(kuò)增反應(yīng)液的組成由體系和模板組成。體系組成如下
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片，包括基片和蓋片；所述基片上設(shè)有微反應(yīng)器陣列；所述微反應(yīng)器陣列包括至少I個(gè)主通道和至少2個(gè)分別與所述主通道相連通的微池； 其特征在于所述微流控芯片還包括至少I個(gè)局部溫控裝置，所述局部溫控裝置對(duì)所述主通道加熱或?qū)λ鑫⒊剡M(jìn)行冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括2個(gè)平行的主通道，所述2個(gè)主通道之間連通有若干個(gè)所述微池； 所述局部溫控裝置為設(shè)置于所述蓋片上的Pt電極，所述Pt電極與所述主通道的位置相應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括2個(gè)平行的主通道，所述2個(gè)主通道之間連通有若干個(gè)所述微池； 所述局部溫控裝置為設(shè)置于玻璃基片上的冷卻管路，所述玻璃基片貼附于所述基片或蓋片上，且所述冷卻管路與所述微池的位置相應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括I個(gè)圓形的主通道，所述主通道由若干個(gè)V型管路首尾連接而成；所述微池包括相連通的緩沖區(qū)和反應(yīng)區(qū)；每個(gè)所述V型管路的頂部與所述緩沖區(qū)相連通； 所述局部溫控裝置為一環(huán)形的電阻膜；所述電阻膜設(shè)于所述基片或蓋片上且與所述基片或蓋片之間設(shè)有間距；所述電阻膜與所述主通道的位置相應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微流控芯片，其特征在于所述電阻膜與所述基片或蓋片之間的間距為(TO. 5mm，但不為O ;所述基片或蓋片上與所述電阻膜的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的微流控芯片，其特征在于所述基片的上表面為經(jīng)硅烷化試劑疏水化的表面； 所述蓋片為一鋁箔膜； 所述微流控芯片還包括機(jī)械變形裝置，該機(jī)械變形裝置的凸臺(tái)上設(shè)有若干個(gè)圓柱形凸起，若干個(gè)所述圓柱形凸起呈圓形排列且可與若干個(gè)所述緩沖區(qū)位置對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括相連通的若干排主通道，所述若干排主通道呈矩形排列；所述主通道由若干個(gè)V型管路首尾連接而成，每個(gè)所述V型管路的頂部與所述微池相連通； 所述局部溫控裝置包括帕爾貼，所述帕爾貼上設(shè)有若干個(gè)導(dǎo)熱鋁塊；所述帕爾貼與所述基片或蓋片配合時(shí)，所述導(dǎo)熱鋁塊與所述主通道的位置相應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括I個(gè)螺旋形的主通道，所述主通道的外壁與若干個(gè)稱量池相連通，所述稱量池與所述微池相連通； 所述局部溫控裝置包括一環(huán)形的鋁箔和若干個(gè)呈環(huán)形排列的LED燈；所述環(huán)形的鋁箔貼附于所述基片或蓋片上且與所述主通道的位置相應(yīng)；所述LED燈設(shè)于所述環(huán)形的鋁箔上且與所述環(huán)形的鋁箔之間設(shè)有間距。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流控芯片，其特征在于所述LED燈與所述環(huán)形的鋁箔之間的間距為(TlOmm，但不為O ;所述基片或蓋片上與所述鋁箔的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括I個(gè)由若干個(gè)橢圓形區(qū)域連接而成的圓形的主通道；每個(gè)所述橢圓形區(qū)域與所述微池相連通； 所述局部溫控裝置為一銅質(zhì)圓環(huán)；所述銅質(zhì)圓環(huán)貼附于所述基片或蓋片上且與所述微池的位置相應(yīng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微流控芯片，其特征在于所述基片或蓋片上與所述銅質(zhì)圓環(huán)的空心部位相對(duì)應(yīng)處設(shè)有定位孔。
12.基于權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述微流控芯片的保證微池均一性和獨(dú)立性的方法，包括如下步驟開啟所述局部溫控裝置以對(duì)所述主通道進(jìn)行加熱或?qū)λ鑫⒊剡M(jìn)行冷卻，使所述主通道內(nèi)的溫度高于所述微池內(nèi)的溫度，即可保證所述微池的均一性和獨(dú)立性。
13.權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述微流控芯片在生物檢測(cè)或醫(yī)療檢驗(yàn)中的應(yīng)用。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的應(yīng)用，其特征在于所述生物檢測(cè)或醫(yī)療檢驗(yàn)為免疫分析、核酸擴(kuò)增反應(yīng)、核酸雜交反應(yīng)分析或蛋白一受體結(jié)合反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微流控芯片及其應(yīng)用。該微流控芯片包括基片和蓋片；所述基片上設(shè)有微反應(yīng)器陣列；所述微反應(yīng)器陣列包括至少1個(gè)主通道和至少2個(gè)分別與所述主通道相連通的微池；所述微流控芯片還包括至少1個(gè)局部溫控裝置，所述局部溫控裝置對(duì)所述主通道加熱或?qū)λ鑫⒊剡M(jìn)行冷卻。使用此微流控芯片，在局部溫控裝置的作用下，微池內(nèi)的試劑不會(huì)在主通道內(nèi)冷凝，這樣各微池內(nèi)的試劑體積保持不變，保證了微池的均一性，主通道內(nèi)沒有與各微池連通的液膜，保證了微池的獨(dú)立性。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102886280SQ20121031135
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者張國(guó)豪, 黃國(guó)亮, 王璨, 郭素, 王磊, 邢婉麗, 程京 申請(qǐng)人:博奧生物有限公司, 清華大學(xué)