法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-28
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明涉及一种微滴式数字聚合酶链反应芯片，属于数字PCR芯片领域。
背景技术
聚合酶链反应芯片又称PCR芯片。现有技术中能够同时实现“生成+扩增”的数字PCR芯片很少，这是因为扩增过程为了，提高热量传递到样本体系的效率、保证扩增效果往往需要加热加压，现有技术中的数字PCR芯片生成乳液并收集后，不能和扩增的部分隔离，导致难以加热加压，一方面，收集乳液的部分仍与微流通道连通，导致热量从微流通道散失，加热效率低；另一方面，在没有密封的环境下加压，会使溶液挥发，导致检测不准确。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微滴式数字聚合酶链反应芯片，既能够生成乳液并进行收集，也能实现扩增操作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微滴式数字聚合酶链反应芯片，包括相连的芯片本体和收集管，所述芯片本体内设置有流向所述收集管的浊相通道以及汇聚于所述浊相通道入口的油相通道和水相通道，所述浊相通道按乳液流经次序分为曲流道和直流道，所述芯片本体的顶面设置有所述油相通道的入口、所述水相通道的入口、经所述直流道直通所述收集管的吸出口和与所述曲流道相贯的热熔柱入口。
本申请提供的微滴式数字聚合酶链反应芯片既能够生成乳液并在收集管中收集，也能用热熔柱封闭热熔柱入口实现封闭，便于扩增操作，扩增后能直接将收集管中的溶液从吸出口吸出。
进一步地，所述芯片本体的顶部设置有第一凸台，所述吸出口贯穿所述第一凸台并开口于所述第一凸台的顶面。
PCR芯片在扩增步骤中需要加热，对PCR芯片加热时需要用到加热盖，设置了第一凸台后，加热盖仅与第一凸台相抵，而不与芯片本体的整个顶面接触，有利于减少热量散失，能够提高加热的效率。
进一步地，所述油相通道的流向为，从所述芯片本体的顶面向下到达第三平面，并在所述第三平面处收缩成油相微流道；所述水相通道的流向为，从所述芯片本体的顶面向下到达所述第三平面，并在所述第三平面处收缩成水相微流道；所述油相微流道和所述水相微流道在所述第三平面汇聚，汇聚处为所述浊相通道的入口。
进一步地，所述浊相通道的流向为，从所述油相通道和所述水相通道的汇聚处开始，在第三平面上形成乳液微流道，所述乳液微流道的末段向上到达第二平面，并扩容成富集池，所述富集池经溢流槽溢流至所述直流道；所述乳液微流道、所述富集池和所述溢流槽构成所述曲流道。
在加样时，通常难以使得油相添加量与水相添加量相当，大多数情况下，油相多于水相；另一方面，微滴式PCR芯片在乳液生成过程中，在负压下，油相的剪切力“剪断”油水两相的界面张力生成微滴。如果直接收集浊相，则收集管中容易收集到过量的油相，油相过量在扩增加热过程中容易沸腾，造成液滴损失。而在此体系中，油相的密度大于乳液，经过富集池富集后，乳液溢流向收集管，未能充分混合的油相留在了富集池底部，使得扩增操作时不易沸腾。
进一步地，所述热熔柱入口竖直连通所述富集池。
该芯片配合另购或另制的热熔柱使用，在收集够乳液后，在加热热熔柱的状态下将热熔柱压入热熔柱入口，热熔柱熔融后封闭富集池的池底，此后，该芯片中的管路被隔断成两部分，即油相通道与水相通道至富集池为第一部分，吸出口直通收集管为第二部分，第二部分此时可用于扩增，由于已经和第一部分隔离，扩增中加热加压都不会导致溶液向乳液生成的部分蒸发。热熔柱入口竖直连通所述富集池有利于收集够乳液后直接、快速地将热熔柱压入芯片本体中。
进一步地，所述芯片本体的底部设置有向下伸出的导流嘴，所述导流嘴的根部周边设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有密封胶圈。
环形凹槽与密封胶圈的配合能够增强收集管和芯片本体之间的密封性。
进一步地，所述芯片本体包括多个工作单元，每个所述工作单元各自独立地包括所述油相通道、所述水相通道、所述浊相通道、所述吸出口和所述热熔柱入口；多个所述收集管阵列相连，且所述收集管与所述工作单元的分布位置一一对应。
进一步地，所述工作单元与所述收集管各阵列成一排，所述吸出口、所述直流道和所述收集管位于所述芯片本体的中线上。
市面上的PCR管大多是一排8个，工作单元阵列成一排能很好地与市面上的PCR管相适应，普适性更强，可直接外购市面上的PCR管作为收集管。吸出口、直流道和收集管位于所述芯片本体的中线上，使得芯片整体平衡性强，方便集成其他自动化设备。
进一步地，所述芯片本体从上往下包括依次层叠的顶盖层、覆盖层、通道层和导向层，相邻的层在边缘处密封连接；
所述油相通道和所述水相通道按液体流向依次经过所述顶盖层-所述覆盖层-所述通道层；所述浊相通道按乳液流向依次经过所述通道层-所述覆盖层-所述通道层-所述导向层；所述吸出口直线贯穿所述顶盖层、所述覆盖层、所述通道层和所述导向层；所述热熔柱入口在所述覆盖层与所述曲流道相贯。
进一步地，所述芯片本体从上往下包括依次层叠的顶盖层、覆盖层、通道层和导向层，相邻的层在边缘处密封连接；
所述顶盖层上贯穿地设置有所述吸出口和所述热熔柱入口，所述顶盖层的顶部设置有油相池和水相池，所述顶盖层的顶部设置有与所述油相池连通的第一油相孔和与所述水相池连通的第一水相孔；
所述覆盖层上贯穿地设置有与所述第一油相孔位置对应的第二油相孔、与所述第一水相孔位置对应的第二水相孔、与所述吸出口位置对应的第二吸出孔，所述覆盖层的顶部设置有富集池、连接所述富集池和所述第二吸出孔的溢流槽，所述覆盖层的底部设置有与所述富集池连通的富集孔；
所述通道层上贯穿地设置有与所述第二吸出孔位置对应的第三吸出孔，所述通道层的顶面设置有油相缓存池、水相缓存池、浊相微流槽、油相微流槽、水相微流槽和位置与所述富集孔对应的生成池，所述油相微流槽起源于所述油相缓存池，所述水相微流槽起源于所述水相缓存池，所述油相微流槽的终点和所述水相微流槽的终点汇聚并作为所述浊相微流槽的起点，所述浊相微流槽的终点为所述生成池；
所述导向层上贯通地设置有与所述第三吸出孔位置对应的第四吸出孔。
本发明的有益效果是：本发明的微滴式数字聚合酶链反应芯片既能完成生成任务，也能完成扩增任务，在生成工作中，油相和水相分别经油相通道和水相通道进入浊相通道中混合，然后流入收集管中，扩增时，能利用热熔柱隔断浊相通道，隔离芯片中生成乳液的部分，便于扩增时加热、加压，不会导致溶液向外蒸发，减少热量向外散失，在扩增完成后能直接从吸出口将溶液吸出，有利于后续检测准确。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种微滴式数字聚合酶链反应芯片的爆炸图。
图2是本申请实施例提供的一种通道层的俯视图。
图3是本申请实施例提供的一种通道层的局部放大图。
图4是本申请实施例提供的一种顶盖层的立体图。
图5是本申请实施例提供的一种覆盖层的立体图。
图6是本申请实施例提供的一种芯片本体底部与收集管的装配关系图。
附图标记：1、顶盖层；11、热熔柱入口；12、第一凸台；13、吸出口；14、油相池；141、第一油相孔；15、水相池；151、第一水相孔；2、覆盖层；21、富集池；211、富集孔；23、第二吸出孔；24、第二油相孔；25、第二水相孔；28、溢流槽；3、通道层；31、生成池；311、浊相微流槽；33、第三吸出孔；34、油相缓存池；341、油相微流槽；35、水相缓存池；351、水相微流槽；4、导向层；43、第四吸出孔；431、导流嘴；432、环形凹槽；46、密封胶圈；5、排管；53、收集管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
数字PCR全流程包括加样、生成、扩增、检测四个工序，各工序在PCR所用仪器不同的区域模块内实现的，在不同区域模块间传送时，通过机械手或传送带运送。一般的数字PCR芯片只能完成加样和生成的工序，例如通过机械滴管加样到数字PCR芯片上，然后在数字PCR芯片内生成乳液，然后将乳液吸取到密闭容器中加压、加热以完成扩增，扩增后再吸取到下一区域模块上机检测。一般的数字PCR芯片不能用于扩增是因为扩增过程需要加热。生成过程是油相的剪切力“剪断”油水两相的界面张力生成微滴的过程。，在收集完液滴后，一般的数字PCR芯片不能隔离用于生成乳液的流道，使得加热时热量向微流道散失，加热效率低，而已收集的液滴受热蒸发重返流道中逆向运动，导致液滴损失，进而会使得检测不准确。同样是为了避免液滴损失，在加热过程中要避免溶液沸腾，沸腾将造成大量液滴损失，通常防止沸腾的做法是增大液面上的气压，提高沸点，但由于一般的数字PCR芯片不能隔离用于生成乳液的流道，加压反而增加液滴损失，也会将流道中的液体吹出。
针对这些问题，参照图1，本申请一种微滴式数字聚合酶链反应芯片，包括相连的芯片本体和收集管53，芯片本体内设置有流向收集管53的浊相通道以及汇聚于浊相通道入口的油相通道和水相通道，浊相通道按乳液流经次序分为曲流道和直流道，芯片本体的顶面设置有油相通道的入口、水相通道的入口、经直流道直通收集管53的吸出口13和与曲流道相贯的热熔柱入口11。
该芯片能完成加样、生成、扩增的三个工序。
在加样时，通过机械滴管加样到油相通道的入口和水相通道的入口，然后通过工装在芯片本体顶面覆盖一层铝箔或铝膜（机械如何运动不在本发明的讨论范围，实际上人工覆膜也可以实现相同效果），防止机械手在运送PCR芯片过程中污染样本。其中油相通常是氟化液，密度比水大，沸点比水低；水相通常是扩增需要的核酸、酶、引物等。
在生成时，在吸出口13处刺穿铝箔，对收集管53施加负压，依靠收集管53与油相入口、水相入口的压力差驱动油相和水相流动在生成口生成液滴，油相和水相分别经油相通道、水相通道到达浊相通道的起始点，进入到浊相通道时两相界面被油相的剪切力打破，并混合成乳液，先经过浊相通道的曲流道，然后进入浊相通道的直流道，在直流道中依靠重力流进收集管53中。
扩增前，将一段热熔柱通过工装（具体是用一条热的金属柱，机械如何运动不在本发明的讨论范围，实际上可以人工加热热熔柱并压入，效果相同）压入热熔柱入口11中，直至到达曲流道，热熔柱（具体可以是热熔胶）受热熔融，封闭曲流道。此时，原本油/水相通道-曲流道-直流道-收集管53构成的用于收集液滴的通道被隔断，油/水相通道至曲流道为第一部分，直流道至收集管53为第二部分，实现了隔离。扩增时，在上从吸出口13加热，在下对收集管53加热，在上通过热盖向吸出口13加热。本申请的另一个优点是能够加热并加压，现有技术中只能加热，本申请由于使PCR芯片变为封闭的环境，液滴不能重返用于乳液生成的通道，可以使用既能加热又能加压的热盖对PCR芯片加压，提高溶液的沸点，避免溶液沸腾，减少液滴损失，有利于后续检测准确。
在检测时，撤离热盖，吸管从吸出口直探入收集管53中，吸取扩增完的液滴，移液至上机检测。直流道既是生成时传递负压至收集管53的通道，也是乳液生成时用于收集乳液的通道，也是扩增时加热加压的通道，同时又是检测前便于吸取溶液的通道。
参照图2和图3，油相通道的流向为，从芯片本体的顶面向下到达一平面，即第三平面，并在第三平面处收缩成油相微流道；水相通道的流向为，从芯片本体的顶面向下到达第三平面，并在第三平面处收缩成水相微流道；油相微流道和水相微流道在第三平面汇聚，汇聚处为浊相通道的入口。
油相通道和水相通道首先向下，以压力差作为样本流动的推动力，微滴式PCR芯片的微流道内径约为100μm，要在立体结构中设置如此细小的管路十分困难，本申请实施例将微流道都安排在同一平面中，便于加工。
参照图5，浊相通道的流向为，从油相通道和水相通道的汇聚处开始，在第三平面上形成乳液微流道，乳液微流道的末段向上到达区别于第三平面的另一平面，即第二平面，并扩容成富集池21，富集池21经溢流槽28溢流至直流道；乳液微流道、富集池21和溢流槽28构成曲流道，溢流槽28往后（按流向）的浊相通道为直流段。
由于油相的剪切力“剪断”油水两相的界面张力生成微滴的混合效果不一定混合充分；另一方面，大多数情况下在加样时会使得油相多于水相。如果直接收集浊相，则收集管53中容易收集到过量的油相，油相通常是氟化油，沸点比水低，容易沸腾造成液滴损失。而氟化液的密度大于乳液，经过富集池21富集后，乳液溢流向收集管53，未能充分混合的油相留在了富集池21底部，使得扩增操作时不易沸腾。
具体地，芯片本体从上往下包括依次层叠的顶盖层1、覆盖层2、通道层3和导向层4，相邻的层在边缘处密封连接；油相通道和水相通道按液体流向依次经过顶盖层1-覆盖层2-通道层3；浊相通道按乳液流向依次经过通道层3-覆盖层2-通道层3-导向层4；吸出口13直线贯穿顶盖层1、覆盖层2、通道层3和导向层4；热熔柱入口11在覆盖层2与曲流道相贯。
优选地，热熔柱入口11竖直连通富集池21。热熔柱入口11竖直连通富集池21有利于收集够乳液后直接、快速地将热熔柱压入芯片本体中。前述的“油/水相通道至曲流道为第一部分”在该实施例中不包括曲流道的溢流槽28，热熔柱封闭的是富集池21。
如图1和图6所示，芯片本体包括多个工作单元，每个工作单元各自独立地包括油相通道、水相通道、浊相通道、吸出口13和热熔柱入口11；多个收集管53阵列相连，且收集管53与工作单元的分布位置一一对应。该芯片能同时处理多组样本。更具体地，工作单元与收集管53各阵列成一排，吸出口13、直流道和收集管53位于芯片本体的（与排列方向平行的）中线上。优选为一排8个，因为市面上PCR管多数是8个小管一排。工作单元阵列成一排能很好地与市面上的PCR管相适应，普适性更强，可直接外购市面上的PCR管作为收集管53。吸出口13、直流道和收集管53位于芯片本体的中线上，使得芯片整体平衡性强，可做成以中线轴对称（图示的实施例可相应地调整热熔柱入口相关的特征的位置），方便集成其他自动化设备，如工装、机械移液管、热盖、机械手等。
要在立体的结构中设置上述曲折、上下流转、细小的通道十分困难，但采用分层的方式可以大大降低制作难度。
顶盖层1上贯穿地设置有吸出口13和热熔柱入口11，顶盖层1的顶部设置有油相池14和水相池15，顶盖层1的底部设置有与油相池14连通的第一油相孔141和与水相池15连通的第一水相孔151。可见，采用注塑的方式很容易制作出顶盖层1。在一些实施例中，还可以在平板上两面打孔做出顶盖层1。
覆盖层2上贯穿地设置有与第一油相孔141位置对应的第二油相孔24、与第一水相孔151位置对应的第二水相孔25、与吸出口13位置对应的第二吸出孔23，覆盖层2的顶部设置有富集池21、连接富集池21和第二吸出孔23的溢流槽28，覆盖层2的底部设置有与富集池21连通的富集孔211。同样，采用注塑的方式很容易制作出覆盖层2。在一些实施例中，还可以在平板上打孔、铣槽做出覆盖层2。
通道层3上贯穿地设置有与第二吸出孔23位置对应的第三吸出孔33，通道层3的顶面设置有油相缓存池34、水相缓存池35、浊相微流槽311、油相微流槽341、水相微流槽351和位置与富集孔211对应的生成池31，油相微流槽341起源于油相缓存池34，水相微流槽351起源于水相缓存池35，油相微流槽341的终点和水相微流槽351的终点汇聚并作为浊相微流槽311的起点，浊相微流槽311的终点为生成池31。若采用注塑的方式虽精度要求较高，但仍然在现有加工工艺能够实现的范围内。在一些实施例中，还可以在平板上打孔、铣槽做出通道层3。需要注意的是，微流槽并不是完整的微流道，在覆盖层2覆盖到通道层3上后，才形成完整的微流道，覆盖层2的底面作为微流道的顶部内壁。
导向层4上贯通地设置有与第三吸出孔33位置对应的第四吸出孔43。同样，采用注塑的方式很容易制作出导向层4。在一些实施例中，还可以在平板上打孔做出导向层4。
油相池14、第一油相孔141、第二油相孔24、油相缓存池34、油相微流道依次构成了油相通道。
水相池15、第一水相孔151、第二水相孔25、水相缓存池35、水相微流道依次构成了水相通道。
浊相微流道、生成池31、富集孔211、富集池21、溢流槽28依次构成了曲流道。
第二吸出孔23、第三吸出孔33、第四吸出孔43依次构成了直流道。
吸出口13直接连通了直流道。
如此，本来复杂的立体结构可以通过各层简单的注塑或板材加工组合而成。此外，现有的一体化数字PCR芯片还存在尺寸大、死体积多、不便集成自动化设备等缺点。而如此多层设计制得的芯片整体尺寸小，一排8个工作单元加上排管5的尺寸也仅为84 × 24 ×24mm；油相和样本储存在顶层不同的储液池，芯片死体积小；平衡性强，方便集成自动化设备。
在一些实施例中，芯片本体的顶部设置有第一凸台12，吸出口13贯穿第一凸台12并开口于第一凸台12的顶面。
具体地，第一凸台12设置在顶盖层1上，高度1.0mm，第一凸台12通过注塑与顶盖层一体成型。PCR芯片在扩增步骤中需要加热，对PCR芯片加热时需要用到加热盖，设置了第一凸台后，加热盖仅与第一凸台相抵，而不与芯片本体的整个顶面接触，有利于减少热量散失，能够提高加热的效率。
在一些实施例中，芯片本体的底部设置有向下伸出的导流嘴431，导流嘴431连通直流道，导流嘴431的根部周边设置有环形凹槽432，环形凹槽432内设置有密封胶圈46。实际上，其他层上的孔都是比较小的孔，整个芯片中导向层4和收集管53之间的孔最大，因此需要更好的密封性。
具体地，导流嘴431、环形凹槽432设置在导向层4底部，环形凹槽432深度1.2mm，与导向层4一体注塑而成。
更优选地，收集管53连成排管5，排管5上设置有与环形凹槽432位置对应的第五凸台，高度0.5mm，用于压紧密封胶圈，进一步提高密封性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
