一种连接有硅基微阀的微腔式数字PCR碟式芯片

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，特别涉及一种连接有硅基微阀的微腔式数字PCR碟式芯片。

背景技术

数字PCR(digital Polymerase Chain Reaction,dPCR)是在常规PCR和荧光定量PCR基础上发展起来的第三代PCR技术，作为一种体外DNA扩增技术，以其强特异性、高灵敏度、绝对定量、简便快速等特点成为生命科学领域的一项重要检测手段。然而，现有的商业化dPCR平台受限于昂贵的设备或者复杂的操作，难以实现广泛应用。且目前基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料的dPCR芯片，因材料本身的通透性、疏水性等引发了水分过度挥发、蛋白吸附等问题，导致此类芯片的应用受到很大的局限。上述内容显示目前核酸扩增检测手段在病原体检测领域的应用还存在尚需解决的问题。

目前关于碟式芯片的研究主要集中于一次加样多项目联检，但是对于水分过度挥发等问题仍然没有相关的研究公开。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连接有硅基微阀的微腔式数字PCR碟式芯片，该碟式芯片通过离心力以及毛细力驱动，实现了样品自发、有序分配的全过程，后利用温控模块及光学检测系统即可实现低丰度核酸样品的高通量、高灵敏的绝对定量检测。

本发明提供了一种连接有硅基微阀的微腔式数字PCR碟式芯片，包括碟式圆盘和若干个反应单元，单个反应单元由圆盘内到外依次包括通过连接管道相连的样品区、硅基微阀和硅基微腔阵列；其中，所述硅基微阀由第一硅基底和若干个亲水疏油的毛细管组成；所述硅基微腔阵列由第二硅基底和若干个微腔体组成。

所述若干个反应单元呈中心对称式分布。

所述硅基微阀由第一硅基底和若干个相互平行的亲水疏油的毛细管组成。

所述硅基微腔阵列由第二硅基底和数万个纳升级的表面疏水和孔内壁亲水的微腔体组成。

所述硅基微腔阵列为数字PCR扩增区。

所述微腔体为上下通透结构。

本发明将流体控制功能的亲水疏油的硅基微阀结构与微腔数字PCR集成一体化，在离心力以及毛细力的驱动下，反应试剂能够有序通过微阀并自发分配至微腔反应阵列中。将离心力大小的改变与硅基微阀的亲水疏油特性巧妙的结合起来，能够实现对流体的限流和切换控制功能，使得水相和油相有序进入PCR扩增区；利用微腔阵列的特殊结构以及特性，使得水性试剂均可由毛细力自发填充至腔体中，油相覆盖上面。最终，通过离心力以及毛细力驱动，实现了样品自发、有序分配至微腔数字PCR反应单元的全过程，后利用温控模块及光学检测系统即可实现低丰度核酸样品的高通量、高灵敏的绝对定量检测。

(1)本发明采用碟式圆盘对称分布，以离心力作为液体的驱动力，无需外部泵送提供压力；同时，通过改变芯片的旋转速度可以控制样本流体的流速。

(2)本发明采用亲水疏油的硅基微阀结构控制水相和油相有序进入PCR扩增区域，能够实现对芯片上流体的限流功能。

(3)本发明提供的硅基微腔数字PCR包括数万个纳升级的微反应室，每个硅基质腔体均由毛细力将水性试剂吸入腔体，油封上面，具有高通量、无泵化以及易于自动化等优点；同时微腔结构实现核酸分子绝对定量，具有出色的灵敏度、特异性和精确性。

附图说明

图1是本发明碟式芯片的结构图；其中1为碟式圆盘，2为单个反应单元。

图2是本发明碟式芯片中的一个反应单元结构图；其中，201为硅基底，202为毛细管，203为油相，204为水相，205为硅基底，206为微腔阵列中的微腔体。

图3是本发明亲水疏油微阀结构示意图；其中，左侧为俯视图，右侧为侧视图。

图4是本发明微腔结构示意图。

图5为本发明微腔结构立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

由图1和2所示，本实施例提供了一种连接有硅基微阀的微腔式数字PCR碟式芯片，包括碟式圆盘1和若干个反应单元2，单个反应单元2由圆盘内到外依次包括通过连接管道相连的样品区、硅基微阀和硅基微腔阵列；其中，所述硅基微阀由第一硅基底201和若干个相互平行的亲水疏油的毛细管202组成；所述硅基微腔阵列由第二硅基底205和数万个纳升级的表面疏水和孔内壁亲水的微腔体206组成。在离心力的驱动下，PCR预混液(含有提取纯化的目标核酸)等水相先通过亲水阀门进入硅基微腔阵列，随着离心力的进一步增大，油相进入硅基微腔阵列并覆盖微腔。极微量核酸样本在温控条件下进行快速、定量的荧光扩增反应，并可定量分析。

其中，如图1所示，若干个反应单元2在碟式芯片上呈中心对称式分布，便于每个反应单元所受到离心力相同。利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液流的驱动力，无需外部泵送提供压力；通过改变芯片旋转速度和设计不同的通道构型可实现流体限流和切换控制功能。

其中，如图2、3所示，硅基微阀以硅为基质，通过微加工技术在其表面刻蚀出微流控通道，再利用表面改性等操作使其具有亲水疏油的特性，能够控制水相和油相有序进入PCR扩增区域，即硅基微腔阵列。加工后的微通道是敞开的，为了使通道形成毛细管，通常需要将另一块高聚物或玻璃作为盖片与该基片封合。

其中，如图4、5所示，每个硅基微腔阵列由数万个纳升级的表面疏水和孔内壁亲水的微腔体206，可容纳20μL，面积1cm×0.5cm。每个微腔体206均为上下通透结构，由毛细力把水性试剂吸入腔体，油封上面。

经碟式芯片上的核酸提取纯化模块得到PCR预混液后，芯片离心转动。在一定的转速下(f