CN113773951A - 一种核酸检测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核酸检测芯片，所述核酸检测芯片包括若干个反应单元，每个所述反应单元由一端至另一端依次包括连通设置的第一储液件(1)、第一被动阀(2)、第二储液件(3)、第二被动阀(4)、进样缓冲件(5)和PCR检测件(6)。本申请技术方案提供一种免纯化、样本核酸快速释放的高通量核酸检测芯片，在短时间内可以对几十个样本进行快速扩增及高灵敏检测。

Description

一种核酸检测芯片

技术领域

本发明涉及生物检测领域，特别是涉及一种核酸检测芯片。

背景技术

核酸检测技术是目前病原体直接检测的主要手段，检测下限可以达到几十个甚至几个拷 贝数。其相较于基于免疫学的检测方法，可以从根本上检测到是否存在被检测病原体的靶序 列，有效减少检测结果中假阴性的存在。在检测过程中，样品的制备即核酸提取步骤是检测 过程中最为繁琐的步骤，且该步骤耗时长、易发生样本间交叉污染。因此，集成样本制备与 检测***、同时具备高通量检测与便携性的一体化装置是本领域人员一项待解决的技术问题。

基于此问题，研究人员提出并设计了用于简化样本制备或核酸检测的装置。HauVan Nguyen团队(Biosensors and Bioelectronics，2021)研发的装置呈圆盘状，可用于多样本核酸 提取与纯化处理，每个单元包括了两个储液腔分别用于注入待处理的样品与反应试剂，通过 基于纸基的固相萃取技术捕获核酸分子。最后，在方向离心力驱动下，洗脱下吸附的核酸分 子并实现废液与纯化后核酸的分离。Juxin Yin团队(Lab On Chip，2020)研发的装置基于核 酸纯化磁珠技术，包括4个储液池用来储存纯化过程中多种试剂，通过手持磁铁在芯片底部 拖动来实现携带核酸分子的磁珠在试剂中完成反应。在负压驱动下，纯化后核酸溶液流入数 字PCR区进行扩增反应。上述装置实现了多个样本的同时提取纯化或对单个样本实现核酸提 取纯化与检测一体化。但是，操作过程中依赖于基于正压或负压的进样方式或需要手持磁铁 以手动方式完成试剂间混合反应，不仅对操作人用专业技能要求高且实验结果往往难以重复。 因此，高通量的核酸提取纯化与检测一体化装置在病原体检测领域的应用还存在尚需解决的 问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种核酸检测芯片，其免纯化、 样本核酸快速释放、高通量，能在短时间内对几十个样本进行快速扩增及检测，并且结合了 数字PCR检测具有较高灵敏度，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明提供一种核酸检测芯片，所述核酸检测芯片包括若干个反应单元，每个所述反应 单元由一端至另一端依次包括连通设置的第一储液件、第一被动阀、第二储液件、第二被动 阀、进样缓冲件和PCR检测件。

根据一个实施例，若干个反应单元的所述第一储液件依次连通，且形成同一第一进样口 和第一出样口。

根据一个实施例，若干个反应单元的所述第二储液件依次连通，且形成同一第二进样口和 第二出样口。

根据一个实施例，若干个反应单元设于同一载体上，且在载体上呈放射状分布。

根据一个实施例，所述载体呈圆盘状，任意所述反应单元沿着所述圆盘状载体的半径设置， 且任意所述反应单元的一端靠近圆盘状载体的中心。

根据一个实施例，所述第一储液件包括第一储液室、第一进样通道和第一出样通道；所述 第一储液室形成有第一储液腔，所述第一进样通道和所述第一出样通道均与所述第一储液室 的储液腔连通；

根据一个实施例，所述第二储液件包括第二储液室、第二进样通道和第二出样通道；所述 第二储液室形成有第二储液腔，所述第二进样通道和所述第二出样通道均与所述第二储液室 的储液腔连通。

根据一个实施例，所述第一储液件还包括第一隔离柱，所述第一隔离柱设于所述第一储液 腔内且固定于所述第一储液室的顶部。

根据一个实施例，所述第一进样通道和第一出样通道之间的夹角不小于90°。

根据一个实施例，所述第二储液件还包括第二隔离柱，所述第二隔离柱设于所述第二储液 腔内且固定于所述第二储液室的顶部。

根据一个实施例，所述第二进样通道和第二出样通道之间的夹角不小于90°。

根据一个实施例，所述第一被动阀和所述第二被动阀均包括依次连通的第一疏水阀、毛细 管连接管道和第二疏水阀；所述第一疏水阀和所述第二疏水阀均包括管道和设于所述管道内 的若干个阵列排布的疏水柱。

根据一个实施例，所述进样缓冲件包括缓冲腔和设于缓冲腔上部且与所述缓冲腔连通的点 样池；所述第二储液件与所述缓冲腔连通。

根据一个实施例，所述PCR检测件包括检测室，所述检测室形成有检测腔，且所述检测 室的内底面设有阵列结构排布的微腔。

根据一个实施例，微腔开口轮廓呈正六边形。

根据一个实施例，所述核酸检测芯片还包括空气缓冲件，所述空气缓冲件包括空气缓冲腔 和连接于所述空气缓冲腔两端的气体通道，两端所述气体通道分别与第二储液腔和所述缓冲 腔连通。

根据一个实施例，所述进样缓冲件与所述PCR检测件之间通过管道连通且管道上连通有 缓冲件。

本发明上述技术方案具有以下有益效果：

本申请技术方案提供一种免纯化、样本核酸快速释放的高通量核酸检测芯片，在短时间内 可以对几十个样本进行快速扩增及高灵敏检测。

附图说明

图1显示为本发明的核酸检测芯片的结构示意图。

图2显示为本发明核酸检测芯片中的反应单元的结构示意图。

图3显示为本发明核酸检测芯片中的被动阀的结构示意图。

图4显示为本发明核酸检测芯片中的PCR检测件中的微腔的结构示意图。

图1～图4中附图标记如下：

1 为第一储液件；

11 为第一储液室；

12 为第一进样通道；

13 为第一出样通道；

14 为第一隔离柱；

2 为第一被动阀；

21 为第一疏水阀；

22 为毛细管连接管道；

23 为第二疏水阀；

3 为第二储液件；

31 为第二储液室；

32 为第二进样通道；

33 为第二出样通道；

34 为第二隔离柱；

4 为第二被动阀；

5 为进样缓冲件；

51 为缓冲腔；

52 为点样池；

6 为PCR检测件；

7 为空气缓冲件；

8 为缓冲件；

9 为载体；

100 为第一进样口；

110 为第一出样口；

120 为第二进样口；

130 为第二出样口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施 的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整， 在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容 得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等 的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或 调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，本申请实施例中提供一种核酸检测芯片，所述核酸检测芯片包括若 干个反应单元，每个所述反应单元由一端至另一端依次包括连通设置的第一储液件1、第一 被动阀2、第二储液件3、第二被动阀4、进样缓冲件5和PCR检测件6。

在一个优选的实施方式中，所述反应单元有2～100个，如可以为4个、5个、6个、7个、 8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、 21个、22个、23个、24个、25个、26个、27个、28个、29个、30个、31个、32个、33 个、34个、35个、36个、37个、38个、39个、40个、41个、42个、43个、44个、45个、 46个、47个、48个、49个、50个、60个、65个、70个、75个、80个、85个、90个、95 个或100个。放射状分布的反应单元在沿着圆盘状分布时可以尽量对称设置。在一个如图1 所示的具体实施方式中，所述反应单元有30个。

在一个优选的实施方式中，所述第一储液件1与第二储液件2之间通过第一被动阀5连 接。

在一个优选的实施方式中，所述第二储液件3与所述进样缓冲件5之间通过第二被动阀 4连接。

在一个优选的实施方式中，若干个反应单元的所述第一储液件1依次连通，且形成同一 第一进样口100和第一出样口110。

在一个优选的实施方式中，若干个反应单元的所述第二储液件2依次连通，且形成同一 第二进样口120和第二出样口130。

在一个优选的实施方式中，若干个反应单元设于同一载体9上，且在载体9上呈放射状 分布。

在一个更优选的实施方式中，所述载体呈圆盘状，任意所述反应单元沿着所述圆盘状载 体的半径设置，且任意所述反应单元的一端靠近圆盘状载体的中心。在一个更具体的实施方 式中，放射状分布在圆盘状载体上的反应单元的一端至载体中心的距离一致。

本申请中载体可以采用圆形玻片，而各反应单元及其组合可采用PDMS材料形成结构层， 然后，将结构层键合或者粘合固定在圆形玻片上。或者，直接采用PMMA材质一体化加工成 型含有各反应单元及其组合的圆盘状载体。

在一个优选的实施方式中，所述第一储液件1包括第一储液室11、第一进样通道12和 第一出样通道13；所述第一储液室11形成有第一储液腔，所述第一进样通道12和所述第一 出样通道13均与所述第一储液室11的储液腔连通。

在一个更优选的实施方式中，所述第一储液件1还包括第一隔离柱14，所述第一隔离柱 14设于所述第一储液腔内且固定于所述第一储液室11的顶部。所述隔离柱用于引导进入储 液腔的液体缓慢有序进入，避免了气泡的产生和气体在第一储液腔中的富集。在一个更优选 的实施方式中，所述第一隔离柱14延伸至储液腔的下部但不触及储液腔的底部。

在一个更优选的实施方式中，所述第一进样通道12和第一出样通道13之间的夹角不小 于90°。由此使得液体进入或流出等流动通道上阻力最小，从而保障液体逐个填满储液腔。在 一个更优选的实施方式中，所述第一进样通道12和第一出样通道13之间的夹角为钝角。在 如图1和图2所示的具体实施方式中，所述第一进样通道12和第一出样通道13之间的夹角 为120°。

在一个优选的实施方式中，所述第二储液件3包括第二储液室31、第二进样通道32和 第二出样通道33；所述第二储液室31形成有第二储液腔，所述第二进样通道32和所述第二 出样通道33均与所述第二储液室31的第二储液腔连通。

在一个更优选的实施方式中，所述第二储液件3还包括第二隔离柱34，所述第二隔离柱 34设于所述第二储液腔内且固定于所述第二储液室31的顶部。

在一个更优选的实施方式中，所述第二进样通道32和第二出样通道33之间的夹角不小 于90°。由此使得液体进入或流出等流动通道上阻力最小，从而保障液体逐个填满储液腔。在 一个更优选的实施方式中，所述第二进样通道32和第二出样通道33之间的夹角为钝角。在 如图1和图2所示的具体实施方式中，所述第二进样通道32和第二出样通道33之间的夹角 为120°。

在一个更优选的实施方式中，相邻的两个反应单元的第一储液件1通过第一出样通道13 和第一进样通道12的连通从而依次连通，且形成同一第一进样口和第一出样口。

在一个更优选的实施方式中，相邻的两个反应单元的第二储液件3通过第二出样通道33 和第而进样通道32的连通从而依次连通，且形成同一第二进样口和第二出样口。

在一个如图3所示的优选的实施方式中，所述第一被动阀2和所述第二被动阀4均包括 依次连通的第一疏水阀21、毛细管连接管道22和第二疏水阀23。在一个如图3所示的更优 选的实施方式中，所述第一疏水阀21和所述第二疏水阀23均包括管道和设于所述管道内的 若干个阵列排布的疏水柱。所述第一疏水阀21和所述第二疏水阀23均为非毛细管管径，疏 水柱以及中间一段突然变窄的毛细管连接管道形成的毛细管阀的结构，可以对注入的水性试 剂提供一个压力屏障，使得水性试剂在无作用力下无法通过。本申请中的反应单元引入第一 被动阀和第二被动阀，其通过上述特性使得在检测芯片中无需手动或机械控制的方式对数个 单元逐一进行控制。

在一个优选的实施方式中，所述进样缓冲件5包括缓冲腔51和设于缓冲腔上部且与所述 缓冲腔51连通的点样池52；所述第二储液件3与所述缓冲强51连通。

在一个优选的实施方式中，所述核酸检测芯片还包括空气缓冲件7所述空气缓冲件7包 括空气缓冲腔和连接于所述空气缓冲腔两端的气体通道，两端所述气体通道分别与所述第二 储液腔和所述缓冲腔51连通。在如图2所示的更具体的实施方式中，所述空气缓冲件7的一 端与所述第二储液腔的上部连通，所述空气缓冲件7的另一端与所述缓冲腔51连通。所述空 气缓冲件7作用于离心过程中试剂受驱动沿流道流动时下游腔室被试剂填入的同时空气交换 出去，利于离心力驱动过程中液体的流动混合。

在一个优选的实施方式中，所述PCR检测件6包括检测室，所述检测室形成有检测腔， 且所述检测室的内底面设有阵列结构排布的微腔。在一个如图4所示的更具体的实施方式中， 微腔开口轮廓呈正六边形。呈阵列排布的正六边形微孔形成类似蜂巢结构布局，用于形成蜂 巢状PCR扩增区。正六边形微腔的设计便于在加工工艺中单位面积内制作更多个微腔，对于 数字PCR单位面积内更多的微腔数量能够将检测单元划分为更多个小的检测单位，能有效地 提高对极少量样本拷贝数的检测(理论上每个微腔内仅包含1个拷贝数)，非常适合对初期感 染的病人样本所具有病原体数量少等特征进行检测。在一个优选的实施方式中，所述进样缓 冲件5与所述PCR检测件6之间通过管道连通且管道上连通有缓冲件8。

通过在第一储液件1的第一进样口注入样本释放剂与在点样池处加入待处理的样品，经 顺时针离心力驱动样品与样本释放剂混合并释放出核酸分子。再通过第二储液件3的第二进 样口12注入预先配制好的不含模板的PCR混合液经离心后与上一步被释放的核酸溶液混合 并通过毛细管力被吸入蜂巢状微腔结构中。再通入矿物油经离心后使微腔结构上层被矿物油 封闭减少PCR过程中试剂的蒸发。最后将该装置放入原位PCR仪中并设定有关程序待反应 完成后在荧光显微镜下观察其检测结果。

基于本申请中所述核酸检测芯片，其工作过程包括以下步骤：

1)检测准备工作：将图1中的第一进样口100、第一出样口110、第二进样口120、 第二出样口130和图2中的点样池52均使用耐热型胶带封闭。打开离心平台开关，使圆盘 状载体9与离心平台中心对准放置在离心盘中，开启气泵使圆盘被紧密吸住。

2)样本释放阶段：吸取样本释放剂并打开第一进样口100、第一出样口110处胶带，将试剂由第一进样口100处注入至所有第一储液室11被填充满后再封闭第一进样口100、第一出样口110。打开点样池52处胶带并将样本溶液注入该储液池中后封闭该结构。通过离心装置设置+2000 RPM 40秒驱动第一储液室11与点样池52处试剂接触并放置10分钟 充分反应。

3)核酸扩增阶段：将提前配置好的不含模板的PCR混合液通过进样孔图120处注入使所有反应单元的第二储液室31被完全填充后封闭该孔。通过离心装置设置+2000RPM 40秒驱动第二储液室31中试剂通过第二被动阀4和样本释放剂与样本的混合液相混合并被分配到PCR检测件6处底部的PCR微腔图4中。再将矿物油从第二进样口120处注入使所 有反应单元的第二储液室31被完全填充后封闭第二进样口120。通过离心装置设置+2000 RPM 40秒使矿物油被离心力驱动甩入PCR检测件6的检测腔中，将微腔上方用矿物油封 闭以减少扩增过程中试剂的挥发。将圆盘放置在原位PCR仪中并运行扩增程序。

4)检测阶段：待扩增程序运行完毕且装置冷却至室温时，将圆盘放置在荧光显微镜下 观测其扩增结果。

本发明上述技术方案：

1)在样本释放剂快速释放核酸分子的基础上通过设计第一储液室11和第二储液室31来 调整反应试剂间体积比。

2)通过设计第一被动阀2和第二被动阀4形成压力屏障阻止试剂进入其他区域。

3)通过呈钝角设置的第一进样通道12和第一出样通道13用来连接所有反应单元的第一 储液件1以及呈钝角设置的第二进样通道32和第二出样通道33用来连接所有反应单元的第 二储液件3；使试剂只需一次注入便可填充到多个如30个反应单元中并且该管道在相邻两个 反应单元处所形成的转角角度极大的较少了试剂分配过程中在此处所受到的阻力。

4)在离心力的驱动下第一储液件1和第二储液件3内试剂可突破压力屏障进入下游结构 并完成反应，并且不同次序的注入反应试剂用于调控反应进程保证试剂间充分反应。

5)PCR检测件6处设具有一定高度的孔且底部为数字PCR微腔结构，保证反应过程中 矿物油完全覆盖微腔有效减少扩增过程中试剂的蒸发，同时具备对样本绝对定量的功能。上 述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人 士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技 术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰 或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种核酸检测芯片，其特征在于，所述核酸检测芯片包括若干个反应单元，每个所述反应单元由一端至另一端依次包括连通设置的第一储液件(1)、第一被动阀(2)、第二储液件(3)、第二被动阀(4)、进样缓冲件(5)和PCR检测件(6)。

2.根据权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，若干个反应单元的所述第一储液件(1)依次连通，且形成同一第一进样口(100)和第一出样口(110)；和/或，若干个反应单元的所述第二储液件(3)依次连通，且形成同一第二进样口(120)和第二出样口(130)；和/或，所述PCR检测件(6)包括检测室，所述检测室形成有检测腔，且所述检测室的内底面设有阵列结构排布的微腔。

3.根据权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，若干个反应单元设于同一载体(9)上，且在载体(9)上呈放射状分布。

4.根据权利要求3所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述载体(9)呈圆盘状，任意所述反应单元沿着所述圆盘状载体的半径设置，且任意所述反应单元的一端靠近圆盘状载体的中心。

5.根据权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述第一储液件(1)包括第一储液室(11)、第一进样通道(12)和第一出样通道(13)；所述第一储液室(11)形成有第一储液腔，所述第一进样通道(12)和所述第一出样通道(13)均与所述第一储液室(11)的储液腔连通；

和/或，所述第二储液件(3)包括第二储液室(31)、第二进样通道(32)和第二出样通道(33)；所述第二储液室(31)形成有第二储液腔，所述第二进样通道(32)和所述第二出样通道(33)均与所述第二储液室(31)的第二储液腔连通。

6.根据权利要求5所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述第一储液件(1)还包括第一隔离柱(14)，所述第一隔离柱(14)设于所述第一储液腔内且固定于所述第一储液室(11)的顶部；

和/或，所述第一进样通道(12)和第一出样通道(13)之间的夹角不小于90°；

和/或，所述第二储液件(3)还包括第二隔离柱(34)，所述第二隔离柱(34)设于所述第二储液腔内且固定于所述第二储液室(31)的顶部；

和/或，所述第二进样通道(32)和第二出样通道(33)之间的夹角不小于90°。

7.根据权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述第一被动阀(2)和所述第二被动阀(4)均包括依次连通的第一疏水阀(21)、毛细管连接管道(22)和第二疏水阀(23)；所述第一疏水阀(21)和所述第二疏水阀(23)均包括管道和设于所述管道内的若干个阵列排布的疏水柱。

8.根据权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述进样缓冲件(5)包括缓冲腔(51)和设于缓冲腔(51)上部且与所述缓冲腔(51)连通的点样池(52)；所述第二储液件与所述缓冲腔(51)连通；和/或，所述进样缓冲件(5)与所述PCR检测件(6)之间通过管道连通且管道上连通有缓冲件(8)。

9.根据权利要求8所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述核酸检测芯片还包括空气缓冲件(7)，所述空气缓冲件(7)包括空气缓冲腔和连接于所述空气缓冲腔两端的气体通道，两端所述气体通道分别与第二储液腔和所述缓冲腔(51)连通。

10.根据权利要求2所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述微腔开口轮廓呈正六边形。

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