CN113828365A - 一种微流体芯片及其应用 - Google Patents

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CN113828365A CN202010592187.4A CN202010592187A CN113828365A CN 113828365 A CN113828365 A CN 113828365A CN 202010592187 A CN202010592187 A CN 202010592187A CN 113828365 A CN113828365 A CN 113828365A
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豆传国
胡立磊
胡春瑞
刘博�
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Abstract

本发明提供一种微流体芯片及其应用，该微流体芯片包括衬底、至少一组微流体结构及至少一组隔热槽结构，其中，微流体结构位于衬底中，并包括依次连通的液体进口、液体输入流道、PCR反应腔、液体输出流道及液体出口，隔热槽结构上下贯穿衬底，其中，一组隔热槽结构在衬底中围成至少一个收容区域，一个收容区域中设有至少一组微流体结构。本发明的微流体芯片设有隔热槽结构，可以实现快速升降温，从而大大缩短PCR反应时间。该微流体芯片可通过硅基微流体芯片技术实现高精度的集成，尤其是芯片化，从而实现了设备的便携性、小型化，并可大规模量产，有助于降低设备成本。本发明的微流体芯片可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测。

Description

一种微流体芯片及其应用
技术领域
本发明属于基因检测技术领域，涉及一种微流体芯片及其应用。
背景技术
2019年末爆发的新型冠状病毒COVID-19截至2020年5月全球已确诊400多万感染者，更严重的是，尤以美国为代表，感染数量仍在攀升并且高峰期尚未有明显迹象到达。造成这一严重后果的原因除了新冠病毒的易感染特性，疑似感染者无法得到及时检测确诊，导致丧失最佳治疗时机，并造成交叉感染，是重要原因之一。如若有快速、便捷、并且成本低的检测方法加以实施，对人群进行新冠病毒筛查，尤其是针对无症状感染者，在疫情检测时无需集中处理和隔空隔时的冷链运输和等待，将是非常有效遏制病毒感染扩散的手段。在疫情危害人民生命健康的同时，由于疫情原因，各国实施封城甚至封国措施，严重影响经济发展，所以快速、便捷、成本低且易于对人群进行病毒感染筛查的检测方法/设备便迫在眉睫。
通常的病毒检测有三种手段：全基因测序、核酸检测、免疫蛋白检测。针对本次疫情，CT技术也成为非常重要的检测技术，但价格昂贵并且不便捷不适用于室外，比如海关、普通诊所进行检测。相比而言，核酸检测具有显著优势，包括自动化的检测流程、高通量化，样品进数据出的大型平台式检测方式、即时现场检测。然而目前市场上大多的核酸检测PCR(聚合酶链式反应，英文名称：polymerase chain reaction)仪不便携、速度慢(30分钟以上的PCR扩增过程)、且价格昂贵。
因此，如何提供一种基于硅基微流体芯片的小型化、芯片化、检测流程高度集成的核酸PCR超快荧光检测技术和便携设备，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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微流体芯片及其应用，用于解决现有技术中的核酸检测PCR仪不便携、速度慢且价格昂贵的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微流体芯片，包括：
衬底；
至少一组微流体结构，位于所述衬底中，所述微流体结构包括依次连通的液体进口、液体输入流道、PCR反应腔、液体输出流道及液体出口；
至少一组隔热槽结构，上下贯穿所述衬底，一组所述隔热槽结构在所述衬底中围成至少一个收容区域，一个所述收容区域中设有至少一组所述微流体结构。
可选地，所述PCR反应腔、所述液体输入流道、及所述液体输出流道均自所述衬底上表面开口，并往所述衬底下表面方向延伸，但未贯穿所述衬底下表面。
可选地，所述微流体芯片还包括盖板，所述盖板位于所述衬底上表面，并遮盖所述PCR反应腔、所述液体输入流道、及所述液体输出流道。
可选地，所述液体进口及所述液体出口的开口位于所述衬底的下表面或侧面。
可选地，所述液体进口及所述液体出口均位于所述隔热槽结构***，所述隔热槽结构包括至少两条分立设置的隔热槽，其中，至少有两条所述隔热槽在水平方向上部分重叠，所述液体输入流道及所述液体输出流道均穿过两条所述隔热槽之间的区域，以进入所述收容区域与所述PCR反应腔连接。
可选地，所述微流体芯片包括至少两组所述微流体结构，其中，不同所述微流体结构的所述PCR反应腔的尺寸相同。
可选地，所述微流体芯片包括至少两组所述微流体结构，其中，不同所述微流体结构的所述PCR反应腔的尺寸不同。
可选地，所述PCR反应腔的宽度范围是0.1mm-2mm，长度范围是1mm-10mm。
可选地，所述隔热槽结构包括至少一条隔热槽，所述隔热槽包含至少一个弯折角，所述弯折角呈弧形。
可选地，所述PCR反应腔呈来回蜿蜒的蛇形。
可选地，所述衬底包括硅衬底、氮化铝衬底、陶瓷衬底、金属衬底或塑料衬底。
本发明还提供一种微流体芯片的应用，所述微流体芯片采用如上任意一项所述的微流体芯片，所述应用包括基因检测。
可选地，所述应用包括病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质检测。
如上所述，本发明的微流体芯片设有隔热槽结构，可以实现快速升降温，从而大大缩短PCR反应时间，可以将通常需要30分钟以上的PCR扩增过程缩短到5分钟以内。同时，本发明的微流体芯片可通过硅基微流体芯片技术实现高精度的集成，尤其是芯片化，从而实现了设备的便携性、小型化，并可大规模量产，有助于降低设备成本。本发明的微流体芯片可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测，能够实现快速检测，有助于疫情状态下对人群进行快速筛查。
附图说明
图1a-图1b显示为实施例一中微流体芯片的俯视结构示意图。
图2a-图2b显示为图1a-图1b所示微流体芯片的所述隔热槽结构及所述液体输入流道、所述液体输出流道的平面布局图。
图3显示为实施例二中所述隔热槽结构及所述液体输入流道、所述液体输出流道的平面布局图。
图4显示为实施例二中微流体芯片的俯视结构示意图。
图5显示为实施例三中所述隔热槽结构及所述液体输入流道、所述液体输出流道的平面布局图。
图6显示为实施例四中微流体芯片的俯视结构示意图。
元件标号说明
1 微流体芯片
101 衬底
102 微流体结构
1021 液体进口
1022 液体输入流道
1023 PCR反应腔
1024 液体输出流道
1025 液体出口
103 隔热槽结构
1031 收容区域
1032 隔热槽
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1a至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例中提供一种微流体芯片1，请参阅图1a或图1b，显示为该微流体芯片的俯视结构示意图，包括衬底101、至少一组微流体结构102及至少一组隔热槽结构103，其中，所述微流体结构102位于所述衬底101中，并包括依次连通的液体进口1021、液体输入流道1022、PCR反应腔1023、液体输出流道1024及液体出口1025，所述隔热槽结构103上下贯穿所述衬底101，其中，一组所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成至少一个收容区域1031，一个所述收容区域1031中设有至少一组所述微流体结构102。图1a显示的是一组所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成一个收容区域1031，一个所述收容区域1031中设有两组所述微流体结构102的情形。图1b显示的是一组所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成一个收容区域1031，一个所述收容区域1031中设有四组所述微流体结构102的情形。
作为示例，所述PCR反应腔1023、所述液体输入流道1022、及所述液体输出流道1024均自所述衬底101上表面开口，并往所述衬底101下表面方向延伸，但未贯穿所述衬底101下表面。
作为示例，所述微流体芯片还包括盖板(未图示)，所述盖板位于所述衬底101上表面，并遮盖所述PCR反应腔1023、所述液体输入流道1022、及所述液体输出流道1024。所述盖板的材质包括但不限于玻璃等透明材质。
作为示例，所述液体进口1021及所述液体出口1025的开口位于所述衬底101的下表面。当然，在其它实施例中，所述液体进口1021及所述液体出口1025的开口也可以位于所述衬底101的侧面，此处不应过分限制本发明的保护范围。
请参阅图2a-图2b，显示为图1a-图1b所示微流体芯片的所述隔热槽结构103及所述液体输入流道1022、所述液体输出流道1024的平面布局图，其中，本实施例的微流体芯片采用独立隔热槽结构，即一个微流体芯片仅包括一个隔热槽结构103。
作为示例，所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成一个收容区域1031
作为示例，所述隔热槽结构103包括至少两条分立设置的隔热槽1032，其中，至少有两条所述隔热槽在水平方向上部分重叠。本实施例中，所述隔热槽结构103包括四条隔热槽1032，其中两条隔热槽位于内圈，另外两条隔热槽位于外圈，内圈的两条隔热槽未连接以容许流道穿过，外圈的两条隔热槽同样未连接以容许流道穿过，其中，内圈的通道在外侧会被外圈的隔热槽所阻挡，外圈的通道在内侧会被内圈的隔热槽所阻挡，从而使得所述隔热槽结构103能够围成一个大致封闭的收容区域1031，从而增强隔热效果。
需要指出的是，所述隔热槽结构103也可以仅包括一条隔热槽，只是相对于多层隔热槽的方案，隔热效果稍差。
作为示例，所述隔热槽包含至少一个弯折角，所述弯折角呈弧形，例如所述弯折角采用圆角设计方案，有利于减轻芯片应力，增加芯片在使用过程中的耐压性，防止芯片碎裂。
请回头参见图1a或图1b，所述液体进口1021及所述液体出口1025均位于所述隔热槽结构103***，所述液体输入流道1022及所述液体输出流道1024均穿过两条所述隔热槽之间的区域，以进入所述收容区域1031与所述PCR反应腔1023连接。
作为示例，所述液体进口1021及所述液体出口1025可设置成不同的形状以便于区分，例如所述液体进口1021设置为圆形，所述液体出口1025设置为方形，圆形直径或方形边长在0.5mm-2mm之间。当然，在其它实施例中，所述液体进口1021及所述液体出口1025也可以采用其它形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，所述PCR反应腔1023呈来回蜿蜒的蛇形，蛇形管PCR反应腔1023设计能有效避免气泡的产生，并提高空间利用率。本实施例中，所述PCR反应腔1023的宽度范围是0.1mm-2mm，长度范围是1mm-10mm，整个微流体芯片的面积范围是10mm×10mm-50mm×50mm。
需要指出的是，本实施例中，所述隔热槽结构103围成的一个收容区域1031内包含两组所述微流体结构102，且两组所述微流体结构102的所述PCR反应腔1023的长度相同。然而在其它实施例里中，所述隔热槽结构103围成的一个收容区域1031内也可以包含其他数目的所述微流体结构，例如1-10组，当包含至少两组微流体结构时，不同所述微流体结构的所述PCR反应腔1023的长度也可以不同。另外，在其它实施例中，所述PCR反应腔1023的形状、尺寸，所述微流体芯片的面积也可以根据需要进行调整，例如所述PCR反应腔1023采用边长为2mm-20mm的正方形，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，所述衬底101包括但不限于硅衬底、氮化铝衬底、陶瓷衬底、金属衬底或塑料衬底中的任意一种，本实施例中优选采用硅衬底，其中，所述盖板可通过直接健合方式与硅基衬底进行耦合，所述微流体结构102可通过刻蚀方法加工得到，所述隔热槽结构103可通过刻蚀刻穿硅衬底得到，使得所述PCR反应腔1023及大部分流道与周边硅衬底热绝缘。
本实施例的微流体芯片设有隔热槽结构，可以实现快速升降温，从而大大缩短PCR反应时间，可以将通常需要30分钟以上的PCR扩增过程缩短到5分钟以内。同时，本发明的微流体芯片可通过硅基微流体芯片技术实现高精度的集成，尤其是芯片化，从而实现了设备的便携性、小型化，并可大规模量产，有助于降低设备成本。利用本发明的微流体芯片能够实现快速检测，有助于疫情状态下对人群进行快速筛查。克服了传统病毒检测技术与设备的缺点，实现了一种便携式、小型化、芯片化高度集成的PCR超快荧光检测技术。
实施例二
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，微流体芯片的隔热槽结构103采用独立隔热槽结构，且该隔热槽结构103在所述衬底101中仅围成一个收容区域1031，而本实施例中的微流体芯片的隔热槽结构103采用共享隔热槽，即一个隔热槽结构103围成多个收容区域1031。
请参阅图3，显示为本实施例中所述隔热槽结构103及所述液体输入流道1022、所述液体输出流道1024的平面布局图，其中，一个所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成四个收容区域1031。
再请参阅图4，显示为本实施例中所述微流体芯片的俯视结构示意图，其中，所述隔热槽结构103围成的四个收容区域1031中分别设有一所述PCR反应腔1023，每个所述PCR反应腔1023分别拥有独立的液体进口1021、液体输入流道1022、液体输出流道1024及液体出口1025。也就是说，本实施例中的微流体芯片具有4通道反应腔，可以分别用来测试阳性样品、阴性样品作为对照组，以及两个待测样品。
作为示例，四个收容区域1031的面积相同，四个PCR反应腔1023的大小相同且对称设置。
需要指出的是，在其它实施例中，一个所述隔热槽结构103也可以在所述衬底101中围成其它数目的收容区域1031，例如2-10个，各个收容区域1031的大小可以相同，也可以不相同，每个收容区域1031中的PCR反应腔1023的数目也不限于1个，例如1-10个，各个PCR反应腔1023的大小、形状也可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
实施例三
本实施例与实施例二采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例二中，微流体芯片的隔热槽结构采用共享隔热槽结构，而本实施例中的微流体芯片采用分立隔热槽结构，即所述微流体芯片包括多个分立设置的隔热槽结构。
请参阅图5，显示为本实施例中所述隔热槽结构103及所述液体输入流道1022、所述液体输出流道1024的平面布局图，其中，所述微流体芯片包括四个独立的隔热槽结构103，每个隔热槽结构103分别在所述衬底101中围成一个收容区域1031。
需要指出的是，在其它实施例中，所述微流体芯片也可以包括其它数目的独立的隔热槽结构103，例如2-10个，每个独立的隔热槽结构103也可不仅仅围成一个收容区域1031，例如2-10个，各个收容区域1031的大小可以相同，也可以不相同，每个收容区域1031中的PCR反应腔1023的数目也不限于1个，例如1-10个，各个PCR反应腔1023的大小、形状也可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
实施例四
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，微流体芯片包括两个或四个PCR反应腔1023时，多个PCR反应腔1023对称设置，而本实施例中，微流体芯片包括四个PCR反应腔1023，且四个PCR反应腔1023非对称设置。
请参阅图6，显示为本实施例中所述微流体芯片的俯视结构示意图，其中，所述隔热槽结构103围成的收容区域1031中分别四个所述PCR反应腔1023，其中两个所述PCR反应腔1023的长度较长(约占整个反应区域面积的2/3)，另外两个所述PCR反应腔1023的长度较短(约占整个反应区域面积的1/3)。在实际应用中，长度较短的两个PCR反应腔1023可以分别作为阴形样品与阳性样品的对照试验，长度较长的两个PCR反应腔1023可以作为实测样品通道。
需要指出的是，本实施例中，内圈的通道在外侧未全部被外圈的隔热槽所阻挡，而外圈的一部分通道在内侧被内圈的隔热槽全部阻挡，另一部分通道在内侧未被内圈的隔热槽所阻挡，但由于未被阻挡的通道部分宽度很小，仍然能够达到较强的隔热效果。当然，在其它实施例中，也可以对隔热槽进行更为复杂的设计，使得没有未被阻挡的通道，以获得更好的隔热效果，此处不应过分限制本发明的保护范围。
实施例五
本实施例将实施例一至实施例四中任意一项所述微流体芯片应用于基因检测，例如病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测，其中，被检测的病毒包括但不限于新型冠状病毒COVID-19。其中，核酸检测过程的PCR扩增过程在所述微流体芯片的PCR反应腔1023内进行。
综上所述，本发明的微流体芯片设有隔热槽结构，可以实现快速升降温，从而大大缩短PCR反应时间，可以将通常需要30分钟以上的PCR扩增过程缩短到5分钟以内。同时，本发明的微流体芯片可通过硅基微流体芯片技术实现高精度的集成，尤其是芯片化，从而实现了设备的便携性、小型化，并可大规模量产，有助于降低设备成本。本发明的微流体芯片可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测，并能够实现快速检测，有助于疫情状态下对人群进行快速筛查。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (13)

1.一种微流体芯片，其特征在于，包括：
衬底；
至少一组微流体结构，位于所述衬底中，所述微流体结构包括依次连通的液体进口、液体输入流道、PCR反应腔、液体输出流道及液体出口；
至少一组隔热槽结构，上下贯穿所述衬底，一组所述隔热槽结构在所述衬底中围成至少一个收容区域，一个所述收容区域中设有至少一组所述微流体结构。
2.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述PCR反应腔、所述液体输入流道、及所述液体输出流道均自所述衬底上表面开口，并往所述衬底下表面方向延伸，但未贯穿所述衬底下表面。
3.根据权利要求2所述的微流体芯片，其特征在于：所述微流体芯片还包括盖板，所述盖板位于所述衬底上表面，并遮盖所述PCR反应腔、所述液体输入流道、及所述液体输出流道。
4.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述液体进口及所述液体出口的开口位于所述衬底的下表面或侧面。
5.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述液体进口及所述液体出口均位于所述隔热槽结构***，所述隔热槽结构包括至少两条分立设置的隔热槽，其中，至少有两条所述隔热槽在水平方向上部分重叠，所述液体输入流道及所述液体输出流道均穿过两条所述隔热槽之间的区域，以进入所述收容区域与所述PCR反应腔连接。
6.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述微流体芯片包括至少两组所述微流体结构，其中，不同所述微流体结构的所述PCR反应腔的尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述微流体芯片包括至少两组所述微流体结构，其中，不同所述微流体结构的所述PCR反应腔的尺寸不同。
8.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述PCR反应腔的宽度范围是0.1mm-2mm，长度范围是1mm-10mm。
9.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述隔热槽结构包括至少一条隔热槽，所述隔热槽包含至少一个弯折角，所述弯折角呈弧形。
10.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述PCR反应腔呈来回蜿蜒的蛇形。
11.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于：所述衬底包括硅衬底、氮化铝衬底、陶瓷衬底、金属衬底或塑料衬底。
12.一种微流体芯片的应用，其特征在于：所述微流体芯片采用如权利要求1-11任意一项所述的微流体芯片，所述应用包括基因检测。
13.根据权利要求12所述的微流体芯片的应用，其特征在于：所述应用包括病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114917967A (zh) * 2022-02-22 2022-08-19 深圳拓扑精膜科技有限公司 一种快速检测微流体芯片

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