一种立式微生物检测芯片转让专利
申请号 : CN202010409245.5
文献号 : CN111632633B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 郑同玉
申请人 : 杭州方略生物科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种立式微生物检测芯片(10),其特征在于:所述芯片(10)在使用时竖直放置,其包括盖片层(1)和基片层(2),所述盖片层(1)上开设有进口通孔(11)和出口通孔(12),所述进口通孔(11)的位置高于出口通孔(12);所述基片层(2)的一侧设有非贯通的槽状微通道,所述微通道包括对应于盖片层(1)的进口通孔(11)和出口通孔(12)的进样槽(21)和出样槽(22),连通所述进样槽(21)和出样槽(22),并在两者之间弯折延伸的输送通道(23),所述输送通道(23)包括若干条水平延伸的分配通道(231)及连接于上一级分配通道(231)的末端和下一级分配通道(231)的首端的连接通道(232);相邻两个分配通道(231)之间的位置设有若干与所述分配通道(231)的下缘连通的容纳腔(24);所述容纳腔(24)的底部设置有连通下一级分配通道(231)的上缘的侧流通道(25);在盖片层(1)和基片层(2)的非贴合侧分别涂覆有偏振方向相反的偏振涂层或涂覆有吸光涂层;所述偏振涂层和吸光涂层均不覆盖容纳腔(24)。
2.如权利要求1所述的微生物检测芯片,其特征在于:所述侧流通道(25)的出口位于相邻两个容纳腔(24)之间,从而能够防止自此流出的侧向流冲击容纳腔(24)中的微液滴。
3.如权利要求1所述的微生物检测芯片,其特征在于:所述容纳腔(24)为圆形腔,其深度等于所述圆形腔的直径;所述侧流通道(25)的深度与所述容纳腔(24)的深度相同。
4.如权利要求1所述的微生物检测芯片,其特征在于:所述容纳腔(24)的上半部分与所述分配通道(231)的下缘连通,形成小于容纳腔(24)的直径的开口;从而在过容纳腔的圆心的水平截面上,所述容纳腔(24)的腔壁(241)与所述开口的边缘之间形成能够包裹微液滴的上半部分的檐部(242)。
5.如权利要求4所述的微生物检测芯片,其特征在于:在容纳腔(24)的开口的下游侧设置所述檐部(242);而在其开口的上游侧设置圆弧倒角的引导部(243);所述引导部(243)的半径与所述檐部(242)的高度相同。
6.一种立式微生物检测芯片(10),其特征在于:所述芯片(10)在使用时竖直放置,其包括具有相同形状和尺寸的盖片层(1),基片层(2),和夹设于盖片层(1)和基片层(2)之间的结构层(3);所述盖片层(1)和基片层(2)具有重叠的非贯通的微通道结构;所述盖片层(1)具有贯通的进口通孔(11)和出口通孔(12),还具有非贯通的盖片层输送通道(13)和盖片层容纳腔(14);基片层(2)具有非贯通的进样槽(21)、出样槽(22)、输送通道(23)和容纳腔(24);所述结构层(3)包括与盖片层(1)和基片层(2)上的微通道结构重叠的部分,和对应于所述进口通孔(11)和出口通孔(12)的进样中槽(31)和出样中槽(32);仅结构层(3)的微通道结构包括用于形成侧向流的中层侧流通道(35);所述结构层(3)的微通道结构均为贯通结构,从而盖片层(1)、结构层(3)和基片层(2)相互叠合后能构成完整的组合输送通道、组合进样槽、组合出样槽和组合容纳腔,但侧流通道仅存在于结构层(3)。
7.如权利要求6所述的立式微生物检测芯片,其特征在于:所述结构层(3)上的微通道结构的侧壁相比于盖片层(1)和基片层(2)上的微通道结构的侧壁具有更强的亲水性,以允许所述中层侧流通道(35)在具有相对小的截面面积的情况下,提供同等的侧向流强度。
8.如权利要求6所述的立式微生物检测芯片,其特征在于:所述芯片(10)的盖片层(1)和基片层(2)的非贴合侧分别涂覆有偏振方向相反的偏振涂层,所述偏振涂层完整覆盖所述盖片层(1)和基片层(2)的非贴合侧。
9.如权利要求6所述的立式微生物检测芯片,其特征在于:所述芯片(10)的盖片层(1)和基片层(2)的非贴合侧分别涂覆有偏振方向相反的偏振涂层,所述偏振涂层不覆盖组合容纳腔。
10.如权利要求6所述的立式微生物检测芯片,其特征在于:所述芯片(10)的基片层(2)的非贴合表面涂覆有吸光涂层;所述吸光涂层不覆盖组合容纳腔。
说明书 :
一种立式微生物检测芯片
技术领域
背景技术
小、独立的反应器,使每个反应器的核酸模板数少于或者等于1个,对每个反应器进行传统
PCR扩增并进行荧光检测。将含有目标基因的反应器标记为1,不含目标基因的反应器标记
为0,根据相对比例和反应器的体积,并利用泊松分布推算出原始溶液的核酸浓度。
后,向微反应腔引入激励光,包括目标核酸模板的微液滴在激励光的照射下发出荧光,检测
次荧光,并进行统计分析后即可获得相应检测结果。数字PCR检测过程的主要步骤中,微液
滴在微反应腔中的有效分配、对荧光信号的准确捕捉均在很大程度上影响检测结果的可靠
性。
滴填充的反应腔)。但由于微通道自身及所述局部阻挡的阻力作用,导致分配通道上下游之
间流动的连续相流体存在较大的压差,而这会导致分配通道上下游处微反应腔填充效果的
巨大差异。
的微液滴受激后发出的荧光的无定向特性,使得相邻微孔之间的荧光信号常有部分穿越孔
壁而与相邻液滴发出的荧光信号混为一体,难以区分的问题。
发明内容
激励光等杂光造成的背景干扰,还能够有效抑制相邻液滴的荧光信号之间的混合,有效改
善不同信号点之间的独立性。
进口通孔11和出口通孔12,所述进口通孔11的位置高于出口通孔12;优选所述进出口通孔
11和出口通孔12位于所述芯片10的竖直中轴线的同一侧的上下两端,例如左侧。
进样槽21和出样槽22,连通所述进样槽21和出样槽22,并在两者之间弯折延伸的输送通道
23,所述输送通道23包括若干条水平延伸的分配通道231及连接于上一级分配通道231的末
端和下一级分配通道231的首端的连接通道232。
体压力,因而允许在上游分配通道231中流动的连续相流体的一部分从所述侧流通道25处
直接流入下游分配通道231,从而在每个所述容纳腔24的底部形成侧向流,可以将仍在分配
通道231中流动的连续相流体和微液滴定义为主体流;所述侧向流能够诱导主体流中的微
液滴进入所述容纳腔24,同时,形成所述侧向流的连续相流体在下游分配通道231中重新汇
入主体流,即整个分配过程中,连续相流体并未产生损耗。
腔24中的微液滴并不能有效的封闭所述侧流通道25,因此,收集或排放所述侧向流会导致
主体流中连续相流体的持续减少,从而产生因流体损失而导致的失压,这不利于液滴的分
配过程,尤其对于微液滴阵列中微液滴数量较多时;此外,连续相流体的作用一方面是作为
液滴的输送介质,另一方面,其也起到分隔相邻液滴的作用;因此,连续相流体的损耗还会
导致相邻液滴间的间距越来越小,甚至间距变为零(该现象会在分配路径较长时出现),从
而产生液滴融合风险。
纳腔24相互交错设置,同时将所述侧流通道25竖直设置在所述容纳腔24的底部;或者,可以
在容纳腔24定位于分配通道231的相同位置的情况下,将所述侧流通道25的至少出口部分
倾斜的设置,以防止对所述容纳腔24中的微液滴的冲击。所述侧流通道25的出口部的倾斜
方向优选使得侧向流的水平分量与相应分配通道231中的主体流的方向相同,从而所述侧
向流的竖直分量可以为所述微液滴提供额外的引导。
25的深度与所述容纳腔24的深度相同,以利于基片层2的制造及保证芯片各部微结构尺寸
的均一性。
个边缘之间形成两个对称的,能够包裹微液滴的上半部分的局部的檐部242,该檐部242能
够有效防止已填充的微液滴在主体流的冲刷下从容纳腔24中逃逸。
容纳腔24,这会对液滴的分配过程造成一定的困难;或者可以进一步减小微液滴的尺寸,使
其无需经过变形即可进入所述容纳腔,但过小的液滴容易造成容纳腔24中的多液滴填充或
者在容纳腔24入口处的液滴堆积等不期望的情况。因此,优选的,所述开口的宽度(指沿主
体流方向的尺寸)不小于容纳腔24的直径的3/4,以降低对进入容纳腔24中的微液滴的形变
量要求或者在选择具有适当小的尺寸的微液滴。
设置所述檐部242;而在其开口的上游侧设置类似于圆弧倒角的引导部243;优选所述引导
部243的半径与所述檐部242的高度相同。单檐部242构造能够起到与双檐部242构造类似的
对微液滴的包裹作用,同时,由于引导部243的存在,容纳腔24的开口宽度大于其直径,微液
滴无需经历形变即可进入容纳腔24,进而允许选用与容纳腔直径更加贴近的微液滴,降低
液滴在容纳腔中的多重填充或堆积的风险。
送通道和容纳腔的局部;区别在于所述盖片层1具有贯通的进口通孔11和出口通孔12;基片
层2则具有相应的非贯通的进样槽21和出样槽22。所述结构层3包括与盖片层1和基片层2上
的微通道结构重叠的部分,和对应于所述进口通孔11和出口通孔12的进样中槽31和出样中
槽32。其中,盖片层1和基片层2的微通道结构均不包括侧流通道,而结构层3的微通道结构
包括中层侧流通道35;所述结构层3的微通道结构均为贯通结构,从而盖片层1、结构层3和
基片层2相互叠合后构成完整组合的输送通道、进样槽、出样槽和容纳腔,但侧流通道仅存
在于结构层3。
使得即使容纳腔24被填充后,所述侧流通道25仍然会向主体流中的微液滴提供诱导,这会
降低液滴分配速率,同时增加液滴堆积的风险。
通道33的非边缘部分;块单元36与边框37之间形成所述中层输送通道33的边缘部分。
使用刚性的惰性支撑板件实现,具体的将在下文芯片制备方法部分详述。
的位于容纳腔下游的单檐部242和位于容纳腔上游的引导部243结构。其中,所述檐部242和
引导部243均由盖片层1、基片层2和结构层3组合构成。
情况下,提供同等的侧向流强度,从而不至于因中层侧流通道35截面积的减小而降低对微
液滴的诱导作用。
源与荧光信号检测元件,如CCD相机分别设置于芯片10的两侧,从而激励光穿过盖片层1表
面的偏振涂层后,以单偏振态(例如P偏振光)照射微液滴,透过液滴的P偏振激励光继续射
向基片层2,而该基片层2表面上的偏振涂层与盖片层1上的偏振涂层的偏振方向相反,因而
仅允许S偏振光透过,因此,P偏振态的激励光将被基片层2截留,而不能继续射向CCD相机,
从而消除了激励光的背景干扰。
可以加工以去除输送通道和侧流通道的遮掩部分而仅保留可以遮掩容纳腔的部分)遮盖所
述容纳腔,然后在相应的层表面实施所述吸光涂层。这样的设置允许配合外置偏振元件防
止相邻液滴的荧光信号相互融合。具体的,分别在芯片10前后两侧的光路上设置偏振方向
相反的偏振元件。当激励光射向芯片10时,首先经上游偏振元件专为P偏振光,穿过容纳腔
24意外部分的P偏振光被基片层2表面的吸光涂层吸收,而不能透过芯片;射入并透过容纳
腔24中的微液滴的P偏振光则被下游侧偏振元件完全截留;这与前文的偏振方案效果基本
相同,可以阻断激励光射向CCD相机。除此之外,微液滴中的荧光探针发出的荧光四散发射,
其中,射向吸光涂层的荧光信号被吸收,因而不能透过,而仅有射向吸光涂层上对应于容纳
腔24的空白部分的荧光信号才能透过,随后经下游侧偏振元件转为S偏振荧光后射向CCD相
机,此过程中,相邻液滴之间穿过腔壁而可能导致相邻信号地融合的荧光部分被消除,同时
激励光向CCD相机的传播路径也被完全阻断,因此,所获得的荧光信号更加清晰,容易辨认。
的外侧设置S偏振涂层,背光侧设置P偏振涂层;其中,所述偏振涂层不覆盖容纳腔或组合容
纳腔。
过盖片层1和基片层2,随后射向下游的S偏振元件,在该处,透过的激励光被完全阻断;微液
滴中的荧光探针受激后发出荧光信号,其中,部分荧光信号透过基片层2上的P偏振涂层而
变成P偏振荧光,然后射向芯片10下游的S偏振元件,并在该处被完全阻断;还有部分荧光信
号透过基片层2上对应于容纳腔的缺口部分,以非偏振光的形式射向S偏振元件,透过所述S
偏振元件后,以S偏振态的荧光形式射向CCD相机。
如所述固定部可以是允许所述芯片10插设固定的插槽43,当然,还可以采用其他本领域常
规的固定方式。所述插槽43优选垂直于所述检测平台4的长轴固定,且沿所述检测平台4的
长轴方向,在所述插槽43的前后方分别以平行于所述芯片10的方式设置有第一偏振元件42
和第二偏振元件44;其中,第一偏振元件42与第二偏振元件44的偏振方向相反。在所述检测
平台4的一端固定设置有光源架41,所述光源架41上固定设有激励光的光源5,所述光源5被
定位为其发出的激励光垂直射向所述第一、第二偏振元件;在所述检测平台4的相对端(指
与光源位置相对的一端)固定设有感光元件45,所述感光元件45用于接收荧光信号。
的连续相流体及从所述芯片10的出口通孔12接收分配液滴后的剩余流体。
位为不遮挡芯片10上的容纳腔;所述通道壁61的上下两侧分别设有一条滑动槽63;其在位
于上方的滑动槽63内滑动设有对应于芯片10的进口通孔11的进液滑块64;位于下方的滑动
槽63内滑动设置有对应于芯片10的出口通孔12的出液滑块65;所述进液滑块64和出液滑块
65正对芯片10的一侧分别设有能够与所述芯片10的进口通孔11和出口通孔12流体密封的
针66。
射向其的散射光线,进而降低杂光干扰。
送通23、容纳腔24和侧流通道25的缺口;
道结构;
形成盖片层输送通道13和盖片层容纳腔14的缺口;所述基片掩模仅包括用于形成进样槽
21、出样槽22、输送通23、容纳腔24的缺口;所述结构层掩模包括用于形成进样中槽31、出样
中槽32、中层输送通道33、中层容纳腔24和中层侧流通道35的缺口;其中各掩模上的对应缺
口具有相同的形状和尺寸,且被定位使得制备所得的各层的微结构能够形成完整的组合微
通道;
通道结构;结构层3进行充分蚀刻,得到贯通的微通道结构,此时,结构层3被蚀刻成相互分
离的边框37和块单元36,但在结构侧掩模的相对侧,相互分离的边框37和块单元36仍通过
未被紫外光照射的光刻胶固定定位在刚性支撑板件上,因而仍保持相互间的位置定位;
通孔12及非贯通的盖片层输送通道13和盖片层容纳腔14的盖片层;
片层2的微通道侧与结构层3固定贴合,从而得到具有三层结构的芯片10。
模,以保证掩模遮挡部位的精确定位;将所述涂层掩模分别定位的贴合至盖片层1和基片层
2的非通道侧;
的微通道结构上布置有侧流通道,同时侧流通道的进出口端分别连通于容纳腔底部和下级
分配通道,能够在不消耗连续相流体的情况下实现对微液滴的诱导,提高了液滴填充效率,
同时不易出现液滴融合缺陷;将侧流通道单独设置在结构层,从而允许已填充的液滴较好
的封闭相应的侧流通道,从而减小甚至消除已被填充的容纳腔对液滴的诱导效应,提高液
滴分配效果,并降低液滴堆积的风险;通过在芯片盖片层和基片层的外侧涂覆偏振方向相
反的偏振涂层,从而实现对激励光到荧光检测元件间的光路的完全阻断,同时,配合在芯片
两侧设置的外部偏振元件,还可以阻断透过容纳腔侧壁射出的荧光信号到荧光检测元件之
间的光路,避免相邻荧光信号点之间的信号融合。
附图说明
通道,24为容纳腔,241为腔壁,242为檐部,243为引导部,25为侧流通道,3为结构层,31为进
样中槽,32为出样中槽,33为中层输送通道,34为中层容纳腔,35为中层侧流通道,36为块单
元,37为边框,4为检测平台,41为光源架,42为第一偏振元件,43为插槽,44为第二偏振元
件,45为感光元件,46为凹槽,5为光源,6为供液组件,61为通道壁,62为短壁,63为滑动槽,
64为进液滑块,65为出液滑块,66为针,7为遮光罩,10为芯片。
具体实施方式
位置高于出口通孔12;所述进出口通孔11和出口通孔12位于所述芯片10的竖直中轴线的左
侧上下两端。
进样槽21和出样槽22,并在两者之间弯折延伸的输送通道23,所述输送通道23包括若干条
水平延伸的分配通道231及连接于上一级分配通道231的末端和下一级分配通道231的首端
的连接通道232。
腔24中的微液滴。具体的,参见图3,可以将连通于不同分配通道231的两排容纳腔24相互交
错设置,同时将所述侧流通道25竖直设置在所述容纳腔24的底部;或者,参见图4,可以在容
纳腔24定位于分配通道231的相同位置的情况下,将所述侧流通道25的至少出口部分倾斜
的设置,所述侧流通道25的出口部的倾斜方向使得侧向流的水平分量与相应分配通道231
中的主体流的方向相同。
之间形成两个对称的,能够包裹微液滴的上半部分的局部的檐部242。
导部243;所述引导部243的半径与所述檐部242的高度相同。
3。
口通孔12;基片层2则具有相应的非贯通的进样槽21和出样槽22。
基片层2的微通道结构均不包括侧流通道,而结构层3的微通道结构包括中层侧流通道35;
所述结构层3的微通道结构均为贯通结构,从而盖片层1、结构层3和基片层2相互叠合后能
构成完整组合的输送通道、进样槽、出样槽和容纳腔,但侧流通道仅存在于结构层3。
部242和引导部243均由盖片层1、基片层2和结构层3组合构成。
提供同等的侧向流强度,从而不至于因中层侧流通道35截面积的减小而降低对微液滴的诱
导作用。
部,例如所述固定部可以是允许所述芯片10插设固定的插槽43,所述插槽43垂直于所述检
测平台4的长轴固定,且沿所述检测平台4的长轴方向,在所述插槽43的前后方分别以平行
于所述芯片10的方式设置有第一偏振元件42和第二偏振元件44;其中,第一偏振元件42与
第二偏振元件44的偏振方向相反。在所述检测平台4的一端固定设置有光源架41,所述光源
架41上固定设有激励光的光源5,所述光源5被定位为其发出的激励光垂直射向所述第一、
第二偏振元件;在所述检测平台4的相对端固定设有感光元件45。
10插设与所述插槽43时,能够抵靠所述芯片10的短壁62;所述短壁62不遮挡芯片10上的容
纳腔;所述通道壁61的上下两侧分别设有一条滑动槽63;且在位于上方的滑动槽63内滑动
设有对应于芯片10的进口通孔11的进液滑块64;位于下方的滑动槽63内滑动设置有对应于
芯片10的出口通孔12的出液滑块65;所述进液滑块64和出液滑块65正对芯片10的一侧分别
设有能够与所述芯片10的进口通孔11和出口通孔12流体密封的针66。
简单替换等方式得当的技术方案也属于本发的可行范畴。本发明的保护范围以权利要求书
的限定为准。