一种液滴数字PCR芯片及相应检测系统的制作方法

本实用新型涉及微流控液滴数字聚合酶链式反应(PCR)领域，特别是涉及一种液滴数字PCR芯片。此外本实用新型还涉及一种具有该液滴数字PCR芯片的检测系统。

背景技术：

实时荧光定量PCR(以下简称qPCR或qRT-PCR)技术是一种在DNA扩增反应中以荧光化学物质测每次PCR循环后产物总量的方法，其中，通过内参或者外参法对待测样品中的特定DNA序列进行定量分析。由于qPCR技术具有准确度高，线性范围宽等优势，因此，已经广泛地用于分子诊断、疾病研究、临床医学等领域。

通常遵循传统PCR的扩增原理，模板的Ct值和该模板的起始拷贝数存在线性关系，所以成为定量检测溶液中模板的原始拷贝数的依据。利用TaqMan探针测定PCR扩增产物的荧光曲线时，需要PCR扩增产物达到10¹¹个拷贝/微升的饱和量，为了使10μl的PCR反应体系在30个循环后达到这样的产物浓度，PCR反应体系至少需要10³个起始模板量。如果将PCR的体积减少至10纳升(nl)，则单个模板就可以在经30个PCR循环后被检测到。

专利文献CN103451088A(一种微液滴式PCR芯片及其制作方法)公开一种使用PDMS和玻璃片作为微流控芯片的材料，亦即作为微液滴的产生芯片。其中如此得到的微液滴尺寸具有均匀、界面稳定、PCR反应效率高等优点，但由于使用PDMS作为芯片材料，而PDMS材料的透气性特别好，透水性也会有，因此在这种芯片上直接进行PCR会导致PCR反应液蒸发而造成结果不准确。并且该芯片只具有液滴生成功能，而没有对反应产物进行检测的功能，所以该芯片的功能并不完整。另外，所述芯片还在3个试剂注入口均设置了单相液滴成型微结构，结构较为复杂。

技术实现要素：

本实用新型基于以下原理，利用微液滴技术可以对纳升级别的微小体积液体进行操控，具体而言将起始样本反应液分割成皮升至纳升级的微液滴，在这样大小的微液滴中最多只包含一个目的DNA或RNA模板。当完成PCR之后，通过计算阳性液滴的数量就可以推导出起始反应液中目的DNA或RNA的总模板数。微液滴芯片基于传统的单相微流控芯片技术，但相比于单相微流控系统，由于其水/油两相分离的特征，其优点在于：消耗样品和试剂量更少、混合速度更快、不易造成交叉污染、易于操控等。

本实用新型提出一种液滴数字PCR芯片，具有一个单元或者两个或多个相同单元，单元包括：油相储液池、PCR起始反应液储液池和液滴储存池，连接油相储液池的流道和连接PCR起始反应液储液池的流道汇合，成为通向液滴储存池的液滴导流流道，其中液滴储存池部分地或全部位于油相储液池和PCR起始反应液储液池的下方，用于收集所生成的液滴并进行PCR扩增反应。

按照本实用新型，由油相储液池流出的油相与由起始反应液储液池流出的起始反应液交汇，生成油包水型液滴。所生成的液滴经流道汇入液滴储存池并在此进行PCR扩增反应。

按照本实用新型，所述单元可以包括两个或更多个PCR起始反应液储液池，以容纳不同的PCR反应物。在这种情况下，来自所有PCR起始反应液储液池的液体首先汇合形成混合物，然后与由油相储液池流出的油相交汇，生成油包水型液滴。

按照本实用新型，可以通过在芯片上设置的单层液滴平铺腔，将液滴储存池中经过PCR扩增反应后的液滴引入单层液滴平铺腔，对位于单层液滴平铺腔中的液滴进行PCR扩增产物的检测。因此，按照本实用新型的芯片的每个单元还包括用于检测PCR扩增产物的单层液滴平铺腔和废液储液池，单层液滴平铺腔通过流道与液滴储存池相通，废液储液池通过流道与单层液滴平铺腔和液滴储存池相通。其中有利地，所述芯片可以具有上中下三层式结构，其中上层结构包括所述油相储液池、PCR起始反应液储液池、废液储液池；中层结构包括所述流道和液滴导流流道以及单层液滴平铺腔；下层结构包括液滴储存池。

按照本实用新型，在另一实施形式中，位于液滴储存池中的液滴在经过PCR扩增反应后，也可以使用吸液针，从液滴储存池中吸出液滴，对液滴进行PCR扩增产物的检测。因此，在本实用新型一种有利的实施形式中，所述芯片可以具有上中下三层式结构，其中上层结构包括所述油相储液池、PCR起始反应液储液池；中层结构包括所述流道和液滴导流流道；所述液滴储存池贯穿所述上中下三层，以便插入吸液针。

按照本实用新型提出的微流控芯片集成了液滴生成和PCR扩增的功能以及任选的PCR扩增产物检测功能，从而可极大的提高利用液滴进行低拷贝基因的数字PCR检测。此外，按照本实用新型提出的芯片无需在各试剂注入口设置单相液滴成型微结构，结构更为简单。

此外有利地，在按照本实用新型芯片的应用中采用具有缺口、例如米字或十字缺口的硅胶塞对所述各储液池进行密封。通过采用具有米字或十字缺口的硅胶塞进行密封，从而有效避免交叉污染。

此外有利地，当按照本实用新型的芯片包括单层液滴平铺腔时，在用于引导液滴进入液滴储存池的流道中的出口部分设有向下引流通道，以便这样生成的液滴流体直接汇入所述液滴储存池。通过这样的设计，可以有效避免微腔道的虹吸现象产生，从而可以防止液滴直接流入单层液滴平铺腔。

在一种实施形式中，所述油相储液池、PCR起始反应液储液池、单层液滴平铺腔、废液储液池和所述的流道形成上半芯片，所述液滴储存池形成下半芯片，所述上半芯片和下半芯片封接为一个整体。在另一实施形式中，所述油相储液池、PCR起始反应液储液池、所述流道和所述液滴储存池的上部分形成上半芯片，所述液滴储存池下部分形成下半芯片，所述上半芯片和下半芯片封接为一个整体。

有利地，所述上半芯片和下半芯片经热压键合封接为一个整体。

此外，按照本实用新型的芯片可以由具有良好光学性和能耐受PCR反应温度的材料制成。作为实例，所述材料可以为聚碳酸酯(PC)塑料或环烯烃共聚物(COC)材料。

当按照本实用新型的芯片由聚碳酸酯(PC)塑料或环烯烃共聚物(COC)材料制成时，可采用热压键合实现芯片的封接，从而在PCR整个过程中都处于完全封闭的环境中，因此这样可以有效的避免PCR过程产生DNA气溶胶的问题，为实际的应用提供有效的解决方案。

此外有利地，按照本实用新型的芯片由聚碳酸酯(PC)塑料或环烯烃共聚物(COC)材料注塑成型。由于按照本实用新型的芯片是采用注塑成型并且在应用中一般是一次性使用的，因此按照本实用新型的芯片相比于采用PDMS材料的芯片是在成本上是非常有利的。此外由于采用耐高温材质PC或COC制作芯片，那么无需取出所生成的液滴，通过薄壁的锥形孔(液滴储存池)就可以直接进行PCR温控反应(升温和降温)。

作为一个实例，按照本实用新型的芯片中的所述油相储液池的内腔具有0.5cm的直径、0.8cm的深度以及1.2mm的壁厚；所述PCR起始反应液储液池的内腔具有0.6cm的直径、0.8cm的深度、1.2mm的壁厚；所述流道具有200μm的宽度、50μm的深度；所述单层液滴平铺腔具有0.9cm的宽度、150μm的深度；所述液滴储存池的形状为锥形，其具有0.6cm的上圈直径、0.3cm的下圈直径、18度的锥度、1cm的内部深度以及0.5mm的壁厚。

此外，本实用新型提出一种使用按照本实用新型的芯片的相应检测方法，包括以下步骤：

将油相和PCR起始反应液分别添加到油相储液池和PCR起始反应液储液池中并且施加具有预留通气孔的硅胶帽；

分别在所述油相储液池和PCR起始反应液储液池施加气压并持续特定时间，以便使分别来自油相储液池和PCR起始反应液储液池的液体汇合而生成大量大小均匀的小液滴；和

当所述生成的液滴都汇入所述液滴储存池后进行PCR扩增反应；和

当PCR扩增反应结束后，读取PCR反应结果。

有利地，该方法还可以包括以下步骤：

当PCR扩增反应结束后，经所述油相储液池和/或PCR起始反应液储液池给所述液滴储存池注入比重大于液滴比重的重油，使得所述液滴能流入所述单层液滴平铺腔；

对位于单层液滴平铺腔中的液滴，读取PCR反应结果。

其中，利用按照本实用新型的芯片采用油相抬升的方法在实现PCR反应后驱动液滴流入单层平铺腔内。由于所述油的比重大于液滴的比重，注入液滴储存池的油位于液滴之下，从而使液滴储存池的液面抬高，使液滴能从出口流出，平铺成单层的液滴，方便对PCR结果的记录。

在此优选地，对位于单层液滴平铺腔中的液滴，使用带有特定滤镜的荧光显微镜读取PCR反应结果。

有利地，在按照本实用新型提出的方法中，在PCR扩增反应结束后经油相储液池给液滴储存池注入油的步骤中使用100mbars气压并持续5分钟，从而液滴储存池的液面持续抬高，以至于实现液滴能从出口流入单层液滴平铺腔中。

在另一有利实施形式中，该方法还可以包括以下步骤：当PCR扩增反应结束后，通过吸液针把经反应后的液滴从所述液滴储存池吸到透明检测装置中；对位于所述透明检测装置中的液滴，读取PCR反应结果。

其中优选地，使用PMT光电倍增管模块读取PCR反应结果。

此外，本实用新型还提出一种检测系统，包括：

按照本实用新型的PCR芯片；

用于PCR扩增反应的循环加热装置；和

PCR结果读取装置。

在一个实施形式中，PCR结果读取装置可以包括：

激光光源，其位于在芯片区域正上方并且具有45°入射方向；

可变焦镜头和CCD相机，它们位于在所述芯片区域正上方；

带通荧光滤光片，其位于在所述可变焦镜头与CCD相机之间。

有利地，激发光源包括发光二极管(LED)和15°透镜以及带通激发光滤光片，其中带通激发光滤光片具有473nm的中心波长和10nm的带宽。其中，15°透镜和带通激发光滤光片分别用于发光二极管发出的光的聚焦和过滤，而45°斜射角度可以确保在芯片的单层液滴平铺区域上的均匀照射，从而可有效降低激发光散射背景，提高荧光检测的灵敏度。

有利地，带通荧光滤光片具有535nm的中心波长和40nm的带宽。具体地，在应用中在芯片上液滴内部的荧光被激发并被上方的可变焦镜头收集，经该带通荧光滤光片过滤后进入CCD相机采集荧光图片，从而实现PCR结果的获取。

在另一有利实施形式中，PCR结果读取装置可以包括：吸液针和PMT光电倍增管模块。

有利地，PCR结果读取装置还可以包括透明检测装置。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅描述本实用新型的一部分实施例。这些附图对于本实用新型来说并不是限制性的，而是起示例性的作用。其中：

图1示意地示出按照本实用新型的液滴数字PCR芯片的正面和对应截面图；

图2示意地示出按照本实用新型的相应检测方法200流程图。

图3示意地示出按照本实用新型的另一种液滴PCR芯片的正面和对应截面图。

具体实施方式

图1示意地示出按照本实用新型的液滴数字PCR芯片的正面和对应截面图。在图1的上部分是芯片的正面图，下部分是相应的截面图。

如图1上部分的芯片正面图所示，该芯片作为一种液滴PCR芯片具有上下两个相同单元，每个单元包括：油相储液池1、流道2、PCR起始反应液储液池3、液滴导流流道4、液滴储存池5、单层液滴平铺腔6、支撑线7以及废液储液池8。此外，在应用时还包括施加在各储液池上用于密封的硅胶塞9。其中，PCR起始反应液储液池3、废液储液池8、流道2和4、单层液滴平铺腔6形成上半芯片，而液滴储存池5形成下半芯片，上半芯片和下半芯片均由PC塑料经注塑并且经热压键合封接为一个整体。

从图1中下部分的截面图来看，该芯片具有上中下三层结构。上层结构包括油相储液池1、PCR起始反应液储液池3、废液储液池8。中层结构包括各储液池相连的流道例如流道2和液滴导流流道4以及单层液滴平铺腔6。下层结构只包括液滴储存池5。

其中，油相储液池1的内腔具有0.5cm的直径、0.8cm的深度以及1.2mm的壁厚；PCR起始反应液储液池3的内腔具有0.6cm的直径、0.8cm的深度、1.2mm的壁厚；流道2、4具有200μm的宽度、50μm的深度；单层液滴平铺腔6具有0.9cm的宽度、150μm的深度；液滴储存池5的形状为锥形，其具有0.6cm的上圈直径、0.3cm的下圈直径、18度的锥度、1cm的内部深度以及0.5mm的壁厚。

从功能上来讲，油相储液池1和PCR起始反应液储液池3用于将起始反应液分割成体积在0.5-1纳升的液滴反应液，即来自油相储液池1的油相和PCR起始反应液储液池3的起始反应液汇合，生成0.5-1纳升的油包水型液滴反应液；液滴存储池5用于收集液滴并进行PCR；当PCR完成后，单层液滴平铺腔6用于接收从液滴存储池5导入的液滴，以便随后实现采用适合的方式读取相关PCR结果，例如利用特定滤镜的荧光显微镜。

特别地，由于液滴导流流道4专门用于引导液滴汇入液滴储存池5，在此可设有向下引流通道，以便这样生成的液滴流体直接汇入所述液滴储存池。该设计的目的在于，有效防止在狭小的流道腔内比较显著的液体虹吸作用。

图2示意地示出按照本实用新型的相应检测方法200的流程图。方法200包括以下步骤：

将油相和PCR起始反应液分别添加到油相储液池和PCR起始反应液储液池中并且施加具有预留通气孔的硅胶帽201；

分别在所述油相储液池和PCR起始反应液储液池施加气压并持续特定时间，以便使分别来自油相储液池和PCR起始反应液储液池的液体汇合而生成大量大小均匀的小液滴202；和

当所述生成的液滴都汇入所述液滴储存池后进行PCR扩增反应203；和

当PCR扩增反应结束后，读取PCR反应结果205。

其中有利地，该方法还可以包括以下步骤：当PCR扩增反应结束后，经所述油相储液池和/或PCR起始反应液储液池给所述液滴储存池注入比重重于液滴的重油，使得所述液滴能流入所述单层液滴平铺腔204；

随后对位于单层液滴平铺腔中的液滴，读取PCR反应结果205。

其中，利用按照本实用新型的芯片采用油相抬升的方法在实现PCR反应后驱动液滴流入单层平铺腔内。由于所述油的比重大于液滴的比重，注入液滴储存池的油位于液滴之下，从而使液滴储存池的液面抬高，使液滴能从出口流出，平铺成单层的液滴，方便对PCR结果的记录。

在方法200中一次性地使用上述按照本实用新型提出的具有如图1所述结构的芯片，按照本实用新型的芯片由聚碳酸酯(PC)塑料或环烯烃共聚物(COC)材料注塑成型，因此相比于采用PDMS材料的芯片是在成本上是非常有利的。

具体而言，在步骤201中，在油相储液池1中添加50μl油作为油相，添加25μl PCR起始反应液在储存池3中。完成添加之后，在两个储液池上分别施加如图1所示的专用单向进气硅胶帽9；

随后，在步骤202中，分别给油相储液池2和PCR起始反应液储液池3施加100mbars和125mbars的气压，这样在油相和PCR反应液的交汇处会形成大约20000-30000个大小均匀的微液滴，这些形成的微液滴经液滴导流流道4汇聚到液滴储存池5里面。为了更好地收集所形成的液滴，在液滴流出口设计了一个向下引流的流道，这样生成液滴后流体会随着流道直接汇入液滴储存池。液滴生成的时间大约需要10分钟。

当液滴生成完毕、生成的液滴全部都汇入液滴储液池5中之后，在步骤203中进行PCR。例如，可以根据用户具体设置好的PCR反应程序进行PCR反应。

当PCR结束后，进入步骤204，其中在油相储存池1中注入50-80μl油，所述油的比重大于液滴，而且所述油与液滴这两相是互不相容的，随后给油相储存池1施加100mbars的气压约5分钟，任选同时给PCR反应液储存池3上施加20mbars的气压。由此，添加的油流入液滴储存池5中位于底部从而抬高液面，使得上层的液滴可以流入单层液滴平铺腔6内。由于在芯片的生产过程中平铺腔高度为150μm，而该芯片在上述气压的控制下形成的液滴直径在100-150μm之间，因此，平铺腔中的液滴只会慢慢流入形成单层的液滴面。

随后，在步骤205中，使用特定检测系统进行荧光成像，再通过相关的软件对检测结果的进行分析，最后可以计算出PCR起始反应液中总的DNA模板数。

其中该特定检测系统可以设计如下：除了按照本实用新型提出的PCR芯片之外，该检测系统还可以包括：用于PCR的循环加热装置；激光光源，其位于在芯片区域正上方并且具有45°入射方向；可变焦镜头和CCD相机，它们位于在所述芯片区域正上方；带通荧光滤光片，其位于在所述可变焦镜头与CCD相机之间。

在该例子中，激发光源包括发光二极管(LED)和15°透镜以及带通激发光滤光片，其中所述带通激发光滤光片具有473nm的中心波长和10nm的带宽。此外，所述带通荧光滤光片具有535nm的中心波长和40nm的带宽。

在按照本实用新型的方法的具体应用中，在PCR反应结束之后，系统中的发光二极管经由15°透镜以及带通激发光滤光片，从芯片上方45°均匀斜射在芯片的单层液滴平铺区域6。15°透镜和带通激发光滤光片分别用于聚焦和过滤。在此，45°的斜射光路可有效降低激发光散射背景，从而提高荧光检测的灵敏度。由此激发液滴内部的荧光之后，上方的可变焦镜头可进行收集，并经带通荧光滤光片过滤后进入CCD相机，通过CCD相机采集荧光图片从而获取PCR反应结果。

图1所示的芯片集成了液滴生成、PCR扩增和PCR扩增产物检测。按照本实用新型提出的芯片也可以仅集成液滴生成和PCR扩增的功能，如图3所示。

图3示意地示出按照本实用新型的另一种液滴数字PCR芯片的正面和对应截面图。在图3的上部分是芯片的正面图，下部分是相应的截面图。其中1为油相储存池，2为流道，3为PCR起始反应液储存池，4为液滴导流流道，5为液滴储存池，9为硅胶塞，10为PMT光电倍增管，11为吸液针，12为透明检测装置。

如图3所示，除了液滴储存池5含有上下两个部分之外，芯片中的油相储液池1、PCR起始反应液储液池3、流道2和液滴导流流道4以及液滴储存池5的设置与图1中相应结构的设置相似。当使用如图3所示的芯片时，在按照上文关于图1所示芯片所述的方法形成油包水型液滴并完成PCR扩增之后，可以使用吸液针11从液滴存储池5中吸取液滴到透明检测装置12中，随后采用适合的方式(例如利用光电倍增管PMT)读取相关PCR结果。因此，如图3所示的芯片无需包括单层液滴平铺腔和废液储液池。

对所提出的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。本实用新型并不限于以列举的具体实施方式。例如，本领域普通技术人员根据本实用新型的原理，根据想要获得的油包水液滴的体积，可以对各项参数(例如各储液池、流道单层液滴平铺腔和流道的尺寸、所施加的气压等)做出相应地调整。

应当理解，以上实施例中所公开的特征，除了有特别说明的情形外，都可以单独地或者相结合地使用。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本文所公开的本实用新型并不局限于所公开的具体实施例，而是意在涵盖如所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围之内的修改。