一种集成式液滴微流控芯片的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于生化微流控技术领域，具体涉及一种集成式液滴微流控芯片。
【背景技术】
[0002]目前，基于液滴微流控技术的生化分析检测已经得到充分的应用和发展，例如QX200?和Raindrop?数字PCR系统，这两个系统在检测的灵敏度、准确度以及可测浓度动态范围上都有了极大的提高，但是在实际应用中仍然无法充分满足生化检测的需求。一方面，这两个系统对外围控制部件的要求较高，导致系统复杂度上升，系统成本难以降低；另一方面，这两个系统没有充分利用微流控技术易于集成的优势，待检样本往往需要在不同仪器间进行转移，使得系统的自动化与集成化程度不高。此外，系统的扩增反应和流式检测的时间较长，也限制了仪器系统的通量，使其难以满足高通量的应用需求。
[0003]在Labon a chip，2011 年，第11 卷，第22号，第3838-3845页，Andrew C.Hatch等人曾描述了一种可用于高通量液滴式数字PCR的微流控芯片与荧光检测系统，可以在8-12cm2的范围内完成百万个皮升级别的液滴反应与检测，极大地提升数字PCR的动态检测范围。但该系统同样存在一些问题。首先，该芯片会不可避免地造成液滴的损失，并对检测结果产生影响；其次，芯片的腔体中容易产生气泡，这些气泡在PCR扩增过程中会不断地膨胀与收缩，这极有可能导致实验的失败。最后，该芯片腔体中液滴的排布结构严重依赖于前期的液滴生成中水油相比例，而这必然会带来操作上的难度并对后期应用产生限制。
[0004]文献CN103343092中提及了一种基于矿物油饱和PDMS材料的数字PCR芯片的制作方法，但由于PDMS材料对油性分子具有超强的吸收能力，而且PDMS材料的强度较差，极易发生变形，所以多用于实验室研究，无法满足产业化的应用需求。因此，必须提供一种具有实际应用价值的微流控芯片以解决目前所遇到的难题。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种集成式液滴微流控芯片，在保证检测灵敏度的同时，提高检测的效率，同时降低现有基于微流控芯片技术的系统的复杂程度和系统成本，简化操作步骤。
[0006]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0007]—种集成式液滴微流控芯片，包括一个以上的液滴生成结构I，每一个液滴生成结构I通过相应的连接通道2和相应的收集腔体结构3连通，水油两相试剂分别经由液滴生成结构I生成尺寸均一的液滴10，包含液滴10的乳液经过连接通道2直接或间接地进入收集腔体结构3中，并在收集腔体结构3中自适应地排布成有规律的液滴阵列，液滴阵列通过空气加热制冷或帕尔贴半导体加热制冷等方式实现恒温控制或温度循环控制来完成生化反应，同时进行实时的监测或定时的光学检测。
[0008]所述的液滴生成结构I设有第一入口4、第二入口 5和微流道7，第一入口 4、第二入口 5和微流道7入口连通，第一入口 4和第二入口 5处设有储液槽8以便于水油两相试剂加载，或者将水油两相试剂置于芯片外部，通过气密接口与第一入口 4和第二入口 5相连完成加载。
[0009]所述的连接通道2设置有阀门9，为了使乳液能够在收集腔体结构3中保持同步流动，连接通道2包含一分二、二分四、四分八，至多分成64路的并行通道与收集腔体结构3相连。
[0010]所述的收集腔体结构3包括在彼此相互分开的两个相对的第一壁11、第二壁12，第一壁11、第二壁12之间连接有多个支柱结构13，收集腔体结构3设有排气出口 6。
[0011 ]所述的收集腔体结构3做抽真空处理。
[0012]所述的收集腔体结构3与液滴生成结构I分布在同一平面上。
[0013]所述的收集腔体结构3所在平面与液滴生成结构I所在平面成90°或其他角度，形成三维的立体结构布局，此时收集腔体结构3还设有储油结构14。
[0014]所述的微流道7包含“十”字型或“T”字型流道结构，通过调节流道的宽度与高度，能够形成直径尺寸在150um以下的均一稳定的液滴10。
[0015]所述的第一壁11、第二壁12之间的距离h需要根据液滴10的直径确定，不超过液滴直径的3倍，从而使液滴10在第一壁11、第二壁12之间形成单层、双层或三层的排列。
[0016]所述的储油结构14在与两个相对的第一壁11、第二壁12垂直方向上的尺寸则不受液滴直径的限制。
[0017]本发明的有益效果为:(I)将液滴生成与生化反应和检测集成到一个芯片完成，减少了样本的转移，解决污染问题，也提高了系统的自动化程度；(2)采用低成本、可批量加工的一次性的芯片，可以满足某些生化检测场合对污染控制的需求；(3)能够形成单分散(液滴尺寸均一)的液滴10，满足生化检测场合高灵敏度和高通量定性定量检测的要求；(4)采用合理的芯片布局并对收集腔体结构3进行设计，有效避免了腔体内气泡的形成，并利用水油两相试剂的密度差异，设置有储油结构14，用以减小芯片的整体尺寸；(5)通过调整收集腔体结构3的两个相对的壁11、12之间的距离，能够对液滴10的排布方式进行控制，提高液滴排列的密度并通过图像采集系统18单次或多次成像即可完成检测过程，大大提高了液滴微流控系统的检测效率。
【附图说明】
[0018]图1为液滴微流控芯片的结构示意图。
[0019]图2为立体单通道液滴微流控芯片立体图。
[0020]图3为立体单通道液滴微流控芯片的各个视图，其中图3(a)为立体单通道液滴微流控芯片的俯视图；图3(13)为立体单通道液滴微流控芯片的侧视图；图3(c)分别为立体单通道液滴微流控芯片收集腔体结构的剖面图。
[0021 ]图4为平面多通道液滴微流控芯片立体图。
[0022]图5为平面多通道液滴微流控芯片的各个视图，其中图5(a)为平面多通道液滴微流控芯片的主视图；图5(b)为平面多通道液滴微流控芯片主视图的局部放大；图5(c)为平面多通道液滴微流控芯片试剂槽的剖面图。
[0023]图6为收集腔体结构的局部示意图。
[0024]图7各图分别为液滴阵列不同排布方式的主视图与侧视图，其中图7(a)为单层液滴;图(b)、图(c)为双层液滴;图(d)为三层液滴。
[0025]图8为液滴微流控芯片光学检测系统的结构示意图。
[0026]图9为液滴微流控芯片的工作示意图。
[0027]图10为芯片收集腔体结构中单层液滴阵列在明视场与荧光视场下的实验观测结果，其中图10(a)为液滴阵列在明视场下的成像效果；图10(b)为采用PCR试剂制备的液滴阵列扩增后在明视场和荧光视场下的成像效果；图10(c)为液滴阵列在荧光视场下的成像效果O
【具体实施方式】
[0028]以下将结合附图和实施例进一步阐述本发明。
[0029]参照图1，一种集成式液滴微流控芯片，包括液滴生成结构I，液滴生成结构I通过连接通道2和收集腔体结构3连通，液滴生成结构I液滴生成结构I设有第一入口 4、第二入口5和微流道7，第一入口 4、第二入口 5和微流道7入口连通，第一入口 4和第二入口 5处设有储液槽8以便于水油两相试剂加载，水油两相试剂分别经由液滴生成结构I上的第一入口 4、第二入口 5进入液滴生成结构I，生成尺寸均一的液滴1，包含液滴1的乳液经过连接通道2直接或间接地进入收集腔体结构3中，连接通道2设置有阀门9，为了使乳液能够在收集腔体结构3中保持同步流动，连接通道2包含一分二、二分四、四分八，至多分成64路的并行通道与收集腔体结构3相连，液滴10在收集腔体结构3中自适应地排布成有规律的液滴阵列，液滴阵列通过空气加热制冷或帕尔贴半导体加热制冷等方式实现恒温控制或温度循环控制来完成生化反应，同时进行实时的监测或定时的光学检测，收集腔体结构3设有排气出口 6，收集腔体结构3通过支柱结构13支撑，防止腔体的坍塌，
[0030]实施例1，立体单通道液滴微流控芯片:参照图2与图3(a)，立体单通道液滴微流控芯片包括液滴生成结构I，液滴生成结构I通过连接通道2和收集腔体结构3连通，液滴生成结构I设有第一入口 4、第二入口 5和微流道7，第一入口 4、第二入口 5和微流道7入口连通，第一入口 4和第二入口 5处分别集成有储液槽8，连接通道2由一条通道构成，微流道7出口通过连接通道2和收集腔体结构3入口连接，收集腔体结构3设有一个排气出口 6;参照图3 (b)与图3(c)，收集腔体结构3包括彼此相互分开的两个相对的第一壁11、第二壁12，在第一壁11、第二壁12之间连接有两个以上的支柱结构13用于支撑收集腔体结构3，防止腔体的坍塌，收集腔体结构3所在平面与液滴生成结构I所在平面成90°，形成三维的立体结构布局，收集腔体结构3的底部设有储油结构14，储油结构14以储存乳液中多余的油相试剂，减小收集腔体结构3的腔体面积。
[0031]水油两相试剂将分别被预先加载到储液槽8中，然后经由微流道7生成液滴10，包含液滴10的乳液直接通过连接通道2在流体驱动力和重力作用下逐渐填充收集腔体结构3，而空气则经由排气出口6排出，这样既保证了乳液被全部收集，也有效避免了气泡的形成。
[0032]立体单通道液滴微流控芯片采用高分子聚合物材料--C0C注塑加工制作，长75mm，宽25mm，厚度2mm，储液槽高度为8mm，内径为5mm，收集腔体结构3长50mm，宽20mm，其中，收集腔体结构3的一侧由一层COC材料的薄膜15完成腔体密封，在满足需求的前提下厚度最小可达为lOOum，这样在与热学模块集成时就具有很好的导热性能，便于满足各种生化反应的温控需求。微流道7为“十”字型的结构，微流道7的宽度与高度为lOOum，能够形成直径尺寸10