圆盘式高通量微流控生物芯片、自动化乳液生成装置和乳液生成方法与流程

本发明属于高通量分析系统，尤其涉及一种圆盘式高通量微流控生物芯片、自动化乳液生成装置和乳液生成方法。

背景技术：

生物芯片技术集生物、物理、化学和信息等学科于一体一种全新的技术，具有微型化、集成化、并行化、自动化和数字化等特性，能在方寸空间处理大量与生命相关的信息，近年广泛地应用到健康评估、临床诊断、个体化诊疗、生命科学研究、药物开发、分子育种、食品安全、司法鉴定等领域。生物芯片有很多种，比如微阵列芯片，液相芯片技术，微流控芯片，微流控芯片是发展的主流。微流控芯片主要以油包水形式形成乳液，以美国伯乐、3d的数字pcr微流控芯片为代表。共同特点一是微滴生成芯片只是实现乳液的生成，不能实现pcr及检测功能，乳液生成后在转移到其他的芯片或者ep管进行pcr及检测，操作复杂，并且对操作人员有一定的技术要求，且容易造成生物污染。二是乳液微滴生成方式采用向样品孔及加油孔施加负压方式，采用1个气泵同实为多个通道供压的方式，这种方式对微滴生成仪、气泵及流动管道精度要求高，容易产生压力分布不均匀导致生产乳液效果不一致造成误差。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种圆盘式高通量微流控生物芯片及乳液生成方法。该芯片一个特点是设计成由多个微流控通道构成，也可以设计成由多个夹具构成。每个夹具上放单一流控通道结构芯片。该芯片可以实现高通量，也可以低通量，根据要求使用方便。

该芯片的另一个特点是可以实现单个微流控通道的乳液制备，也可以通过圆盘旋转实现连续依次生成多个微流控通道的乳液制备。该芯片的第三个特点是，每个微流控通道结构由乳液生成结构和乳液平铺结构构成。实现乳液制备、pcr功能、检测于一体。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：集乳液制备、pcr功能、检测功能一体化的多个通道的圆盘式高通量微流控生物芯片，以及自动化乳液生成装置。该芯片乳液生成采用圆盘旋转逐次生成多个微流控通道乳液，每个微流控通道乳液生成采用加压方式实现。

例如：驱动电机将加油孔部分旋转一定角度，当加油孔部分的储油孔与乳液生成结构的入油孔连通时，再驱动直线电机向下运动，使供压装置加在加油孔与加样孔，为加油孔与加样孔提供压力。并根据乳液生成方法设计了自动化乳液生成装置。

具体而言，本发明的技术方案详细如下所述。

在一个方面，本发明提供一种圆盘式高通量微流控生物芯片，其包括：

设置在圆盘中心的加油孔部分，所述加油孔部分包括用于存储油的腔体和与所述腔体通过流通通道连接的出油孔；和

一个或多个微流控通道，所述微流控通道具有乳液生成结构和乳液平铺结构，

所述加油孔部分和所述微流控通道设置为能够相对旋转，使得所述加油孔部分的出油孔能够逐次与所述微流控通道的乳液生成结构的入油孔之一对接而直接密封连通。

本文所述的“油”是指微滴数字pcr中与样品水相产生油包水乳液微滴所用的油。

更具体而言，所述乳液生成结构用于由油相和样品水相产生乳液微滴，所述乳液平铺结构用于接收和平铺所产生的乳液微滴以及随后全封闭进行乳液微滴数字pcr。例如，所述乳液生成结构包括能够与所述加油孔部分的出油孔连通的入油孔、用于接收样品的加样孔和与所述入油孔和加样孔连通且用于生成乳液微滴的乳液微滴生成器，所述乳液微滴生成器的乳液出口与所述乳液平铺结构的乳液入口直接连通，以使所产生的乳液微滴直接流入所述乳液平铺结构中。

需要指出的是，在加油孔部分的出油孔与乳液生成结构的入油孔对接连通后，当对加油孔和置在上述乳液生成结构上的加样孔施加压力使油相和样品水相产生乳液微滴时，乳液微滴的制备、接收、平铺和乳液微滴数字pcr以全封闭的方式进行，即液体通路是封闭的，不与外界环境接触，不存在乳液微滴取出、注入的过程，避免了乳液微滴的破损、乳液微滴移动损失及气溶胶污染等，从而减少假阳性，提高了数字pcr检测的准确性。

在一个实施方式中，所述微流控通道一体化地集成设置，或者作为微流控通道芯片通过卡槽可拆卸地设置。

在一个实施方式中，所述加油孔部分能够固定在所述加油孔部分的固定装置上，所述微流控通道能够围绕所述加油孔部分旋转，从而使所述加油孔部分的出油孔逐次与多个微流控通道的乳液生成结构的入油孔连通；或者所述加油孔部分自身能够旋转，从而使所述加油孔部分的出油孔逐次与多个微流控通道的乳液生成结构的入油孔连通。

也就是说，为了使加油孔部分和微流控通道设置为能够相对旋转，可以采用固定加油孔部分而使微流控通道旋转的方式，也可以采用固定微流控通道而使加油孔部分旋转的方式。

所述微流控通道的数量优选为1至12个，更优选2至10个，更优选8个。微流控通道在圆盘上可以对称布置或非对称布置，优选对称布置。还优选的是，相邻微流控通道在圆周方向上的角度可以相同或不同，更优选相同，从而使加油孔部分或微流控通道旋转相同的角度即可加油孔部分的出油孔能够逐次与所述微流控通道的乳液生成结构的入油孔之一对接。

在一个实施方式中，所述加油孔部分的出油孔为向下突出的倒圆台结构，能够嵌入所述乳液生成结构的入油孔形成密封；并且所述乳液生成结构的乳液出口为向下突出的倒圆台结构，能够嵌入所述乳液平铺结构的乳液入口形成密封。

在一个实施方式中，所述乳液平铺结构的高度大于或等于0.5倍乳液微滴直径并且小于或等于1.5倍乳液微滴直径，优选大于或等于0.8倍乳液微滴直径并且小于或等于1倍乳液微滴直径，从而使乳液微滴平铺在其中，并能够进行数字pcr扩增和检测，优选的是所述乳液微滴的直径为40-140um，更优选的是所述乳液平铺结构的腔体体积为10μl-60μl，优选40μl。例如，平铺结构腔体体积约为40ul，高度约为乳液半径的80％，可以平铺2至4万乳液微滴，乳液微滴具体尺寸可以根据样品需求进行设计。

在一个实施方式中，所述微流控通道中所述乳液微滴的生成采用加压方式实现。

在一个实施方式中，所述乳液平铺结构具有塔型结构的排压口和/或对乳液位置进行定位的标识点位。

在一个实施方式中，所述的圆盘式高通量微流控生物芯片采用cop等疏油材料通过注塑等方式制备。

在另一方面，本发明提供一种自动化乳液生成装置，其主要由圆盘式微流控芯片装载台、储油结构、供压装置、控制电路、压缩泵或气泵构成。

具体而言，本发明的自动化乳液生成装置包括：

圆盘式微流控芯片装载台，其用于装载上述的圆盘式微流控芯片；

储油结构，所述圆盘式高通量微流控生物芯片的中心与圆盘式微流控芯片装载台的中心相连于所述储油结构；

用于供给压力的供压装置，所述供压装置能够垂直向下运动与所述加油孔和设置在上述圆盘式微流控芯片的乳液生成结构上的加样孔结合形成密封并能够垂直向上运动而与其分离，并且通过压缩泵或气泵为所述加油孔与所述加样孔提供压力；

用于控制所述置圆盘式微流控芯片装载台旋转和所述供压装置运动和/或电源开关的控制电路模块。

在一个实施方式中，圆盘式高通量微流控生物芯片装载台通过带有齿轮转接件安装在所述圆盘式微流控芯片的加油孔部分的固定装置上。

在又一方面，本发明提供使用权利要求上述自动化乳液生成装置的生成乳液的方法，当使用上述自动化乳液生成装置时，圆盘式高通量微流控生物芯片装载台通过带有齿轮转接件安装在加油孔部分的固定装置上，驱动步进电机通过齿轮带动微流控生物芯片转动，每转动特定角度由限位开关结构反馈信息，驱动直线电机垂直向下运动，使加油孔供压管、加样孔供压管嵌入加油孔与加样孔中形成密封，再由气泵同时为加油孔、加样孔施加压力进行乳液制备，当乳液制备完成后，驱动直线电机垂直向上运动，使加油孔供压管、加样孔供压管与加油孔与加样孔分离，步进电机再次驱动，使乳液生成结构再次旋转特定的角度，使下一个加油孔部分的出油孔与乳液生成结构的入油孔先连通，为下一通道进行乳液制备，当圆盘式高通量微流控生物芯片旋转一周时，完成所有独立通道乳液制备。

采用上述自动化乳液生成装置，通过自动化加压方式生成乳液，先生成一个微流通道乳液，通过圆盘自动旋转依次连续生成1-多个通道的乳液。通过圆盘式微流控芯片装载台旋转，依次为每个单独的通道生成乳液，乳液微滴生成尺寸的大小可以通过调节压力大小调节，可以实现40-140um。

发明效果

本发明圆盘式高通量微流控生物芯片结构包括乳液(即微滴)生成结构与平铺结构，集成了微滴生成、pcr扩增、检测功能于一块芯片，微滴生成结构实现了微滴生成，然后直接平铺到平铺结构，平铺结构可以实现后续的pcr功能与检测。操作人员只需要加入样本到芯片加样口即可，从样本加样后，乳液微滴生成、pcr、检测全过程由一块芯片封闭条件下完成。保证了检验结果的准确性。而且圆盘式高通量微流控生物芯片可以承载多个通道逐次生成乳液，实现高通量。

此外，本发明的微流控生物芯片采用圆盘形设计，圆盘上设计1-多个微流控通道，每个微流控通道结构上可分为乳液生成结构、乳液平铺结构二个部分。圆盘上微流控通道可以采用一体化设计出多个通道；也可以采用卡槽式，每个卡槽放一个通道的芯片，便于取放自如。圆盘式高通量微流控生物芯片可以用于乳液生成，以及后续pcr、成像检测功能。本发明的乳液生成方法采用自动化乳液生成装置，先生成一个微流通道乳液，通过圆盘旋转依次连续生成1-多个通道的乳液。乳液的生成采用自动化加压方式。圆盘式高通量微流控生物芯片，每个通道间的一致性强，准确度高，在样本量相同情况下，每个通道生成的乳液微滴数相差不超过0.01％，由于圆盘式高通量微流控生物芯片集乳液生成，以及后续pcr、成像检测功能于一体，不需要人工操作，从而生成用时较短，每个通道生成仅需5-6s，每个通道可以生成2-4万微滴，采用1-多通道设计，通量大。圆盘式高通量微流控生物芯片还避免了以往微流控生物芯片乳液生成后，乳液取出，然后注入pcr管进行pcr，pcr之后再取出进行检测等几个过程分体进行带来的系统误差与污染，本发明操作便捷、耗时短、成本低、准确度高、一致性强。

此外，本发明中微流控通道乳液生成采用加压方式实现，并且每次只对一个微流控通道供压，从而容易控制压力的均匀分布，优选采用施加正压方式，为加油孔与加样孔同时施加压力，压力大小可以不相同，从而方便控制乳液微滴的尺寸。

附图说明

图1为圆盘式高通量微流控生物芯片俯视图，

图2为加油孔的示意图，

图3为加油孔侧视图，

图4为加样孔的示意图，

图5为加样孔侧视图，

图6为微流控通道的示意图，

图7为乳液平铺结构的示意图，

图8为芯片卡盘的示意图，

图9为自动化乳液生成装置的整体结构的示意图，

图10为圆盘式高通量微流控生物芯片装载台的示意图，

图11为自动化乳液生成装置供压结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明揭示了圆盘式高通量微流控生物芯片，结合附图对本发明做进一步描述，以下以8通道微流控生物芯片为例，但本发明的通道数量可以为任意数量：

圆盘式高通量微流控生物芯片俯视图如图1所示，加油孔1可以被带动旋转特定的角度使油出口嵌入样品孔2的油入口。乳液生成结构的乳液出口嵌入乳液平铺结构3的乳液入口，圆盘式高通量微流控生物芯片固定结构4。

圆盘式高通量微流控生物芯片的加油孔部分如图2所示，加油孔1可以储存足够多通道生成乳液使用的油，对加油孔加压使油沿通道流出。出油孔5向下突出倒圆台结构可以嵌入乳液生成结构的入油孔中。加油孔部分底部与转轴相连接，可以转动一定的角度，使出油孔转向下一个入油孔，依次生产乳液，可以连续完成多个样本的制备。

圆盘式高通量微流控生物芯片的加油孔部分侧视图如图3所示，加油孔1中油由于压力作用经流通通道流向出油孔5。出油孔呈倒圆台型，可以嵌入乳液生成结构的油入口并形成密封，倒圆台型还有利于加油孔部分与乳液生成结构的分离。

圆盘式高通量微流控生物芯片的乳液生成结构如图4所示，加样孔6该芯片的每个加样孔可以加入同种样品也可以加入不同的样品，可以根据检测需求自行使用。入油孔7负责与出油孔连接，乳液生成口8向下突出呈倒圆台型，嵌入乳液平铺结构的乳液入口。当入油孔与出油孔相连接时，为油孔与样品孔施加压力，通过特定图案的微流控通道9生成乳液。不同图案的微流控通道配合不同大小的压力可以控制生成乳液直径大小。

圆盘式高通量微流控生物芯片的乳液生成结构侧视图如图5所示，乳液出口10呈倒圆台型，可以嵌入乳液平铺区域的乳液入口，形成密封，保证乳液顺利流入乳液腔室。

圆盘式高通量微流控生物芯片的微流控通道如图6所示，微流控通道11样品在压力作用下通过微流控通道与油相切形成乳液，特殊图案的微流控通道与特定的压力相配合，可以生成不同直径的乳液微滴，以满足不同样品检验的需求。

圆盘式高通量微流控生物芯片的乳液平铺结构如图7所示，乳液入口12与乳液生成结构的乳液出口相连接，乳液平铺区域13可以进行pcr及检测，进行pcr前需要将乳液平铺腔体密封，可以采用乳液平铺结构的样品入口以及排压口带有凝胶颗粒，采用紫外线扫描等方式使凝胶颗粒连接将乳液平铺腔体密封的方式、也可以采用预留铝箔纸，利用热封等方式将乳液平铺腔体密封等方式。排压口塔型结构14具有防虹吸的功能，可以在乳液溢出情况下保护乳液不被大量析出，只有接触到滤纸的部分被吸出，保证检验可以顺利进行。标识点位15可以在乳液注入和pcr检测时对乳液位置进行定位，保证乳液不会溢出以及pcr检验时确定成像区域，优化边缘液滴处理。

圆盘式高通量微流控生物芯片的托盘式芯片卡盘如图8所示，芯片装配槽16，可以准确的固定单张芯片的位置，便于与乳液生成结构连接。

乳液生成仪的整体结构如图9所示，乳液生成仪主要由圆盘式高通量微流控生物芯片装载台17和供压结构18构成，可以有控制运动、电源开关等的电路模块19、供给压力的压缩泵或真空泵20、储存气体的气瓶21等结构构成。

乳液生成仪的芯片装载台如图10所示，圆盘式高通量微流控生物芯片的加油孔部分固定装置22，圆盘式高通量微流控生物芯片装载台23，圆盘式高通量微流控生物芯片乳液平铺结构固定结构24，乳液平铺结构由电机25通过齿轮26带动旋转，由限位开关等结构反馈旋转角度，完成出油孔与入油孔的对接。

乳液生成仪的供压结构如图11所示，供压结构通过固定结构27与直线电机28连接固定，加油孔部分的供压管29，上端与气瓶连接，下端可与加油孔口形成密封，加样孔供压管30，上端与气瓶连接，下端可与加样孔口形成密封。

当然本发明尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。