一种数字PCR液滴生成装置及生成方法与流程

本发明涉及一种数字pcr液滴生成装置及生成方法。

背景技术：

随着医疗模式的转变和个体化用药的不断发展，医学检验界迫切地需要快速、精确的检测手段，分子检测则发挥出独特的优势。

目前，分子检测技术主要有核酸分子杂交、聚合酶链式反应（pcr）和生物芯片技术等，分子检测产品主要应用在肿瘤、感染、遗传、产前筛查等临床各科的检测，以及体检中心、技术服务中心、第三方检测机构及微生物快速检测市场等方面。

作为分子检测的重要技术手段，pcr能够定性和定量地检测目标核算分子，在低丰度检测、稀有突变检测等日益增大的应用需求背景下，数字pcr作为一种核酸分子绝对定量技术，它将一个荧光定量pcr反应体系分配到大量微小的反应器中，在每个微反应器中包含1个或多个拷贝的目标核酸分子，进行“单分子模板pcr扩增”，扩增结束后，通过对阳性反应单元的数目和统计学方法计算原始样本中靶基因的拷贝数，数字pcr无需依赖对照品和标准曲线就可以精确地绝对定量检测。

当前，血常规、细胞学、病理学及免疫学等检验手段均朝着自动化、一体化、标准化的方向发展，但由于分子检测自身技术的复杂性，从样本到结果的自动化实现过程中存在着诸多难以解决的技术问题。单就数字pcr检测仪的微液滴观测而言，若采用液滴阵列显微成像方式，则需要将生成的液滴进行转移、平铺，如果液滴之间相互重合，则不利于观测分析。促使液滴转移、平铺的传统方式是利用一些如负压泵等外围驱动部件或驱动结构来产生负压或正压，结构及控制方式相对而言都较为复杂，且需要额外地占用仪器资源，同时也需要额外的操作时间，检测效率相对较低。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种数字pcr液滴生成装置，以能够快速、有效地促使液滴平铺，提高检测效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种数字pcr液滴生成装置，包括芯片本体，所述芯片本体具有液滴生成腔及与所述液滴生成腔连通的液滴存储腔，还包括具有吸液功能的吸液体，所述吸液体与所述芯片本体配合使用，用于驱动液滴从所述液滴生成腔移动至所述液滴存储腔。

根据本发明的一些优选方案，所述芯片本体还具有与所述液滴存储腔连通的排液腔，所述吸液体能够插设在所述排液腔内。

进一步地，所述吸液体可拆卸地设置在所述芯片本体上，或者所述吸液体可相对所述芯片本体分离地插设在所述排液腔内。

根据本发明的一些优选方案，所述芯片本体上具有直立地向上延伸的排液管，所述排液管的管腔形成所述排液腔。

作为一种具体的实施方式，所述排液腔的底部具有与所述液滴存储腔连通的排液口，所述吸液体底端部的直径大于所述排液口的孔径。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体与所述芯片本体配合时，所述吸液体沿竖直方向直立地插设在所述排液腔内。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体至少包括能够插设在所述排液腔中的主体部，所述主体部的下部还具有向下延伸的根部，所述根部的截面尺寸小于所述主体部的截面尺寸。

进一步地，所述根部的横截面面积为0.25～1mm²。

进一步地，所述根部的长度为1～8mm。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体包括能够插设在所述排液腔中的主体部，以及位于所述主体部上方的头部，所述头部露出在所述排液腔外。

进一步地，所述主体部呈上大下小的锥台状。

作为一种具体的实施方式，所述头部呈圆台状，所述头部的直径大于所述排液腔的口径。

根据本发明的一些优选方案，所述头部上固定地设置有便于夹持的夹持件。

作为一种具体的实施方式，所述夹持件为固定地扣设在所述头部上的帽体。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体由具有毛细作用的材料制成。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体具有多孔结构或者具有纤维结构材料。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体的材质选自毛细玻璃、活性炭、木材、布料、纸质材料。

根据本发明的一些优选方案，所述吸液体为能够吸收所述液滴存储腔的容积量液体的吸液体。

根据本发明的一些优选方案，所述芯片本体上具有直立向上延伸的进液管，所述进液管的管腔形成所述液滴生成腔，所述液滴生成腔的底部具有与所述液滴存储腔连通的进液口。

进一步地，所述液滴生成腔的底壁朝向所述进液口倾斜延伸地设置。

根据本发明的一些优选方案，所述芯片本体上具有进液口与排液口，所述液滴生成腔内的液滴经所述进液口进入所述液滴存储腔，所述液滴生成腔内的油相经所述排液口被所述吸液体吸收。

进一步地，所述芯片本体还包括分别将所述进液口与所述液滴存储腔连通的第一通道、将所述排液口与所述液滴存储腔连通的第二通道，所述第一通道在端部与所述液滴存储腔接通，所述第二通道在端部与所述液滴储存腔接通，其中，所述第一通道、所述第二通道及所述液滴存储腔的底面位于同一高度位置。

更进一步地，所述液滴存储腔具有与所述第一通道连通的第一连通口、与所述第二通道连通的第二连通口，所述液滴存储腔为具有第一内角与第二内角的多边形，所述第一连通口设于所述第一内角上，所述第二连通口设于所述第二内角上，所述第一内角、所述第二内角的角度为10°～120°。

作为优选的实施方式，所述第一内角与所述第二内角呈对角。

根据本发明的一些优选方案，所述液滴存储腔中还间隔地设置有多个支撑柱，所述支撑柱沿所述芯片本体的厚度方向支撑在所述液滴存储腔的底面与顶面之间。

本发明还提供了一种数字pcr液滴生成方法，包括液滴生成步骤和液滴转移步骤，所述液滴转移步骤中，利用具有吸液功能的吸液体吸取油相，促使液滴移动。

根据本发明的一些优选方案，基于上述的数字pcr液滴生成装置。

根据本发明的一些优选方案，还包括对所述芯片本体内的液体进行加热，以促使所述液滴加速移动的步骤。

进一步地，在所述芯片本体的底部进行加热，控制所述芯片本体内的液体的温度保持在30～90℃。

进一步地，所述芯片本体具有与所述液滴存储腔连通的排液腔，对所述芯片本体的加热温度随着所述排液腔与所述液滴生成腔之间的液位高度差的减小而升高。

根据本发明的一些优选方案，利用所述吸液体将所述液滴生成腔内的液滴转移至所述液滴存储腔中。

进一步地，在开始形成液滴之后，或完成液滴生成之后，所述吸液体再吸取油相。

更进一步地，所述芯片本体具有与所述液滴存储腔连通的排液腔，待所述液滴生成腔内生成液滴后，将所述吸液体插入至所述排液腔中吸取油相。

根据本发明的一些优选方案，利用机械臂将所述吸液体沿竖直方向插入至所述排液腔中。

根据本发明的一些优选方案，所述液滴生成步骤包括：

（1）使所述芯片本体的所述液滴生成腔、所述液滴存储腔内充有油相；

（2）向所述液滴生成腔中注入水相，以在所述液滴生成腔内形成液滴。

进一步地，所述步骤（2）中，利用微管道向所述液滴存储腔内注入水相，并在注入水相的同时使所述微管道振动，使在所述液滴生成腔内形成液滴。

根据本发明，所述的“油相”、“水相”具有本领域的一般含义，没有特别限制。油相的密度通常小于水相。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的数字pcr液滴生成装置，其中在液滴生成腔内开始生成液滴或者完成液滴生成后，利用具有吸液功能的吸液体来吸取液体，促使液滴生成腔内的液滴向液滴存储腔内逐渐转移，从而逐步地实现在液滴存储腔内的平铺过程。本发明直接利用吸液体吸取液体来促使液滴的转移，从而促使液滴在液滴存储腔内完成平铺，这与传统方案中采用负压装置来促使液滴进入并在液滴存储腔内完成平铺的方式完全不同，避免了使用过多压力驱动装置或复杂的结构而导致液滴生成整体设备的复杂化。本发明的液滴生成装置及液滴生成方法，其实现方式简单、有效，不占用仪器资源，从而节省了仪器对实验的整体操作时间，显著地降低了成本，以及大幅地提升了检测效率。

附图说明

附图1为本发明实施例1的液滴生成装置的整体结构示意图；

附图2为实施例1的液滴生成装置的纵向截面视图；

附图3为沿附图2中a-a向剖视结构示意图；

附图4为实施例1的液滴生成装置中芯片本体芯片基板的仰视图；

附图5为本发明实施例2的液滴生成装置的俯视图；

附图6为沿附图5中b-b向剖视结构示意图；

附图7为沿附图5中c-c向剖视结构示意图；

附图8为芯片本体中液滴平铺转移原理的示意图；

附图9为本发明实施例3采用的芯片本体的整体结构示意图；

附图10为实施例3的芯片本体的纵向截面视图；

附图11为本发明实施例4采用的芯片本体中芯片基板的结构图；

附图12为实施例4中芯片本体上片的俯视图；

其中：1、芯片本体；1a、芯片基板；1b、芯片盖板；2、进液管；3、排液管；4、液滴生成腔；5、进液口；6、液滴存储腔；61、第一通道；62、第二通道；63、第一连通口；64、第二连通口；65、支撑柱；7、排液腔；8、排液口；9、吸液体；9a、主体部；9b、头部；9c、帽体；9d、根部。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见图1至图4所示，一种数字pcr液滴生成装置，其包括芯片本体1，该芯片本体1上具有液滴生成腔4和与该液滴生成腔4连通的液滴存储腔6，液滴生成在液滴生成腔4内完成，生成后的液滴转移至液滴存储腔6进行平铺而被检测。该液滴生成装置还包括具有吸液功能的吸液体9，该吸液体9与芯片本体1配合使用，用于驱动液滴从液滴生成腔4转移至液滴存储腔6。

具体地，参见图1至图4所示，芯片本体1还具有与液滴存储腔6连通的排液腔7，吸液体9能够插设在该排液腔7内，用于吸收液体而促使液滴生成腔4内生成的液滴转移至液滴存储腔6中而逐渐实现平铺。

本实施例中，芯片本体1上具有直立地向上延伸的进液管2、直立地向上延伸的排液管3，进液管2的管腔形成液滴生成腔4，其底部具有与液滴存储腔6连通的进液口5，液滴生成腔4的底壁朝向进液口5倾斜延伸地设置，便于液滴生成腔4内生成的液滴逐个地朝向进液口5运动而逐渐地进入液滴存储腔6内。排液管3的管腔形成排液腔7，其底部具有与液滴存储腔6连通的排液口8。液滴存储腔6内的油相则经过排液口8被吸液体9吸收，从而驱动液滴生成腔4内的液滴经过进液口5进入液滴存储腔6，促使液滴平铺过程的实现。

吸液体9可以采用可拆卸连接的方式设置在芯片本体1上，也可以按照本实施例的方式而使其相对芯片本体1可分离地插设在排液腔7内。该吸液体9底端部的直径最好大于排液口8的直径，而使得吸液体9仅插设在排液腔7中吸取油相。

最优地，吸液体9与芯片本体1配合时，吸液体9沿竖直方向直立地插设在排液腔7内。

参见图3所示，吸液体9包括能够插设在排液腔7内的主体部9a，以及位于主体部9a上方的头部9b，该头部9b露出在排液腔7外，以便于向排液腔7内置入吸液体9或将吸液体9自排液腔7中取出。

进一步地，主体部9a设置呈上大下小的锥台状，头部9b呈圆台状，其直径大于排液腔7的口径，以保证头部9b始终露出在排液腔7外。头部9b上还固定地设置有便于夹持的夹持件，以便于如机械臂等夹持部件夹取固定而自动地向排液腔7内插入吸液体9或自排液腔7中取出吸液体9。本实施例中，夹持件采用的为固定地扣设在头部9a上的帽体9c。帽体9c最好采用具有一定强度的材质。

吸液体9的吸液部分，亦即主体部9a与头部9b一体成型，其整体采用具有毛细作用的材料制成，该毛细作用的材料是具有较强毛细作用的单一或复合材料，包括但不限于多孔结构、纤维结构材料如毛细玻璃、活性炭、木材、布料、纸质材料等。

该吸液体9的毛细作用材料优选为纸质材料，采用纸质材料制作该吸液体9时，可按照如下步骤进行：先通过合理的纸质纤维长度配比，将纸浆做成软质片状单层材料，再将该材料裁剪至合适的宽度，通过自动化设备将其卷成圆柱状物体，并将该物体放置在具有结构强度的塑料帽体9c内，便于储存于抓取，使用时使用机械臂将该圆柱体放置至排液腔7中即可实现液滴自动平铺，该材料具有易于加工成型、成本低的特点，纸浆的圆柱状物体孔隙密度，决定了吸液的密度。

该吸液体9的毛细作用材料也可以选择一种或多种材料混合而成，如压缩木屑、毛细纤维束等，具体为将木屑研磨成微米级碎屑，再通过与石膏的配比将二者压缩成圆柱状实体；也可以使用毛细纤维束，并通过外围包裹一圈带有孔隙的硬质材料，以加固纤维束，此时纤维束可以从侧面或两端进行吸取液体，也可以仅从两端吸取液体。

当然，吸液体9不一定需要制作为圆柱体状，只需要保证其能够插入至排液腔7中即可。制作时，应保证该吸液体9能够吸取的液体的体积不小于液滴存储腔6的容积。

参见图4所示，芯片本体1还包括分别将进液口5与液滴存储腔6连通的第一通道61、将排液口8与液滴存储腔6连通的第二通道62，其中，第一通道61在端部与液滴存储腔6接通，第二通道62也在端部与液滴存储腔6接通，第一通道61、第二通道62及液滴存储腔6的底面位于同一高度位置。具体地，液滴存储腔6具有与第一通道61连通的第一连通口63、与第二通道62连通的第二连通口64，液滴存储腔6为具有第一内角与第二内角的多边形，第一连通口63设于第一内角上，第二连通口64设于第二内角上，上述第一内角与第二内角最好呈对角设置，且第一内角与第二内角的角度为10°～120°，以使得液滴进入液滴存储腔6后以扇形的方式逐渐地均匀平铺开。

本实施例中，液滴存储腔6的横截面设置为正方形，第一连通口63与第二连通口64其一组对角上，如图4所示，而其他的各内角则均采用圆弧内倒角设置，有利于液滴在液滴存储腔1中保持良好的稳定性。

参见各附图所示，芯片本体1主要由芯片盖板1b与芯片基板1a沿厚度方向叠加而成，其中，芯片盖板1b为平板，芯片基板1a上开设有凹槽，上述平板与凹槽相互叠加压紧形成液滴存储腔6、第一通道61及第二通道62。本实施例中，凹槽开口朝下，芯片基板1a位于芯片盖板1b上方，芯片盖板1b为透明玻璃板、透明pc板、透明亚克力板、cop透明板或如pom、pp等不反光材料制成的黑色不反光板。芯片基板1a与芯片盖板1b之间可采用胶合或超声波或者热压键合工艺焊接至密封，两者之间的边缘需保持绝对的密封性。

参见图4所示，液滴存储腔6中还间隔地设置有多个支撑柱65，每个支撑柱65均沿芯片本体1的厚度方向支撑在液滴存储腔6的底面与顶面之间，这样能够使得液滴存储腔6整体高度保持较好的一致性。

本实施例中，液滴存储腔6设置有沿芯片本体1长度方向依次排布的4组，相应地，进液管2、排液管3也设置有4组。

本发明同时还提供了采用上述数字pcr液滴生成装置的液滴生成方法，其包括液滴生成步骤和液滴转移步骤，其中，液滴转移步骤中，利用具有吸液功能的吸液体9吸取油相，促使液滴移动，以使其从液滴生成腔4中移动至液滴存储腔6中，促使液滴逐渐地在液滴存储腔6中平铺。

液滴生成步骤具体可按照如下步骤实现：首先，使芯片本体1的液滴生成腔4、液滴存储腔6内充有油相；随后向液滴生成腔4内油相的液面下方注入水相，从而在液滴生成腔4内形成液滴。具体可采用微管道来注入水相，并在注入的同时振动微管道，形成液滴。

待开始形成液滴之后，或者完成液滴生成之后，再由吸液体9来吸取油相，促使液滴从液滴生成腔4转移至液滴存储腔6。优选地，待液滴生成腔4内液滴生成完成后，通过机械臂将吸液体9沿竖直方向插入排液腔7中，并静置数秒，等待吸液体9吸取油相，使得芯片本体1内的液体都朝向排液口8运动，从而使得液滴生成腔4内的液滴逐渐地经进液口5转移至液滴存储腔6中，并逐渐地在液滴存储腔6内完成平铺。

实施例2

参见图5至图7所示的一种数字pcr液滴生成装置，其与实施例1的主要区别在于，吸液体9的主体部9a的下部还具有向下延伸的根部9d，该根部9d的截面尺寸小于主体部9a的截面尺寸，以在吸液体9的底部形成截面收紧结构，使得液体能够自排液口8处被吸出，促使液滴向液滴存储腔6内转移。该根部9d的截面面积可以决定产生的负压力的大小，进而决定液体流动的速度。作为优选地，该根部9d的截面面积优选为0.25～1mm²，其长度优选为1～8mm，可产生更加稳定的负压力，从而匀速的将液滴吸入液滴存储腔6中，有利于产品的一致性与工艺实现。

本实施例与实施例1的区别还在于，采用上述数字pcr液滴生成装置的液滴生成方法中，还包括对芯片本体1内的液体进行加热，以促使液滴加速移动的步骤。

具体地，参见图8所示，在将吸液体9置入排液腔7内吸取油相后，排液腔7内的液位降低，使得液滴生成腔4与排液腔7之间存在液位差。根据连通器原理，液滴生成腔4内的液体便会向液滴存储腔6内移动，液滴存储腔6内的液体向排液腔7移动，直至最后液滴生成腔4与排液腔7的液位一致。在此过程中液滴便逐渐地进入液滴存储腔6中并逐渐地实现平铺。然而，由于液体的粘性以及芯片内毛细力等作用，液滴会以极其慢的速度向液滴存储腔6内移动，不能完成或者需要很长的时间才能够完成液滴的平铺过程，不符合实际使用场景。

本实施例中，通过在芯片本体1的底部进行加热，使得芯片本体1内的油相液体的温度升高，使得油相液体的粘性降低，从而使得液滴能够加快速度从液滴生成腔4内移动至液滴存储腔6中，并在液滴存储腔6逐渐地实现平铺。加热时使得芯片本体1内油相液体的温度控制在30℃～90℃，优选为60℃左右。其中，芯片本体1内油相液体的粘性随着温度的升高而下降，并传导至进液口5与排液口8，使芯片本体1整体的温度升高，此时油相液体便带动液滴流向液滴存储腔6，直至液滴生成腔4与排液腔7的液面保持齐平。而当流速过快时，通过控制芯片本体1底部的加热温度来改变油相液体的粘性，从而达到控制流速的目的。

当排液腔7与液滴生成腔4之间的液位高度差较大时，芯片本体1内的液体流速相对较快，而液位高度差较小时，芯片本体1内的液位流速相对较慢，因此，对芯片本体1的加热温度，随着排液腔7与液滴生成腔4之间的液位高度差的减小而升高，亦即，液位高度差较大时，加热温度降低；液位高度差减小时，加热温度升高。

具体实施时，可将芯片本体1放置于原位pcr热循环平台上进行温度控制，使得平台与芯片本体1的底部之间保持平面接触，以进行热量的传导。这样，通过加热实现液滴的快速转移并在液滴存储腔6内快速平铺，更容易实现产品化。使用时仅需要通过吸液体9以很快的速度将负压孔内的油相液体吸出，降低排液腔7的液位，液滴生成腔4与排液腔7之间产生液面高度差，再通过变温控制，即可达到预期功能，且吸取排液口8内的油相时，仅需要很少的时间，同样能够满足节约时间的目的。

实施例3

参见图9至图10所示，其示出了另一种结构形式的芯片本体1，其具有单一的液滴存储腔6，相应地，也仅具有一组进液管2与排液管3。液滴存储腔6的设置采用的为多边形，进液口5与出液口8直接在液滴存储腔6的多边形对角上与液滴存储腔6连通，液滴在液滴生成腔4内生成完毕后，将吸液体9插入至排液腔7内，即可吸取液滴存储腔6内的油相，促使液滴从液滴生成腔4经进液口5转移至液滴存储腔6内。

实施例4

参见图11、图12所示，其示出了另一种结构形式的芯片本体1，具体为芯片本体1的芯片基板1a。在本实施例中，芯片基板1a位于芯片盖板1b的下方，芯片本体1a上开设开口朝上的凹槽，芯片盖板1b采用平板，芯片盖板1b盖设在芯片本体1a上形成芯片本体1。

本实施例中，芯片本体1上设置有8个液滴生成腔6而具有较高的通量。具体地，所有的液滴生成腔6沿芯片本体1的长度延伸方向排布。每个液滴生成腔6的截面大致呈长方形，其长度方向的两端分别形成第一内角和第二内角，液滴存储腔6截面上其他的内角均做圆弧倒角设置。第一内角上设置第一连通口63，该第一连通口63通过直形的第一通道61与进液口5连通；第二内角上设置第二连通口64，该第二连通口64通过直形的第二通道62与出液口8连通，第一通道61与第二通道62沿同一长度方向延伸。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。