一种微流控PCR芯片的制作方法

本发明属于机械设计及制造领域以及微流控，具体涉及一种微流控pcr芯片。

背景技术：

pcr是目前最常见的一种核酸扩增反应，可以在体外将特定的低浓度双链脱氧核糖核苷酸(deoxyribonucleicacid，dna)片段在一两个小时内特异性的扩增。pcr这种技术可以用于基因分析、医学诊断、食品安全以及法医鉴定等多种场合。经典的pcr技术主要包括5步：预处理(样本处理，核酸提取和试剂添加等)，高温变性(dna变性形成两条单链，～95℃)，低温退火(dna单链与引物复性，55℃-62℃)，适温延伸(子链延伸dna加倍，～72℃)，和后处理(收集和电泳检测等)。在实际操作中往往将中间变性-退火-延伸这三步热循环步骤重复循环数十次以达到对目标目的基因高倍数的扩增。随着科技的发展和使用的需要，多种形式的pcr技术逐渐被发明和采用，这些种类的pcr根据特异性、产量、时间、方便性以及特殊的应用场合等不同分类，可包括：热启动pcr、降落pcr、巢式pcr、快速pcr、直接pcr、多重pcr、长片段pcr、反向pcr、定量pcr和荧光pcr等多种变形形式。传统的各类pcr操作，往往面临多次人工操作可能造成的交叉污染影响实验结果的问题，尤其是灵敏度较高的扩增方式，环境的细微影响非常容易形成假阳性的测试结果，将给爆发性疾病的检测和防控工作带来极大的不利影响。同时，非传统的pcr反应中所需要的多种生物试剂和样品价格较为昂贵，设备的体量大则所需各种试剂的成本也会增加。因此，利用日益发展的微加工技术将pcr的流程小型化和集成化的研究十分迫切。

微流控技术具有极佳的机电控制、医学、生物和化学的兼容性，其出现为pcr技术的优化提供了更多的可能性。微流控技术可以节约试剂体积，减少能源消耗，降低耗材成本，尤其是在实验室之外的工作环境和场合，利用微流控技术的设备除了便于携带以及交叉污染极小以外，还巧妙地利用了微尺度的特性，可以在时间上和能耗两方面极大提高工作效率。

在利用微流控技术实现传统pcr反应的过程中，温度的准确调节和精准测量都十分重要。比如，退火阶段温度的准确性将极大程度的影响最终所获得的扩增产物的特异性。对每一个特定的dna片段进行pcr往往都需要对其在多个梯度退火温度下获得的产物进行特异性和纯度的分析，从而筛选出最佳的退火温度，一般来说pcr需要±1℃或更好的温度精度。另外，各阶段之间温度变化的速度也对扩增的效果有着一定影响，温度变化速度要求大于5℃/s。因此，反应区域的温度测量的精确性，加热和降温装置的准确性和快速性对装置的扩增效果十分重要。

目前在微流控领域的温度测量方式种类繁多，各有利弊，其中常见的测温方式有热电偶测温，热电阻测温，红外辐射测温，感温荧光指示剂测温，热致变色液晶测温等多种。其中热电阻测温的方式可以精确的在实验区域进行温度测量并且可以成功的集成在芯片上。用在微流控pcr芯片上的加热方式也有颇多选择，例如使用热电阻(金质，银质，铜质，钨质和铝制等)，聚酰亚胺(polymide,pi)电热膜,帕尔帖元件，外置加热台等方式。然而，针对退火和延伸阶段之间的降温环节，有些设计和工作中只利用材料本身的导热性能使温度逐渐下降到所需温度，但由于微流控技术常用的结构材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)和亚克力(polymethylmethacrylate，pmma)的导热性能均较差，所以在需要装置进一步小型化时，外置水冷平台，散热铜箔，散热片，外置风扇以及帕尔帖元件等方法和装置都被广泛采用。这些加热和降温装置都不能对区域针对性的进行温度调控，或者装置材料不透明，影响对反应过程的观测，尤其是涉及到需要进行荧光信号检测的荧光pcr反应的应用。

一般应用所需pcr循环为30-50次左右，其在芯片上的实现方式大体可分为控制试剂空间循环与控制温度循环两类。控制试剂空间循环的方式常常采用压力驱动结合蛇形流道，以及微气动蠕动泵结合环形流道和热对流循环结合长柱状腔体的形式，优点在于在各区域温度固定，不需要反复调节温度。然而，蛇形流道往往体积较大；微气动蠕动泵控制的稳定性较差；长柱形腔体热对流循环方式则只适用于只需要两温度的pcr方式，这种方式往往需要更昂贵的试剂盒。控制温度循环的方式原理与常规大小的pcr仪器原理类似，混合好的试剂在pcr过程中一直处于单一的空间，环境温度通过外界的控制设置成循环变换的模式，反复频繁的温度变换，将可能导致能源和元器件损耗，控制复杂程度增加等问题。

技术实现要素：

为了解决现有的微流控pcr芯片系统体积大，结构复杂以及温度控制响应受局限的技术问题，本发明提供一种微流控pcr芯片。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种微流控pcr芯片，包括集成在一起的控制冷却板、微流体反应板和温度控制板，所述微流体反应板设置在控制冷却板与温度控制板之间，所述微流体反应板上设置有进料流道、混合流道、压力平衡流道、环形循环流道和出料流道，所述进料流道与混合流道的一端连通，所述混合流道的另一端、压力平衡流道和出料流道均与环形循环流道连通，所述进料流道、混合流道和压力平衡流道均位于环形循环流道的上部，所述出料流道位于环形循环流道的底部。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明是为解决pcr微流控芯片降温和测温装置与装置自身透明度的矛盾，片上当地温度测量困难以及多个循环体积与温控精确度难以妥协的现状，针对pcr技术提出一种高度集成的微流控解决方案。在保证透明度以及流程封闭性的基础上，本发明提出了一种提高芯片温度变化速度及片上温度控制准确度的解决方案。

本发明使用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)以及ito玻璃作为芯片的制备材料，利用热流循环驱动微流道内的流体，使pcr反应芯片整体结构简单化，集成化和小型化，减少了背景污染带来的干扰，更加准确快速的实现片上的温度控制及检测，装置整体透明度高，更加适合快速高效实时的核酸检验工作。该发明对进一步的工业化简化，多种不同pcr技术的方案实现，其他的微阀和微泵的控制，以及更多的功能集成具有很好的兼容性。

本发明采用的材料和成型方法在实验室中都十分常见。涉及的各种技术成熟，非常适合快速成型和验证工作。采用的部分材料和成型技术在设计方案成熟后，可以用其他工业材料和加工方式替代实现相同的功能。

附图说明

图1为控制冷却板、微流体反应板和温度控制板的空间装配位置示意图；

图2为退火温度控制单元、延伸温度控制单元和变性温度控制单元的位置示意图；

图3为加热元件和温度测量元件的结构示意图；

图4为微流体反应板结构示意图；

图5为控制冷却板结构示意图；

图6为芯片整体装配完成的正视图；

图7为微流体反应板内流体流动方向示意图；

图8为pcr反应的流程图；

图9为流动控制微阀的工作状态示意图。

图中，1、控制冷却板，2、微流体反应板，3、温度控制板，4、流动控制微阀，5、装配标记，11、冷却流道，12、入口，13、出口，14、进料口，15、出料口，16、废液口，17、气源口，21、进料流道，22、混合流道，23、压力平衡流道，24、环形循环流道，25、出料流道，31、退火温度控制单元，32、延伸温度控制单元，33、变性温度控制单元，311、加热元件，312、温度测量元件。

具体实施方式

下面结合附图1-9和具体实施方式详细阐述本发明的技术方案。

具体实施方式一

一种微流控pcr芯片，所述芯片为片上温控的温差驱动的微流控pcr芯片，包括集成在一起的控制冷却板1、微流体反应板2和温度控制板3，所述微流体反应板2设置在控制冷却板1与温度控制板3之间，所述微流体反应板2的下表面设置有进料流道21、混合流道22、压力平衡流道23、环形循环流道24和出料流道25，所述进料流道21与混合流道22的一端连通，所述混合流道22的另一端、压力平衡流道23和出料流道25均与环形循环流道24连通，所述进料流道21、混合流道22和压力平衡流道23均位于环形循环流道24的上部，所述出料流道25位于环形循环流道24的底部。所述控制冷却板1上开设有多个进料口14、出料口15和废液口16，所述多个进料口14并列设置并均与进料流道21连通，所述出料口15与出料流道25连通，所述废液口16与压力平衡流道23连通。所述芯片还包括流动控制微阀4，所述流动控制微阀4设置在控制冷却板1上，所述流动控制微阀4控制出料流道25内流体的流动。所述流动控制微阀4为气动微阀，所述气动微阀通过设置在控制冷却板1上的气源口17与外界气源连接。

进一步的，所述混合流道22为蛇形流道，所述环形循环流道24为梯形的环形流道；用于pcr循环的环形循环流道24的流道宽度和长度根据特异的pcr流程需要进行组合搭配，宽度一般在100-300微米；微流道的深度和宽度随加工方式和材料不同而不同，在循环阶段流量和流道长度一定时，可以通过调整流道宽度设计来控制各温度阶段的反应时长，全部深流道结构深度在30-100微米；所述的微流体反应板2为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)薄膜，厚度在80-140微米。

进一步的，所述温度控制板3包括退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33，所述退火温度控制单元31设置在上部，所述退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33依次顺时针或逆时针方向对应环形循环流道24设置，所述退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33均包括加热元件311和温度测量元件312，所述加热元件311与外部电源电连接，所述温度测量元件312与外部温度控制系统电连接，根据环形循环流道24中液体的流向进行分区域温度控制和测量，所述加热元件311和温度测量元件312均为温度控制板3上的ito导电涂层，温度控制和测量功能的实现是片上的。所述微流体反应板2和温度控制板3之间设置有聚二甲基硅氧烷薄膜。

进一步的，温度控制板3的材料为ito玻璃，其中玻璃厚度为0.5～1毫米，表面的ito涂层电阻在7-17ω/sq，但不限于此，透明度高于80％；温度控制板3上刻蚀ito玻璃表面喷涂层得到退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33的加热元件311和温度测量元件312、引线313以及用于封装定位的装配标记5；所有的加热元件311和温度测量元件312均分别与引线313连接；引线313部分尺寸大于加热元件311和温度测量元件312宽度，加热元件311和温度测量元件312的尺寸为300-700微米。

俯视芯片时，如图2所示，用于加热至变形温度的变性温度控制单元33处于整个芯片的右下位置，用于稳定至退火温度的退火温度控制单元31处于整个芯片的偏上部，用于加热至延伸温度的延伸温度控制单元32处于整个芯片的右部。选用的ito玻璃材质的温度控制板3上表面大小整体略大于微流体反应板2，以富余出图3所示引线313连接区域。该层作为芯片的基底层，微流体反应板2内的扩增用试剂与导电材料直接接触将影响pcr反应效果，温度控制板3上设置一层pdms薄膜，只将导线连接部分露出。温度控制系统的温度特性曲线(温度-电阻)可通过与热电偶校准获得，通过与热成像仪结果对比进行验证。

所述控制冷却板1的下表面设置有冷却流道11，所述冷却流道11对应环形循环流道24设置，所述冷却流道11的入口12对应设置在退火温度控制单元31和变性温度控制单元33之间，所述冷却流道11的出口13对应设置在延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33之间。所述控制冷却板1为pdms材料的芯片，厚度约在3-5毫米，控制冷却板1上的两部分微结构分别为蛇形的微型片上冷却流道11和流动控制微阀4，片上蛇形冷却流道11的宽度为1～2毫米，所有流道深度均为60-150微米；冷却流道11的功能是为环形循环流道24中从变性温度流向退火温度的试剂降温，该层流道深度随加工方式和材料不同而不同，宽度一般较环形循环流道24略宽。该层下表面形状大小与微流体反应板2一致。其中冷却流道11处于靠近但不干扰压迫对应位置下的微流体反应板2的环形循环流道24的位置，流动控制微阀4的宽度为0.5-1毫米，流动控制微阀19应位于对应位置下的微流体反应板2出料流道25的正前方且在层面上与之垂直，流动控制微阀4的工作状态如图9所示，在大气压状态下，流动控制微阀4不关闭出料流道25，液体处于通畅状态，当通入高压气体时，流动控制微阀4下压微流体反应板2，关闭出料流道25，阻隔液体的流动。

进一步的，所述控制冷却板1、微流体反应板2和温度控制板3均具有四个对应设置的用于封装时定位的装配标记5。

本发明通过将不同的加热区域设计安排在芯片不同高度和位置并结合片上微阀的方式来实现芯片内液体的次序流动和循环流动。本发明中芯片在工作时，应将芯片按照流道平面与水平面呈垂直关系放置，传统pcr需要有三个温度，将微流体反应板2底部区域设计为需要最高温度的反应的发生区域，微流体反应板2pcr环形循环流道24最顶部设计为需要最低温度的反应的发生区域，进料流道21、混合流道22位于微流体反应板2中的上部，出料流道25略低于环形循环流道24底部。各个反应阶段所需要的时间比例与各阶段流道宽度的倒数与流道长度的乘积的比例相同。

本实施方式的片上温控的温差驱动高透的微流控pcr芯片的主要工作操作流程，如图8所示：s1、通过流动控制微阀4关闭出料流道25；s2、从多个进料口14添加试剂进入进料流道21；s3、打开温度控制系统进行预加热；s4、按照三温度pcr循环要求对各区域进行加热，降温和测温；s5、完成循环，打开流动控制微阀4；s6、在出料口15收集扩增产物。

以采用传统pcr方式为例，芯片工作开始时，出料流道25前方的流动控制微阀4控制出料流道25关闭，当需要拷贝扩增的dna片段以及扩增所需的其他材料通过外部注射泵或者其他添加方式进入到芯片的进料流道21后，经过蛇形的混合流道22进行混合并逐渐注满环形循环流道24，此时压力平衡流道23帮助调节环形循环流道24内部压力以使溶液能够充分充满流道。之后三组加热元件311和温度测量元件312均加热至预加热温度95℃，约5分钟后将控制三组加热元件311和温度测量元件312的温度控制系统调整为预定温度，在冷却流道11的入口12中通入冷却溶液，冷却溶液的流向应与环形循环流道24中反应溶液流向一致，使低温段的溶液温度迅速降到指定温度并尽可能使该阶段温度均匀，环形循环流道24中的液体流向如图7所示。各阶段的实际溶液温度可以通过三个温度测量元件312进行实时监控。溶液会因专门引入的不同区域温差造成的热对流而在流道中进行自循环，当溶液完成所需要的循环次数后，控制出料流道25上方的流动控制微阀4打开使下层液体流通并收集成品。整个过程封闭程度高，自动化程度高，温度控制精度高，体积利用率高。

具体实施方式二

本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33三部分为同一温度，pcr循环中液体位置不变。反应试剂选择恒温pcr所需原料。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三

本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33的温度相同，控制所有加热元件的温度同步依照变性，退火，延伸的顺序循环。pcr循环中液体位置不变。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式四

本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32为同一温度。添加试剂为两温度法pcr所需试剂。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式五

本实施方式为具体实施方式一种微流控pcr芯片的装配方法；控制冷却板1的结构面(下表面)在等离子处理后，封接在同等大小的微流体反应板2的无结构面(上表面)上；pdms薄膜涂附在ito温度控制板3的刻蚀结构面(上表面)上，微流体反应板2的结构面(下表面)与该薄膜在等离子表面处理后封装在一起；控制冷却板1，微流体反应板2和温度控制板3的封装依靠装配标记5确定位置；引线313与温度控制系统的外部设备连接，多个进料口14与外部各试剂对应的注射泵连接，压力平衡流道23的废液口16与废液连接，出料口15与微腔室或收集容器相连，冷却流道11的入口12与装有低温冷却液的注射泵相连，冷却流道11的出口13与废液相连，气动微阀入口与外部控制的气源连接；芯片工作状态时为竖直状态，与图6的方向一致。

具体实施方式六

本实施方式为具体实施方式一中微流控pcr芯片的工作时液体流向，如图7所示：样品从多个进料口14进入进料流道21，经过混合流道22混合后，依靠重力和压力平衡流道23的作用向下注满pcr环形循环流道24，进入后按照环形分布的实线箭头的方向在竖直方向各区域温差的驱动下进行数十次的循环，完成扩增后打开流动控制微阀4，扩增产物由靠重力流向出料流道25。

具体实施方式七

本实施方式为具体实施方式一中微流控pcr芯片的成型方法，如下：

一、用喷墨打印机将设计好的图案打印到菲林纸上，裁好作为光刻掩膜备用。

二、用光刻法，以镜面不锈钢板或硅片为基底制作微流体反应板2模具以及控制冷却板1模具(深流道)，以ito玻璃为基底制作片上微加热元件以及片上微温度传感器集成层半成品。

三、将片上微加热元件以及片上微温度传感器集成层半成品置于混合酸液中，混合强酸溶液将刻蚀掉ito玻璃表面未被感光干膜覆盖的部分的导电涂层。ito玻璃表面露出玻璃材质时，表示刻蚀完成。使用清水反复冲洗刻蚀表面并烘干，用胶带覆盖引线313接头，完成后将该ito玻璃置于清洁处保存待用。

四、配置pdms预聚物并浇注在控制冷却板1模具上，加热固化成型。在芯片上加工出冷却流道11所需的入口12和出口13，以及流动控制微阀4的气源口后保存备用。

五、配置pdms预聚物，利用匀胶机将其旋涂在微流体反应板模具以及刻蚀好的ito玻璃表面。将二者放入加热固化后取出待用。

六、对第四步得到的控制冷却板1的结构面与第五步的仍留在基底上的微流体反应板2的上表面进行等离子表面处理，并将二者利用装配标记5对齐后将两表面不可逆的封装在一起。将封装好的芯片分割并从基底上揭下，再在控制冷却板1上对应进料流道21、压力平衡流道23和出料流道25的位置加工出多个进料口14、废液口16和出料口15。

七、对第六步得到的芯片的结构面与第五步的留在ito玻璃上的pdms薄膜的上表面进行表面处理，并将二者对齐后加热，两表面将不可逆的封装在一起。揭下ito玻璃上残留的胶带，露出引线313接头。利用导电铜胶带或导线夹将分别将退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33的加热元件311的接头与直流电源相连，分别将退火温度控制单元31、延伸温度控制单元32和变性温度控制单元33的温度测量元件312与外置的温度控制系统连接，既完成芯片的加工成型。

具体实施方式八

本实施方式与具体实施方式一不同的是：控制冷却板1的材质为pmma、ps或pe。

具体实施方式九

本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述流动控制微阀4为形状记忆合金驱动微阀、压电材料驱动微阀或机械驱动微阀。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式十

本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的pcr环形循环流道24为整个矩形腔体。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一

本实施方式与具体实施方式六不同的是：pcr环形循环流道24中的流体驱动依靠片上蠕动泵结构实现。其他与具体实施方式六相同。

本发明的工作原理如下：一、利用安排在垂直方向分布的不同pcr温度区域，依靠温差引起的液体性质的微弱变化，形成在环形循环流道24中的循环流动，完成pcr反应的多个循环；二、利用涂附有氧化铟的高透明度ito玻璃以及外部的电源和pid控制系统，设计并加工实现片上的加热和当地测温功能；三、利用片上的气动微阀对出料流道25中的流动进行开关控制，实现试剂上样，混合，微流道内压力平衡和最终产品收集的功能；四、利用片上的冷却流道11，实现更快并且更准确的温度响应。本发明的加工成型方法如下：一、设计流道，利用软光刻法加工出具有微流道结构的模板；二、在上层流道模具中倒入pdms预聚物并加热固化得到上层pdms控制冷却板芯片，打孔备用；三、在中层流道上旋涂薄层pdms预聚物，加热固化后取出备用；四、利用光刻及刻蚀方法在ito玻璃表面制备加热和测温电路结构，在其表面旋涂并加热固化一薄层pdms，剥离露出接线部分后备用；五、利用等离子表面处理封接上层pdms和中层pdms，打孔备用；六、利用等离子表面处理封接中层与ito玻璃层；七、将电路与外部的温度控制装置连接。本发明使用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)以及ito玻璃作为芯片的制备材料，利用热流循环驱动微流道内的流体，使pcr反应芯片整体结构简单化，集成化和小型化，减少了背景污染带来的干扰，更加准确快速的实现片上的温度控制及检测，装置整体透明度高，更加适合快速高效实时的核酸检验工作。该发明对进一步的工业化简化，多种不同pcr技术的方案实现，以及更多的功能集成具有很好的兼容性。

具体实施方式只是对本发明的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本发明的精神实质，都视为对本发明的等同替换，都在本发明的保护范围之中。