一种微流控PCR芯片的制作方法

一种微流控pcr芯片
技术领域
1.本发明属于微流控技术领域，涉及一种微流控pcr芯片。


背景技术：

2.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(deoxyribonucleic acid，dna)片段在一两个小时内进行特异性的扩增。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。
3.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，55～70℃)，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高温变性
‑
退火
‑
延伸这三步热循环步骤重复循环至少数十次以达到对目标目的基因高倍数的扩增。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。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。
4.cn111500406a公开了一种微流控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；cn108277154a公开了一种螺旋式变截面微流控pcr芯片及其制作方法，该微流控pcr芯片包括反应系统和温控系统；所述反应系统包括键合而成的基片和盖片，所述基片内设置有基片流道，所述基片流道包括联通在一起的恒定截面流道和螺旋式变截面流道，螺旋式变截面流道以基片的中心为圆心呈螺旋分布且螺旋式变截面流道的横截面大小随其流道长度的增加而逐渐减小。上述专利虽然均提供了微流控pcr芯片，由于温控原件只在芯片的一面，导致温度变化慢，并且容易导致流道内液体受热不均匀。此外，芯片温度不是对称分布的，容易导致芯片发生变形或爆裂，特别是当芯片材料为塑料时尤为严重。同时，将反应流道设置在芯片的同一侧还会导致芯片尺寸狭长，不易加工，增加了制备难度。
5.因此，希望提供一种新的微流控pcr芯片，可以减少芯片厚度，降低制作难度，解决pcr芯片温度不稳定，不准确，且塑料pcr芯片易爆裂的缺点。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种微流控pcr芯片，本发明提供的微流控pcr芯片可以使样品在热循环流道内实现高温和低温的交替循环反应，实现对目标目的基因高倍数的扩增，并且本发明提供的芯片可以减少热循环流道厚度，增加热循
环流道的强度，提升热循环流道的导热性能，可以避免热循环流道因两侧受热不均匀产生爆裂的风险，并且此种结构可以降低芯片制作的难度。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种微流控pcr芯片，所述微流控pcr芯片包括至少一组热循环反应部件；
9.其中，所述热循环反应部件上设置有热循环流道，所述热循环流道呈蛇形排列，包括2n个首尾连通且对称分布的单循环流道，每个单循环流道均包括一个高温段和一个低温段，使样品在所述单循环流道内进行高温和低温的交替循环反应。
10.在本发明提供的微流控pcr芯片中，通过设置蛇形的热循环流道，且单循环流道具有一个高温段和一个低温段，可以使样品在热循环流道流动时，经历高温
‑
低温
‑
高温
‑
低温
…
高温
‑
低温的交替循环反应，实现对目标目的基因高倍数的扩增。
11.本发明所述的“2n个对称分布的单循环流道”指的是：可以将具有2n个单循环流道的热循环流道分成几组，这几组呈对称分布，例如可以分为2组首尾连通的热循环流道，这两组热循环流道在热循环反应部件上呈对称分布。
12.本发明的2n个单循环流道呈对称分布，在应用本发明提供的微流控pcr芯片时，温区也可以呈对称分布，可以避免受热不均而导致芯片易爆裂的问题。
13.本发明所述热循环流道包括的多个高温段形成高温区，多个低温段形成低温区，高温区和低温区分别对应设置不同的控温装置，优选所述热循环流道两面均设置有控温装置，在两侧均设置控温装置的设置方式可以确保温度的稳定性以及精确度。
14.当2n个单循环流道分为两组时，可以设置为低温段形成的低温区对称分布于高温段形成的高温区两侧。
15.本发明所述控温装置优选陶瓷加热元件或贴片式加热薄膜。
16.作为本发明的一种优选技术方案，为了观察在单循环流到内的样品基因扩增情况，本发明设置相邻两个控温装置之间具有间隔，优选设置所述间隔的距离为0.5
‑
3mm，例如1.5mm、2mm、2.5mm等。
17.本发明的相邻两个控温装置之间不接触，不连接，可以避免不同温度之间的相互干扰，同时间隔的缝隙可以形成观测窗口进行观测。
18.由于本发明的2n个单循环流道呈对称分布，形成的高温区和低温区对称分布，设置的控温装置呈对称分布，因此，在应用本发明提供的微流控pcr芯片时温区也可以呈对称分布，可以避免受热不均而导致芯片易爆裂的问题。
19.所述高温段的长度和所述低温段的长度比为1:(0.2～6)，例如1:0.5、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5等。
20.本发明的循环流道在高温区和低温区分别设置不同的控温装置，通过调整两个控温装置的相对位置(并不只限定于蛇形的中心位置)或者控温装置的尺寸或者流道的长度，均可以实现高温段的流道长度和低温段的流道长度的比例的调整，进而可以控制样品经历高温时间和经历低温时间的相对比值，再进一步地通过调整样品在流道内的流速，可以实现对样品经历高温的时间和经历低温的时间的控制。
21.在具体应用本发明的微流控pcr芯片时，所述高温区的温度为85
‑
98℃，例如86℃、88℃、90℃、92℃、95℃、96℃等，所述低温区的温度为50
‑
72℃，例如52℃、54℃、55℃、58℃、
60℃、65℃、70℃等。
22.所述n为10
‑
25的整数，可以使样品在热循环流道中进行高温和低温的交替循环反应20
‑
50次。
23.所述热循环流道的横截面选自圆形或矩形，优选所述横截面的面积为0.005
‑
0.15mm2，例如0.008mm2、0.01mm2、0.04mm2、0.05mm2、0.08mm2、0.1mm2等。
24.本发明的循环流道的面积较小，可以实现对极低量的样品的pcr反应，本发明的样品量最低可以为0.5μl，一般采用1μl，同时也可以实现样品的连续通入，反应体积没有上限。
25.本发明所述反应部件上设置有预热流道，所述2n个单循环流道对称分布于所述预热流道两侧，所述预热装置的始端连接进样流道，所述预热流道的末端连接所述2n个单循环流道的始端。
26.本发明所述的预热流道可以使样品加热至第一预热温度，预热流道在反应部件上的形状本发明并不严格限定，只需要实现将样品加热到特定温度的目的即可，为了易于加工以及使整个反应部件更加规整且不会浪费过多的空间，本发明的所述预热流道优选呈蛇型。
27.在实际应用本发明的微流控pcr加热片时，样品通过进样流道进入预热流道进行“热启动”，然后通过与之相连的热循环流道开始进行高温
‑
低温
‑
高温
‑
低温
…
高温
‑
低温进行交替循环反应实现对目标目的基因高倍数的扩增。
28.预热流道处同样需要设置控温装置，预热流道与热循环流道相连，靠近预热流道高温段与可以与预热流道共用同一个控温装置。
29.本发明所述预热流道的横截面选自圆形或矩形，优选所述横截面的面积为0.005
‑
0.15mm2，例如0.008mm2、0.01mm2、0.04mm2、0.05mm2、0.08mm2、0.1mm2等。
30.本发明所述微流控pcr芯片还包括驱动装置，优选所述驱动装置为微流泵或气泵。
31.作为本发明的一种优选技术方案，所述热循环流道的厚度为1
‑
3mm，例如1.5mm、2mm、2.5mm等。
32.作为本发明的一种优选技术方案，所述热循环流道采用的材料为pc(聚碳酸酯)、pe(聚乙烯)、coc(环烯烃类共聚物)或cop(环烯烃多聚物)中的任意一种或至少两种的组合。
33.本发明优选采用pc、pe、coc、cop等耐热材料制备微流控pcr芯片的反应部件，可以减少反应部件的厚度并且增加了反应部件的强度，同时增加了反应部件的导热性能，进一步降低了反应部件易爆裂的风险。
34.本发明提供的微流控pcr芯片包括至少一组热循环反应部件，可以实现多个样品的同时观测，作为本发明的一种优选技术方案，在所述微流控pcr芯片上，多个所述热循环反应部件分布在一个平面上，或者，多个所述热循环反应装置部件呈层叠状排列。
35.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
36.(1)在本发明提供的微流控pcr芯片中，通过设置蛇形的热循环流道，且单循环流道具有一个高温段和一个低温段，可以使样品在热循环流道流动时，经历高温
‑
低温
‑
高温
‑
低温
…
高温
‑
低温的交替循环反应，实现对目标目的基因高倍数的扩增；
37.(2)本发明的2n个单循环流道呈对称分布，形成的高温区和低温区对称分布，设置
的控温装置呈对称分布，因此，在应用本发明提供的微流控pcr芯片时温区也可以呈对称分布，可以避免受热不均而导致芯片易爆裂的问题；
38.(3)本发明在热循环流道两面均设置控温装置，可以确保温度的稳定性以及精确度；
39.(4)本发明优选采用耐热材料制备微流控pcr芯片的热循环流道，可以减少热循环流道的厚度并且增加了热循环流道的强度，进一步降低了热循环流道易爆裂的风险，同时增加了热循环流道的导热性能。
附图说明
40.图1为实施例1提供的微流控pcr芯片的结构示意图一。
41.其中，1
‑
热循环反应部件；2
‑
控温装置。
42.图2为实施例1提供的微流控pcr芯片的结构示意图二。
43.其中，11
‑
热循环流道；111
‑
低温区；112
‑
高温区；12
‑
预热流道；13
‑
进样流道。
44.图3为样品预热后未进行热循环之前的荧光图。
45.图4为样品在经过35个温度循环后的荧光图。
46.图5为实施例4提供的微流控pcr芯片的结构示意图。
47.图6为实施例5提供的微流控pcr芯片的结构示意图。
具体实施方式
48.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
49.实施例1
50.本实施例提供了一种微流控pcr芯片。
51.如图1所示，所述微流控pcr芯片包括一组热循环反应部件1和位于所述热循环反应部件1两面的多个控温装置2和驱动装置。
52.如图2所示，所述热循环反应部件1上设置有热循环流道11，所述热循环流道11呈蛇形排列，包括36个首尾连通且对称分布的单循环流道，所述单循环流道具有一个高温段和一个低温段，多个高温段形成高温区112，多个低温段形成低温区111，所述低温区111对称分布在所述高温区112两侧，所述高温段的长度和所述低温段的长度比为3:2，每个单循环流道的高温段流道长度为4.17mm，每个单循环流道的低温段流道长度为6.25mm，所述反应部件的材质为pc，热循环流道厚度为2mm，所述循环流道的横截面为矩形，边长为100μm
×
200μm。
53.其中，所述热循环反应部件1上还设置有蛇形预热流道12，所述预热流道总长度250mm，所述36个单循环流道11分为两组，对称分布于所述预热流道12两侧，所述预热流道12的始端连接进样流道13，所述预热流道12的末端连接所述36个单循环流道11的始端，所述预热流道的横截面为矩形，边长为100μm
×
200μm。
54.其中，所述控温装置2为mch陶瓷发热体，多个控温装置2分别与所述单循环流道的高温区112和低温区111对应设置，所述低温区111对称分布在所述高温区112两侧，靠近预热流道12的高温区112与预热流道12共用一个mch陶瓷发热体，相邻两个mch陶瓷发热体之
间间隔1mm形成热循环流道11的观测窗口。
55.实施例2
56.本实施例提供了一种利用实施例1提供的微流控pcr芯片进行pcr反应的方法。
57.样品从进样流道进入预热流道，通过设定预热流道的温度为95℃对样品进行预热，预热完成后，进入与预热流道相连的循环流道进行热循环，设定低温温度为60℃，使样品可以进行高温(95℃)
‑
低温(60℃)
…
高温
‑
低温的循环流动，样品在热循环过程中，可以通过mch陶瓷发热体之间形成的观测窗口观测反应情况，循环完成后，通过出样流道出样。
58.实施例3
59.本实施例提供了一种利用实施例1提供的微流控pcr芯片进行pcr反应的方法。
60.使用2
×
pcr mix，双链dna染料(20
×
)，模板pgfp
‑
c
‑
shlenti，序列如seq id no:1所示；
61.引物tgfp
‑
128
‑
s：ttcaccgacaagatcatcc；
62.tgfp
‑
128
‑
anti：accacggagctgtagtag。
63.反应液配制方法见表1：
64.表1
65.成分含量/μl2
×
pcr mix15tgfp
‑
128
‑
s(10μm)1.5tgfp
‑
128
‑
anti(10μm)1.5pgfp
‑
c
‑
shlenti(200ng/μl)0.5双链dna染料(20
×
)7.5水24
66.样品流速：0.5μl/min，热启动温度95℃，时间10min，每个循环95℃高温时间：10s，每个循环60℃低温时间：15s。
67.图3为样品预热后未进行热循环之前的荧光图，图4为样品在经过35个温度循环后的荧光图，由图可知，利用本发明提供的微流控pcr芯片可以实现pcr反应。
68.实施例4
69.本实施例提供了一种微流控pcr芯片。
70.所述微流控pcr芯片包括一组热循环反应部件1和位于所述热循环反应部件1两面的多个控温装置2和驱动装置。
71.如图5所示，所述热循环反应部件1上设置有热循环流道11，所述热循环流道11呈蛇形排列，包括48个首尾连通且对称分布的单循环流道，所述单循环流道具有一个高温段和一个低温段，多个高温段形成高温区112，多个低温段形成低温区111，所述低温区111对称分布在所述高温区112两侧，所述高温段的长度和所述低温段的长度比为3:2，每个单循环流道的高温段流道长度为4.17mm，每个单循环流道的低温段流道长度为6.25mm，所述反应部件的材质为pc，热循环流道厚度为2mm，所述循环流道的横截面为矩形，边长为100μm
×
200μm。
72.其中，所述热循环反应部件1上还设置有蛇形预热流道12，所述预热流道总长度250mm，所述48个单循环流道11分为四组，对称分布于所述预热流道12两侧，所述预热流道
12的始端连接进样流道13，所述预热流道12的末端连接所述48个单循环流道11的始端，所述预热流道的横截面为矩形，边长为100μm
×
200μm。
73.其中，所述控温装置2为mch陶瓷发热体，多个控温装置2分别与所述单循环流道的高温区112和低温区111对应设置，所述低温区111对称分布在所述高温区112两侧，靠近预热流道12的高温区112与预热流道12共用一个mch陶瓷发热体，相邻两个mch陶瓷发热体之间间隔1mm形成热循环流道11的观测窗口。
74.实施例5
75.本实施例提供了一种微流控pcr芯片。
76.本实施例提供热循环反应部件与实施例4提供的热循环反应部件相同，与实施例4的区别在于，本实施例的微流控pcr芯片包括呈镜像分布的两组热循环反应部件如图6所示。
77.本实施例提供的微流控pcr芯片可以同时实现两组样品同时进行pcr反应。
78.实施例6
79.本实施例提供了一种微流控pcr芯片。
80.与实施例1的区别在于，本实施例提供的微流控pcr芯片包括层叠状排列的3组热循环反应部件，每组均与实施例1提供的热循环反应部件相同，热循环反应部件与控温装置交替设置，使每组热循环反应部件的两面均设置有控温装置。
81.本实施例提供的微流控pcr芯片可以实现3组样品同时进行pcr反应。
82.虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。