流体芯片的制作方法

本发明涉及一种流体芯片，特别是涉及用于在其中储存和测试生物流体的流体芯片。

发明背景

pcr是一种常用的方法，用于制备用于各种应用的dna序列的多个拷贝，例如用于测序、诊断疾病、从dna样品鉴定个体以及进行基因功能分析的dna克隆。在pcr中，dna序列的复制在多个热循环中进行，每个循环通常具有三个主要步骤：变性、退火和延长。在变性步骤中，将双链dna模板加热至约94-98℃，保持20-30秒，得到单链dna。在退火步骤中，通过将温度降低至约50-65℃保持20-40秒，将引物退火至单链dna。在延长步骤中，使用dna聚合酶(例如taq)，通过在dna聚合酶的最适活性温度(对于taq为75-80℃)下将已经退火的引物延长至单链dna，合成新的双链dna。明显的，dna的复制呈指数性，因为在一个循环中形成的新的双链dna在下一个循环中经历变性、退火和延长，使得每个循环有效地使获得的dna序列的数目增加一倍。除了上述三个主要步骤之外，如果所用的dna聚合酶是热激活的，则可能需要初始化步骤，并且最后一个循环的最后延长步骤可以保持更长的时间段(例如5-15分钟)，以确保没有剩余的单链dna片段。

因此，用于进行pcr的任何装置需要能够进行重复的热循环，以便发生变性、退火和延长的步骤。这涉及将反应物加热，并冷却至所需温度，将所需温度保持在必要的时间长度。鉴于温度高达近100℃，现有的微流体或芯片上实验室pcr装置通常需要外部热循环仪来提供必要的热量，从而限制了它们在使用过程中的真正便携性和尺寸。

常规pcr热循环仪通常配置为加热聚丙烯pcr管中包含的dna样品，所述pcr管具有带有顶部开口和锥形底部的圆柱状主体。将pcr管装配到pcr热循环仪中提供的孔中，并进行由pcr热循环仪提供的热循环，以便使pcr管中包含的dna样品倍增。随后，从pcr管中取出倍增的dna，以便对倍增的dna进行测试。因此，应当认识到，涉及使用dna的试验目前涉及多个阶段。这些阶段至少包括样品收集和储存，将样品置于pcr管中，将pcr管置于pcr热循环仪中并进行pcr，从pcr管中取出倍增的dna，并使用倍增的dna进行测试。因此，期望减少使用dna进行测试所需的步骤数量，以便最小化在该过程的各个阶段人处理样品所产生的误差。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种流体芯片，其包括：具有上表面和下表面的密封层；和成形部件，其包括大致平面的主体，该主体具有用密封层的上表面密封的下表面，所述大致平面的主体具有多个通孔和与所述多个通孔流体连通的多个井，其中与密封层的上表面一起，所述多个通孔和多个井分别限定了在流体芯片中彼此流体连通的多个流体入口和多个流体室。

密封层的下表面可以是不导电的并且设置有直流加热器，该直流加热器具有由设置在密封层的下表面上的导热材料制成的独立加热区域，和导电迹线，其配置为提供有直流电压，并且在被提供直流电压时将独立加热区域加热到均匀的温度，所述导电迹线至少部分地围绕所述独立加热区域以起伏(undulating)构型布置在所述密封层的下表面上，所述独立加热区域配置为邻近所述多个流体室中的至少一个。

与独立加热区域相邻的多个流体室中的至少一个可以配置为允许在其中进行pcr。

流体芯片还可以包括设置在密封层下方的至少一个侧向测试条，所述至少一个侧向测试条具有被配置为接收包含在流体芯片中的流体的样品垫。

密封层可以是柔韧的和防流体的。

所述多个通孔和多个井可以与大致平面的主体成为一体。

大致平面的主体还可以包括在大致平面的主体的下表面上形成的多个凹槽，其中与密封层的上表面一起，所述多个凹槽限定了与流体芯片的多个流体入口和多个流体室流体连通的多个通道。

根据第二方面，提供了一种pcr试剂盒，其包括：第一方面的流体芯片，和被配置为提供和控制提供给直流加热器的直流电压的控制器盒(controllercassette)，所述控制器盒具有导电接触点，该接触点配置为与流体芯片的直流加热器的导电迹线的末端形成电接触，所述控制器盒被配置为由以下中的至少一个供电：电池、移动电源(powerbank)和从便携式计算设备获取的电力。

控制器盒可以配置为连接到便携式计算设备，以允许控制器盒被编程以产生用于向流体芯片提供期望的热循环配置的直流电压的期望电压循环。

控制器盒可以配置为接收其上的流体芯片，用于导电接触点与直流加热器的导电迹线的末端接触。

根据第三方面，提供了一种用于形成流体芯片的成形部件，所述成形部件包括：大致平面的主体，其具有多个通孔和与多个通孔流体连通的多个井，大致平面的主体的下表面被配置为用流体芯片的密封层的上表面密封，其中在平面的主体的下表面用密封层的上表面密封时，与密封层的上表面一起，所述多个通孔和所述多个井分别限定了在流体芯片中彼此流体连接的多个流体入口和多个流体室。

多个通孔中的至少一个可以被从大致平面的主体的上表面向外突出的入口壁围绕。

多个通孔中的至少一个可以被在大致平面的主体的上表面中形成的浅凹部包围。

所述多个通孔和所述多个井可以与大致平面的主体成为一体。

成形部件还可以包括在大致平面的主体的下表面上形成的多个凹槽，其中当平面的主体的下表面被密封层的上表面密封时，与密封层的上表面一起，所述多个凹槽限定了与流体芯片中所述多个流体入口和多个流体室流体连通的多个通道。

附图说明

为了可以完全理解本发明并且容易实施，现在将仅以非限制性示例的方式描述本发明的示例性实施例，该描述参照附图进行说明。

图1a是具有可再密封的流体入口的第一示例性流体芯片的顶部透视图。

图1b是图1a的第一示例性流体芯片的成形部件的底部透视图。

图2a是第二示例性流体芯片的顶部透视图。

图2b是图2a的流体芯片的成形部件的底部透视图。

图3a是具有可再密封流体入口的第三示例性流体芯片的示意性俯视图。

图3b是图3a的流体芯片的示意性仰视图(帽连接条未示出)。

图4a是具有可再密封流体入口的第四示例性流体芯片的示意性俯视图。

图4b是图4a的第四示例性流体芯片的成形部件的示意性仰视图。

图4c是图4a的流体芯片的示意性仰视图(入口帽和帽连接条未示出)。

图5是显示流体芯片的不同实施例的成形部件的不同实施例的照片。

图6a是处于关闭位置的控制器盒的原型照片，其用于与流体芯片一起使用以在流体芯片中进行pcr。

图6b是处于打开位置的图6a的控制器盒的原型的照片。

图6c是图6a的控制器盒的原型照片，其处于打开位置，图4a和4b的流体芯片置于其上。

具体实施方式

下面将参考图1至图6c来描述流体芯片10的示例性实施例及其各种应用。在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

对于所有实施例，流体芯片10包括成形部件20，成形部件20包括具有上表面21和下表面22(如图1a至2b和图4a和4b所示)的大致平面的主体29，和防流体密封层70，流体密封层具有上表面(隐藏)，该上表面用平面的主体29的下表面22密封(如图3b和4c所示)。

成形部件20由生物惰性的防流体材料(如图3所示的聚丙烯)制成，该材料适合于在其中储存生物流体，如血液。成形部件20通过诸如真空成型、塑料注射模塑等常规成形方法制成。成形部件20包括多个特征，包括用作流体入口32的一个或多个通孔30，一个或多个井40，以及一个或多个凹槽50，所述凹槽50配置成在通孔30和井40之间提供流体连通。以这种方式，当成形部件20被密封层70密封时，流体芯片10将包括彼此流体连通的相应数量的流体入口32、流体室42和通道52，如将要在下面更详细描述的。密封层70的上表面由柔韧的、防流体的生物惰性材料制成。密封层70可以包括一个或多个柔韧层或结构。平面的主体29的下表面22和密封层70的上表面配置成通过诸如粘合剂粘合、分子粘合和超声粘合的方式接合在一起，以在它们之间形成防流体密封。

流体芯片10的每个流体入口32包括通孔30，通孔30设置在平面的主体29中，以允许流体放置在流体芯片10中。在一些实施例中，如图2b所示，每个流体入口32的通孔30可以被在平面的主体29的上表面21中形成的浅凹部33包围—例如，平面的主体29可以是0.5mm厚，并且浅凹部33可以具有在平面的主体29的上表面21中形成的0.1mm深度。在其他实施例中，如图1a、1b、3a、4a和4b所示，每个流体入口32的通孔30可以由从平面的主体29的上表面21向外突出的入口壁31围绕。对于每个流体入口32，可以设置入口帽39并配置成可释放地密封流体入口32，以防止流体入口32被入口帽39封闭时流体离开流体芯片10。入口帽39和入口壁31优选配置成经由干涉配合(interferencefit)彼此接合。入口帽39还优选地配置成经由帽连接条38连接到平面的主体29，使得入口帽39可以不会因为与成形部件20分离而丢失。入口帽39、帽连接条38和入口壁31优选地与平面的主体29成为一体。如图1a，1b，3a，4a和4b所示，当入口39未关闭其对应的流体入口32时，帽连接条38可以与大致平面的主体29共面。

流体芯片10的每个流体室42配置成用于在其中存储流体。取决于流体芯片10使用的应用，流体室42还可以配置为在其中存储固体或半固体，例如生物组织。每个流体室42是由设置在成形部件20中的井40限定的空间。在一些实施例中，如图2a所示，井40可以各自包括在平面的主体29的材料或厚度中形成的凹部或空间—例如，平面的主体29可以是0.5mm厚，并且井40可以是在平面的主体29的下表面22中形成的深度为0.1mm的空间。在其它实施例中，如图1a、1b、3a、4a和4b所示，井40可以各自包括井底44，井底44通过围绕井底44的井壁46连接至平面的主体29的上表面21并与其间隔开。对于所有实施例，每个井40优选地与平面的主体29成为一体。当成形部件20的下表面22用密封层70密封时，井40和密封层70的上表面一起限定流体室42。

对于所有实施例，流体芯片10的每个通道52部分地由在平面的主体29的材料中形成的凹槽50限定。每个凹槽52形成在平面的主体29的下表面22中，使得当成形部件20被密封层70密封时，密封层70的上表面和凹槽52一起限定通道52。如可能期望的那样，通道52提供流体芯片10的各个入口32和流体室42之间的流体连接。

通过将成形部件20配置为具有如上所述的各种数量和构型的流体入口32、入口帽39、井40以及凹槽50，当平面的主体29的下表面22被密封层70密封时，可以获得具有各种数量和构型的流体入口32、入口帽39、流体室42和通道52的不同构型的流体芯片10。按这种方式，除了提供流体存储的功能之外，流体芯片10可以配置为允许通过根据需要适当地配置成形部件20和流体芯片10的密封层70，使用流体芯片10进行特定的反应和测试，如下面将更详细地描述的那样。

图1a示出了具有可再密封流体入口32的流体芯片10的第一示例性实施例。该流体芯片10的成形部件20的仰视图如图1b所示。成形部件20包括井40，该井40通过分别在平面的主体29的下表面22中形成的第一和第二凹槽50-1、50-2连接在第一和第二通孔30-1、30-2之间。每个通孔30-1、30-2设置有其各自的入口帽39-1、39-2。井40包括由井壁46围绕的井底44。当成形部件20的下表面22被流体芯片10的密封层(图1a中不可见)密封时，流体芯片10将具有分别经由第一通道52-1和第二通道52-2与第一和第二流体入口32-1、32-2流体连通的第一流体室42。

图2a示出了流体芯片10的第二示例性实施例。图2b中示出了该流体芯片10的成形部件20的仰视图。成形部件20包括两个井40，该两个井40分别经由第一和第二凹槽50-1、50-2连接在第一通孔30-1和第二通孔30-2之间，并由中间凹槽50-m互连。凹槽50-1、50-2、50-3形成在平面的主体29的下表面22中。当成形部件20的下表面22被流体芯片10的密封层(在图2a中不可见)密封时，流体芯片10将具有经由第一通道与第一流体入口流体连通的第一流体室和经由第二通道与第二流体入口流体连通的第二流体室，两个流体室经由第三通道彼此流体连通。

在第二示例性实施例中，如图2a所示，每个通孔30-1、30-2被在平面的主体29的上表面21中形成的浅凹部33包围。浅凹部33配置为用于容纳一片密封带或其等同物，该密封带或其等同物可以用于在流体经由流体入口32-1或32-2引入流体芯片10之后关闭流体入口32-1或32-2。设置浅凹部33允许密封带的上表面或其等同物与平面的主体29的上表面21齐平，使得即使在流体入口32-1、32-2已经用密封带或其等同物封闭之后，上表面21也保持平坦。

如图3a和3b所示的流体芯片10的第三示例性实施例可以配置为通过在密封层70上设置如pct申请号pct/sg2015/052062所述和显示在图3b的直流加热器100，允许在第一流体室42中进行pcr。直流加热器100的独立加热区域120设置在邻近第一流体室42的密封层70的下表面72上。直流加热器100的导电迹线142以至少部分地围绕独立加热区域120的起伏构型160布置在密封层70的下表面72上。当提供直流电压时(下面更详细地描述)，导电迹线142将独立加热区域120加热到均匀的所需温度(例如100℃或更高)，从而加热包含在第一流体室142中的流体。通过适当地控制提供给导电迹线142的直流电压，热循环可以在第一流体室42中实现，使pcr在包含在第一流体室42中的反应混合物中进行。如图3a可见，该实施例的流体室42包括具有弯曲井底的井，与图1a所示的第一实施例的平井底44不同。

图4a和4c示出了流体芯片10的第四示例性实施例，其允许pcr在前三个流体室42-1、42-2、42-3(以与以上参考图3a和3b所述第三示例性实施例相同的方式配置)中发生并允许对pcr产物进行进一步的测试。该流体芯片10的成形部件20的仰视图如图4b所示。

在第四示例性实施例中，如图4b所示的成形部件20分别包括第一、第二、第三和第四通孔30-1、30-2、30-3、30-4和四个最终通孔30-5，分别用作流体芯片10的第一、第二、第三和第四流体入口32-1、32-2、32-3、32-4和四个最终入口32-5。当成形部件20被密封层70密封时，成形部件20还包括分别限定五个流体室42-1、42-2、42-3、42-4、42-5的五个井40-1、40-2、40-3、40-4、40-5。当成形部件20用密封层70密封时，成形部件20还包括限定六个通道52-1、52-2、52-3、52-4、52-5、52-6的六个凹槽50-1、50-2、50-3、50-4、50-5、50-6，限定四个最终通道52-7的四个最终凹槽50-7以及分别限定两个中间通道52-m的两个中间凹槽50-m。

第一流体入口32-1经由第一通道52-1与第一流体室42-1流体连通。

第一流体室42-1经由两个中间通道52-m之一与第二流体室42-2流体连通。

第二流体室42-2经由第二中间通道52-m与第三流体室42-3流体连通。

第三流体室42-3经由第二流体通道52-2与第二流体入口32-2流体连通。

第二流体入口32-2经由第三通道52-3与第三流体入口32-3流体连通。

第三流体入口32-3也经由第四通道52-4与第四流体室42-4流体连通。

第四流体室42-4经由第五通道52-5与第六通道52-6流体连通，第六通道52-6形成为起伏的流动通路，以用作混合器52-6，从而便于在其中混合。

第四流体入口32-4沿着第五通道52-5设置。

第六通道或混合器52-6与第五流体室42-5流体连通。

第五流体室42-5经由四个最终通道52-7与四个最终入口32-5流体连通。

最终入口32-5中的每一个可以配置为与可以设置在流体芯片10的密封层70下方的四个侧向流动测试条80的四个样品垫85中的每一个流体连通，如图4c所示。这可以通过以下方式来实现：在四个最终入口32-5下面的密封层70中提供合适的一个开口或多个开口，以允许第五流体室42-5中的流体分别经由四个最终通道52-7中的每一个流到四个样品垫85中的每一个上。四个侧向测试条80可以各自配置为检测和/或定量在第五流体室42-5中包含的流体中的不同目标分析物。所有入口32-1至32-5可以设置有相应的入口帽39-1至39-5。

从上述示例性实施例可以看出，通过如可能需要的那样适当地配置成形部件20和密封层70，包括成形部件20和密封层70的流体芯片10可以配置为用于执行不同的功能。在流体芯片10旨在纯粹用作流体芯片的情况下，密封层70可以包括单个柔韧层。在流体芯片10旨在用作集成流体芯片以在其中进行pcr的情况下，密封层70可以包括形成在其上的直流加热器100，其中成形部件20被配置为邻近设置在成形部件20中的一个或多个井40。此外，流体芯片10可以配置为允许来自pcr的反应产物在相同的流体芯片10中进行测试，而不必将反应产物转移到不同的装置，如上文参考图4a至4c所述。以这种方式，流体芯片10比传统pcr管和其它流体样品容器更有利，因为相同的流体芯片10可用于储存、运输和原地测试其中所含的流体，从而避免任何意外的流体溢出、损失或污染。

流体芯片10的第一和第三示例性实施例可以是大约2cm宽×5.5cm长×3mm厚。流体芯片10的第四示例性实施例可以是大约4cm宽×5cm长×3mm厚。第二示例性实施例可以仅为0.5mm厚，没有井壁并且没有入口壁。明显的是，根据其期望的应用或多项应用，流体芯片10可以具有除了上述尺寸之外的任何期望的尺寸。由于其大致平面的形式，与目前可得到的pcr管相比，流体芯片10因此容易携带和节省空间。优选地，流体芯片10配置为用于仅一次性使用，作为一次性消耗品。

在流体芯片10被配置为用于在其中进行pcr的情况下，流体芯片10配置成与配置成提供和控制供给直流加热器100的直流电压的控制器盒200一起使用，直流加热器100设置在流体芯片10的密封层70的下表面72上，如图5a所示。如图6b所示，控制器盒200具有被配置为与直流加热器100的导电迹线142的末端形成电接触的导电接触点210。由控制器盒200的电路220和软件控制的电压经由接触点210被提供给放置在控制器盒200上的流体芯片10的直流加热器100。电路200和软件被配置为以适合于实现流体芯片100的直流加热器100的独立加热区域120的热循环的方式施加电压，使得pcr可以发生在邻近于独立加热区域120的流体室42中。

控制器盒200被配置为为电池供电或由移动电源供电或从诸如笔记本电脑、移动电话、平板电脑等的便携式计算设备(未示出)获取电力。为此，控制器盒200可以设置有用于与电子设备连接的usb连接240。以这种方式，控制器盒200也容易携带。在示例性实施例中，控制器盒200可以是5厘米宽×10厘米长×2厘米厚。

与计算设备的连接还允许控制器盒200被编程以产生直流电压的期望的电压循环，以便向流体芯片10提供期望的热循环配置，因为不同的pcr反应(例如qpcr、dpcr、pcr)需要不同的热循环配置。在示例性实施例中，控制器盒20设置有一个或多个预设的热循环，其可以由用户按压设置在控制器盒200上的一个或多个按钮来选择，使得控制器盒200可以在不连接到任何计算设备的情况下操作。例如，设置为使控制器盒200打开或关闭的单个按钮也可以配置为用于按照单个按钮被按下的连续次数或者时间长度来选择预设的循环。控制器盒200优选地还设置有多个led灯以及与其相邻的文字或符号，以向用户指示控制器盒200当前处于哪个循环或操作状态。在一个实施例中，还可以提供诸如lcd显示器的显示屏幕以向用户显示诸如温度、循环、操作状态等的信息。

虽然在前面的描述中已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的情况下，可以对设计、构造和/或操作的细节进行许多变化。例如，流体芯片的不同实施例的各个特征可以不同地组合，以形成具有与上述具体实施例中的每一个不同的特征的不同组合的流体芯片。尽管在所描述的实施例和图中，流体室配置成通过设置在流体芯片中的通道与各个流体入口流体连接，但是在其他实施例中，流体芯片的流体室可以与流体入口立即流体连通，而其间没有任何通道。为此，成形部件的井可以设置有自己的入口。因此，成形部件中的流体入口和井的数目范围可以分别为一个到任何所需量，并且成形部件中凹槽的数量范围可以为零到任何所需的量，以便当成形部件被密封层密封时，在流体芯片中形成至少一个流体入口和至少一个流体室。虽然已经提到聚丙烯作为成形部件的可能材料，但是成形部件可以由任何其它合适的材料制成，例如聚乙烯或聚碳酸酯。虽然已经描述了流体芯片可以设置有如图4c所示的侧向流动测试条，但流体芯片可以附加地或替代地设置有其他流体分析元件，所述其他流体分析元件类似地配置成直接接收和测试流体芯片内的流体。其他流体分析元件的实例包括层析纸、试纸(dipstick)化学垫等。虽然成形部件的平面的主体已经在图中被描绘成具有带圆角的大致矩形形状，但是平面的主体可以是任何可能需要的其它形状。