微液滴检测芯片的制作方法

本发明涉及微液滴数字pcr技术领域，具体涉及一种微液滴检测芯片。

背景技术：

微液滴数字pcr技术(dropletdigitalpcr，ddpcr)是一种基于单分子pcr的核酸绝对定量分析技术。微液滴数字pcr技术以其高灵敏度、高准确性的优势正成为业界下一个革命性技术。近几年来，随着微纳米制造技术和微流体技术(micro-nanofabricationandmicrofluidics)的发展，微液滴数字pcr技术遇到了突破技术瓶颈的最佳契机。该技术借助微流控芯片，检测直径为数微米到数百微米的液滴；微液滴包裹单分子或单细胞，达到反应与检测全封闭，全集成。微液滴数字pcr系统工作原理是：首先通过特殊的微液滴检测仪将待测样品均分到大量纳升级(直径为数微米到数百微米)的“油包水”微液滴中，微液滴的数量在百万级别。由于微液滴数量足够多，微液滴之间被油层相互隔离，因此每个微液滴相当于一个“微型反应器”，微液滴中只含有待测样品的dna单分子；然后，针对这些微液滴分别进行pcr扩增反应，并通过微液滴分析仪逐个对液滴的荧光信号进行检测，有荧光信号的微滴判读为1，没有荧光信号的微滴判读为0。最后，根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例即可得出待测样品的目标dna分子数目，实现对核酸样本的绝对定量。

微液滴样品荧光信号的判定依赖一个核心技术：微液滴荧光检测装置的设计和加工，利用激光激发微液滴内产物的荧光信号高低来区分阴性微液滴和阳性微液滴。微液滴数字pcr技术的常规流程是：生成的微液滴被转移到微液滴收集管例如离心管(ep管)中，在一个常规pcr仪中进行反应。经过pcr扩增反应的微液滴，被注入到一个微液滴荧光检测装置中，配合特殊的微液滴分析仪进行荧光信号检测。该微液滴荧光检测装置被广泛应用需要具备以下原则：(1)微液滴在微液滴分析仪作用下，被注入到该微液滴荧光检测装置中。微液滴流经激光检测区时，单排整齐排列，便于荧光信号的准确检测；(2)该微液滴荧光检测装置一次性使用，材料和加工成本低。针对以上原则，基于微流控技术的微液滴检测芯片具有很大的应用前景。

目前，基于聚二甲基硅氧烷(pdms)的微流控芯片已被广泛用于检测微液滴。首先，研究人员利用软光刻工艺(人工操作)加工具备微米量级的pdms微液滴芯片。当pdms微液滴芯片制备成功后，在其样品入口、微液滴生成出口利用机械加工工艺打孔，装配进样管、出样管。ep管中的“油相”样品、“微液滴”样品通过手工方式吸入到注射器中。然后，通过外部注射泵将“油相”样品、“微液滴”样品经过进样管注入pdms微液滴芯片中。在预先设计好的流道区域，光学检测系统逐个对液滴的荧光信号进行检测。最后，被检测的微液滴经过出样管被收集到常规实验耗材中，例如ep管。尽管pdms微液滴芯片材料研发成本低、实验室加工工艺简单，但是其存在的不足包括：

(1)pdms是热弹性聚合物材料，该类材料不适合于工业级注塑、封装工艺。手工加工的pdms微液滴芯片可靠性差。pdms微液滴芯片批量加工成本高昂。

(2)pdms微液滴芯片样品注入、液滴收集为过程繁琐的人工操作流程，不适于临床检验应用。

技术实现要素：

针对pdms微液滴芯片的不足，我们设计和加工了基于微流控技术的微液滴检测芯片。该微液滴检测芯片，可以快速、可靠、便捷的检测微液滴样品的荧光信号。芯片的材料和加工成本低，有利于临床检测的广泛应用。

本发明提出了一个基于聚合物材料的微液滴检测芯片，该微液滴芯片结合工业界成熟的光盘制备工艺和光盘设计规格，采用创新的芯片加工方法和芯片设计，其特点是：(1)微液滴在芯片内等间距单排整齐排布。微液滴样本流经激光检测区后的荧光信号的准确检测，(2)微液滴芯片采用热塑材料例如，聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯，材料和批量加工成本低廉，(3)对传统圆环形光盘结构进行修正，最大限度利用光盘的空间，并行检测微液滴荧光信息。

在一种实施方式中，本发明提供一种微液滴检测芯片，所述微液滴检测芯片包括有一中心孔，所述中心孔用于所述微液滴检测芯片制备过程中注入注塑料以及批量化生产过程中和/或批量化荧光检测过程中微液滴检测芯片的转运；和所述中心孔两侧设置一个或多个微液滴检测单元，每个微液滴检测单元独立地检测微液滴。

在一种实施方式中，所述微液滴检测单元包括微液滴检测管路、间隔油入口、间隔油管路、微液滴容器、微液滴上浮孔和微液滴管路；间隔油从所述间隔油入口进入所述间隔油管路，微液滴从所述微液滴容器通过微液滴上浮孔进入所述微液滴管路；所述间隔油管路和所述微液滴管路在所述微液滴检测管路之前形成十字交叉结构，从而间隔油将所述微液滴管路中微液滴隔开。

在一种实施方式中，通过二个所述间隔油管路和一个所述微液滴管路形成所述十字交叉结构。

在一种实施方式中，所述间隔油入口之后的管路中设置有回型流阻区。

在一种实施方式中，间隔油流过所述回型流阻区后，分成两路分别进入二个所述间隔油管路。

在一种实施方式中，所述微液滴检测单元还包括上浮油入口、上浮油管路和上浮油连接孔，上浮油从所述上浮油入口注入，通过所述上浮油管路，和从所述上浮油连接孔进入微液滴容器，挤压微液滴容器中的微液滴，从而使得微液滴通过所述微液滴上浮孔上浮进入所述微液滴管路。

在一种实施方式中，所述间隔油管路中设置有间隔油过滤区和/或所述上浮油管路中设置有上浮油过滤区。

在一种实施方式中，所述间隔油过滤区和/或所述上浮油过滤区分别是一组柱状阵列结构。

在一种实施方式中，所述间隔油管路和/或所述微液滴管路是远离所述中心孔的弧形管道结构。

在一种实施方式中，所述微液滴检测管路旁设置有辅助沟道，使得检测系统的光路定位到所述微液滴检测管路正中心。

在一种实施方式中，所述微液滴检测管路之后设置有微液滴废液口。

在一种实施方式中，所述微液滴检测芯片上设置有收集槽的排气入口、排气管路和排气出口。

在一种实施方式中，所述微液滴检测芯片包括二至二十四个微液滴检测单元，优选为六至十六个微液滴检测单元。

在一种实施方式中，所述中心孔两侧各等间距排列四个微液滴检测单元；和八个微液滴检测单元的相邻的间隔油入口之间距离相等、八个微液滴检测单元的上浮油入口之间距离相等。

在一种实施方式中，各个所述距离等于标准八通道移液器吸头之间的距离。

在一种实施方式中，所述微液滴检测芯片还包括至少一个定位孔。

在一种实施方式中，所述微液滴检测芯片是圆形或多边形，所述多边形优选为十六边形、八边形或四边形。

在一种实施方式中，所述微液滴检测芯片采用热塑材料，优选为聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种实施方式的微液滴检测芯片结构示意图；

图2是本发明的一种实施方式的间隔油回型流阻区示意图；

图3是本发明的一种实施方式的间隔油管路过滤区示意图；

图4是本发明的一种实施方式的上浮油驱动微液滴上浮结构示意图；

图5本发明的一种实施方式的十字交叉结构示意图；

图6本发明的一种实施方式的检测管路结构示意图；和

图7本发明的一种实施方式的排气入口、排气管路、排气出口示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示为微液滴检测芯片结构示意图。如图1所示，在外圆直径为118mm、内圆直径为22mm的标准光盘中，从左到右，在一个标准光盘内等间距排布8个相同的微液滴检测单元1，用于并行荧光检测微液滴。

在芯片中心有一中心孔2，该中心孔2来自于光盘加工工艺，用于注入注塑料以及批量化生产过程中基片的转运，以及用于批量化荧光检测过程中微液滴检测芯片的转运。传统圆形光盘结构不易定位，将芯片加工为八边形结构，并加工出两个定位孔3，便于微液滴芯片与相关设备的定位配合。在中心孔两侧各自等间距排布4个相同的微液滴检测单元1，用于并行检测微液滴。

如图1所示，每个液滴检测单元1自上而下包括：间隔油入口111、回型流阻区112、两个间隔油管路113、两个间隔油过滤区114、上浮油入口121、一个上浮油过滤区122、上浮油管路123以及上浮油连接孔124、微液滴上浮孔13、微液滴管路14、微液滴检测管路15和微液滴废液口16；上浮油连接孔124是连接上浮油管路123与微液滴容器(在下方，没有示出)的通孔。如图1所示的微液滴检测芯片对常规光盘的标准结构进行了修正，可最大限度利用光盘的空间，并行排布微液滴检测流道。同时，利用精密注塑工艺加工的芯片，结合回型流阻区和过滤区设计，快速、可靠利用荧光检测均一的微米量级“油包水”微液滴。。

在一种实施方式中，在图1的8个液滴检测单元1中，各个间隔油入口111之间的距离、上浮油入口121之间的距离和微液滴上浮孔13之间的距离，是相等的，该距离等于标准八通道移液器吸头之间的距离。

如图2所示，首先利用外部气泵或者蠕动泵，间隔油被注入到间隔油入口111。为了精确控制间隔油相样品进样量，在一种实施方式中，设置了回型流阻区112，精确控制间隔油进样量。间隔油会浸润在聚合物材料表面，在未施加压力条件下，经过毛细作用，间隔油自动流入微管道中。极端情况下，间隔油在毛细作用下，持续流动。设计回形流阻区112的目的是精确控制间隔油进样量，尽量减少间隔油在毛细作用下在微管道中的持续流动，使得间隔油进样量仅由外部气泵或者蠕动泵控制。

然后，间隔油经过一个油相分流入口，一分为二的进入相同设计的间隔油管路113中，其作用是间隔油与上浮液滴在十字交叉处交汇，推动微液滴运动；并借助鞘流效应，将上浮液滴挤压到流道中央，便于检测微液滴内的荧光信号。如图3所示，两路间隔油各进入一个间隔油过滤区114，过滤区114是一组柱状阵列结构，如图3所示，柱状阵列结构有多排柱状阵列交错组成。间隔油中存在的杂质(颗粒、丝絮纤维等)被阻挡在这组柱状结构处，消除杂质对于液滴荧光检测的影响。

如图4所示，上浮油在外界气压作用下，从上浮油入口121流入上浮油管路123，在上浮油连接孔124处流下，流入微液滴容器(在下方，没有示出)中，同时微液滴容器内的微液滴在上浮油作用下，从微液滴上浮孔13上浮。微液滴容器放置在上浮油连接孔124和微液滴上浮孔13下方，上浮油连接孔124和微液滴上浮孔13的间距设计是参考微液滴容器的尺寸，如果微液滴容器是ep管，上浮油连接孔124和微液滴上浮孔13之间的间距是小于ep管的宽度。

如图5所示，两个间隔油管路113和一个微液滴管路14形成十字交叉结构，目的是使上浮来的紧密排列的微液滴通过两侧的间隔油间隔开来，和使得微液滴间的信号干扰降低；同时通过“十字交叉结构”设计可以通过控制两侧间隔油的气压来控制微液滴单层排布的间距距离。在“十字结构”后的微液滴检测管路中，微液滴间隔开后，一字排开流动的流过进行光学检测。

如图6所示在“十字交叉结构”后，此时微液滴已经在微液滴检测管路单排等间距排布开来，同时在待检测的微液滴检测管路旁固定间距的位置设置有一个封闭辅助沟道151。封闭的沟道内没有油相、水相、微液滴样品流动，该区域成像、透光/散光性质稳定，便于光路检测系统定位到微液滴检测管路15正中心。

随着大量的微液滴检测后，将检测完信号的微液滴从微液滴废液口16流出，流入一个外部的封闭收集槽入口中。收集槽封闭的目的是防止微液滴废液引起的交叉污染。如图1所示，在一些实施方式中，在微液滴检测芯片设置有收集槽的排气入口171、排气管路172和排气出口173，排气入口171与封闭收集槽出口连接，经过排气管路172与排气出口173连接，目的是为了释放收集槽中持续流入液体产生的压力，同时减少交叉污染。

采用上述微液滴检测芯片，可以达到以下效果：(1)快速、可靠利用荧光检测均一的微米量级“油包水”微液滴，(2)微液滴检测芯片采用热塑材料，材料和批量加工成本低廉，(3)对传统圆环形光盘结构进行修正，最大限度利用光盘的空间，并行排布微液滴荧光检测流道。

应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。