加热控温装置及微流控系统的制作方法

1.本公开属于微流控技术领域，具体涉及一种加热控温装置及微流控系统。


背景技术：

2.微流控芯片技术是以微米级的流体操控为基础，在小尺寸的芯片上实现复杂的生化反应过程，使笨重的大型分析仪器不断向小型化、集成化、自动化、高通量等方向迭代升级，促进了以快速定量为核心的实时检测、现场分析等领域的发展。但是，微流控芯片在应用过程中，有些反应需在特定温度下进行，如基因检测，然而目前的微流控芯片不能实现精确的温度控制。


技术实现要素：

3.本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种加热控温装置及微流控系统。
4.第一方面，本公开实施例提供一种加热控温装置，所述加热控温装置包括：相对设置的第一基板和第二基板、及位于所述第一基板和所述第二基板之间的流道腔室层；
5.所述第一基板包括：基底、及位于所述基底靠近所述流道腔室层一侧的多个第一加热元件；所述流道腔室层包括：多个第一储液池、第二储液池、多个第一流道和多个第二流道；所述第二基板包括：主体部；所述主体部设置有多个通孔、放置槽和多个开关元件；
6.一个所述第一储液池在所述基底上的正投影与一个所述第一加热元件在所述基底上的正投影至少部分重叠；所述第一流道具有第一端和第二端，一个所述第一流道的第一端与一个所述第一储液池连通，第二端与所述第二储液池连通；所述第二流道具有第一端和第二端，一个所述第二流道的第一端与一个所述第一储液池连通，第二端与一个所述通孔连通；所述放置槽在所述基底上的正投影与所述第二储液池在所述基底上的正投影至少部分重叠；所述开关元件被配置为控制各个所述第一流道的开启与关闭。
7.可选地，所述第一基板还包括：位于所述基底靠近所述流道腔室层一侧的第二加热元件；
8.所述第二储液池在所述基底上的正投影与所述第二加热元件在所述基底上的正投影至少部分重叠。
9.可选地，所述开关元件包括：叠层设置的气体控制层和薄膜层；所述薄膜层位于所述气体控制层靠近所述流道腔室层的一侧；
10.所述通孔贯穿所述气体控制层和所述薄膜层；所述放置槽贯穿所述气体控制层和所述薄膜层。
11.可选地，所述气体控制层包括：多个气体流道及设置在所述气体流道的两端且背离所述薄膜层一侧的进气口和出气口；其中，一个所述气体流道的延伸方向与一个所述第一流道的延伸方向相交。
12.可选地，所述第二储液池设置于所述流道腔室层的中心区域，多个所述第一储液
池沿同一方向均匀排布于所述第二储液池的两侧。
13.可选地，所述流道腔室层还包括：第三流道；
14.所述第三流道具有第一端和第二端，所述第三流道的第一端与多个所述第一流道的第二端连通，第二端与所述第二储液池连通。
15.可选地，所述第一加热元件和所述第二加热元件同层设置，且材料相同。
16.可选地，所述第一加热元件包括：钛金属层、铂金属层中的一种或多种。
17.第二方面，本公开实施例提供一种微流控系统，所述微流控系统包括如上述提供的加热控温装置及微流控芯片；
18.所述微流控芯片位于所述第二基板的所述放置槽内。
19.可选地，所述微流控芯片包括：聚合酶链式反应芯片。
附图说明
20.图1为本公开实施例提供的一种加热控温装置的结构示意图。
具体实施方式
21.为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
22.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
23.目前能够在微流控芯片上集成的生化反应已有很多种，聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,pcr)是其中之一，它是一种在体外通过酶促反应大量合成目标dna片段的经典分子生物学实验技术，具有特异性强、灵敏度高、操作简便等特点，不仅应用于基因克隆、序列分析等基础研究领域，还在疾病诊断、病原体检测等医学领域具有广泛应用。下面将以pcr为例进行描述，可以理解的是，本公开实施例同样适用于除pcr之外的其他反应。pcr的实现通常需要对反应体系进行温度控制，使样本依次经过高温变性(95℃)、低温退火(55-60℃)及恒温延伸(72℃)三个阶段，并以此为一个周期，循环进行，最终达到目标dna片段快速大量扩增的目的。在微流控芯片上实现pcr体系的这种程序控温过程，目前有两种主流的方法：其一是利用沉积在芯片基底上的金属或半导体控温元件直接对腔室中的pcr反应液进行升降温控制，这种控温方式简单直接，但是对加热元件的加工工艺有较高的要求，有的还需要大面积的散热区块，成本较高，控温均匀性通常也无法保证；其二是在芯片上设置不同的温度区域，通过各种流体操控技术，使pcr反应液依次通过这些温度区域，间接实现对反应液控温的目的，这种方法较易实现，但是容易造成反应液的损
耗，同时扩增效率也容易受到控温区域向反应液的传热速率以及传热均匀性的影响。为了至少解决上述技术问题之一，本公开实施例提供了一种加热控温装置及微流控系统，下面结合附图和具体实施方式对本公开实施例提供的加热控温装置及微流控系统作进一步详细描述。
24.图1为本公开实施例提供的一种加热控温装置的结构示意图，如图1所示，加热控温装置包括：相对设置的第一基板和第二基板、及位于第一基板和第二基板之间的流道腔室层；第一基板包括：基底101、及位于基底101靠近流道腔室层一侧的多个第一加热元件102；流道腔室层包括：多个第一储液池301、第二储液池302、多个第一流道303和多个第二流道304；第二基板包括：主体部；主体部设置有多个通孔201、放置槽202和多个开关元件203；一个第一储液池301在基底101上的正投影与一个第一加热元件102在基底101上的正投影至少部分重叠；第一流道303具有第一端和第二端，一个第一流道303的第一端与一个第一储液池301连通，第二端与第二储液池302连通；第二流道304具有第一端和第二端，一个第二流道304的第一端与一个第一储液池301连通，第二端与一个通孔201连通；放置槽202在基底101上的正投影与第二储液池302在基底101上的正投影至少部分重叠；开关元件203被配置为控制各个第一流道303的开启与关闭。
25.需要说明的是，以本公开实施例提供的加热控温装置可以对pcr微流控芯片进行加热控温为例，pcr的实现通常需要对反应体系进行温度控制，使样本依次经过高温变性(95℃)、低温退火(55-60℃)及恒温延伸(72℃)三个阶段。具体地，本公开实施例提供的加热控温装置中的第一储液池301的数量为6个，分别标记为1号至6号，第二储液池302的数量为1个，相应的，第一流道303的数量为6个，第二流道304的数量为6个，第一加热元件102的数量为6个，通孔的数量为6个，放置槽的数量为1个，开关元件203可以控制上述的6个第一流道303的开启与关闭。其中，两两对应的第一加热元件101的加热温度分别为95℃、55-60℃和72℃，即1号和6号第一储液池301对应的第一加热元件102的加热温度为95℃，2号和5号第一储液池301对应的第一加热元件102的加热温度为55-60℃，3号和6号第一储液池301对应的第一加热元件102的加热温度为72℃。
26.在进行pcr实验前，首先将pcr微流控芯片装载反应液，然后将pcr微流控芯片放置于放置槽202内，之后通过通孔201及连通的第二流道304向不同温度环境的三个第一储液池301中导入控温液体，即向1号、2号和3号第一储液池301中导入控温液体。利用开关元件203关闭所有的与第一储液池301连通的第一流道303，将各个第一储液池301中的控温液体加热至95℃、55℃和72℃。反应开始时，将1号和6号第一储液池301连通的第一流道303开启，通过外接的注射泵将95℃的控温液体推入第二储液池304中，随后将1号和6号第一储液池301连通的第一流道303关闭，控温液体可以对pcr微流控芯片进行加热。加热完毕后，将1号和6号第一储液池301连通的第一流道303开启，将控温液体导入6号第一储液池304以备用，随后将1号和6号第一储液池301连通的第一流道303关闭。在下一个阶段，将2号和5号第一储液池301连通的第一流道303开启，通过外接的注射泵将55℃的控温液体推入第二储液池304中，其他步骤与之前完全相同；最后以相同的操作控制3号和4号第一储液池301连通的第一流道303，采用72℃控温液体对pcr微流控芯片进行加热，完成一个控温周期，此时控温液体位于6号、5号和4号第一储液池。在下一个控温周期继续中，按照上述相同的步骤进行控温操作，液体由6号、5号和4号第一储液池回到1号、2号和3号第一储液池301，依此类
推，最终完成大约35-40个循环控温周期。
27.本公开实施例提供的加热控温装置在每个控温周期中各个第一储液池301底部的第一加热元件102可以用来维持腔室中控温液体的温度，避免控温液体出现剧烈的温度波动，同时能够利用控温液体自身温度的均一性，对pcr微流控芯片进行加热控温，避免了采用加热元件直接对pcr微流控芯片中的反应液直接加热带来的温度不均匀的问题，同时避免直接操控pcr反应液带来的反应液损失，从而可以提升pcr反应效率，节约实验成本。
28.在一些实施例中，如图1所示，第一基板还包括：位于基底101靠近流道腔室层一侧的第二加热元件103；第二储液池302在基底101上的正投影与第二加热元件103在基底101上的正投影至少部分重叠。
29.需要说明的是，基底101可以为玻璃基底，玻璃基底可以与流道腔室层通过紫外固化胶等方式进行封装键合，在玻璃基底上可以设置有第二加热元件103。在利用第二储液池302中的控温液体对pcr微流控芯片进行加热时，例如在高温变性阶段(95℃)，在加热过程中随着控温液体的温度向pcr微流控芯片中传导，其温度会逐渐降低而低于95℃。这样可以实时采集第二储液池302中的控温液体的温度，若低于95℃，则利用第二加热元件103对控温液体进行加热，以维持腔室中控温液体的温度，避免控温液体出现剧烈的温度波动，同时能够利用控温液体自身温度的均一性，对pcr微流控芯片进行加热控温，避免了采用加热元件直接对pcr微流控芯片中的反应液直接加热带来的温度不均匀的问题，同时避免直接操控pcr反应液带来的反应液损失，从而可以提升pcr反应效率，节约实验成本。
30.在一些实施例中，如图1所示，开关元件203包括：叠层设置的气体控制层2031和薄膜层2032；薄膜层2032位于气体控制层2031靠近流道腔室层的一侧；通孔201贯穿气体控制层2031和薄膜层2032；放置槽202贯穿气体控制层2031和薄膜层2032。
31.需要说明的是，气体控制层2031和薄膜层2032可以采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)等成膜材料制成，二者可以通过紫外固化胶等方式进行封装键合，以构成具有隔膜阀结构的开关元件203，具有结构简单、密封和防腐性能较好、流体阻力小等优势。通孔201可以贯穿气体控制层2031和薄膜层2032，以为控温液体导入第一储液池301提供通道。放置槽202可以贯穿气体控制层2031和薄膜层2032，以放置pcr微流控芯片。在实际应用中，通孔201直径可以为1mm，气体控制层2031的整体尺寸为300mm
×
200mm
×
5mm，薄膜层2032整体尺寸可以为300mm
×
200mm
×
1mm。
32.在一些实施例中，如图1所示，气体控制层2031包括：多个气体流道及设置在气体流道的两端且背离薄膜层2031一侧的进气口和出气口；其中，一个气体流道的延伸方向与一个第一流道303的延伸方向相交。
33.需要说明的是，在实际应用中，气体流道截面尺寸可以为2mm
×
1mm，气流通道的延伸方向与流道腔室层的第一流道303的延伸方向相交，优选地，二者地延伸方向可以垂直。当外界气体进入由进气口气体流道后，气体压力挤压下方的薄膜层2032，使其突起堵塞下层的第一流道303，这样可以通过控制气体压力可以控制第一流道303的开启和关闭，从而控制控温液体的流动路径。
34.在一些实施例中，如图1所示，第二储液池302设置于流道腔室层的中心区域，多个第一储液池301沿同一方向均匀排布于第二储液池302的两侧。
35.需要说明的是，在实际应用中，第一储液池301和第二储液池302可以均匀设置，这
样可以利于各个储液池以及对应连通的第一流道303和第二流道304的制备，从而简化制备工艺，节约制备成本。
36.在一些实施例中，如图1所示，流道腔室层还包括：第三流道305；第三流道305具有第一端和第二端，第三流道305的第一端与多个第一流道303的第二端连通，第二端与第二储液池302连通。
37.需要说明的是，第三流道305可以与多个第一流道303连通，可以将多个第一流道303中的控温液体经过同一第三流道305导入第二储液池304中，这样可以减小第一流道303的长度，从而简化制备工艺，节约制备成本。
38.在一些实施例中，第一加热元件102和第二加热元件103同层设置，且材料相同。
39.需要说明的是，第一加热元件102和第二加热元件103同层设置，且材料相同，在制备过程中，二者可以采用同一工艺制成，例如可以利用金属或半导体材料通过沉积工艺一次成型，从而简化制备工艺，节约制备成本。
40.在一些实施例中，第一加热元件102包括：钛金属层、铂金属层中的一种或多种。
41.需要说明的是，在实际应用中，第一加热元件102可以采用单层结构，也可以采用多层结构制成，以提高第一加热元件102的导热性能。例如第一加热元件102包括：钛金属层、铂金属层中的一种或多种。可以理解的是，第二加热元件102也可以采用与第一加热元件102同样的结构制成。
42.第二方面，本公开实施例提供了一种微流控系统，该微流控系统包括如上述任一实施例提供的加热装置及微流控芯片，微流控芯片位于第二基板的放置槽内。
43.本公开实施例提供的微流控系统中，加热控温装置在每个控温周期中各个第一储液池底部的第一加热元件可以用来维持腔室中控温液体的温度，避免控温液体出现剧烈的温度波动，同时能够利用控温液体自身温度的均一性，对微流控芯片进行加热控温，避免了采用加热元件直接对微流控芯片中的反应液直接加热带来的温度不均匀的问题，同时避免直接操控反应液带来的反应液损失，从而可以提升反应效率，节约实验成本。
44.在一些实施例中，微流控芯片包括：聚合酶链式反应芯片。
45.需要说明的是，本公开实施例提供的微流控系统中的微流控芯片具体可以为聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,pcr)芯片，在实际应用中，pcr芯片尺寸可以为50mm
×
40mm
×
0.5mm，中心加热区域为25mm
×
25mm。可以理解的是，该微流控芯片还可以包括其他需要进行加热反应的微流控芯片，其实现原理与上述的pcr芯片的实现原理相同，在此不再一一列举。
46.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。