[发明专利]用于微流控芯片的温控阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微流控芯片的温控阵列，是能够对各种微流控芯片加热的通用温度控制平台。

背景技术

微流控(microfluidic)芯片，也叫微全分析系统(μTAS)，或称芯片实验室(Lab-on-a-chip)，是生命科学、化学、医学、药学、环境、法医等学科发展的一个新的里程碑。它旨于通过仪器的自动化、微型化、集成化和实验步骤的优化，在芯片上快速、高通量、准确地完成传统的样品处理、分离、纯化、反应、分析、合成、诊断、药物筛选等工作，从而大大提高相关领域的效率。

通常的生物化学反应过程包括三步，即样品的制备，生化反应、结果的检测和分析。可将这三个不同步骤集成为不同用途的芯片，所以据此可将芯片分为不同的类型。例如用于样品制备的芯片，生化反应芯片及各种检测用芯片等。因此，对于不同的应用场合，微流控芯片将具有不同的结构设计。有研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，并实现芯片的通用化，但目前离实现尚需时日。

在生命科学、医学、化学、环境等领域的研究与应用中常常需要适宜的温度环境，尤其是涉及生物活性的研究，表现出高度的温度敏感性。同时，研究人员还希望这一温度环境可以在不同实验间分别制定，甚至在同一实验中动态变化。因此，要实现全部生化分析的片上集成，必须为芯片提供复杂多变且稳定可靠的温度环境。例如，在分子生物学中广泛应用的聚合酶链式反应(PCR)技术，需要在三个温度区间之间随时间反复循环多次，从而将少量的DNA进行大量复制。PCR技术类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。再例如，在酶联免疫吸附测定(ELISA)中，需要在37℃进行反应。而酶的催化反应对温度的敏感性极高。此外，在基因工程中，DNA连接重组在16℃下进行；等温扩增在42℃、65℃等温度进行；很多生物试剂可以在4℃下进行暂时存放。

由于在当前的微流控芯片的设计中，尚不能实现通用芯片，因此，需要为不同的应用设计不同结构的芯片。而为了驱动芯片，并为芯片提供适当的温度湿度等环境条件，则需要一个驱动平台。这一平台的复杂性常常远超过芯片本身。为不同结构的芯片设计不同的驱动平台显然不利用微流控技术的推广。通过设计通用的驱动平台，结合适用于不同应用的微流控芯片，对于微流控芯片的发展有重要意义。

具体到驱动平台的温控部分。目前对于微流控芯片温控平台的研究主要集中在PCR芯片方面。一方面，PCR在分子生物学中有不可替代的地位，另一方面，PCR反应需要较复杂的温度循环条件，是微流控芯片温度控制研究中的一个难点。以下介绍以PCR为例。

在传统的PCR反应仪器温控系统的设计基本采取原位加热的形式。加热系统结构上一般采用多孔板制式，特别是96孔。PCR反应体系加入反应管中，反应管插入相应反应室。如Bio-rad、Eppendorf、Biometria、Strategene等。Roche的lightcycler采用离心式设计，微量反应体系加入专用的离心管中，可用于野外作业。Cepheid公司的SmartCycler采用独特的微流体反应管，反应量小，热容量小，特别适用于野外作业。这些传统PCR反应仪器的温控系统常采用体积庞大可靠性差的传统加热方法如热气流加热、水浴加热等。

现有的PCR反应仪器能够基本满足研究型实验室的需要，但是反应时间长，试剂消耗量大，业已成为阻碍PCR大规模临床应用的一个主要制约因素。此外，在某些研究中实验样品珍贵稀少，需要适用于微量样品的PCR反应设备。在这样的背景下，产生了基于微流体芯片的PCR反应设备。

在PCR微型化的道路上，早期的研究集中在原位加热静态PCR扩增，即将PCR反应管进行微型化。Northrup等最早提出了采用硅基材料微流控芯片的微室静态PCR扩增(Northrup，M.A.；Gonzalez，C.；Hadley，D.；Hills，R.F.；Landre，P.；Lehew，S.；Saiki，R.；Sinski，J.J.；Watson，R.；Whatson，J.R.，Transducers 95，Stockholm，Sweden，June 25-29，1995；pp 746-767.)。由于纯硅的介电性、透光性和抗腐蚀性能较差，又出现了基于玻璃和有机材料的微反应器。这些静态原位PCR芯片采用金属电阻加热等，为反应微室提供均一的随时间变化的温度环境。加热部分常常和芯片集成，故芯片设计固定。