[发明专利]微液滴生成芯片

说明书

本发明提供一种微液滴生成芯片，所述微液滴生成芯片包括有一中心孔，所述中心孔用于所述微液滴生成芯片制备过程中注入注塑料以及批量化生产过程中微液滴生成芯片的转运；所述中心孔两侧以中心孔为中心设置一个或多个微液滴生成单元，每个微液滴生成单元独立地生成微液滴。该微液滴芯片结合工业界成熟的光盘制备工艺，可快速、可靠地生成均一的微米量级“油包水”或“水包油”微液滴，微液滴芯片采用热塑材料，材料和批量加工成本低廉，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。

技术领域

本发明涉及微液滴数字PCR技术领域，具体涉及一种微液滴生成芯片。

背景技术

微液滴数字PCR技术(droplet digital PCR，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-nanofabrication andmicrofluidics)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，生成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生成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。

一个典型的“油包水”微液滴生成过程是：“油相”样品在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别管道；“水相”样品在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别管道。两种不相溶的液体在“十字”微流体结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从连续相分割为离散的微液滴。微液滴为“油包水”的形式，外部是“油相”样品。

微液滴PCR技术的一个核心器件是微液滴生成芯片。为了满足临床检验的需求，微液滴生成芯片需要具备以下特点：(1)快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”/“水包油”微液滴，(2)基于微流控技术的微流体芯片的材料和加工成本低。

目前，基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微流控芯片已被广泛用于生成微液滴。研究人员利用软光刻工艺加工具备微米量级的PDMS微液滴芯片。首先，研究人员采用厚光刻胶(例如：SU-8厚胶)和常规光刻技术在硅基基底表面加工出具有微米精度、高深宽比的模具。然后，将PDMS前体及其交联剂混合溶液浇注在此模具表面。经过升温固化处理、模具分离，制备出结构互补的弹性PDMS微流控结构芯片。该PDMS微流控结构芯片与玻璃基片经过一步可逆键合步骤，最终形成封装的微流控芯片用于液滴生成。

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。“油相”样品、“水相”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、“水相”样品经过进样管注入PDMS微液滴芯片中。最后，生成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。

(2)PDMS微液滴芯片批量加工成本高昂。

针对PDMS微液滴芯片制备工艺的不足，研究人员利用热模压、注塑工艺制备基于热塑材料的微流控芯片。但是，这些芯片制备工艺距离批量化生成尚有距离，成本高昂，限制了微液滴芯片在临床检验领域的广泛应用。