[实用新型]一体式液滴微流控芯片结构、微流控芯片组件

说明书

本实用新型提出的一体式液滴微流控芯片结构，将微滴生成、扩增和检测功能模块全部集成在同一个微流控芯片上，实现液滴生成到荧光检测的全过程封闭。本实用新型还涉及微流控芯片组件。兼容正压或者负压驱动方式，压力响应时间短，可以实现液滴的快速生成，大大减少样品准备的时间。本实用新型无需要预先填充液滴生成油，操作简便，便于在数字PCR技术领域推广应用。

技术领域

本实用新型涉及PCR技术领域，尤其涉及一体式液滴微流控芯片结构、微流控芯片组件。

背景技术

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)可以实现DNA序列的体外扩增，是目前核酸检测的主要方法，也是生命科学研究和临床分子诊断领域的重要支撑技术，极大推动了生命科学等领域的快速发展。目前，PCR技术已经发展到第三代--数字PCR(Digital PCR,dPCR)，基本原理是将样品分配到大量反应单元中，每个单元包含一个或多个拷贝的目标分子(DNA模板)，对目标分子进行PCR扩增，扩增结束后对反应单元的荧光信号进行统计学分析，概括起来就是对目标分子进行“分而治之”。不同于传统PCR技术，数字PCR技术无需标准曲线和参照，对影响PCR反应效率的抑制物不敏感，是一种核酸分子绝对定量技术。数字PCR技术具有高灵敏度、高特异性和精确定量等优点，在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测、表达量微小差异鉴定和拷贝数变异检测等方面得到了广泛应用。

根据样品划分方式进行分类，数字PCR技术平台主要包括三类：大规模集成微流控芯片、微腔式和微滴式的数字PCR系统。其中大规模集成微流控芯片和微腔式数字PCR技术平台如Fluidigm公司的Bio-Mark^TM HD系统和Life Technologies公司的QuantStudio^TM 3D系统，工作流程繁琐，芯片制作过程复杂，对制作工艺要求较高，增加了检测成本；样品通量低，并且受制作工艺水平等因素的限制，动态范围等性能的提升空间有限，这大大限制了其应用范围。而微滴式数字PCR技术平台如Bio-Rad公司的QX200^TM系统和RainDance公司的Raindrop^TM系统，采用两相流技术将样品分散在大量的液滴中，液滴数量及大小精确可控，可以根据实际需要选择合适的样品通量，应用范围更广。但是，上述微滴式数字PCR系统的样品划分、扩增和检测三个功能结构仍然相互独立，集成化和自动化程度不高。由于功能结构相互独立，移液过程中易造成液滴融合、破碎以及交叉污染等问题，在应用方面会有一定的局限性。因此，需要进一步提高数字PCR的集成化和自动程度，以便在临床检测中发挥更大的技术优势。

2015年，彭年才等人提出一种立体式液滴数字PCR芯片，利用浮力作用可以有效排除液滴收集腔内的气泡。但由于腔体竖直放置，液滴受浮力作用，容易积聚在腔体顶部，相互之间造成挤压，不易铺成单层且在扩增过程中液滴容易融合。2016年，FriedrichSchuler等人采用离心微流控技术，将数字PCR的液滴生成、扩增和检测功能结构集成在同一个芯片上。该方法通过改变液滴收集腔室内的高度，使气泡分布在腔体边缘，并没有彻底排除气泡；而在PCR扩增过程中，气泡容易导致液滴发生融合。2017年，景奉香等人制作玻璃基液滴收集腔，操作流程繁琐，不能实现液滴生成和收集结构的有效集成，也容易形成气泡。

2016年，法国Stilla Technologies公司推出Naica^TMCrystal系统，这是目前唯一商业化的一体式液滴数字PCR系统，实现了全封闭集成化设计，减少了人工操作，无交叉污染。但由于其液滴生成方式独特，使得该系统的加压及卸压时间大于30min，大大增加了PCR检测的整体时间，降低了检测效率；该系统的芯片需要预先填充液滴生成油，这对芯片的操作提出了较高要求，增加了操作难度；此外，芯片结构设计的固有特点使得液滴的体积不可调控，样品的检测通量受到限制，提升空间有限。

针对现有数字PCR存在的问题，需要开发集成度高、自动化程度高的新型一体式液滴微流控芯片，实现样品的快速、方便和高通量检测。

实用新型内容