一种高效低成本双层通道PCR热循环微流控芯片装置

一种高效低成本双层通道pcr热循环微流控芯片装置
技术领域
1.本实用新型属于微流控芯片技术领域，尤其是涉及一种高效低成本双层通道pcr热循环微流控芯片装置。


背景技术：

2.聚合酶链式反应(pcr)扩增过程主要依赖三温区的温度变化，因此，热循环装置的设计及温度精准控制是pcr研究的重要内容。
3.近年来，微流控装置以其样品用量少、灵敏度高等特点逐步应用于pcr全过程，现有微流控pcr热循环扩增的方法主要包括：静态微腔式和动态连续流动式pcr热循环扩增法。前者实际上是传统pcr的微型化，反应混合物固定在微反应池内,其温度不断地反复循环；后者是dna样品和反应物连续流动经过三个不同的恒温带,从而达到dna片段扩增的目的。静态微腔式pcr芯片通常以硅和玻璃作为基底材料，加工方法通常以光刻和湿法腐蚀等方法为主，虽然一定程度上能够降低混合液的消耗量，但因其温度循环仍然依赖于温控系统的加热/冷却速率，所以扩增速度仍然相对较慢，同时温度控制系统结构复杂、体积较大，限制了样品的体积，无法根据不同需要进行调整，而且由于加热器和制冷器必须与芯片集成在一起，所以芯片制作成本较高，这也成为今后进一步商业化应用的最大障碍。相对而言，连续流动式pcr芯片需要三个独立的温区，不需要迅速频繁地变换温度，在微通道中即可实现样品循环加热，大大减少了样品使用量。但是，由于pcr扩增一般需要几十个热循环才能完成，所以目前大部分设计都需要复杂的微通道结构，这使得加工工艺和芯片材料选取都受到限制，也增加了芯片制作难度。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的问题是提供一种实现空间充分利用，减少传热过程中热量损失，加热片方便拆卸、可重复利用，进样过程平稳，芯片体积减小的高效低成本双层通道pcr热循环微流控芯片装置。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高效低成本双层通道pcr热循环微流控芯片装置，包括pcr微流控芯片、加热片和加热片夹具，所述pcr微流控芯片包括芯片本体，所述芯片本体内设置有上下两层相连通的微通道，该芯片本体上下两侧分别与玻璃片进行封装，所述玻璃片两端伸出芯片本体形成玻璃片基底，所述芯片本体侧壁上设置有与微通道相连通的微通道入口和微通道出口；
6.所述加热片均匀间隔分布在上下侧玻璃片的表面，分别通过上侧和下侧加热片夹具与玻璃片固定，所述加热片夹具主体结构上设置有与一侧加热片数量相等的卡槽，所述卡槽和加热片适配，该加热片夹具两端设置有插槽，使玻璃片可滑动插入，实现加热片与玻璃片的紧密贴合。
7.所述pcr微流控芯片的芯片本体采用pdms(聚二甲基硅氧烷)材料。
8.所述微通道包括上层微通道和下层微通道，上层微通道和下层微通道通过连接孔
连通。
9.所述芯片本体上下两侧分别与玻璃片进行氧等离子键合封装。
10.所述加热片分为两组，两组加热片对称设置于pcr微流控芯片上下表面，每组包括三个加热片。
11.所述加热片外接电压温控器和温度传感器，通过电压控制所达到的温度，实现独立且互不干涉的温度区域。
12.所述两组加热片温度顺序设置相反，保证样品由上层或下层微通道流入对向层微通道时经过的温度区域顺序与原来相同。
13.由于采用上述技术方案，(1)本实用新型的pcr微流控芯片具有上下两层相通的之直线型微流体通道，可使pdms pcr微流控芯片实现空间充分利用，克服了复杂通道才能实现多次热循环的弊端；(2)本实用新型中上下两层加热片温度顺序设置相反，保证样品由上层/下层微通道流入对向层微通道时经过的温度区域顺序与原来相同；(3)本实用新型中加热片夹具可以使加热片与pcr微流控芯片紧密贴合，减少了传热过程中的热量损失，并且使加热片方便拆卸，实现可重复利用；(4)本实用新型为侧面进样，进样方向与微通道方向平行，使得进样过程更为平稳，并减小了pcr微流控芯片整体体积。
14.本实用新型的有益效果是：具有实现空间充分利用，减少传热过程中热量损失，加热片方便拆卸、可重复利用，进样过程平稳，芯片体积减小，高效低成本的优点。
附图说明
15.下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对本实用新型的任何意义上的限制，在附图中：
16.图1是本实用新型的结构示意图
17.图2是本实用新型的组装示意图
18.图3是本实用新型芯片本体的结构示意图
19.图4是本实用新型芯片本体的俯视图
20.图5是本实用新型芯片本体的仰视图
21.图6是本实用新型玻璃片的结构示意图
22.图7是本实用新型加热片的结构示意图
23.图8是本实用新型加热片夹具的结构示意图
24.图中：
25.1、pcr微流控芯片
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2、加热片
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3、加热片夹具
26.11、微通道
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12、玻璃片
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31、卡槽
27.32、插槽
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111、上层微通道
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112、下层微通道
28.113、微通道入口
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114、微通道出口
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115、连接孔
具体实施方式
29.如图1至图8所示，本实用新型一种高效低成本双层通道pcr热循环微流控芯片装置，包括pcr微流控芯片1、加热片2和加热片夹具3，pcr微流控芯片1采用pdms材料，包括芯
片本体，芯片本体内设置有上下两层相连通的微通道11，微通道包括上层微通道111和下层微通道112，上层微通道111和下层微通道112通过连接孔115连通，芯片本体侧壁上设置有与微通道11相连通的微通道入口11和微通道出口114，芯片本体上下两侧分别与玻璃片12进行氧等离子键合封装，玻璃片12两端伸出芯片本体形成玻璃片基底。加热片2设置有六个，上下各三个对称分布在玻璃片12表面，加热片夹具3设置有两个，加热片夹具3主体结构上设置有三个与加热片2适配的卡槽31，该加热片夹具3两端设置有插槽32，使玻璃片12可滑动插入，实现加热片2与玻璃片12的紧密贴合，加热片2外接电压温控器和温度传感器，通过电压控制所达到的温度，实现独立且互不干涉的温度区域。
30.本实用新型在使用过程中将加热片2分别调到设定的温度，并稳定一段时间，在微通道入口113处泵送进入所需pcr扩增的样品，可调整流速控制反应时间，在微通道出口114处收集反应后的样品进行检测，本发明结构简单、紧凑，温度控制精准，且便于微流控装置的集成。
31.pcr微流控芯片1的微通道11由pdms胶体浇筑后固化而成，首先将两块带有特定图案的微通道(上层图案和下层图案)模板竖直放置，有图案的一侧相对，留出所需间距(即pdms厚度)，并将图案对准后固定两块模板的位置。然后，用锡纸在模板外围成无盖容器，在容器里浇筑配置好的pdms胶体后加热，pdms固化后取出(可切割成所需形状)即会带有特定微通道样式上层微通道111和下层微通道112。最后，用打孔器打出所需微通道入口113、微通道出口114和连接孔115，芯片本体和玻璃片12放入高压等离子机进行表面处理，然后键合封装形成最终的pcr微流控芯片1。
32.六个加热片2，每层各三个形成三个不同的温区，加热片2外壳由铝制材料制成，具有十分良好的导热性能且受热均匀，样品通过微通道入口113流经上层(下层)微通道111时，顺序经过dna变性(双链变单链)温区约95℃、退火(碱基与单链dna配对)温区约60℃和延伸(新dna单链生成)温区约72℃。然后通过连接孔115流入到下层(上层)微通道112，经过相同顺序的热循环，如此反复至流体流至微通道出口114处收集，完成dna扩增。样品在每个温区停留的时间可由调节流体泵入的流速来实时控制，加热片2间距为1cm保证各个温度互不干涉。
33.加热片夹具3选用热绝缘性硬质材料(如环氧树脂)，保证加热片2温度有较小的损失，并且可以紧固加热片2与pcr微流控芯片1。使用前，将加热片2滑动插入卡槽31中，固定加热片2的位置。然后，将pcr微流控芯片1的玻璃片12基底滑动插入插槽32中，使玻璃片12与加热片2表面紧密贴合，使加热片2的温度传递到pcr微流控芯片1上的效率更高。
34.本实用新型通过温控器控制加热片2所产生的温度，加热片2将热量传递给pcr微流控芯片1，使上层微通道111、下层微通道112内的温度达到dna扩增所需的温度范围。
35.本实用新型结构简单，尤其是利用双层通道简化了复杂通道加工制作的困难，能够有效提高空间利用率；加热均匀高效，可节省样品用量，在流动中实现温度循环，降低了扩增时间；加热片夹具3的设计可使加热片2方便拆卸，实现重复利用。
36.以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。