聚合酶链式反应芯片及其制备方法和装置

本申请涉及生物医疗器械领域，具体涉及一种聚合酶链式反应芯片及其制备方法、聚合酶链式反应装置、以及聚合酶链式反应方法。

背景技术：

数字聚合酶链式反应(polymerasechainreaction，简写pcr)技术是一种新的核酸绝对定量检测方法，检测灵敏度为1个拷贝。与传统定量pcr技术不同的是，该方法不依赖于标准曲线和参照样品，直接通过计数的方式进行原始模板的绝对定量。由于这种检测方式比传统的pcr技术具有更好的灵敏度和特异性、准确性，数字pcr技术在近年来得到了广泛关注和应用。而要实现该数字pcr技术，就需要利用数字pcr芯片来承载大量的微反应单元以分别进行聚合酶链式反应。

目前市场上已有的商用数字pcr芯片主要分为两类：芯片式和液滴式。然而芯片式所采用的芯片的加工工艺复杂，且在向每个微反应单元进液的时候容易产生气泡，从而影响不同微反应单元的独立反应。液滴式的操作过程繁琐，且需要用到价格昂贵的用来产生油包水液滴的油。

由此可见，亟需一种加工工艺简单、操作简单、不容易产生气泡且使用起来工艺成本也低的新型数字pcr芯片。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种聚合酶链式反应芯片及其制备方法、聚合酶链式反应装置、以及聚合酶链式反应方法，以解决现有聚合酶链式反应芯片加工工艺复杂、操作复杂、容易产生气泡、以及使用起来工艺成本高的技术问题。

根据本申请的一个方面，本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片，包括：第一功能层，所述第一功能层的表面构造为对聚合酶链式反应溶液具有排斥性；以及多个第二功能区域，分别设置在所述第一功能层的表面，构造为对所述聚合酶链式反应溶液具有亲和性。

在一种可能的实现方式中，所述第一功能层的表面构造为凹凸形状；其中，所述第二功能区域位于所述凹凸形状的凹槽中。

在一种可能的实现方式中，所述多个第二功能区域呈阵列排布。

在一种可能的实现方式中，所述第一功能层包括：基板；以及设置在所述基板表面的排斥功能层。

在一种可能的实现方式中，所述基板包括表面抛光的硅片或石英玻璃片。

在一种可能的实现方式中，所述排斥功能层包括改性后的二氧化硅膜。

在一种可能的实现方式中，所述多个第二功能区域包括圆形和/或多边形。

在一种可能的实现方式中，所述第二功能区域的最大尺寸包括20um-200um，相邻两个所述第二功能区域的间隔包括20um-200um，所述第二功能区域的数量包括500-1000个。

根据本申请的另一个方面，本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应装置，包括：如前任一所述的数字聚合酶链式反应芯片，用于承载聚合酶链式反应溶液以完成数字聚合酶链式反应；密封槽，用于容纳所述数字聚合酶链式反应芯片；以及盖板，用于与所述密封槽配合以为所述数字聚合酶链式反应提供密闭环境。

在一种可能的实现方式中，所述盖板包括透明玻璃盖板。

根据本申请的另一个方面，本申请一可能的实现方式提供的一种如前任一所述的数字聚合酶链式反应芯片的制备方法，包括：制备或提供基板，所述基板的表面对所述聚合酶链式反应溶液具有亲和性；对所述基板的表面改性，以形成对所述聚合酶链式反应溶液具有排斥性的排斥功能表面；以及在所述基板表面设置掩膜版并进行光刻工艺，以刻蚀掉所述掩膜版暴露出的所述排斥功能表面。

在一种可能的实现方式中，所述制备或提供基板包括：对所述基板进行清洗，所述清洗的步骤包括：对所述基板进行丙酮水浴10min，超声处理10min，去离子水冲洗20遍以上；对所述基板进行乙醇水浴10min，超声处理10min，去离子水冲洗20遍以上；利用硫酸双氧水混合溶液对所述基板进行清洗，180℃加热20min，去离子水冲洗20遍以上；以及对所述基板进行干燥处理。

在一种可能的实现方式中，对所述基板的表面改性，以形成对所述聚合酶链式反应溶液具有排斥性的排斥功能表面包括：对清洗后的所述基板进行等离子体处理；将等离子体处理后的所述基板置于第一溶液中进行浸泡，其中所述第一溶液中的试剂包括三乙氧基硅烷，溶剂包括乙醇或甲苯，浸泡12-24小时；以及浸泡结束后，利用乙醇清洗后进行干燥处理。

在一种可能的实现方式中，所述掩膜版包括：具有阵列通孔的金属板；或，表面蒸镀金属铬，并形成阵列透光区域的石英玻璃板。

在一种可能的实现方式中，所述在所述基板表面设置掩膜版并进行光刻工艺，以刻蚀掉所述掩膜版暴露出的所述排斥功能表面包括：利用紫外光在所述掩膜版上方进行照射以进行所述光刻工艺，所述紫外光的光源的功率包括100w-500w，照射时间包括1小时-4小时；以及利用乙醇清洗，并进行干燥处理。

根据本申请的另一个方面，本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应方法，所述方法基于如前任一所述的数字聚合酶链式反应装置实现，其中，所述方法包括：将聚合酶链式反应溶液覆盖所述数字聚合酶链式反应芯片；将所述数字聚合酶链式反应芯片倾斜，以使得未处于所述第二功能区域的聚合酶链式反应溶液脱离；将所述数字聚合酶链式反应芯片置于所述密封槽中，并在所述数字聚合酶链式反应芯片表面覆盖密封油层；以及将所述盖板放置在所述密封槽表面以实现对所述数字聚合酶链式反应芯片的密封。

本申请可能的实现方式提供的聚合酶链式反应芯片及其制备方法、聚合酶链式反应装置、以及聚合酶链式反应方法，通过在对聚合酶链式反应溶液具有排斥性的第一功能层表面形成多个对所述聚合酶链式反应溶液具有亲和性第二功能区域。这样将聚合酶链式反应溶液流过芯片时，第二功能区域表面会形成微液滴，最后在芯片表面覆盖油层进行液滴密封即可进行聚合酶链式反应，操作起来十分简单，也不需要特殊的加工工艺，并且不容易产生气泡，使用起来价格低廉。

附图说明

图1所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的结构示意图。

图2所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应装置的结构示意图。

图3所示为本申请一实施例提供的一种数字聚合酶链式反应方法的流程示意图。

图4a～图4c分别所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应方法的分解原理示意图。

图5所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的制备方法的流程示意图。

图6a～图6c分别所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的制备方法的分解原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的结构示意图。如图1所示，该数字聚合酶链式反应芯片包括：第一功能层1，第一功能层1的表面构造为对聚合酶链式反应溶液具有排斥性；以及多个第二功能区域2，分别设置在第一功能层1的表面，构造为对聚合酶链式反应溶液具有亲和性。

聚合酶链式反应溶液为用于进行聚合酶链式反应的溶液。聚合酶链式反应是一种用于放大扩增特定的dna(脱氧核糖核酸)片段的分子生物学技术，可被看作是生物体外的特殊dna复制。聚合酶链式反应的最大特点是能将微量的dna大幅增加，从而被广泛的应用在考古溯源、刑事侦查等领域。通过采用本申请可能的实现方式提供的聚合酶链式反应芯片，由于在对聚合酶链式反应溶液具有排斥性的第一功能层1表面形成多个对所述聚合酶链式反应溶液具有亲和性第二功能区域2，这样将聚合酶链式反应溶液流过芯片时，流经第二功能区域2表面的聚合酶链式反应溶液便会驻留在第二功能区域2表面以形成微液滴，而并未流经第二功能区域2的聚合酶链式反应溶液便不会驻留。然后，通过在芯片表面覆盖油层进行液滴密封即可对驻留在第二功能区域2表面的聚合酶链式反应溶液进行聚合酶链式反应，操作起来十分简单，也不需要特殊的加工工艺，并且不容易产生气泡，使用起来价格低廉。

在本申请一实施例中，第一功能层1的表面构造为凹凸形状；其中，第二功能区域2位于凹凸形状的凹槽中。通过将第二功能区域2构造为凹凸形状的凹槽中，有利于提高聚合酶链式反应溶液在第二功能区域2的驻留稳固性。具体而言，将聚合酶链式反应溶液流过芯片时，聚合酶链式反应溶液会流入凹槽形状底部的第二功能区域2，由于凹槽形状本身有一定深度，流入凹槽中的聚合酶链式反应溶液更不容易脱离第二功能区域2，再加上第二功能区域2本身就对聚合酶链式反应溶液有亲和性，从而进一步提高了聚合酶链式反应溶液在第二功能区域2的驻留稳固性。

在本申请一实施例中，多个第二功能区域2可呈阵列排布。多个第二功能区域2的大小和形状可相同也可不同，在一进一步实施例中，多个第二功能区域2可为呈阵列排布的多个凹槽。通过阵列排布的方式可更有效的利用第一功能层1表面的面积，同时由于第二功能区域2之间有一定间隔，位于各个第二功能区域2的聚合酶链式反应溶液在后续进行聚合酶链式反应时也不会互相影响，从而进一步提高了该数字聚合酶链式反应芯片的利用效率和使用可靠性。

在本申请一实施例中，如图4c所示，第一功能层1包括：基板11；以及设置在基板11表面的排斥功能层12。排斥功能层12并非完全覆盖基板11表面，并在基板11表面形成凹凸形状，第二功能区域2可为凹槽底端的排斥功能层12裸露出基板11表面的区域。具体而言，基板11表面本身可能并没有对聚合酶链式反应溶液具有排斥性，而是对聚合酶链式反应溶液具有亲和性，例如基板11可采用石英玻璃片；通过在基板11表面设置排斥功能层12便可使得第一功能层1表面对聚合酶链式反应溶液形成排斥性，排斥功能层12可采用进行排斥改性后的二氧化硅膜。

在本申请另一实施例中，基板11还可采用表面抛光的硅片，为了形成对聚合酶链式反应溶液具有亲和性的二氧化硅表面、以及排斥改性后的二氧化硅膜作为排斥功能层12，则还需要先对基板11先进行氧化处理以在硅片表面形成对聚合酶链式反应溶液具有亲和性的二氧化硅表面，然后再对二氧化硅表面进行排斥改性以形成对聚合酶链式反应溶液具有排斥性的二氧化硅膜，最后再将对应第二功能区域2的排斥改性后的二氧化硅膜去掉以露出具有亲和性的二氧化硅表面，从而形成第二功能区域2。

在本申请一实施例中，多个第二功能区域2可包括圆形和/或多边形。当第二功能区域2采用凹槽时，采用圆形的第二功能区域2可更加方便聚合酶链式反应溶液流入；采用多边形的第二功能区域2的拐角形状可有助于进一步提高聚合酶链式反应溶液在第二功能区域2的驻留。然而应当理解，第二功能区域2也可采用其他形状或形状的组合，多个第二功能区域2的形状可以相同也可以不同，本申请对该多个第二功能区域2的具体形状不做严格限定。

在本申请一实施例中，第二功能区域2的最大尺寸包括20um-200um，相邻两个第二功能区域2的间隔包括20um-200um，第二功能区域2的数量包括500-1000个。第二功能区域2的最大尺寸是指第二功能区域2在第一功能层1表面的平面方向上的最大尺寸，例如当第二功能区域2为圆形时，该最大尺寸即为圆形直径，当第二功能区域2为正方形时，该最大尺寸即为正方形的对角线长度。然而应当理解，第二功能区域2的大小、间隔和数量均可根据实际应用场景的需要进行调整，本申请对此不作严格限定。

图2所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应装置的结构示意图。如图2所示，该数字聚合酶链式反应装置，包括：如图1所示的数字聚合酶链式反应芯片、密封槽201以及盖板202。具体而言，数字聚合酶链式反应芯片用于承载聚合酶链式反应溶液203以完成数字聚合酶链式反应。密封槽201用于容纳数字聚合酶链式反应芯片。盖板202用于与密封槽201配合以为数字聚合酶链式反应提供密闭环境。

基于如图2所示的数字聚合酶链式反应装置，如图3所示，本申请一实施例还提供一种数字聚合酶链式反应方法，图4a～图4c分别所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应方法的分解原理示意图。该数字聚合酶链式反应方法具体可包括如下步骤：

步骤301：将聚合酶链式反应溶液203覆盖数字聚合酶链式反应芯片。

具体而言，如图4a所示，聚合酶链式反应溶液203覆盖数字聚合酶链式反应芯片的过程中，流经第二功能区域2表面的聚合酶链式反应溶液203便会驻留在第二功能区域2表面以形成微液滴。

步骤302：将数字聚合酶链式反应芯片倾斜，以使得未处于第二功能区域2的聚合酶链式反应溶液203脱离。

具体而言，如图4b所示，由于数字聚合酶链式反应芯片的第一功能层1的表面构造为对聚合酶链式反应溶液203具有排斥性，因此并未流经第二功能区域2的聚合酶链式反应溶液203会随着倾斜的过程脱离数字聚合酶链式反应芯片。

步骤303：将数字聚合酶链式反应芯片置于密封槽201中，并在数字聚合酶链式反应芯片表面覆盖密封油层204。

由于数字聚合酶链式反应需要密闭的环境进行，通过对放置在密封槽201中的数字聚合酶链式反应芯片表面覆盖密封油层204，以保证数字聚合酶链式反应正常进行。

步骤304：将盖板202放置在密封槽201表面以实现对数字聚合酶链式反应芯片的密封。

具体而言，如图4c所示，通过设置盖板202以进一步对数字聚合酶链式反应芯片进行密封。在本申请一实施例中，为了便于观察第二功能区域2中的聚合酶链式反应溶液203的反应情况，盖板202可包括透明玻璃盖板202。

图5所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的制备方法的流程示意图。图6a～图6c分别所示为本申请一可能的实现方式提供的一种数字聚合酶链式反应芯片的制备方法的分解原理示意图。该制备方法所制备的数字聚合酶链式反应芯片可采用图1所示的结构。具体而言，如图5所示，该数字聚合酶链式反应芯片的制备方法包括如下步骤：

步骤501：制备或提供基板11，基板11的表面对聚合酶链式反应溶液具有亲和性。

具体而言，基板11表面本身并没有对聚合酶链式反应溶液具有排斥性，而是对聚合酶链式反应溶液具有亲和性，例如基板11可采用石英玻璃片。如图6a所示，制备或提供基板11可包括：对基板11进行清洗的步骤。清洗的步骤可包括：对基板11进行丙酮水浴10min，超声处理10min，去离子水冲洗20遍以上；对基板11进行乙醇水浴10min，超声处理10min，去离子水冲洗20遍以上；利用硫酸双氧水混合溶液对基板11进行清洗，180℃加热20min(例如，可采用热板加热，即将混合溶液煮沸以起到很好的清洗效果)，去离子水冲洗20遍以上；以及对基板11进行干燥处理。

步骤502：对基板11的表面改性，以形成对聚合酶链式反应溶液具有排斥性的排斥功能层12。

具体而言，可对清洗后的基板11进行等离子体处理，以在基板11表面形成活性基团；将等离子体处理后的基板11置于第一溶液中进行浸泡，其中第一溶液中的试剂包括三乙氧基硅烷，溶剂包括乙醇或甲苯，浸泡12-25小时，第一溶液会和基板11表面的活性基团反应形成共价键；浸泡结束后，利用乙醇清洗后进行干燥处理。

步骤503：在基板11表面设置掩膜版13并进行光刻工艺，以刻蚀掉掩膜版13暴露出的排斥功能层12。

具体而言，如图6b和6c所示，可利用紫外光在掩膜版13上方进行照射以进行光刻工艺，紫外光的光源的功率包括100w-500w，照射时间包括1小时-5小时；以及利用乙醇清洗，并进行干燥处理，例如可用氮气吹干。

在本申请一实施例中，基板11可采用表面抛光的硅片，为了形成对聚合酶链式反应溶液具有亲和性的二氧化硅表面、以及排斥改性后的二氧化硅膜作为排斥功能层12，则还需要先对基板11先进行氧化处理以在硅片表面形成对聚合酶链式反应溶液具有亲和性的二氧化硅表面，例如可对清洗后的硅片表面通过热氧工艺制备一层100-500nm厚的二氧化硅表面。然后再对二氧化硅表面进行排斥改性以形成对聚合酶链式反应溶液具有排斥性的二氧化硅膜，最后再通过光刻工艺将掩膜版13裸露出的排斥改性后的二氧化硅膜去掉，以露出具有亲和性的二氧化硅表面以形成第二功能区域2。

在本申请一实施例中，掩膜版13可包括：具有阵列通孔的金属板；或，表面蒸镀金属铬，并且镀铬区域形成阵列透光区域的石英玻璃板。然而应当理解，掩膜版13的具体材质可根据实际应用场景的需求而调整，本申请对掩膜版13的具体材质同样不做严格限定。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。