一种一体化生物反应芯片的制作方法

本发明涉及生物技术领域，具体地涉及一种用于生物反应的生物反应芯片。

背景技术：

微全分析系统是由瑞士科学家manz在1890年首次提出，随着微流控技术的逐渐发展与成熟，《福布斯》杂志将微流控芯片技术列为15件影响人类未来的最重要发明之一，作为本世纪最重要的前沿技术之一的微流控技术逐渐被认可，并在生物、化学、医药等领域发挥着重要的作用，成为科学家手中流动的“芯”。微流控芯片具有流体可控、低样品耗损、易集成、反应快速、低成本等特征，在生物分子的体外合成、体外分离、体外检测方面具有广泛的应用。微流控芯片一般由聚二甲基硅氧烷(pdms)材料制成，以图案化的抛光硅片为模板(利用紫外光刻蚀法将不同图案的光刻胶固化在硅片表面形成模板)，形成具有多种功能区的反应芯片，功能化芯片的操作往往需要专业人士对样品的注入、反应、输出进行专业按序操作，同时配备注射器，注射泵，显微镜等专业设备。自动化反应、检测芯片的研制是未来微流控芯片发展的趋势。

综上，本领域迫切需要开发一种芯片，其能降低芯片使用过程中的专业化要求，并易于普及。

技术实现要素：

本发明的目的是开发一种芯片，其能降低芯片使用过程中的专业化要求，并易于普及。

本发明提供了一种一体化生物反应芯片包括：

一外包壳体(1)、所述的外包壳体的内表面上固定有存放室(2)和反应室(3)；其中，所述的存放室位于所述的反应室的上方，

所述的存放室通过第一高弹性软管(4)与所述的反应室相连通；所述的第一高弹性软管通过第一固定带(5)以弯曲折叠状态固定于位于所述的存放室与反应室之间的上支撑部(6)，从而使存放室与反应室之间的管道处于封闭状态；

所述的反应室通过第二高弹性软管(8)与所述芯片位于壳体上的出口(35)相连通，且所述第二高弹性软管通过第二固定带(9)以弯曲折叠状态固定在位于反应室下方的下支撑部(10)，从而使反应室和出口之间的管道处于闭合状态；

且所述的壳体内还包括第一切断装置，所述的第一切断装置用于切断所述的第一固定带，从而使存放室与反应室之间的管道处于开启状态；

所述的壳体内还包括第二切断装置，所述的第二切断装置用于切断所述的第二固定带，从而使反应室和出口之间的管道处于开启状态。

在另一优选例中，其特征在于，所述的存放室还与第一气体导管(12)的第一末端连接，且所述的反应室还与第二气体导管(13)的第一末端连接，所述的第一气体导管的第二末端和所述的第二气体导管的第二末端封闭并固定于所述的上支撑部。

在另一优选例中，所述的外包壳体的外侧还设置有一外控开关(14)，用于控制所述的第一切断装置和第二切断装置。

在另一优选例中，所述的外控开关包括：

固定于壳体上方外表面的第一圆柱体(15)，所述的第一圆柱体内侧具有第一内侧托台(20)，以及第一内侧空轨(22)；

嵌套于第一圆柱体内的第二圆柱体(16)，所述第二圆柱体的外柱面具有与所述的第一内侧托台和第一内侧空轨相适应的第一突出部(18)，且所述第二圆柱体的内柱面具有第二内侧托台(21)和第二内侧空轨(23)；以及

嵌套于第二圆柱体内的第三圆柱体(17)；所述的第三圆柱体外柱面上具有与第二内侧托台以及第二内侧空轨相适应的第二突出部(19)。

在另一优选例中，所述的第一切断装置包括：一内连接管（25）和上刀片（26）；以及所述的第二切断装置包括：一外连接管（24）和下刀片（27）；

其中，所述的第二圆柱体下端设置有所述的外连接管(24)，所述的第三圆柱体下端设置有所述的内连接管(25)，所述的内连接管嵌套于所述的外连接管内；

所述的内连接管的下端设置有所述的上刀片(26)，所述的上刀片靠近所述的上支撑部，且所述的上刀片具有第一状态和第二状态，当从第一状态运行至第二状态时，所述的上刀片切断所述的第一固定带，从而使第一高弹性软管从封闭状态变为开启状态；

所述的外连接管的下端设置有所述的下刀片(27)，所述的下刀片靠近所述的下支撑部，且所述的下刀片具有第一状态和第二状态，当从第一状态运行至第二状态时，所述的下刀片切断所述的第二固定带，从而使第二高弹性软管从封闭状态变为开启状态。

在另一优选例中，所述的外连接管包括开放连接段(28)，所述的开放连接段与所述上支撑部位于同一高度。

在另一优选例中，所述的开放连接段还具有一个或多个间隙。

在另一优选例中，所述第一气体导管(12)、第二气体导管(13)和第一固定带(5)从所述的开放式连接结构的空隙处穿过所述的外连接管，并固定于所述的上支撑部。

在另一优选例中，所述的第三圆柱体可以以所述的第三圆柱体的柱心为轴进行轴向转动，从而使所述的第二突出部从第二内侧托台进入第二内侧空轨，并沿所述的第二内侧空轨移动，从而带动所述的上刀片从第一状态运行至第二状态；

所述的第二圆柱体可以以所述的第二圆柱体的柱心为轴进行轴向转动，从而使所述的第一突出部从第一内侧托台进入第一内侧空轨，并沿所述的第一内侧空轨移动，从而带动所述的下刀片从第一状态运行至第二状态。

在另一优选例中，所述的上支撑部通过第一连接柱(7)固定于壳体内表面。

在另一优选例中，所述的下支撑部位于所述的反应室的下方并通过第二连接柱(11)固定于壳体内表面。

在另一优选例中，所述的第二内侧空轨(23)的长度可以使所述的上刀片(26)下移并切断所述的气体导管和所述的第一固定带，且第三圆柱体外露部分的长度不小于使所述的上刀片(26)完全切断所述的气体导管(12及13)和所述的第一固定带(5)的下移距离。

在另一优选例中，所述的第一内侧空轨(22)的长度可以使下刀片(27)下移足够距离并完全切断第二固定带(9)，第二圆柱体外露部分的长度不小于使下刀片(27)完全切断所述的第二固定带(9)的下移距离。

在另一优选例中，所述的外控开关(14)还用于控制所述的存放室及所述的反应室在气体流通状态与气体密封状态之间转换。

在另一优选例中，所述的上刀片由第一状态运行至第二状态时，还切断所述的气体导管，从而使所述的存放室及所述的反应室由气体密封状态变为气体流通状态。

在另一优选例中，所述的第一内侧空轨设置于所述的第一内侧托台的侧边，和/或所述的第二内侧空轨设置于所述的第二内侧托台的侧边。

在另一优选例中，所述的第二内侧托台低于所述的第二圆柱体顶面，和/或所述的第一内侧托台低于所述的第一圆柱体顶面。

在另一优选例中，通过旋转所述的第三圆柱体，可将第二突出部(19)由第二圆柱体的所述的第二内侧托台位置旋转至第二内侧空轨(23)上端，向下按压第三圆柱体，使固定于所述的内连接管的上刀片(26)竖直下移，切断第一固定带(5)及气体导管(12、13)，第一高弹性软管(4)从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，气体导管(12、13)连接外部大气，实现液体样品从存放室流向反应室，开始反应。

在另一优选例中，反应结束后，通过旋转第二圆柱体，可将第一突出部(18)由第一圆柱的第一内侧体托台位置旋转至第一内侧空轨上端，向下按压第二圆柱体，即可使固定于外连接管的下刀片(27)竖直下移，切断第二固定带(9)，第二高弹性软管(8)从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，反应液从反应室流出。

在另一优选例中，所述的外包壳体的内表面上还固定有具有外圈凹槽(32)的定滑轮(31)，所述的定滑轮用于固定所述高弹性软管并用于使所述高弹性软管转向。

在另一优选例中，所述的定滑轮通过滑轮连接柱(33)固定于所述的外包壳体。

在另一优选例中，所述固定带以套紧束缚的方式将所述的高弹性软管的弯曲折叠部分固定于所述支撑部前面。

在另一优选例中，所述的固定带位于支撑部背面的部分分别置于所述的上刀片或下刀片的正下方。

在另一优选例中，所述第二圆柱体和第三圆柱体的外圆柱面为条纹结构。

在另一优选例中，所述高弹性软管为硅胶软管。

在另一优选例中，所述的上刀片通过插销的方式固定于所述的内连接管下方；且所述的下刀片通过插销的方式固定于所述的外连接管的下端。

在另一优选例中，设置有2～6个所述的第一突出部，和/或2～6个所述的第二突出部。

在另一优选例中，所述突出部沿第二圆柱体和第三圆柱体外圆柱面均匀排布。

在另一优选例中，所述突出部为立方体。

在另一优选例中，所述开放连接结构(28)采用三根柱体连接上下两段外连接管。

在另一优选例中，所述上支撑部包括两个缺口结构(29)，用于限制所述的第一固定带(5)的位置；和/或

所述下支撑部(10)包括两个缺口结构(30)，用于限制所述的第二固定带(9)的位置。

在另一优选例中，所述存放室(2)为聚二甲基硅氧烷隔室。

在另一优选例中，反应室(3)为聚二甲基硅氧烷(pdms)隔室。

在另一优选例中，腔室的连接处则先后用等离子表面处理的方法和65摄氏度加热处理的方法进行处理，使腔室连接处以共价键的方式键合密封。

在另一优选例中，所述存放室(2)、反应室(3)内壁依次通过等离子表面处理和氟化试剂表面处理的方法使内壁表面呈现疏水性。

在另一优选例中，所述外包壳体(1)整体为立方体外形。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本发明芯片的概念图；

图2为本发明芯片的整体前视图；

图3为本发明芯片的整体左视图；

图4为本发明芯片的上支撑部左视图；

图5为本发明芯片的上支撑部前视图；

图6为本发明芯片的上支撑部右视图；

图7为本发明芯片的外连接管开放连接结构仰视图；

图8为本发明芯片的插销结构左视图；

图9为本发明芯片的下支撑部右视图；

图10为本发明芯片的下支撑部前视图；

图11为本发明芯片的下支撑部左视图；

图12为本发明芯片的外控开关前视图；

图13为本发明芯片的外控开关俯视图；

图14为本发明芯片的外控开关(一半)斜视透视图。

在各附图中，标识如下：

1为外包壳体；2为存放室；3为反应室；4为第一高弹性软管；5为第一固定带；6为上支撑部；7为第一连接柱；8为第二高弹性软管；9为第二固定带；10为下支撑部；11为第二连接柱；12为第一气体导管；13第二气体导管；14为外控开关；15为第一圆柱体；16为第二圆柱体；17为第三圆柱体；18为第一突出部；19为第二突出部；20为第一内侧托台；21为第二内侧托台；22为第一内侧空轨；23为第二内侧空轨；24为外连接管；25为内连接管；26为上刀片；27为下刀片；28为开放连接结构；29及30为缺口结构；31为定滑轮；32为定滑轮的外圈凹槽；33为滑轮连接柱；35为出口。

41、42、43及44为阀门；45为液体存放室；46为固体存放室和反应室；47为产品分离室。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种输入、反应、输出过程对人员的专业程度要求低，以及对专业设备依赖小的，具有特殊结构的自动化程度高，无需额外设备，操作简单的一体化生物反应芯片，并在此基础上完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“高弹性软管”是代指“第一高弹性软管”和/或“第二高弹性软管”。

如本文所用，术语“固定带”是代指“第一固定带”和/或“第二固定带”。

如本文所用，术语“气体导管”是代指“第一气体导管”和/或“第二气体导管”。

如本文所用，术语“内侧托台”是代指“第一内侧托台”和/或“第二内侧托台”。

如本文所用，术语“内侧空轨”是代指“第一内侧空轨”和/或“第二内侧空轨”。

为了便于描述，以下结合附图进一步描述本发明。应理解，这些附图并不用于限定本发明范围。

如图1所示，为本发明的概念图，在各个阀门关闭时，待反应液体储存于液体储放室45中，打开阀门41、42及44，液体进入固体存放室和反应室46，开始反应；反应完成后开启阀门43，通过产品分离室47获得产品。

如图2及图3所示，一种一体化生物反应芯片，包括一整体外包壳体1，固定于所述的外包壳体内表面的存放室2、反应室3，其中存放室位于反应室的上方，存放室下方出口通过第一高弹性软管4与反应室上方入口相连，所述第一高弹性软管通过弯曲折叠实现管道的有效闭合和密封，其弯曲折叠部分由第一固定带5固定在上支撑部6，所述上支撑部位于存放室的下方、反应室的上方，通过第一连接柱7固定于壳体内表面(如图4-6所示)。

反应室下方出口连接第二高弹性软管8，该第二高弹性软管的另一端与壳体上的出口35连接，所述第二高弹性软管通过弯曲折叠实现管道的有效闭合，其弯曲折叠部分由第二固定带9固定在下支撑部10，下支撑部位于反应室的下方，通过第二连接柱11固定于壳体内表面(如图9-11所示)。

存放室连接有第一气体导管12和反应室连接有第二气体导管13，所述气体导管的另一端封闭并固定在上支撑部。

如图12-14所示，该一体化生物反应芯片还设置一外控开关14，包括固定于壳体上方外表面的第一圆柱体15、嵌套于第一圆柱体内的第二圆柱体16、以及嵌套于第二圆柱体内的第三圆柱体17，所述第二圆柱体和第三圆柱体外圆柱面上分布有多个突出部18、19，分别置于第一圆柱体和第二圆柱体的对应内侧托台20、21上，所述第一圆柱体和第二圆柱体的内侧托台旁边分别设置沿圆柱体轴向延伸的内侧空轨22、23。

第二圆柱体向下延伸一外连接管24，第三圆柱体向下延伸一内连接管25，嵌套于外连接管内，内连接管的下端固定有上刀片26，靠近上支撑部，外连接管的下端固定有下刀片27，靠近下支撑部；外连接管在经过上支撑部的一段为开放连接结构28，管壁上设置间隙，所述气体导管、第一固定带从间隙横向穿过外连接管内部，固定于上支撑部，且位于上刀片的正下方，下支撑部上的第二固定带位于下刀片的正下方(如图4、7及10所示)。

第二圆柱体的内侧空轨23的长度可以使上刀片26下移足够距离并完全切断气体导管12、13和第一固定带5，第三圆柱体外露部分的长度不小于使上刀片26完全切断气体导管和第一固定带的下移距离；第一圆柱体的内侧空轨22的长度可以使下刀片27下移足够距离并完全切断第二固定带9，第二圆柱体外露部分的长度不小于使下刀片27完全切断气体导管和第二固定带的下移距离；在外控开关使用前，存放室及反应室整体处于密封状态。

通过旋转第三圆柱体，可将第二突出部19由第二圆柱体的托台位置旋转至第二内侧空轨23上端，向下按压第三圆柱体，使固定于内连接管的上刀片26竖直下移，切断第一固定带5及气体导管12、13，第一高弹性软管4从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，气体导管12、13连接外部大气，实现液体样品从存放室流向反应室，开始反应；反应结束后，通过旋转第二圆柱体，可将突出部由第一圆柱体托台位置旋转至空轨上端，向下按压第二圆柱体，即可使固定于外外连接管的下刀片27竖直下移，切断第二固定带9，第二高弹性软管从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，反应液从反应室流出。

其中，第二圆柱体和第三圆柱体的外圆柱面为条纹结构，可以增大旋转时的摩擦力。

其中，所述第二圆柱体和第三圆柱体外圆柱面上的突出部的数量、形状和大小没有特殊要求，形状可以是立方体、锥体等，数量较好为2～6个，大小应不影响圆柱体的旋转操作。这些突出部最好沿第二圆柱体或第三圆柱体外圆柱面均匀排布。

其中，所述高弹性软管应该既易于通过弯曲折叠达成管道封闭，又易于回复原始的管道自然开发的状态，较好的可以是硅胶软管。

如图8所示，所述上、下刀片可以采用插销的方式固定于内连接管或外连接管的下端。

其中，所述固定带分别以套紧束缚的方式将高弹性软管的弯曲折叠部分固定于上、下支撑部前面，固定带位于支撑部的背面部分分别置于上、下刀片的正下方。为使固定带固定牢固，上、下支撑部可以分别设置两个缺口，用以约束固定带的位置。对于固定带的材料没有特殊要求，可以由方便切割的弹性材料制成

其中，存放室、反应室均由聚二甲基硅氧烷(pdms)材料制作而成，腔室的连接处则先后用等离子表面处理方法和65摄氏度加热处理的方法进行处理，使腔室连接处以共价键的方式键合密封。存放室、反应室内壁依次通过等离子表面处理和氟化试剂表面处理的方法使内壁表面呈现疏水性。

如图5及图6所示，高弹性软管可以通过定滑轮32外圈的凹槽31实现固定与转向，定滑轮则通过滑轮连接柱33与外壳相连。外包壳体整体形状没有特殊要求，可以是长方体、立方体等。

本发明的主要优点包括:

将供液体样品流动的管道开关与样品存放室、反应室的气路开关偶联，实现一键式开放反应；利用高弹性管道的折叠与复原实现管道自身的闭合与开放，省去额外电子或机械开关的整合与制作成本；利用选择性表面修饰技术，将整个芯片的材料表面进行选择性化学修饰，存放室和反应室内壁疏水表面的形成有利于降低材料表面对水相的吸附，从而降低液体的滞留量；连接处亲水表面的形成能有效键合存放室、反应室的连接面，阻止水相的外漏；利用重力驱动液体样品的流动，代替传统的注射器进样。该芯片系统操作简单、使用便捷、成本低廉，可更加有效的普及。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

请参见图2和图3，腔室2为液体样品存放室，腔室3为反应室，反应室3位于存放室2的下方，两腔室均由聚二甲基硅氧烷(pdms)材料制作而成，腔室的内壁依次通过等离子表面处理和氟化试剂表面处理的方法使内壁表面呈现疏水性，从而降低材料表面对水相的吸附，减少液体在腔室内的滞留量；pdms腔室的连接处则先后通过等离子表面处理和65摄氏度加热处理的方法使腔室以共价键的方式键合，从而防止液体的外漏。

存放室和反应室的中间由硅胶软管4连通(硅胶管内径2mm，外径3mm)，硅胶软管通过定滑轮31外圈的凹槽32实现固定与转向，定滑轮则通过连接柱33与外壳相连(请参见图4-6)。硅胶管4，如图6所示，通过弯曲折叠实现管道的闭合(已通过实验验证管道闭合的有效性)，并由固定带5固定在上支撑部6上，上支撑部6上含有两个缺口29，用以约束固定带5的位置，支撑6则通过两连接柱7固定在外壳内表面。除了与硅胶软管相连，存放室2和反应室3分别连接有一气体导管12、13(聚四氟乙烯管，内径0.3mm，外径0.6mm)，开关打开前气体导管12、13连通大气的一端均为密闭状态，并固定在上支撑部6上(请参见图4-6)。

反应室下端与出口35之间通过硅胶软管相连，硅胶软管按与34相同的方式弯曲折叠，实现管道的闭合，并由固定带9固定在下支撑部10上，下支撑部10上的缺口30用以约束固定带9的位置，下支撑部10上则通过连接柱11固定在外壳内表面(请参见图9-11)。

芯片功能的执行由一外控开关14控制，此开关由三层结构组成，最外层为固定于上方壳体外表面的第一圆柱体15、中间层为嵌套于第一圆柱体内的第二圆柱体16，内层为嵌套于第二圆柱体内的第三圆柱体17(请参见图12-14)。第二圆柱体和第三圆柱体的外圆柱面为条纹结构，用以增加开关操作时的摩擦力。第二圆柱体向下延伸一外连接管24，第三圆柱体向下延伸一内连接管25，嵌套于外连接管24内，内连接管的下端通过插销结构固定有上刀片26，靠近上支撑部6(请参见图4-6)；外连接管的下端固定有下刀片27，靠近下支撑部10(请参见图9-11)。

外连接管在经过上支撑部的一段为开放连接结构28，采用三根柱体连接上下两段外连接管，三根柱体之间形成间隙，气体导管12、13和固定带5从间隙横向穿过外连接管内部，固定于上支撑部，且位于上刀片26的正下方，固定带9位于下刀片27的正下方(请参见图4、7、10)。

第二、第三圆柱体16、17外圆柱面的下端分别含有6个均匀分布的突出立方体18、19，第三圆柱体17的突出立方体19立于第二圆柱体16的内侧托台21上，旋转圆柱体17(20度)即可使突出立方体19由托台21旋转至圆柱体16内侧空轨23的上端，向下按压圆柱体17使突出立方体至空轨23的下端即可使上刀片26竖直下移，依次切断气体导管12、固定带5和气体导管13，此时圆柱体17将正好下移至圆柱体16内(请参见图12-14)。实现存放室和反应室同时连通大气以及硅胶管从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，三个管道通路4、12、13的同时打开方可实现液体样品从存放室流向反应室，开始反应。

待反应完毕后，圆柱体16的突出立方体18立于第一圆柱体15的内侧托台20上，旋转圆柱体16(20度)即可使突出立方体18由托台20旋转至圆柱体15的内侧空轨22的上端(请参见图12-14)，向下按压圆柱体16至空轨22的下端即可使下刀片27竖直下移切断固定带9，从而使硅胶软管从弯曲折叠的闭合状态恢复到原始的管道自然开放状态，使反应液从出口流出。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。