一种液滴阅读芯片及其使用方法与流程

1.本发明涉及液滴微流控领域，更具体地涉及一种液滴阅读芯片及其使用方法。


背景技术：

2.微流控是指在微米尺度空间对流体进行操控的一种技术，该技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上，因此又被称为“芯片实验室”。液滴微流控是近年发展起来的微流控平台的一个重要分支，是利用互不相容的两液产生分散的微液滴进行实验操作的非连续流微流控技术，具有减少试剂消耗量、降低污染风险、提高反应精度、缩短反应时间等优势。其中，液滴作为“微型反应器”，具有区域化、微型化、可控性和高通量等特点。
3.液滴微流控技术包括液滴生成、液滴操纵和液滴检测等技术内容。其中，高通量液滴信号的读取是液滴检测技术的一个重要环节。现有技术多集中于液滴微流控技术的液滴生成、液滴操作、检测器性能、芯片制造和应用等研究，较少单独对液滴如何进入检测器及以何种排列方式被检测进行研究。此外，液滴在信号读取时多处于与外界大气接触的敞开状态，容易引起污染。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供了一种液滴阅读芯片及其使用方法，该芯片成本低、使用方便且使用过程污染风险小，满足高通量液滴的检测需求。
5.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
6.一种液滴阅读芯片，其特征在于，其包括微腔和吸样针；所述微腔用于平铺液滴；所述吸样针用于吸入液滴进入所述微腔中。所述吸样针与微腔连通，能够进行流体交换。所述微腔可以是一个密闭的腔体，通过对含液滴的溶液加压，使液滴通过所述吸样针进入所述微腔。所述微腔上也可以设置一个孔口，通过在孔口处抽吸使液滴通过吸样针进入所述微腔。
7.优选地，所述芯片包括一与外界连通的通道，该通道与微腔不连通。
8.进一步地，所述通道和吸样针连接同一密闭空间时，所述通道能通过与外界气体流通使所述密闭空间内含有液滴的溶液通过所述吸样针进入所述微腔。
9.进一步地，所述通道能排出所述密闭空间和微腔内的气体。可通过所述通道抽气，使微腔、密闭空间内气体排出，形成压力相同的负压。
10.进一步地，通过所述通道向所述密闭空间输入气体，所述密闭空间压力变大，微腔内保持负压不变，则所述微腔与密闭空间间形成压力差，在该压力差的作用下，所述密闭空间内含有液滴的溶液通过所述吸样针进入所述微腔。
11.进一步地，在气体排出过程中，所述吸样针的一端浸入密闭空间中含有液滴的溶液中，所述通道的一端不浸入含有液滴的液体中。
12.进一步地，所述吸样针的另一端与所述微腔相通，所述通道的另一端与外界大气
相通。
13.进一步地，所述密闭空间由密封的样品管形成，所述样品管内装有含有液滴的溶液，在溶液上方有一段气体区。所述样品管可以是pcr管、96孔板、384孔板、离心管、液相小瓶等盛装液滴的容器。所述气体区为一空白空间，用于气体
14.优选地，在所述通道内设有过滤筛，所述过滤筛呈网状结构，用于防止气溶胶污染；所述过滤筛也可以进一步是孔径更小的微孔滤膜结构，该结构允许气体通过，不允许细菌等微生物通过，例如0.22μm微孔滤膜，这样能够更加有效的降低污染风险。
15.优选地，所述芯片包括蛇形腔，所述微腔与蛇形腔相连，所述蛇形腔一般设置在微腔与吸样针之间，用于截留可能存在的气泡，避免气泡进入所述微腔。
16.优选地，所述芯片包括储液腔，所述微腔与储液腔相连，所述储液腔用于储存含液滴的溶液中的油相或者水相等连续相。
17.优选地，所述芯片包括透明上盖板和微流控板；所述透明上盖板和微流控板密封形成所述微腔。所述透明上盖板和微流控板上设有缺口，方便二者的嵌合密封。
18.优选地，所述微流控板包括蛇形通道，与所述透明上盖板密封形成所述蛇形腔。
19.优选地，所述微流控板包括储液池，与所述透明上盖板密封形成储液腔。
20.进一步地，所述吸样针包括底座和针，所述底座用于与所述微流控板嵌合。
21.进一步地，所述透明上盖板、微流控板和底座上均设有贯穿的孔道，用于组合后形成所述通道。
22.优选地，所述微腔在高度上限制液滴，其高度是液滴直径的0.5～1.2倍，使液滴平铺呈一层，有利于后续液滴信号的采集，减少相互间的干扰。最优地微腔高度是液滴直径。
23.进一步地，所述微腔和吸样针的数目均不低于1。所述微腔和吸样针可以是一一对应的独立体系，可根据使用需要调整所述微腔和吸样针数目，以便后续同时进行多份液滴样品的信号读取。
24.优选地，所述吸样针包括锥形空心针，使其更易进入样品溶液。
25.优选地，所述芯片包括辅助密封件，用于所述密闭空间的密封。
26.优选地，所述辅助密封件设有密封槽和撕裂槽。所述密封槽用于密封样品管，保证密闭空间的密闭性；所述撕裂槽一般可设置得更薄或用较软的材料，以方便吸样针的刺入。
27.进一步地，所述辅助密封件为硅胶帽。此外，所述辅助密封件也可以是橡胶、树脂、塑料等其他弹性材料构成。为保证密封，可在外围进一步采用铝箔压盖等设置。
28.参阅图1，一种液滴阅读芯片的使用方法，其包括如下步骤：
29.步骤(1)：使含液滴的溶液位于一密封的样品管中，形成密闭空间，在所述密闭空间上端为一段气体区，记为b区，所述b区与一通道连通，所述通道一端与所述b区连通，另一端与外界连通，通过所述通道可进行所述密闭空间与所述外界的气体交换；所述吸样针进入所述含有液滴的溶液中。
30.步骤(2)：通过所述通道排出所述b区的气体，所述微腔内若有气体，会通过所述吸样针、所述b区再通过所述通道排出，此时，所述微腔气压记为p
aim
。可通过在所述通道与外界连通的一端抽气排出所述b区的气体。
31.步骤(3)：通过所述通道使气体进入所述b区，此时，所述b区气压为p0；
32.步骤(4)：所述p0高于所述p
aim
，在所述微腔内形成负压，所述含液滴的溶液通过所
述吸样针进入所述微腔，至所述b区和所述微腔的气压相等；
33.步骤(5)：液滴平铺在所述微腔中，将所述芯片置于光学检测系统中，对所述微腔中的液滴信号进行读取。
34.进一步地，通过控制所述p0和p
aim
使所述微腔中形成特定的负压，从而控制所述含有液滴的溶液进入所述微腔中的量。
35.进一步地，步骤(3)中可使所述通道与外界大气连通，使空气进入b区，此时，p0为大气压；也可通过所述通道向b区充入气体，使其达到某一特定气压。
36.进一步地，步骤(3)所述气体可以为空气，也可使用氮气、氦气和氩气等惰性气体，可防止所述含液滴的溶液与空气接触，进一步降低污染风险，但会增加成本。
37.进一步地，所述通道可设置于所述液滴阅读芯片上，如穿过所述液滴阅读芯片使一端与所述b区连通；也可设置于密封的样品管上，如用于密封样品管的辅助密封装置上；也可直接设置于样品管上。
38.优选地，在所述通道与外界连通的一端设置一个装置，可使所述通道的该端处于打开或关闭状态。使该端在所述通道未进行气体交换时处于关闭状态，可进一步减少所述密闭空间与外界的连通，降低污染风险。所述装置可以是一个活塞，也可以是一个切换阀结构。
39.本发明的优势在于：
40.本发明提供了一种液滴阅读芯片及使用方法，为液滴的高通量检测提供了一个可行方案。本发明的芯片提供一个相对密封的系统，减少了污染风险，且本发明的芯片结构简单，使用方便，能减少液滴检测成本。
附图说明
41.下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
42.图1为本发明实施例提供的一种液滴阅读芯片以及使用方法示意图
43.图2为本发明实施例提供的一种液滴阅读芯片
44.图3为本发明实施例提供的一种液滴阅读芯片的分解示意图
45.图4为附图3的液滴阅读芯片的俯视图
46.图5为附图3的液滴阅读芯片的正视图
47.图6为根据本发明一个实施方式的一个辅助密封件硅胶帽及其应用示意图
48.图中：8-辅助密封件，9-密闭空间，10-样品管，71-透明上盖板，72-微流控版，73-吸样针，74-储油腔，75-微腔，76-蛇形腔，77-通道，78-过滤筛，711-孔道，712-缺口，721
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储油池，722-液面平铺槽，723-蛇形通道，724-进样口，731-出样口，732-针，733-针座， 81-pcr管槽，82-撕裂槽，91-样品溶液，911-液滴，912-连续相。
具体实施方式
49.以下的详细描述应当参考附图阅读，在附图中，不同图中的类似元件的标号相同。附图(其不必须是成比例的)示出了说明性的实施方式，而并非旨在限制本发明的范围。
50.图1示出了根据本发明的一种液滴阅读芯片。如图1a，所述芯片包括微腔75、吸样针 73、储液腔74、通道77和辅助密封件8。吸样针73和通道77连接同一密闭空间9。密闭空间
9由辅助密封件8和样品管10密封形成。密闭空间9内有样品溶液91，在样品溶液 91上方有气体区b区(图1b)。吸样针73穿过辅助密封件8进入样品溶液91底部，从而与密闭空间9连通。通道77穿过辅助密封件8与密闭空间9的b区相连。样品溶液91包括液滴911和连续相912。
51.另外，图1示出了所述芯片的一种使用方法，该方法包括以下过程：
52.(1)如图1a，液滴911体积为v
drop
，连续相912体积为v
oil
。通道77另一端与大气连通。
53.(2)如图1b，在通道77与大气连通的一端抽气形成负压，b区气体排出并产生指定真空度的气压paim。此时，微腔75、储液腔74及吸样针73连通构成的a区气压若高于 b区，a区气体会通过b区再通过通道77排出，直至a区气压与p
aim
相等。停止抽气。
54.(3)如图1c，再次使通道77与大气连通，空气进入b区，b区与外界压力p0相等。
55.(4)如图1d，b区气压p0大于a区p
aim
，在压力差的作用下，样品溶液91通过吸样针73进入微腔75，至a区气压与b区气压相等时，样品溶液91的进入过程结束。
56.(5)如图1e，最理想的情况是连续相912被全部压入储液腔74中，液滴911完全平铺在微腔75中，形成一层平铺的液滴。微腔75上表面是透明的，允许光透过。启动光学检测系统对平铺的液滴进行信号读取等操作。
57.该过程中，压入a区的溶液体积v＝(vcc+vcd+vcn)*(p
0-p
aim
)/p0。其中，vcc为储液腔74体积，vcd为微腔75体积，vcn为吸样针73体积。因此，通过控制p
aim
可以有效控制吸入芯片中的溶液的量。
58.图2示出了根据本发明的一种液滴阅读芯片，与图1a中的芯片的差别在于，在通道 77处增加了过滤筛78。该过滤筛78呈网状结构，用于防止气溶胶污染；也可以进一步是孔径更小的微孔滤膜结构，该结构允许气体通过，不允许细菌等微生物通过，例如0.22μm 微孔滤膜，这样能够更加有效的降低污染风险。
59.图3～5示出了根据本发明的一种液滴阅读芯片。如图3，所述芯片由透明上盖板71、微流控版72和吸样针73三个部件构成。透明上盖板71由透明材料构成，允许光等信号通过。微流控板72设有储液池721、液面平铺槽722、蛇形通道723。透明上盖板71与微流控版72均设有缺口712，方便二者嵌合，二者嵌合后密封形成储液腔74、微腔75和蛇形腔76(图4)。在使用过程中，储液腔74用于储存连续相；微腔75用于平铺液滴，其在高度上限制液滴，使液滴平铺呈一层，其高度是液滴直径的0.5～1.2倍，最优的为与液滴直径相同；蛇形腔76呈弯曲状，位于微腔75前端，可以缓冲可能进入的气泡，将其截留在该通道内，避免气泡进入微腔75。所述吸样针73包括底座733和针732。吸样针73 安装于微流控板72的下方。针732的出样口731与微流控板72的进样口724相连，用于样品溶液由吸样针进入蛇形腔76；进一步样品溶液中的液滴进入微腔75，连续相进入储液腔74。针732可以为锥形空心针，便于刺破辅助密封件进入密闭空间底部。在透明上盖板71、微流控版72和吸样针73上均设有贯穿的孔道711，三者组合后形成通道77。
60.需要说明的是，图3～5中芯片的透明上盖板71、微流控板72和吸样针73组合后形成的是8个独立腔道(由针、蛇形腔、微腔和储液腔组成)，可同时用于8份样品溶液的检测，在实际使用过程中可根据需要，调整腔道的数目。
61.图6示出了根本发明一个实施方法的辅助密封件-硅胶帽。所述硅胶帽针对pcr管
设计。如图6a，硅胶帽能箍在pcr管的开口处，将pcr管密封起来。如图6b，硅胶帽8包含pcr管槽25和撕裂槽26，pcr管槽26用于箍住pcr管；撕裂槽26的硅胶模比较薄，如100μm，使吸样针容易进入pcr管。
62.需要说明的是，本发明的使用方法除了图1示出的通过负压控制对液滴抽取外，也可通过加压的方式直接将液滴样品压入微腔75中，或在微腔75上连接抽吸装置，将液滴样品通过吸样针73吸入微腔75。上述所述的用于气体进出的通道77除了可设置在本发明的装置上，也可设置在盛装液滴样品的装置上或其他辅助使用装置上。上述样品管10可以是pcr管、96孔板、384孔板、离心管、液相小瓶等盛装溶液的容器。
63.应理解的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员可对上述实施例作适当改变或变型。例如：储液腔74、微腔75和蛇形腔76的相对位置可以进行适当调整，例如，储液腔74可位于微腔75的顶端。液滴可以是o/w型，储液腔74用于储存油相；液滴也可以是w/o型，此时储液腔74用于储存水相。
64.以上仅用于说明本发明的技术思想及特点，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做出的任何改动，均在本发明的保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。