一种基于温度测控的数字微流控MALBAC装置

本发明属于数字微流控相关，更具体地，涉及一种基于温度测控的数字微流控malbac装置。

背景技术：

1、单细胞分析技术的兴起，突破了传统群体细胞分析在分辨细胞间细微差异上的局限，为细胞异质性研究提供了新的视角。随着这一技术的不断发展，它推动了单细胞组学研究的深入，覆盖了基因组、转录组、表观遗传组、蛋白质组和代谢组等多个维度。在这些研究中，基因组作为生物体内遗传信息的核心库，对揭示生物的生物学特性和个体特征起着决定性作用，其解码对于遗传学和生物进化的研究具有极其重要的意义。在单细胞测序领域，单细胞全基因组扩增技术是关键步骤之一，它解决了从微小样本中提取和放大dna的难题。目前，该领域采用了多种技术，如简并寡核苷酸引物pcr扩增、多重置换扩增、多次退火环状循环扩增(malbac)，以及通过转座子插入实现的线性扩增等。

2、malbac技术通过特制引物促使扩增片段形成闭环结构，避免了dna扩增过程中的指数级放大效应，减少了基因组扩增偏差，使得基因组测序的模板需求量大幅降低。然而，malbac技术在保真性和对重复序列的偏好性方面存在局限性，可能影响单核苷酸变异检测的准确性和基因组数据的完整性。

3、尽管微通道技术在微流控芯片中提高了单细胞全基因组文库制备的自动化水平，但仍面临诸如腔体死体积导致的试剂污染、单细胞捕获效率低、泵阀结构设计复杂、传统温度控制局限等问题。数字微流控作为微流控技术的一种，其摒弃了复杂的微泵、微阀和微混匀器等组件，通过连续电信号控制实现液滴的移动、生成、分裂和混合，为单细胞测序中文库制备流程提供了一个理想的平台。因此，亟待开发一种低成本、操作简便、高度集成的基于温度测控的数字微流控malbac装置。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，由此解决试剂污染、温度控制局限的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，包括数字微流控芯片10和温度测控系统20；所述数字微流控芯片10采用封闭式结构，包括相对平行设置的上盖板111和下芯片112，所述温度测控系统20包括温度传导模块21和温度感知模块22，所述温度传导模块21包括自上而下依次设置的上导热块211、热电制冷器212、下导热块213、热管214；所述数字微流控芯片10设置在温度传导模块21的顶部，与所述上导热块211接触；所述温度感知模块22包括温度传感器221和处理系统222，所述温度传感器221固定于上导热块211上，并与所述处理系统222连接，以便进行数据交换和执行温度调控指令。

3、优选地，所述上盖板111包括自上而下依次设置的上基底107、上电极层106、上疏水层105；所述下芯片112包括自下而上依次设置的下基底101、驱动电极102、下介电层103、下疏水层104；所述上疏水层105与下疏水层104相向，两者之间形成液滴通道。

4、优选地，所述驱动电极102的图案排布包括多个功能区：左储液区11、废液区12、右储液区13、产物出口区14、温度梯度区；所述温度梯度区为由低温区15、中温区16、高温区17、中低温区18构成的矩形回路。

5、优选地，所述左储液区11位于所述温度梯度区的左方，用于存放单细胞裂解液和洗涤液；所述右储液区13位于所述温度梯度区的右下方，用于存放malbac扩增溶液及补充液。

6、优选地，所述废液区12位于所述温度梯度区的右上方，用于收集反应过程中产生的废液；所述产物出口区14位于所述温度梯度区的下方，用于作为后续测量单元产物的出口。

7、优选地，所述上盖板111和下芯片112通过垫片108或者光固胶进行封装，构成封闭结构。

8、优选地，所述上导热块211和下导热块213的材料选用铜或者铝，厚度设置为0.1至80毫米。

9、优选地，所述温度传感器221选用铂电阻温度传感器，型号设置为pt1000，所述温度传感器221通过导热硅脂固定在上导热块211的中心位置。

10、优选地，所述低温区15的温度控制在-1℃～3℃，优选为0℃；所述中低温区18的温度控制在55℃～60℃，优选为58℃。

11、优选地，所述高温区17的温度控制在90℃～98℃，优选为94℃；所述中温区16的温度控制在62℃～68℃，优选为65℃。

12、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置主要具有以下有益效果：

13、1.封闭无污染的操作环境：本发明的数字微流控芯片为malbac流程提供了一个全封闭的操作环境，有效避免了交叉污染的风险。其高度的灵活性和可扩展性使得该芯片能够适应多种遗传物质样本的文库构建需求，并且通过电极设计的互联，实现了高通量、集成化的定制实验，满足了多样化研究场景的需求。

14、2.创新的温度调控能力：本发明的温度测控系统打破了传统温度控制技术的局限，采用了能够双向调节温度的先进元件，不仅可以实现高于室温的加热，还能实现接近冰点的冷却，为malbac反应提供了精确的温度条件。该系统能够在单一芯片上创建多个独立的温度区域，极大提升了设备的集成度和操作的灵活性。

15、3.优化的热循环效率：本发明通过精确控制各个温度区域，优化了malbac技术中的热循环效率，确保了扩增过程中每个阶段的温度需求得到精确满足，从而提高了扩增的均匀性和可靠性，这对于提高单细胞基因组扩增的质量和准确性至关重要。

16、4.成本和时间的双重节省：本发明的集成化设计减少了对外部设备的依赖，简化了实验操作流程，降低了试剂和样本的消耗，从而减少了实验成本。同时，由于操作的自动化和简化，实验人员可以将更多时间投入到数据分析和结果解释中，而不是繁琐的实验操作，有效节省了实验时间，提高了研究效率。

技术特征：

1.一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：包括数字微流控芯片(10)和温度测控系统(20)；所述数字微流控芯片(10)采用封闭式结构，包括相对平行设置的上盖板(111)和下芯片(112)，所述温度测控系统(20)包括温度传导模块(21)和温度感知模块(22)，所述温度传导模块(21)包括自上而下依次设置的上导热块(211)、热电制冷器(212)、下导热块(213)、热管(214)；所述数字微流控芯片(10)设置在温度传导模块(21)的顶部，与所述上导热块(211)接触；所述温度感知模块(22)包括温度传感器(221)和处理系统(222)，所述温度传感器(221)固定于上导热块(211)上，并与所述处理系统(222)连接，以便进行数据交换和执行温度调控指令。

2.如权利要求1所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述上盖板(111)包括自上而下依次设置的上基底(107)、上电极层(106)、上疏水层(105)；所述下芯片(112)包括自下而上依次设置的下基底(101)、驱动电极(102)、下介电层(103)、下疏水层(104)；所述上疏水层(105)与下疏水层(104)相向，两者之间形成液滴通道。

3.如权利要求2所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述驱动电极(102)的图案排布包括多个功能区：左储液区(11)、废液区(12)、右储液区(13)、产物出口区(14)、温度梯度区；所述温度梯度区为由低温区(15)、中温区(16)、高温区(17)、中低温区(18)构成的矩形回路。

4.如权利要求3所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述左储液区(11)位于所述温度梯度区的左方，用于存放单细胞裂解液和洗涤液；所述右储液区(13)位于所述温度梯度区的右下方，用于存放malbac扩增溶液及补充液。

5.如权利要求3所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述废液区(12)位于所述温度梯度区的右上方，用于收集反应过程中产生的废液；所述产物出口区(14)位于所述温度梯度区的下方，用于作为后续测量单元产物的出口。

6.如权利要求1所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述上盖板(111)和下芯片(112)通过垫片(108)或者光固胶进行封装，构成封闭结构。

7.如权利要求1所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述上导热块(211)和下导热块(213)的材料选用铜或者铝，厚度设置为0.1至80毫米。

8.如权利要求1所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述温度传感器(221)选用铂电阻温度传感器，型号设置为pt1000，所述温度传感器(221)通过导热硅脂固定在上导热块(211)的中心位置。

9.如权利要求3所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述低温区(15)的温度控制在-1℃～3℃；所述中低温区(18)的温度控制在55℃～60℃。

10.如权利要求3所述的一种基于温度测控的数字微流控malbac装置，其特征在于：所述高温区(17)的温度控制在90℃～98℃；所述中温区(16)的温度控制在62℃～68℃。

技术总结
本发明属于数字微流控相关技术领域，其公开了一种基于温度测控的数字微流控MALBAC装置，包括数字微流控芯片10和温度测控系统20；数字微流控芯片10采用封闭式结构，包括相对平行设置的上盖板111和下芯片112，温度测控系统20包括温度传导模块21和温度感知模块22；本发明为MALBAC流程提供了一个全封闭的操作环境，有效避免了交叉污染的风险，该装置能够在单一芯片上创建多个独立的温度区域，优化了MALBAC技术中的热循环效率，确保了扩增过程中每个阶段的温度需求得到精确满足，极大提升了装置的集成度和操作的灵活性以及可扩展性，使得该装置能够适应多种遗传物质样本的文库构建需求。

技术研发人员：刘智勇,潘希贤,王建鑫,李奕贤,熊文耀,廖广兰,史铁林
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6