一种微流控芯片及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种微流控芯片及其制备方法与应用 (Microfluidic chip and preparation method and application thereof ) 是由 陈龙胜 许为康 邹丽丽 刘海信 龚尧 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微流控芯片及其制备方法与应用,该微流控芯片包括基底层；检测层,所述检测层设于所述基底层表面,所述检测层中设有微流通道；进样条,所述进样条设于所述基底层与所述检测层之间,所述进样条与所述微流通道相交,所述进样条的数量至少为1个。本发明的微流控芯片仅用一路液驱控制即实现了至少一个样本的生化检测,简化了微流控芯片并降低了其液驱控制要求。(The invention discloses a micro-fluidic chip and a preparation method and application thereof, wherein the micro-fluidic chip comprises a substrate layer; the detection layer is arranged on the surface of the substrate layer, and a micro-flow channel is arranged in the detection layer; and the sample feeding strips are arranged between the basal layer and the detection layer and are intersected with the microfluidic channel, and the number of the sample feeding strips is at least 1. The micro-fluidic chip of the invention realizes the biochemical detection of at least one sample by only one path of liquid drive control, simplifies the micro-fluidic chip and reduces the liquid drive control requirement.)
技术领域
本发明涉及化学分析
技术领域
，具体涉及一种微流控芯片及其制备方法与应用。背景技术
生物/化学检测(简称生化检测)大多基于液相或气相试样与检测器内敏感物质的生物化学反应，从而得到与试样浓度相关联的信号输出。出于对多种不同试样进行检测或对相同试样进行多组平行试验的需要，生化检测通常要求具备多样本同步检测的能力。随着户外、家用等现场即时检测需求的不断增加，目前生化检测通常采用基于微流控芯片的小型化、便携式方案，在相关技术中，多样本检测往往意味着多路微通道以及多路独立的液体驱动(如压杆、微泵等)。
因此，需要开发一种微流控芯片，该芯片结构简单且液体驱动控制要求低。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微流控芯片，该芯片结构简单且液体驱动控制要求低。
本发明还提供了上述微流控芯片的制备方法。
本发明还提供了上述微流控芯片的应用。
本发明的第一方面提供了一种微流控芯片，所述微流控芯片包括
基底层；
检测层，所述检测层设于所述基底层表面，所述检测层中设有微流通道；
进样条，所述进样条设于所述基底层与所述检测层之间，所述进样条与所述微流通道相交，所述进样条的数量至少为1个。
本发明的微流控芯片为单一流道且无需液体存储和反应腔室结构，结构简单。
根据本发明的一些实施方式，所述基底层和检测层的组成材料均独立选自以下材料：玻璃、石英、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚酯、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯材料)、PEEK(聚醚醚酮)和PDMS(聚二甲基硅氧烷)中的一种；所述基底层与检测层的组成材料相同或不同。
根据本发明的一些实施方式，所述基底层和检测层的结合方式包括键合、粘接和机械结合。
根据本发明的一些实施方式，所述键合为热压键合。
根据本发明的一些实施方式，所述粘接，粘接剂为环氧树脂、UV胶和热熔胶。
根据本发明的一些实施方式，所述基底层和所述检测层上设有相配合的螺孔，所述基底层和所述检测层通过螺栓实现所述机械结合。
根据本发明的一些实施方式，所述基底层和所述检测层通过卡箍相连实现所述机械结合。
根据本发明的一些实施方式，所述微流通道为螺旋形微流通道或放射状微流通道。
根据本发明的一些实施方式，所述检测层上设有出液口和进液口。
根据本发明的一些实施方式，当微流通道为螺旋形微流通道，所述螺旋形微流通道的一端为进液口，另一端为出液口。
根据本发明的一些实施方式，所述螺旋形微流通道的螺旋圈数至少为2圈。
本发明基于微流通道与进样条的交叉点阵来实现平行试验，从而避免单次试验的偶然性。一个螺旋环与进样条实现一次交叉进行一次检测，2个以上螺旋环与进样条交叉，才能实现多次平行试验。
根据本发明的一些实施方式，所述放射状微流通道以进液口为焦点，向外放射形成分支；所述分支的数量至少为2个。
根据本发明的一些实施方式，当微流通道为放射状微流通道，所述进液口与放射状微流通道的焦点端相连接，所述出液口与放射状微流通道的非焦点端相连接。
一个分支与进样条实现一次交叉进行一次检测，2个以上分支与进样条交叉，才能实现多次平行试验。
根据本发明的一些实施方式，所述进样条为亲水材料。
根据本发明的一些实施方式，所述亲水材料的水接触角小于90°。
根据本发明的一些实施方式，所述亲水材料的水接触角为60°～90°
根据本发明的一些实施方式，所述进样条的组成材料为硝酸纤维素和聚酯中的一种。
进样条对材料的浸润性有要求，易吸收和存储溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述出液口的数目至少为1个。
根据本发明的一些实施方式，所述进样条的厚度为小于50μm；优选地，所述进样条的厚度为10μm～30μm。
进样条的厚度过高会影响键合效果，会导致溶液从芯片上泄漏；厚度过薄，吸收样品液的量较少，导致信号弱难以检测。
根据本发明的一些实施方式，所述进样条与微流通道的交点为至少两点。
根据本发明的一些实施方式，所述进样条与微流通道的相交角度为垂直或不垂直。
本方面的第二方面提供了一种微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：将所述基底层、进样条层和检测层相结合，即得所述微流控芯片。
本方面的第三方面提供了一种微流控芯片在多样本检测中的应用。
本方面的第四方面提供了一种多样本检测的方法，包括以下步骤：
S1、将样本与所述进样条的外露端相接触；
S2、从进液口添加检测试剂，所述检测试剂与样本反应；反应后进行检测。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S2中反应包括显色反应或发光反应。
本发明至少具备如下有益效果：本发明的微流控芯片由基底层、进样条和检测层依次形成三明治结构，通过进样条的外露端实现了进样，无需试剂储存腔等额外结构；同时，微通道通过与进样条的形成交叉点阵结构，使芯片具备一路液驱实现至少一个样本生化检测的效果，简化了微流控芯片并降低了其液驱控制要求。本申请中试剂反应与信号检测过程是连续的，检测流程更加灵活，所能反映的信息更加完整；相比于相关技术(如离心驱动式芯片)中各环节必须分步进行，所得检测信号为反应一段时间后的末端信号，对于瞬时显色或者发光反应而言，样品与反应液接触即时产生信号，等芯片完全停止转动后再进行检测容易错过检测窗口，或者丢失反应启动、加速、饱和、消退等关键节点的信息。本申请中针对每一样本，均提供了由进样条与微流通道的多个交叉点形成的平行试验，避免了单次试验带来的偶然性。
附图说明
图1为本发明实施方式中的多样本检测流程；
图2为本发明实施例1中的微流控芯片结构示意图；
图3为本发明实施例2中的微流控芯片结构示意图；
图4为本发明实施例3中的微流控芯片结构示意图；
图5为本发明实施例1中的多样本多次平行检测结果；
图6为本发明实施例2中的多样本多次平行检测结果；
图7为本发明实施例3中的单样本多次平行检测结果。
附图标记：
1、基底层；2、环状进样条；21、进样条Ⅰ；22、进样条Ⅱ；23、进样条Ⅲ；3、检测层；31、进样口；32、微流通道；33、出液口；34、外露孔。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明实施方式中的微流控芯片包括：
基底层；
检测层，上述检测层设于上述基底层表面，上述检测层中设有微流通道，上述微流通道的一端与进液口相连，另外一端与出液口相连；
进样条，上述进样条设于上述基底层与上述检测层之间，上述进样条与上述微流通道相交，上述进样条的数目为至少1条；
上述基底层、上述进样条和上述检测层依次堆叠形成三明治结构的密封微流控芯片。
基底层和检测层选用以下材料中的一种；玻璃、石英、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
基底层和检测层选用的材料相同或不同。
基底层和检测层紧密结合在一起，并将自吸进样条夹在中间；结合方式为键合(热压键合)、粘接(粘接剂选用环氧树脂、UV胶和EVA热熔胶)或者机械紧锁(螺丝或卡箍)中的一种。
检测层包含一个进液口、至少一个出液口以及与进液口和出液口相连通的微流通道，该微流通道包括螺旋状微流通道或放射状微流通道；上述螺旋状微流通道至少包含2个完整螺旋环、上述放射状微流通道至少包含2个从中心向外放射的分支。
本发明通过微流通道与进样条的交叉点阵来实现平行试验，从而避免单次试验的偶然性。一个螺旋环与进样条实现一次交叉进行一次检测，2个以上螺旋环与进样条交叉，才能实现多次平行试验。
一个分支与进样条实现一次交叉进行一次检测，2个以上分支与进样条交叉，才能实现多次平行试验。自吸进样条呈细长薄片状或环状，材料为硝酸纤维素膜(NC膜)或聚酯膜。
自吸进样条具有亲水特性(静态水接触角小于90°)，易于吸收水性溶液，否则样本液难以自吸抵达检测区域。
当自吸进样条为细长薄片状时，自吸进样条其中一端暴露于空气中，用于接收待测样本溶液，另一端被夹留在基底与上盖之间，与微流通道相交，用于引导待测样本与微流通道中的试剂发生反应。
当自吸进样条呈环状时，上述检测层上还设有外露孔，外露孔使得自吸进样条其中一端暴露于空气中，用于接收待测样本溶液，另一端被夹留在基底与上盖之间，与微流通道相交，用于引导待测样本与微流通道中的试剂发生反应。
进样条数目为至少一条，每一自吸进样条与微流通道至少有两点以上相交，相交角度为垂直或不垂直。
自吸进样条的厚度为10μm～30μm，厚度过高会影响键合效果，导致溶液从芯片上泄漏，厚度过薄则吸收样品液的量较少，导致信号弱难以检测。
利用本发明实施方式中的微流控芯片进行多样本检测，检测过程如图1所示，包括以下步骤：
S1、准备待测样本溶液；
S2、将待测样本溶液滴加到各自吸进样条；
S3、待各自吸进样条吸收待测液至饱和后，从进液口中通入反应液至微流通道中；
S4、反应液和待测样本在交叉点阵处发生显色或发光反应；
S5、反应完成后进行信号采集和处理，即完成多样本检测。
实施例1
本实施例为一种微流控芯片，结构如图2所示：包括：
基底层1；
检测层3，上述检测层3设于上述基底层1表面，上述检测层3中设有微流通道32，上述微流通道32为螺旋微流通道；上述螺旋微流通道的一端与进液口31相连，另外一端与出液口33相连。
微流通道32含有4个螺环。
进样条Ⅰ21、进样条Ⅱ22和进样条Ⅲ23设于上述基底层1与上述检测层3之间，上述进样条Ⅰ21、进样条Ⅱ22和进样条Ⅲ23与上述微流通道32相交。其中基底层1为玻璃层；检测层3为PDMS层；进样条Ⅰ21、进样条Ⅱ22和进样条Ⅲ23均为硝酸纤维素膜(NC膜)，厚度为30μm，静态水接触角为70°。
基底层1和检测层3的结合方式为等离子体表面处理后的热压键合：首先将待键合的基底层1和检测层3表面置于等离子体清洗仪(美国Harrick Plasma公司，型号为PDC-002)腔室内抽真空5分钟，然后开启等离子体进行表面处理2分钟，取出后再将进样条Ⅰ21、进样条Ⅱ22和进样条Ⅲ23置于基底层1和检测层3的两键合面之间对齐夹紧，并置于90摄氏度下保压退火30分钟即完成键合。
一种多样本多次平行检测方法，包括以下步骤：
S1、将辣根过氧化物酶冻干粉(上海阿拉丁生化科技股份有限公司，型号为P105528)溶于磷酸盐缓冲液(1x PBS，PH＝7.4)，配制成3份辣根过氧化物酶溶液，浓度为10μg/mL，通过移液枪依次将10μL辣根过氧化物酶溶液滴加至自吸进样条Ⅰ21、自吸进样条Ⅱ22和自吸进样条Ⅲ23的外露端；经10分钟自吸进样条充分吸收辣根过氧化物酶溶液至饱和。
S2、将鲁米诺为底物的化学发光检测试剂(上海碧云天生物技术有限公司，型号为BeyoECL Moon)的不加稀释的BeyoECL MoonA和BeyoECL MoonB原液按体积比为1：1的比例混合并搅拌均匀，通过微注射泵从进液口31泵入微流控芯片的螺旋流道，依次流经与自吸进样条Ⅰ21、自吸进样条Ⅱ22和自吸进样条Ⅲ23的交叉节点，发生反应。
S3、在避光条件下通过CCD探测器(电荷耦合元件探测器)采集发光信号，完成检测。
实施例2
本实施例为一种微流控芯片，结构如图3所示：包括：
基底层1；
检测层3，上述检测层3设于上述基底层1表面，上述检测层3中设有微流通道32，上述微流通道32为螺旋微流通道；上述螺旋微流通道的一端与进液口31相连，另外一端与出液口33相连。
螺旋微流通道含有4个螺环。
进样条Ⅰ21和进样条Ⅱ22设于上述基底层1与上述检测层3之间，上述进样条Ⅰ21和进样条Ⅱ22与上述螺旋微流通道相交。
其中基底层1为石英玻璃层；检测层3为PDMS层；进样条Ⅰ21和进样条Ⅱ22均为硝酸纤维素膜(NC膜)，厚度为20μm，静态水接触角为70°。
基底层1和检测层3的结合方式为等离子体表面处理后的热压键合：首先将待键合的基底层1和检测层3表面置于等离子体清洗仪(美国Harrick Plasma公司，型号为PDC-002)腔室内抽真空5分钟，然后开启等离子体进行表面处理2分钟，取出后再将进样条Ⅰ21和进样条Ⅱ22置于基底层1和检测层3的两键合面之间对齐夹紧，并置于90摄氏度下保压退火30分钟即完成键合。
一种多样本多次平行检测方法，包括以下步骤：
S1、将辣根过氧化物酶冻干粉(上海阿拉丁生化科技股份有限公司，型号为P105528)溶于常用磷酸盐缓冲液(1x PBS，PH＝7.4)，配制成2份辣根过氧化物酶溶液，浓度为50μg/mL，通过移液枪依次将10μL的辣根过氧化物酶溶液滴加至自吸进样条Ⅰ21和自吸进样条Ⅱ22的外露端；经10分钟自吸进样条充分吸收辣根过氧化物酶溶液至饱和。
S2、将鲁米诺为底物的化学发光检测试剂(由上海碧云天生物技术有限公司提供，型号为BeyoECL Moon)的不加稀释的BeyoECL MoonA和BeyoECL MoonB原液按体积比为1：1的比例混合并搅拌均匀，通过微注射泵从进液口31泵入微流控芯片的螺旋流道，依次流经与自吸进样条Ⅰ21和自吸进样条Ⅱ22的交叉节点，发生反应。
S3、在避光条件下通过CCD探测器(电荷耦合元件探测器)采集发光信号，完成检测。
实施例3
本实施例为一种微流控芯片，结构如图4所示：
包括：
基底层1；
检测层3，上述检测层3设于上述基底层1表面，上述检测层3中设有微流通道32，上述微流通道32为放射微流通道；上述放射微流通道的一端与进液口31相连，另外一端与出液口33相连。
放射微流通道由3个分支组成。
环状进样条2设于上述基底层1与上述检测层3之间，上述环状进样条2与上述微流通道32相交。
上述检测层3上还设有外露孔34。
外露孔34为环状进样条2提供了外露端。其中基底层1为玻璃层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；检测层3为PDMS层；自吸进样条为聚酯膜，厚度为25μm，静态水接触角为75°。
基底层1和检测层3的结合方式为采用环氧树脂粘接。
一种单样本多次平行检测方法，包括以下步骤：
S1、将辣根过氧化物酶冻干粉(由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，型号为P105528)溶于常用磷酸盐缓冲液(1x PBS，PH＝7.4)，配制辣根过氧化物酶溶液，浓度为100μg/mL，通过移液枪将10μL辣根过氧化物酶溶液滴加至检测层的外露孔与环状自吸进样条接触；经10分钟自吸进样条充分吸收辣根过氧化物酶溶液至饱和。
S2、将鲁米诺为底物的化学发光检测试剂(由上海碧云天生物技术有限公司提供，型号为BeyoECL Moon)的不加稀释的BeyoECL MoonA和BeyoECL MoonB原液按体积比为1：1的比例混合并搅拌均匀，通过微注射泵从进液口泵入微流控芯片的放射状流道，分别流经与环状自吸进样条的交叉节点，发生反应。
S3、在避光条件下通过CCD探测器(电荷耦合元件探测器)采集发光信号，完成检测。
本发明实施例1～3中的检测结果见图5～7，从图5～6中得知：本发明实施例1和实施例2仅用一路液驱控制即实现了多个样本的多次平行生化检测；从图7中得知：本发明实施例3仅用一路液驱控制实现了单样本的多次平行生化检测，由实施例1～3的测试结果得知，本发明仅用一路液驱控制即实现了至少一个样本的多次平行生化检测，简化了微流控芯片并降低了其液驱控制要求。
综上所述，本发明的微流控芯片由基底层、进样条和检测层依次形成三明治结构，通过进样条的外露端实现了进样，无需试剂储存腔等额外结构；同时，微通道通过与进样条的形成交叉点阵结构，使芯片具备一路液驱实现多样本生化检测的效果，简化了微流控芯片并降低了其液驱控制要求。本发明中试剂反应与信号检测过程是连续的，检测流程更加灵活，所能反映的信息更加完整；相比于相关技术中各环节必须分步进行(如离心驱动式芯片)，所得检测信号为反应一段时间后的末端信号，对于瞬时显色或者发光反应而言，样品与反应液接触即时产生信号，等芯片完全停止转动后再进行检测容易错过检测窗口，或者丢失反应启动、加速、饱和、消退等关键节点的信息。本发明中针对每一样本，均提供了由条带与流道的多个交叉点形成的平行试验，避免了单次试验带来的偶然性。
上面结合说明书及附图内容对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。