[0001] 本发明涉及生化反应芯片，尤其涉及一种微流控芯片。

[0002] 微流控芯片技术(Micro fluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样本制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

[0003] 自20世纪90年代以来，生物芯片技术以其巨大的应用和市场前景一直成为人们研究的热点。美国政府和产业界在过去的10年共投入近20亿美元用于以基因芯片为主的生物芯片研究开发和产业化，欧洲和日本的投入强度也越来越大。摩托罗拉、惠普、IBM以及日立公司都在开发基因芯片技术，几乎所有的跨国制药公司都投入巨资利用基因芯片开展新药的超高通量筛选和对药理遗传学、药理基因组学等进行研究。大量资金的注入使得生物芯片技术的发展速度大大加快，DNA微阵列技术已经越来越成熟，并逐渐在各应用领域显示出优势，同时蛋白质芯片、细胞芯片等微阵列技术的研究也方兴未艾。

[0004] 但无论是DNA微阵列还是蛋白质、细胞芯片，它们都只是完成了生化分析中的一步——将获得的生物样本与固定在芯片上的分子或细胞进行作用，而长久以来人们一直渴望能够将样本制备、生化反应及最后的结果检测集成到一套系统中，从而从实验中枯燥乏味的劳动中解脱出来。这就是通常说的芯片实验室(Lab-on-a-chip)或者微型全分析系统(Micro Total Analytical System)。

[0005] 芯片实验室是基因芯片技术和蛋白质芯片技术进一步完善和向整个生化分析系统领域拓展的结果，是生物芯片技术的发展的最高阶段。它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象，其目标是把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此较微阵列有更广泛的适用性及应用前景。人们预计生物芯片微型全分析系统技术将会在犯罪现场的取证、太空探索、农产品质量检测及环境检测等方面得到广泛的应用。

[0045] 为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种微流控芯片做进一步详细的描述。

[0046] 微流控芯片在理论上可集成生物、化学、医学分析过程的样本制备、反应、分离、检测等多个基本操作单元，但由于技术发展的限制，过多的操作步骤集成在一个微流控芯片上反而使得实验结果的准确性、精确性降低，整体芯片的使用效果大打折扣，故仅能处于实验室科研阶段，无法规模化的商业应用。本发明中的微流控芯片仅集成了样本的提取和反应操作单元，在实现小型集成化的前提下，可以保证良好的使用效果，能够广泛应用在各种商业仪器中，如DNA一体化检测仪、PCR扩增仪等。

[0047] 相较于现有的整体式微流控芯片，本发明中的微流控芯片包括两部分，一是芯片本体，二是反应单元。其中，芯片本体为微流控芯片的主体部分，可集成样本的提取、流体管路、反应试剂等；反应单元为专门的反应区域，用于实现反应步骤。本发明中芯片本体和反应单元为独立设计的两个部件，在材质和形状上都可以根据需要进行灵活设计，将成型后的芯片本体和反应单元组合在一起即构成了本发明的微流控芯片。

[0048] 如此设计是考虑了多数的生化反应都对反应容器的材质和形状有特殊的要求，而这些特殊的材质并不一定能够用来规模化的制作芯片本体，或者特殊的形状并不一定方便在常规芯片本体上进行制作，如可能会存在加工难度大、材料成本高、使用效果差等问题。以PCR反应为例，使用PP材质(聚丙烯，Polypropylene)制作的反应容器可以显著的提高反应效果，但相较于常规的芯片材质，PP材质存在加工难度大、材料成本高等问题，不适于应用到整个微流控芯片，而本发明的微流控芯片通过使芯片本体和反应单元分体式设计，可仅使用PP材质制作反应单元，良好的解决了该问题，显著地提高了微流控芯片的使用效果。

[0049] 另外，反应单元单独设计也可以使反应区域的形状更加的灵活，而不必考虑芯片本体的加工复杂度等问题，因为芯片本体上不可避免的要设计很多辅助结构，如流体管路等。还是以PCR反应为例，通过试验验证，S型的反应区形状可以显著的提高反应效果，如果在芯片本体上制作此类型的反应区域不仅要解决芯片加工模具的问题，还要解决反应区域封闭的问题，增加了芯片整体的加工难度，而本发明中则可以在反应单元上方便地制作该反应形状，因为反应单元上几乎没有额外的辅助结构，大大降低了制作工艺的复杂程度。

[0050] 同时，独立设计的反应单元也便于精准的温度控制，因为微流控芯片中的反应对于温度的要求更加的严格，而现有集成在芯片本体上的反应单元在温度控制方面很不理想，本发明中采用独立的反应单元，可以针对该反应单元灵活设计温控装置，并使温控装置与反应单元的接触更加方便，极大提高了反应单元的温度控制效果。

[0051] 就本发明的芯片本体而言，为进一步降低制作难度，芯片本体可以是由多组片体单元叠合而成，例如，可由顶片单元、配件片单元、管道片单元、通道片单元、阀孔片单元、底片单元依次叠加组合而成。由此，可将芯片本体的复杂结构分解开来，由不同的片体单元来实现，如在顶片单元和配件片单元上制作各配件单元的安装空间、在管道片单元和通道片单元上制作基本的流体管路，在阀孔片单元和底片单元上制作流体管路控制阀件，方便了工厂的标准化、批量化生产。将批量制作出的各片体单元统一进行叠合加工即可完成具有复杂结构的芯片的制作，各片体单元的叠合加工方式可以有多种，如粘合、键合等。

[0052] 本发明中的芯片本体上主要集成了样本提取单元、流体管路单元和废液排放单元，当然，根据需要，也可以在芯片本体上集成试剂存储单元。其中，在样本提取单元可以完成样本的提取、流体管路单元可以实现反应流体在芯片本体上的流动、废液排放单元可以吸收芯片本体上多余的反应流体、而试剂存储单元则可以根据需要预存储所需要的试剂。应注意的是，试剂存储单元并非芯片本体上的必要单元，也可以采用外接试剂容器的方式替代。

[0053] 以DNA提取为例，样本提取单元可以采用多种提取方式，如FTA试纸提取，FTA试纸作为Whatman公司的一项专利技术，独创性的应用于室温下DNA和RNA的采集、运输、纯化和储存，所有工作均在一张卡上完成，非常适合应用到小型化、集成化的微流控芯片上。另外，现有的磁珠法提取也可使用,磁珠法核酸提取是以纳米生物磁珠为载体的一种新型核酸提取技术，核酸分子可与磁珠表面的硅羟基发生特异性识别与结合，在外部磁场的作用下发生聚集或分散，彻底摆脱传统核酸提取过程中离心、抽取上清液等手工操作流程，从而实现核酸的自动化提取。由此，本发明的微流控芯片上的样本提取单元可以采用任意一种的能够自动化提取样本的方式，以达到集成化、自动化的要求。

[0054] 流体管路单元主要是用于将微流控芯片上的各组成单元连接起来，以实现样本和试剂在各组成单元之间的流动。对于流体管路单元来说，主要包括两方面，一是流体的驱动，即如何驱动样本和试剂在流体管路中流动，二是流体的控制，即如何控制样本和试剂在流体管路中的流向。

[0055] 本发明中的微流控芯片主要采用微泵来实现流体的驱动，其中，微泵可采用机械微泵，如离心力微泵、热动力微泵、静电微泵、气动力微泵、电磁微泵、压电微泵、双金属记忆合金微泵等，机械微泵能够提供与微流控芯片上的流体通道相匹配的低流量流体输送，特别适合高分子材料类芯片的简易界面组装。当然，根据实际情况，也可以采用非机械微泵来实现微流控芯片上流动的驱动，如电场力驱动泵、毛细作用微泵、生物作用微泵、磁流体动力泵、光驱动泵、基于重力驱动泵、化学作用微泵等。

[0056] 对于微流控芯片上流体流动的控制，本发明中是通过流体管路的特殊设计以及与之配合使用的微阀结构来实现的。其中，芯片本体上设置有多条流体管路，每条流体管路都会与微流控芯片上的某一操作或反应区域相连通，以便流体试剂可通过该条流体管路流到该操作或反应区域。而两个操作或反应区域之间的流体连通则需要各自对应地流体管路先行流体连通，本发明的芯片本体上在两条对应地流体管路之间设置有流动连接孔，打开或闭合该流动连接孔可实现两条流体管路的连通或断开。

[0057] 流动连接孔的打开或闭合可通过多种方式实现，例如，在流动连接孔的一侧设置弹性结构层，通过外力施加到弹性结构层上与某一流动连接孔相对应的位置处，即可使弹性结构层密封住该流动连接孔，实现该流动连接孔的闭合，对应地两条流体管路在流动连接孔处就呈现断开状态，流体试剂便无法在两条流体管路之间流动；而当外力取消后，弹性结构层即可自动复位，使流动连接孔打开，对应地两条流体管路就会通过流动连接孔呈现连通状态，流体试剂便可在两条流体管路之间进行流动。其中，施加到弹性结构层上的外力可以由螺线管阀、气动活塞等实现。

[0058] 由此，本发明的微流控芯片中反应单元和芯片本体分体式设计，在实现微流控芯片集成化功能的前提下，可基于反应单元和芯片本体不同的功能定位灵活选择材料和制作工艺，降低了微流控芯片整体的制作难度和成本，提高了微流控芯片的使用效果。同时，多层叠合设计的芯片本体，降低了加工难度，可标准化制作，便于微流控芯片的批量化生产和组装，以及分层设计的流体管路及控制阀，实现了对微流控芯片上反应流体的流动的精细化控制，保证了微流控芯片上反应的顺利进行。

[0059] 下面结合附图1至图12，对本发明的微流控芯片的某一优选实施例进行说明。

[0060] 如图1至图3所示，本实施例中，微流控芯片上主要集成了DNA提取和PCR扩增两个步骤，可应用于DNA一体化检测设备中，后续的电泳分离等步骤由其他设备来实现。其中，应注意的是，本实施例中没有将试剂集成到微流控芯片上，而是与外接试剂盒相连。

[0061] 如图5所示，微流控芯片包括顺次叠加的顶片1、配件片2、管道片3、通道片4、阀孔片5、底片6和反应片7。其中，顶片1、配件片2、管道片3、通道片4、阀孔片5、底片6的尺寸和形状相同，叠合组成了芯片本体，芯片本体为微流控芯片的承载组件，芯片本体上集成有样本提取区域8、流体管路9和废液排放区域10；反应片7附着于芯片本体上，为微流控芯片的反应组件，反应片上形成有反应区域11，反应片7上的反应区域11与芯片本体上的流体管路9相连通。

[0062] 其中，优选的是，组成芯片本体的顶片1、配件片2、管道片3、通道片4、阀孔片5、底片6的材料选用PET材质(聚对苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate)，其中，PET材质在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好，非常适合作为芯片的主体材料，具有加工方便、价格低廉的优点。

[0063] 同时，优选的是，反应片7的材料选用PP材质(聚丙烯Polypropylene)，其中，PP材质密度小，强度、刚度、硬度、耐热性均优于低压聚乙烯,可在最高150℃左右使用，具有良好的介电性能和高频绝缘性，且不受湿度影响，但低温时变脆，不耐磨、易老化。PP材质加工困难，不适于作为芯片的主体材料，但对于PCR反应来说，使用PP材质制作反应容器可显著的提高反应效率，故本实施例中，反应片7采用PP材质制作。

[0064] 具体来说，如图5和图6所示，顶片1为微流控芯片的上封装片，主要起到密封芯片本体的作用。其中，对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构，顶片1上形成有样本添加口12、疏水排气口13、反应片散热口14、试剂添加口15和反应物输送口16。

[0065] 样本添加口12与芯片本体上的样本提取区域8相连通，待处理样本可由样本添加口12加入到芯片上，样本添加口12处设置有密封盖片17；疏水排气口13与芯片本体中的流体管路9上的疏水排气区域18相连通，疏水排气口13处设置有疏水排气配件19，以用于流体管路9中的排气；反应片散热口14与附着于芯片本体上的反应片7相连通，用于反应片7与外界环境的连通，以方便散热；试剂添加口15与芯片本体中的流体管路9上的试剂入口相连通，用于流体管路9中反应试剂的加注，其中试剂添加口15有多个，每个试剂添加口15对应一种试剂；反应物输送口16处设置有连接导管20，反应物输送口16可通过连接导管20与后续反应设备相连通，如毛细管，用于将微流控芯片上的反应物输送到后续设备中。

[0066] 如图5和图7所示，配件片2位于顶片1的下方，用于为微流控芯片上的各配件提供安装空间，如样本提取配件、废液排放配件等。其中，考虑到加工的难度，配件片2的厚度不易太大，所以为了保证各配件具有足够的安装空间，配件片2的数量可以由多个，例如两个、三个等，如图5所示，本实施例中设置有两个配件片2。

[0067] 对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述顶片1的结构，配件片2上形成有样本提取配件安装区21、疏水排气口13、反应片散热口14、试剂添加口15、反应物输送口16、废液排放配件安装区22。其中，样本提取配件安装区21与顶片1上的样本添加口12相对应，用于承装样本提取配件；废液排放配件安装区22用于承装废液排放配件。

[0068] 应注意的是，本实施例中，样本提取配件优选采用FTA试纸，FTA试纸作为Whatman公司的一项专利技术，独创性的应用于室温下DNA和RNA的采集、运输、纯化和储存，所有工作均在一张卡上完成。当然，样本提取配件也可以采用类似的磁珠法提取组件等，只要是能够实现样本的提取即可。另外，废液排放配件优选采用具有流体吸收功能的纸张等，以方便安装。

[0069] 如图5和图8所示，管道片3位于配件片2的下方，为流体管路9的承载片体，流体试剂主要在管道片3上的流体管路9中流动，以实现在各功能区域之间的流动。同时，管道片3还与配件片2一起为各配件提供安装空间，以便于各配件与流体管路9的连接。

[0070] 对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述配件片2的结构，管道片3上形成有流体管路9、样本提取配件安装区21、反应片散热口14、废液排放配件安装区22。其中，配件片2和管道片3上的样本提取配件安装区21以及样本提取配件共同形成了样本提取区域8；配件片2和管道片3上的废液排放配件安装区22以及废液排放配件共同形成了废液排放区域10；流体管路9上设置有试剂入口、疏水排气区域18、反应物出口23，流体管路9可将各功能区域连接起来，以方便反应流体在各功能区域之间的流动。

[0071] 对应于微流控芯片上集成的DNA提取和PCR扩增操作，流体管路9上的试剂入口包括洗脱液入口30、PCR试剂入口31，对应于后续的电泳及检测操作，流体管路9的试剂入口还可以包括标记物入口32。其中，流体管路9上的洗脱液入口30与样本提取区域8相连通，以利用从洗脱液入口30输入的洗脱液将样本提取区域8中提取出的反应物冲洗出来；PCR试剂入口31与反应片7上的反应区域11相连通，从PCR试剂入口31输入的PCR试剂可与自样本提取区域8冲洗出的反应物一起流入反应片7上的反应区域11中，以进行PCR反应；标记物入口32与流体管路9上的反应物出口23相连通，标记物可由标记物入口32输入后沿流体管路9输送至反应物出口23，并由反应物出口23、反应物输送口16、连接导管20输送到后续的反应设备。

[0072] 如图3和图8所示，本实施例中，管道片3上的流体管路9包括：连接样本提取区域8和疏水排气区域18的第一流体管路33；连接PCR试剂入口31与疏水排气区域18的第二流体管路34；连接疏水排气区域18与反应区域11的第三流体管路35；连接反应区域11与反应物出口23的第四流体管路36；连接标记物入口32与反应物出口23的第五流体管路37；以及连接样本提取区域8与废液排放区域10、反应区域11与废液排放区域10、反应物出口23与废液排放区域10的废液排放管路38。其中，连接疏水排气区域18与反应区域11的第三流体管路35优选为两条，以便于反应区域11中反应物的充分填充。

[0073] 本实施例中，如图8所示，管道片3上的任一两功能区域之间的流体管路9并非贯通的，而是断开的，即流体管路9上形成有管路断开点24，流体并不能直接通过管道片3上的流体管路9在各功能区域之间流动，而是要借助于下述的通道片4和阀孔片5，以方便对微流控芯片上流体的流动进行精准控制。

[0074] 如图5和图9所示，通道片4位于管道片3的下方，是为了对管道片3上的流体管路9的贯通提供过渡连接，以实现对微流控芯片上流体的流动进行精准控制。对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述管道片3的结构，通道片4上形成有过渡连接孔组25、反应区域连接孔26和反应片散热口14。

[0075] 其中，过渡连接孔组25对应于管道片3上的流体管路9的管路断开点24设置，每个过渡连接孔组25包括两个相邻的连接孔，每个连接孔分别与流体管路9上的管路断开点24两侧的流体管路相连通；反应区域连接孔26与反应片7上的反应区域11相连通，用于将反应流体输送到反应片7上的反应区域11中。

[0076] 如图5和图10所示，阀孔片5位于通道片4的下方，用于实现管道片3上的流体管路9的贯通。对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述管道片3、通道片4的结构，阀孔片5上形成有阀孔27、反应区域连接孔26和反应片散热口14。

[0077] 其中，阀孔27对应于通道片4上的过渡连接孔组25设置，每个过渡连接孔组25都与一个阀孔27相连通，也即过渡连接孔组25中的两个相邻连接孔分别与阀孔27相连通，由此，流体管路9在管路断开点24的贯通便可通过过渡连接孔组25、阀孔27来实现，具体连接方式可参见图4。

[0078] 具体来说，对应于连接样本提取区域8和疏水排气区域18的第一流体管路33，形成有第一阀孔40；对应于连接疏水排气区域18与反应区域11的第三流体管路35，形成有第二阀孔41；对应于连接反应区域11与反应物出口23的第四流体管路36，形成有第三阀孔42；对应于连接样本提取区域8与废液排放区域10、反应区域11与废液排放区域10、反应物出口23与废液排放区域10的废液排放管路38，形成有第四阀孔43。

[0079] 如图5和图11所示，底片6位于阀孔片5的下方，为微流控芯片的下封装片。对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述阀孔片5的结构，底片6上形成有反应区域连接孔26和反应片散热口14。

[0080] 同时，为了实现对阀孔片5上的阀孔27进行启闭控制，底片6优选具有弹性，由此，在底片6上对应于阀孔片5上的阀孔27的位置处施加外力，便可使底片6发生形变，进而使底片6封堵住阀孔片5上的阀孔27，使流体管路9在管路断开点24的贯通断开。应注意的是，上述施加到底片6的外力可由与微流控芯片配套使用的微流体控制系统来施加，例如微流体控制系统中对应于阀孔片5上的阀孔27设置有螺线管阀，通过螺线管阀的升降即可实现阀孔27的启闭，微流体控制系统的具体结构已在另外一件专利申请中请求保护。

[0081] 如图5和图12所示，反应片7位于底片6的下方，为专门的反应容器，其尺寸和形状可根据不同情况灵活设置，此外，反应片7与底片6之间可设置有保护垫片39。对应于本实施例中的微流控芯片的内部结构及上述芯片本体的结构，反应片7上形成有反应区域11和反应物入口28和反应物出口29。

[0082] 其中，为了提高PCR反应的效果，反应片7上的反应区域11的形状优选采用S型。S型的反应区域11通过反应物入口28与芯片本体上对应的反应区域连接孔26相连通，由此，反应物便可通过流体管路9、反应区域连接孔26、反应物入口28流入反应区域11，以进行PCR反应。而反应后的产物可通过反应物出口29、芯片本体上对应的反应区域连接孔26、流体管路9输送到反应物出口23，进而通过反应物输送口16、连接导管20输送到后续的反应设备。

[0083] 结合图3所示，本发明的微流控芯片的工作过程为：

[0084] 首先，施加外力到底片6上的对应区域，以关闭阀孔片5上的所有阀孔27，使通道片3上对应的流体管路9处于断开状态。

[0085] 其次，将待测样本通过顶片1上的样本添加口12加入到样本提取区域8中的样本提取配件上。

[0086] 接着，打开阀孔片5上的第一阀孔40，以使样本提取区域8和疏水排气区域18之间的第一流体管路33处于贯通状态，同时自洗脱液入口30通入洗脱液，DNA便可从样本提取区域8中的样本提取配件上被洗脱出来，并流到疏水排气区域18。

[0087] 接着，关闭阀孔片5上的第一阀孔40，打开第二阀孔41，使疏水排气区域18与反应区域11之间的第三流体管路35处于贯通状态，DNA与PCR试剂通过第三流体管路35进入反应片7上的反应区域11中。

[0088] 接着，关闭阀孔片5上的第二阀孔41，使反应片7上的反应区域11成为隔离腔室，以进行PCR反应。

[0089] 最后，PCR反应完成后，打开第三阀孔42，以使反应区域11与反应物出口23的第四流体管路36处于贯通状态，反应区域11中的反应物可流向反应物出口23，同时自标记物入口32通入标记物，故而扩增后的DNA与标记物便可进入后续的毛细管，进行电泳分离操作。

[0090] 其中，整个过程中，若废液过多，可选择性的开启第四阀孔43，以使样本提取区域8与废液排放区域10、反应区域11与废液排放区域10、反应物出口23与废液排放区域10之间的废液排放管路38选择性的贯通，使多余流体进入废液排放区域10。

[0091] 以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。