技术领域
[0001] 本公开的实施例涉及一种检测芯片。
相关背景技术
[0002] 微流控芯片技术把生物、化学和医学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块具有微米尺度微通道的芯片上，自动完成反应和分析的全过程。该过程所使用的芯片叫做微流控芯片，也可称为芯片实验室（Lab-on-a-chip）。微流控芯片技术具有样品用量少，分析速度快，便于制成便携式仪器，适用于即时、现场分析等优点，已广泛应用于生物、化学和医学等诸多领域。
具体实施方式
[0042] 为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0043] 除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0044] 在微流控芯片的设计过程中，通常希望尽可能多地将分析检测的各项功能集成到芯片上，以减少芯片对外部操作的依赖，从而实现自动化和集成化。微流控芯片多为一次性使用产品，这样可省去复杂的清洗和废液处理等液路系统，以及避免由液路系统导致的污染。为了实现集成化，可将试剂存储部件设置在微流控芯片中，以存储分析检测所需要的各种试剂。对于通常的具有试剂存储功能的微流控芯片，其芯片结构较为复杂，或者制备工艺较为复杂，从而造成微流控芯片作为耗材的成本过高。同时，可实现多重检测的微流控芯片的工艺更为复杂，成本较高。
[0045] 本公开的至少一个实施例提供一种检测芯片，包括基体、至少一个储存容器和密封盖，所述基体具有第一表面且包括至少一个空腔和通向所述至少一个空腔的至少一条流体通道，该空腔在第一表面中具有第一开口。所述至少一个储存容器经第一开口容纳在所述至少一个空腔中，所述至少一个储存容器包括第二开口和密封所述第二开口的第一密封膜。所述密封盖与所述基体连接并且密封所述基体的第一开口。其中，所述至少一个空腔包括扎破结构，所述扎破结构设置在所述空腔中，用于扎破所述第一密封膜，以使得所述储存容器中的试剂进入所述流体通道。该实施例通过分体设置的储存容器，可以将样品和反应试剂预存储在封闭的储存容器中，与外界隔离从而实现长期保存，根据需要与检测芯片的基体结合，由此可以降低微流控芯片的制造成本以及增加微流控芯片的使用范围。在使用时破坏储存容器内的封闭空间，从而定量释放试剂。同时，设置密封盖可以简单且有效地将储存容器与外界隔离，防止污染。
[0046] 本公开的至少一个实施例提供一种检测芯片，其可以根据需要而包括洗脱液腔、清洗液腔、样品腔、第一混匀腔、第二混匀腔、废液腔、透气腔、扩增腔中的一个或多个，并且洗脱液腔、第一清洗液腔、第二清洗液腔、第三清洗液腔、样品腔、第一混匀腔、第二混匀腔、废液腔、透气腔、扩增腔中的一个或多个可以配置为容纳如上所述的储存容器。该检测芯片可以集成检测过程的全部或部分步骤，从而方便检测流程的设计和操作、减少检测时间、减少检测过程中的污染等。
[0047] 本公开的至少一个实施例提供一种检测芯片，该检测芯片包括基体、扩增腔和密封盖，基体具有第一表面且包括至少一个空腔和通向至少一个空腔的至少一条流体通道，该空腔在第一表面中具有第一开口；至少一条流体通道之一具有开关阀，用于控制对应的至少部分流体通道的连通和断开；扩增腔与至少一条流体通道连通；密封盖与基体连接并且密封基体的第一开口。
[0048] 例如，至少一条流体通道包括多个流体通道，多个流体通道中的至少之一具有开关阀，例如，多个流体通道中的每个均具有开关阀。
[0049] 下面将结合附图对本公开实施例的检测芯片进行总体介绍。
[0050] 图1示出了根据本公开的至少一实施例的检测芯片的透视图；图2示出了图1中检测芯片的分解透视图。图3示出了流体通道的示例性示意图。图4A示出了流道汇聚结构。图4B示出了磁珠捕获腔。
[0051] 如图1和图2所示，根据本公开至少一实施例的检测芯片包括基体100、密封盖20、密封层31、至少一个储存容器40、混匀结构50、驱动组件60和扩增腔71。
[0052] 基体100形成有多个空腔、多个混匀腔、样品腔、废液腔、磁珠捕获腔、和多个基体凹槽。基体100可以由诸如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）或PS（聚苯乙烯）等高分子材料注塑成型，在此不再赘述。
[0053] 多个空腔包括多个储液腔和驱动腔1011，这些储液腔与对应的储存容器40配合工作，驱动腔1011用于将液体注入扩增腔71。其中扩增腔71为定量腔，固定体积的液体进入定量腔，多余的液体将作为废液从定量腔中溢出。此外，PCR扩增冻干粉可以预装载在扩增腔71内部。裂解液腔、洗脱液腔、清洗液腔和磁珠腔中的一个或多个配置为容纳对应的储存容器40。每个对应的储存容器40中容纳有相应的试剂，例如，裂解液腔中可以容纳存储有裂解液的储存容器，洗脱液腔可以容纳存储有洗脱液的储存容器，清洗液腔可以容纳存储有清洗液的储存容器，磁珠腔可以容纳存储有磁珠的储存容器。
[0054] 如图3所示，入口110可以连接到多个空腔中的任一，流体通道130连接该任一空腔和流道汇聚结构，并且在流体通道130内可以设置有开关阀120，用于控制流体通道的开启和关闭。
[0055] 多个混匀腔包括混匀腔和动力腔，其构成检测芯片的混匀结构50的一部分。
[0056] 磁珠捕获腔1014设置在动力腔和混匀腔之间，磁珠经过磁珠捕获腔1014，在外部磁铁吸引下，磁珠被捕获。如图4B所示，磁珠捕获腔1014为内凹梭形。内凹深度与流道深度一致。
[0057] 磁珠捕获腔1014 设置为梭形，它的中间区域面积大，可以容纳更多磁珠，避免堵塞流道；并且两端小，可以避免液体断流，同时液体可以汇聚，避免形成无法被混匀的磁珠块。
[0058] 本实施例中的检测芯片包括密封盖20，密封盖20与基体100 连接并且密封所述基体的第一开口。如前所述，空腔在基体100的第一表面100a具有第一开口，储存容器40密封容纳在第一开口内。
[0059] 在本实施例中，基体100 在动力腔与多个空腔之间设置有流道汇聚结构1013。如图4A所示，流道汇聚结构1013的中心部分为圆形，围绕中心部分周向均匀分布多个梯形结构。
[0060] 流道汇聚结构1013作用在于防止液体断流和串液。动力腔从储液腔抽液的时候，试剂进入流道汇聚结构1013，在毛细力作用下会浸润整个结构，避免断流；另一方面，由于毛细力作用，周围的试剂会趋向流道汇聚结构1013汇聚，即使少量试剂串入其它流道，最终也能汇聚被动力腔抽走。
[0061] 基体100和密封层31共同形成多个流体通道，多个流动通道包括多个流动路径和分别设置在部分或全部流动路径上的多个开关阀。开关阀用于控制对应的至少部分流体通道的连通和断开。
[0062] 示例性地，本实施例中的密封盖20 配置为封闭至少一个空腔，例如每个空腔，从而可以为空腔提供与外界隔绝的封闭环境，防止污染且保护基体100的第一表面100a。
[0063] 下面将结合附图来对储存容器40的结构和工作原理进行说明。
[0064] 图5示出根据本公开的至少一实施例的储存容器的分解图。图6示出了根据本公开的至少一实施例的储存容器的剖视透视图。图7A示出了根据本公开的至少一实施例的示出了扎破结构的空腔的透视图。图7B示出了图7A的扎破结构的局部放大视图。图7C示出了另一扎破结构实施例的局部放大俯视图。图8示出了储存容器安装在空腔内的透视图。图9示出了储存容器释放试剂状态示意图。
[0065] 如图5、图6、图7A-图7C以及图8所示，空腔在基体100的第一表面100a具有第一开口。需要说明的是，“空腔”在下文中指的是样品腔、洗脱液腔、清洗液腔和磁珠腔中的一个或多个。例如，在本实施例中，样品腔、洗脱液腔、清洗液腔、和磁珠腔在基体100的第一表面100a分别具有第一开口。密封层31附接到基体100的第二表面100b。基体100在第二表面
100b的表面设置有用于形成流动路径的基体凹槽。储存容器40经第一开口容纳在空腔中。
储存容器40包括第二开口4012和密封第二开口4012的第一密封膜403。
[0066] 空腔包括扎破结构70，扎破结构70设置在空腔中，用于扎破第一密封膜403，以使得储存容器40中的试剂进入空腔。
[0067] 储存容器40还包括第三开口4011和密封第三开口4011的第二密封膜402，第一密封膜403和第二密封膜402之间通过储存容器40的侧壁限定用于容纳试剂的储液空间。因此，可以将一定量的试剂密封保存在储液空间中。第一和第二密封膜为PE、PP或PS等高分子材料所制成的柔性薄膜或复合铝膜。
[0068] 检测芯片还可以包括第一密封件404，设置在储存容器40和基体的空腔之间，以密封储存容器40和空腔之间的空隙。例如，储存容器40的柱状外周设置有至少一个第一凹槽405，第一密封件404安装在第一凹槽405中。可选地，空腔的柱状内周可以设置有第一凹槽（未示出），第一密封件404安装在该第一凹槽中。
[0069] 示例性地，第一密封件404为硅胶圈，可以形成稳定可靠的密封。
[0070] 储存容器40与空腔同轴设置。扎破结构70位于空腔的与第一开口相对的端部，例如在图7A中的底部。
[0071] 示例性地，储存容器40可以包括引流通道406和朝向第二开口4012的端部具有倾斜的第一角度的内壁407，引流通道406连通内壁407和第二开口4012。可选地，第一角度的范围为5度至60度。采用倾斜的内壁407有助于引导储液空间内的试剂通过引流通道406流入检测芯片中，防止试剂残留在储液空间中。
[0072] 引流通道的内径须大于扎破结构的尺寸，以保证扎破结构可以顺利插入引流通道中，以便于储存容器内试剂的释放。
[0073] 空腔还包括导液通道1001，设置在扎破结构70处，并且连通空腔和流体通道。导液通道1001的内径可以为等于引流通道406的内径，以保证流道内液压均匀。
[0074] 扎破结构70朝向储存容器40的一端设置有针状突出部701，针状突出部的中心点702与空腔的底表面的中心的正投影重合。针状突出部701的尺寸小于第二开口4012的尺寸。
[0075] 如图7A和7B所示，在一示例性实施例中，针状突出部701为近似三棱锥的形状，即外轮廓类似于三棱锥，具有三个侧棱。导液通道1001在空腔中的开口位于三棱锥的两个侧棱之间，并与三棱锥的底面和一个侧面连接。
[0076] 图7C示出了另一扎破结构实施例的局部放大俯视图。根据本公开的构思，针状突出部701’还可以是具有多个侧棱的其他的棱锥形状，例如具有四个侧棱（如图7C所示）。导液通道1001在空腔中的开口位于四个侧棱的两个之间，并与棱锥的底面和一个侧面连接。本公开不限于此，本领域技术人员还可以设置其他数量的侧棱，并将导液通道的开口设置在其中两个侧棱之间。
[0077] 在未示出的又一实施例中，针状突出部还可以形成为圆锥，导液通道在空腔中的开口与圆锥的底面连接。
[0078] 可选地，导液通道在空腔中的开口的面积小于针状突出部的底面的面积。这样设置有利于提高液体进入流体通道的效率，防止液体滞留在空腔的其他位置。
[0079] 示例性地，密封盖20可以与基体100卡接（也即，卡扣连接）。例如，密封盖20包括盖本体201、卡扣组件和密封圈。
[0080] 例如，卡扣组件包括设置在盖本体201的外周部分的至少一个第一卡扣2010和设置在盖本体201的中心部分的第二卡扣（未示出）。密封圈设置在盖本体201的外周部分的内侧。
[0081] 对应地，在基体100的第一表面100a可以设置有沿动力腔外周的第一密封凹槽和沿多个空腔的外周的第二密封凹槽，在基体100的外周还设置有至少一个第三卡扣1010以用于与盖本体201的至少一个第一卡扣2010卡接，并且在基体100的动力腔的外周还设置有第四卡扣以用于与第二卡扣卡接。示例性地，第一卡扣和第三卡扣的数量相等，例如1-100个。使用卡扣连接可以实现简单且可靠的连接。
[0082] 可选地，盖本体201和卡扣组件由刚性材料形成，密封圈由柔性材料形成。刚性材料为ABS、PC、亚克力等可注塑材料，用于制作卡扣组件中的卡扣和提供密封盖的刚性。柔性材料为硅胶或TPU材料，作为密封圈。第二卡扣与第四卡扣位置对应，使得密封盖20中部具有刚性。
[0083] 图10示出了密封盖未粘附膜时的俯视图。图11示出了密封盖粘附膜时的俯视图。图12A-图12C分别示出了根据至少一实施例的密封盖的弹性膜的示意图。
[0084] 下面具体描述设置在密封盖20中的各种膜结构。如图10至图11所示，密封盖20设置有样品口2030和透气口2050。
[0085] 样品口2030 用于向检测芯片加入样品，上端覆盖有第一隔离膜1030。第一隔离膜1030可以粘附在样品口2030的上端，第一隔离膜1030完全不透气从而可以密封样品口
2030。工作时操作者撕开第一隔离膜1030，加入样品，然后重新盖上第一隔离膜1030。
[0086] 优选地，第一隔离膜1030是具有粘性的单面胶。可选地，第一隔离膜1030的直径为1-5mm，第一隔离膜1030的尺寸设置为保证完全覆盖样品口2030。
[0087] 透气口2050是检测芯片内部整体气体与大气连通的出口。透气口2050可以例如与透气腔连接。透气口2050粘结有第二隔离膜1050，第二隔离膜1050为透气膜。第二隔离膜1050优选为防水透气膜、纱布、棉花片等片状材料，防止液体泄漏，但同时可以透气。
[0088] 密封盖20在第一开口处设置有弹性膜2060，具体地，在储存容器40的上端。在本实施例中，弹性膜2060为导气硅胶。
[0089] 第二密封膜402被配套设备刺破时，由于弹性膜2060的接触部位为硅胶，厚度为0.5-2mm，因而不会被刺破，使得储存容器40上端被刺破之后不会直接暴露在空气中。
[0090] 可选地，弹性膜2060朝向第一开口的表面设置有突起结构。如图12A至图12C所示，突起结构可以是中间为宽度0.5mm-5mm的十字形、一字形、圆形突起结构，目的就是使得此区域硅胶与第二密封膜402不是两个光滑面接触，而是有凹凸结构，从而形成气道以方便气体通过气道进入第二密封膜402被刺破的孔。
[0091] 图13A至图13F示出了根据至少一实施例的检测芯片的驱动组件的示意图。
[0092] 驱动组件60可动地容纳在驱动腔1011中，驱动组件60包括驱动盖6020和弹性件6030，弹性件6030设置在驱动盖6020和驱动腔1011之间。在此，术语“可动地”指的是两个元件之间可以发生相对移动，包括但不限于滑动、转动、螺旋运动等。
[0093] 示例性地，驱动组件60还包括至少一个第二密封件6011，至少一个第二密封件6011设置在驱动盖6020和驱动腔1011之间，以密封驱动盖6020和驱动腔1011之间的空隙。
相应地，驱动盖6020的柱状外周设置有至少一个第二凹槽6010。可替代地，驱动腔1011的柱状内周设置有至少一个第二凹槽。该至少一个第二密封件6011对应地安装在至少一个第二凹槽中。该至少一个第二密封件6011可以例如为密封圈。
[0094] 示例性地，驱动腔1011和驱动盖6020之间还可以设置有滑动结构。图13A至图13F示例性地示出了滑动结构的一个可选实施例。例如，驱动盖6020可以包括设置在柱状外周的卡扣6021，与驱动腔1011内壁的槽结构1021位置相对应，以进行配合，使得两者之间在做活塞运动时由槽结构1021上下限位。槽结构1021设置在驱动腔1011的上侧，并且形状为矩形，尺寸与卡扣6021所匹配。本领域技术人员可以采用其他的可动结构，本公开不以此为限。
[0095] 弹性件6030如图13A至图13F所示装载在驱动腔1011内部。当驱动腔1011、弹性件6030和驱动盖6020三者组装在一起之后，由于卡扣6021和槽结构1021位置的限定，使得弹性件6030处于压缩状态。此时外部设备挤压驱动盖6020，驱动腔1011内部气体排出。撤去外部设备的挤压力，驱动盖6020在弹性件6030的作用下自动反弹，外部气体进入驱动腔1011。
[0096] 图14A和图14B示出了根据至少一实施例的检测芯片的扩增腔的示意图。图14A为扩增腔的分解透视图，图14B为扩增腔的扩增基体的俯视图。
[0097] 扩增腔71可以设置为可拆卸地安装至基体100，包括上层膜701、扩增基材702和下层膜703。上层膜701和下层膜703分别粘接扩增基材702的上下表面以组装在一起，且上层膜701和下层膜703由透明薄膜材质组成，优选PC和PP材料，厚度在0.01-0.2mm范围内。
[0098] 扩增基材702为0.01-2mm厚的具有裁剪结构的片材。扩增基材702具有互相连通的反应区7022和至少一个除泡区7021，反应区7022为PCR扩增区域，形成为梭形。除泡区7021位于反应区7022的上游侧和/或下游侧。在本实施例中，扩增基材702包括两个除泡区7021，分别位于反应区7022的上游侧和下游侧。例如，除泡区7021直径为1-3mm的圆形，可以拦截试剂中的气泡。
[0099] 本公开实施例的检测芯片可以安装到本公开实施例的检测装置的适当位置从而与检测装置协作完成检测过程。
[0100] 图15示出了根据本公开实施例的检测装置。
[0101] 检测芯片1000包括第一芯片定位结构1040，用于将检测芯片1000定位到检测装置2000的合适位置，例如将检测芯片1000进行固定，从而可以用于传输、检测。例如，第一芯片定位结构1040可以包括设置在基体100中的芯片定位孔，其可以为直径在0.1-10mm范围内的圆形通孔，用于与检测装置2000上的作为第二芯片定位结构2001的定位销配合，将检测芯片1000定位到检测装置2000上。又例如，第一芯片定位结构可以包括位于检测芯片1000两侧的长条形的芯片定位槽，用于与检测装置2000上的固定装置匹配，将芯片固定安装到检测装置2000上。
[0102] 检测装置2000可以包括如上所述的顶杆90作为改变空腔的容积的第一操作部分2010。例如，根据需要顶杆90可以为多个，多个顶杆90分别设置在不同的空腔上方以改变空腔的容积。或者，检测装置2000可以包括能够在不同空腔上方移动的顶杆90。
[0103] 本公开的范围并非由上述描述的实施方式来限定，而是由所附的权利要求书及其等同范围来限定。
