[0001] 本实用新型涉及生物技术领域，具体地涉及一种用于生物反应的阵列式自动反应芯片。

[0002] 本世纪最重要的前沿技术之一的微流控技术在生物、化学、医药等领域发挥着重要的作用，逐渐成为科学家手中流动的“芯”。微流控芯片具有流体可控、低样品耗损、易集成、反应快速、低成本等特征，在生物分子的体外合成、体外分离、体外检测方面具有广泛的应用。微流控芯片可由多种不同类型的材料制备，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、3D打印材料、玻璃、纸基材料、塑料等，我们既可利用不同材料的制备方法制得结构功能多样的反应芯片，又可根据不同类型的生物反应选择合适的制备材料。然而具有多功能区的反应芯片往往需要专业人士对其进行严格规范的专业化操作，同时配备相关专业设备；并且生物反应通常也涉及诸多的反应原料和试剂，多步骤的实验操作和重复性的多组实验既增加了对操作人员的专业性要求，也增大了发生操作错误的概率。

[0003] 因此，阵列式一体化生物自动反应、检测芯片的研制是未来微流控芯片发展的趋势，以降低芯片使用过程中对专业化的要求，易于操作，提高反应、检测效率，并便于此类芯片的商业化推广。

[0004] 综上，本领域迫切需要开发一种阵列式的反应芯片，这种芯片通过一次人工操作可以同时实现对多组重复性实验的操作(例如，开启反应，添加试剂等)有效减少重复实验中的人为误差。

[0056] 本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一次简单操作可同时开启多个反应单元的反应芯片，减少在平行实验等实验中人为的误差，并在此基础上完成了本实用新型。

[0057] 一体化生物反应芯片

[0058] 如图1、2、3、4及5所示，本实用新型提供了一种一体化生物反应芯片，所述芯片包括：

[0059] 一外壳体1、其中固定有第一存放室2、第二存放室3和反应室4；其中，第二存放室位于第一存放室正下方，并通过薄膜结构5分隔；反应室位于第二存放室正下方，并通过薄膜结构6分隔；反应室下方出口用薄膜结构7；

[0060] 第一存放室、第二存放室均放置液体样品；第一存放室、第二存放室和反应室均设置有进样口15、16及17，进样口可以通过密封盖进行密封(如图6、7、8及9所示)，密封盖上设置有薄膜结构8；第一存放室、第二存放室和反应室在未使用时整体上处于密封且相互隔绝的状态；

[0061] 还包括第一控制装置，所述的第一控制装置用于戳破薄膜结构8、薄膜结构5、薄膜结构6，使第一存放室、第二存放室中的反应液同时流入反应室，与反应室内的样品混合；

[0062] 还包括第二控制装置，所述的第二控制装置用于戳破薄膜结构8、薄膜结构7，从而使反应室和出口之间的管道处于开启状态。

[0063] 在另一优选例中，所述的第一控制装置主身为柱体9，其末端采取尖头结构10，柱体9通过位于外壳体上的薄片结构13(如图10及11所示)固定于外包壳体上，通过手指的按压操作以触发第一控制装置，戳破薄膜结构8、薄膜结构5、薄膜结构6。

[0064] 在另一优选例中，所述的第二控制装置主身为柱体11，其末端采取尖头结构12，柱体11固定于外包壳体上，通过手指的按压操作以触发第二控制装置，戳破薄膜结构8、薄膜结构7。

[0065] 在另一优选例中，柱体9通过四个中心对称的80微米厚的薄片结构13与外壳相连。

[0066] 本实用新型为解决生物反应芯片使用过程中对专业人员和专业设备的高需求问题提供了一种结构设计合理、自动化程度高、操作使用便捷、无需额外设备的阵列式体外生物反应芯片。

[0067] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

[0068] 该体外反应系统，包括两个存放室2及3、一个反应室4、阵列式排列的多个独立反应芯片单元和两个整体开关的控制装置，其中两个存放室均位于反应室的上方，上下两存放室之间、下存放室和反应室之间、反应室和出口14之间均通过80微米厚的薄膜结构相隔。上下存放室和反应室均有各自的进样口和密封盖18或19，上存放室和反应室的密封盖的中心部位为80微米厚的薄膜结构。上存放室密封盖薄膜结构的正下方对应上下存放室之间、下存放室和反应室之间的薄膜结构；反应室密封盖薄膜结构的正下方对应反应室和出口之间的薄膜结构。上存放室密封盖薄膜结构的正上方对应反应触发开关，开关为尖头结构10，用以同时戳破密封盖、上下两存放室之间、下存放室和反应室之间的三层薄膜结构8、5及6，使上存放室连通大气，同时使两个存放室的液体样品流入反应室，从而触发反应，每个独立反应装置单元的反应触发开关整合为整体开关的第一控制装置；反应室密封盖薄膜结构的正上方对应反应终止/输出开关(即第二控制装置的穿刺结构)，开关为尖头结构12，用以戳破密封盖、反应室与出口之间的两层薄膜结构8及7，使反应室的反应物由出口流出，每个独立反应装置单元的反应终止/输出开关(即第二控制装置的穿刺结构)整合为整体开关的第二控制装置。整体开关的第一及第二控制装置通过多个80微米的薄片与外壳体相连，用以固定开关，并保持开关的初始状态，通过手指的按压操作以触发第一或第二控制装置。上存放室与反应室之间还额外连有一根细的通气管29，用以平衡气压，使存放室的液体样品在反应触发开关打开后能够顺利流入反应室。上存放室和反应室的底面采用小角度倾面设计(即斜面结构30)，从而尽可能减少液体的残留。三个进样口与对应的密封盖采用卡扣结构，通过密封盖的旋转和移动可实现密封盖的打开与关闭，配套少量真空脂的使用可实现装置的整体密封效果。

[0069] 本实用新型的主要优点包括:

[0070] 本申请的反应芯片为阵列式自动化反应芯片，多组生物反应的发生、终止、输出仅需通过两个开关进行控制，无需额外的内部电路、外部控制器等专业设备，芯片操作简单、使用便捷、成本低廉、无操作人员专业性需求，便于推广普及。

[0071] 下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

[0072] 实施例1

[0073] 整个阵列式一体化生物自动反应芯片由3D打印机直接打印成型。

[0074] 第一存放室(也称为上存放室)2为主液体样品存放室，第二存放室(也称为下存放室)3为副液体样品存放室，上下两存放室之间通过厚度为80微米的圆形薄膜(即薄膜结构)5相隔，此薄膜固定在装置内并完全阻隔上下两存放室；反应室4内可用来存放固体样品，并通过薄膜结构6、薄膜结构7(与薄膜结构5采用相同的设计)分别与下存放室3、出口14相隔。
上存放室2、下存放室3和反应室4均有进样口，每个进样口均含有六个中心对称的凸台，下存放室的进样口16位于系统的背面，可用来输入一系列可调控反应参数的少量液体样品；
上存放室的进样口15和反应室的进样口17采用相同的设计和规格，进样口均位于腔室的上方，各个上存放室可通过进样口输入相同的液体样品，各个反应室可通过进样口输入相同的固体样品。

[0075] 上存放室的进样口15和反应室的进样口17配套相同的密封盖18，密封盖的外环含有空轨道20、空轨道21和挡板22，空轨道20用来使进样口15和17的凸台26和28可以竖直通过，空轨道21用来使凸台26和28可以在密封盖18水平旋转的时候通过，并阻止凸台26和28竖直方向的移动，挡板22用来阻挡凸台26和28，限制密封盖18旋转的最大的角度，配备少量的真空脂，可实现良好的密封效果，密封盖18的中央含有厚度为80微米的圆形薄膜结构8，两密封盖旋盖之后，两薄膜结构分别位于薄膜结构7的正上方，以及薄膜结构5和薄膜结构6的正上方。

[0076] 进样口15的正上方对应反应触发开关(即第一穿刺结构)，触发开关的末端采取尖头结构10，开关的主身为圆柱体9，圆柱体9通过四个中心对称的80微米厚的薄片结构13与外壳相连，用以固定开关，并保持开关的初始状态，五个独立反应系统的反应触发开关整合为一个整体开关的控制装置(即第一控制装置)，通过手指的按压操作以触发开关控制装置，五个反应触发开关同时戳破薄膜结构8、薄膜结构5、薄膜结构6，使上下存放室中的反应液同时流入反应室，与反应室内的固体样品混合，实现五个独立反应系统的同时开启。

[0077] 进样口17的正上方对应反应终止/输出开关(即第二穿刺结构)，开关的末端采用尖头结构12，开关的主身为圆柱体11，五个独立反应系统的反应终止/输出开关整合为一个整体开关控制装置(即第二控制装置)，控制装置通过四个中心对称的80微米厚的薄片结构31与外壳相连，用以固定开关，并保持开关的初始状态，通过手指的按压操作以触发开关控制装置，五个反应终止/输出开关同时戳破薄膜结构8、薄膜结构7，使反应室内的反应液从出口输出，实现五个独立反应系统的同时终止与输出。

[0078] 此外，上存放室和反应室之间额外连有一根通气细管29，用来平衡反应室和上存放室之间的气压，使液体样品能够顺利流入反应室。上存放室和反应室的底面均采用小角度倾面30设计，从而在液体样品流出上存放室、反应物流出反应室时尽可能减少液体的残留。

[0079] 实施例2 体外无细胞合成多种不同蛋白质

[0080] 使用具有5个反应装置单元的反应芯片。

[0081] 反应试剂：

[0082] 缓冲液：缓冲液中各组分浓度如下：

[0083] 22 mM pH为7.4的4-羟乙基哌嗪乙磺酸、30-150 mM醋酸钾、1.0-5.0 mM醋酸镁、1.5-4 mM核苷三磷酸混合物、0.08-0.24mM的氨基酸混合物、25 mM磷酸肌酸、1.7 mM二硫苏糖醇、1%-4%的聚乙二醇及0.5%-2% 的蔗糖；

[0084] 生物反应原料：50%体积的酵母细胞提取物；

[0085] DNA/RNA：绿色荧光蛋白DNA、黄色荧光蛋白DNA、荧光素酶DNA、过氧化氢酶DNA及萤光素酶突变体的DNA。

[0086] 并通过各反应装置单元上的第一进样口分别向各反应装置单元中的第一存放室添加缓冲液10 mL，并盖上密封盖。

[0087] 通过各反应装置单元上的第三进样口分别向各反应装置单元中的反应室添加酵母细胞提取物5 g，并盖上密封盖。

[0088] 通过各反应装置单元上的第二进样口分别向各个反应装置单元的第二存放室加入含不同DNA/RNA的含DNA和/或RNA的液体。这些含DNA和/或RNA的液体分别为300 µL含绿色荧光蛋白DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL）、300 µL含黄色荧光蛋白DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL）、300 µL含荧光素酶DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL）、300 µL含过氧化氢酶DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL）、及300 µL含萤光素酶突变体的DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL），并盖上密封盖。

[0089] 按下第一控制装置，第一控制装置同时破坏各个反应装置单元中的第一存放室的密封盖上的薄膜结构、第一存放室与第二存放室之间的薄膜结构及第二存放室及反应室之间的薄膜结构，使缓冲液、DNA/RNA流入反应室，与反应室中酵母细胞提取物混合，并开启摇床，使混合更均匀，并在室温下进行反应。

[0090] 经过2-6小时，按下第二控制装置，第二控制装置同时破坏各个反应装置单元中的反应室的密封盖上的薄膜结构、及反应室与出口之间的薄膜结构，使含蛋白质的液体流出。分别得到含有绿色荧光蛋白的液体、含有黄色荧光蛋白的液体、含有荧光素酶的液体、含有过氧化氢酶的液体、及含有荧光素酶突变体的液体。

[0091] 在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。