[實(shí)用新型]用于微流控芯片的溫控陣列

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200720173284.X
• 申請(qǐng)日: 2007-09-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN201097243Y
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫一;馬雪梅;鐘儒剛;曾毅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D23/20
• 分類號(hào): G05D23/20
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種用于微流控芯片的溫控陣列，是能夠?qū)Ω鞣N微流控芯片加熱的通用溫度控制平臺(tái)。

背景技術(shù)

微流控(microfluidic)芯片，也叫微全分析系統(tǒng)(μTAS)，或稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)，是生命科學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境、法醫(yī)等學(xué)科發(fā)展的一個(gè)新的里程碑。它旨于通過(guò)儀器的自動(dòng)化、微型化、集成化和實(shí)驗(yàn)步驟的優(yōu)化，在芯片上快速、高通量、準(zhǔn)確地完成傳統(tǒng)的樣品處理、分離、純化、反應(yīng)、分析、合成、診斷、藥物篩選等工作，從而大大提高相關(guān)領(lǐng)域的效率。

通常的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程包括三步，即樣品的制備，生化反應(yīng)、結(jié)果的檢測(cè)和分析。可將這三個(gè)不同步驟集成為不同用途的芯片，所以據(jù)此可將芯片分為不同的類型。例如用于樣品制備的芯片，生化反應(yīng)芯片及各種檢測(cè)用芯片等。因此，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，微流控芯片將具有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有研究人員試圖將整個(gè)生化檢測(cè)分析過(guò)程縮微到芯片上，并實(shí)現(xiàn)芯片的通用化，但目前離實(shí)現(xiàn)尚需時(shí)日。

在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中常常需要適宜的溫度環(huán)境，尤其是涉及生物活性的研究，表現(xiàn)出高度的溫度敏感性。同時(shí)，研究人員還希望這一溫度環(huán)境可以在不同實(shí)驗(yàn)間分別制定，甚至在同一實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)變化。因此，要實(shí)現(xiàn)全部生化分析的片上集成，必須為芯片提供復(fù)雜多變且穩(wěn)定可靠的溫度環(huán)境。例如，在分子生物學(xué)中廣泛應(yīng)用的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)，需要在三個(gè)溫度區(qū)間之間隨時(shí)間反復(fù)循環(huán)多次，從而將少量的DNA進(jìn)行大量復(fù)制。PCR技術(shù)類似于DNA的天然復(fù)制過(guò)程，其特異性依賴于與靶序列兩端互補(bǔ)的寡核苷酸引物。再例如，在酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA)中，需要在37℃進(jìn)行反應(yīng)。而酶的催化反應(yīng)對(duì)溫度的敏感性極高。此外，在基因工程中，DNA連接重組在16℃下進(jìn)行；等溫?cái)U(kuò)增在42℃、65℃等溫度進(jìn)行；很多生物試劑可以在4℃下進(jìn)行暫時(shí)存放。

由于在當(dāng)前的微流控芯片的設(shè)計(jì)中，尚不能實(shí)現(xiàn)通用芯片，因此，需要為不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的芯片。而為了驅(qū)動(dòng)芯片，并為芯片提供適當(dāng)?shù)臏囟葷穸鹊拳h(huán)境條件，則需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。這一平臺(tái)的復(fù)雜性常常遠(yuǎn)超過(guò)芯片本身。為不同結(jié)構(gòu)的芯片設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)顯然不利用微流控技術(shù)的推廣。通過(guò)設(shè)計(jì)通用的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，結(jié)合適用于不同應(yīng)用的微流控芯片，對(duì)于微流控芯片的發(fā)展有重要意義。

具體到驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的溫控部分。目前對(duì)于微流控芯片溫控平臺(tái)的研究主要集中在PCR芯片方面。一方面，PCR在分子生物學(xué)中有不可替代的地位，另一方面，PCR反應(yīng)需要較復(fù)雜的溫度循環(huán)條件，是微流控芯片溫度控制研究中的一個(gè)難點(diǎn)。以下介紹以PCR為例。

在傳統(tǒng)的PCR反應(yīng)儀器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本采取原位加熱的形式。加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上一般采用多孔板制式，特別是96孔。PCR反應(yīng)體系加入反應(yīng)管中，反應(yīng)管插入相應(yīng)反應(yīng)室。如Bio-rad、Eppendorf、Biometria、Strategene等。Roche的lightcycler采用離心式設(shè)計(jì)，微量反應(yīng)體系加入專用的離心管中，可用于野外作業(yè)。Cepheid公司的SmartCycler采用獨(dú)特的微流體反應(yīng)管，反應(yīng)量小，熱容量小，特別適用于野外作業(yè)。這些傳統(tǒng)PCR反應(yīng)儀器的溫控系統(tǒng)常采用體積龐大可靠性差的傳統(tǒng)加熱方法如熱氣流加熱、水浴加熱等。

現(xiàn)有的PCR反應(yīng)儀器能夠基本滿足研究型實(shí)驗(yàn)室的需要，但是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，試劑消耗量大，業(yè)已成為阻礙PCR大規(guī)模臨床應(yīng)用的一個(gè)主要制約因素。此外，在某些研究中實(shí)驗(yàn)樣品珍貴稀少，需要適用于微量樣品的PCR反應(yīng)設(shè)備。在這樣的背景下，產(chǎn)生了基于微流體芯片的PCR反應(yīng)設(shè)備。

在PCR微型化的道路上，早期的研究集中在原位加熱靜態(tài)PCR擴(kuò)增，即將PCR反應(yīng)管進(jìn)行微型化。Northrup等最早提出了采用硅基材料微流控芯片的微室靜態(tài)PCR擴(kuò)增(Northrup，M.A.；Gonzalez，C.；Hadley，D.；Hills，R.F.；Landre，P.；Lehew，S.；Saiki，R.；Sinski，J.J.；Watson，R.；Whatson，J.R.，Transducers?95，Stockholm，Sweden，June?25-29，1995；pp?746-767.)。由于純硅的介電性、透光性和抗腐蝕性能較差，又出現(xiàn)了基于玻璃和有機(jī)材料的微反應(yīng)器。這些靜態(tài)原位PCR芯片采用金屬電阻加熱等，為反應(yīng)微室提供均一的隨時(shí)間變化的溫度環(huán)境。加熱部分常常和芯片集成，故芯片設(shè)計(jì)固定。