六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件

摘要

本发明涉及带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件。该器件包括带泵阀结构的六通道微流控芯片、上夹片、下夹片、石英晶体微天平、石英晶体微天平承载盒；微流控芯片处于上下夹片之间，通过夹片上的设计与外源设备相连通；带泵阀结构的六通道微流控芯片为三明治结构，下层基片上有气体通道和六个出样口；上层基片有进样口和围绕进样口环形对称分布的六路各带三个微阀的液体通道，每路液体通道另一端分别通过聚二甲基硅氧烷膜上的六个出样口分别与下层基片上的六个出样口相连通；下层基片的六个出样口处的出样管分别对应于六个石英晶体微天平。该微全分析器件能对样品进行处理及检测，且能同时获得多组数据。

说明书

技术领域

本发明涉及以带泵阀结构的六通道微流控芯片进行样品处理，以石英晶体微天平为换能器的微全分析器件，特别涉及一种带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件。

背景技术

石英晶体微天平(QCM)是一种基于物质的质量导致电信号的变化而检测微量物质的传感器，具有检测灵敏度高、选择性易调变、成本低，特别是无须样品标记的适时检测等优点。它是一种广谱的检测器，可以用这种传感器测试生物样品探针的固定、靶标的识别以及探针和靶标的杂交，亦可用于蛋白质的识别。虽然QCM传感器有很多优点，但对样品分析前需要对样品进行烦琐地生化分离或者样品培养等提纯或扩增样品浓度，这样，既耗费了大量的时间和成本，又往往延误了诊断的时间。微流控芯片是一种可以将生物和化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或基本集成到一块几平方厘米的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统的一种技术平台。微流控芯片中的液流驱动技术包括气动、压电等微泵机械驱动和电渗、重力等非机械驱动。气动微泵驱动由多个气动微阀顺序开启和闭合来实现的，可突破扩散限制，提高样品混合速度和表面吸附灵敏度。目前微流控芯片使用的检测器主要为激光诱导荧光(LIF)和质谱(MS)等，这些检测方式尚需进一步缩小检测装置体积，降低成本，且现有仪器多采用手工法换样，不但分析效率低，而且成本高。

2002年，Hiroyuki等将微流控芯片和QCM结合起来，实现了非标记的生物分子的检测(Anal.Chem.2002，74，3592-3598)；Thomas等用微流控芯片和QCM结合来对抗原-抗体的分析(Lab Chip，2008，8，1648-1657)，以上的方法虽然将微流控芯片和石英晶体微天平结合起来实现了生物分子的检测，可是没有样品的处理功能，且一次微流只能有一个石英晶体微天平(QCM)来检测，对于同一个样品中多种物质的检测需要多次测量，限制了仪器的实用功能。

发明内容

本发明的目的在于将带泵阀结构的微流控芯片对样品进行预处理，以及微流控芯片的多通道均匀进样等优点与对应的检测灵敏度高、成本低的QCM有机结合起来，提供一种灵敏度高、能同时进行多组样品检测的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件。

本发明的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件包括带泵阀结构的六通道微流控芯片、上夹片、下夹片、石英晶体微天平、石英晶体微天平承载盒；

在上夹片与下夹片之间夹有带泵阀结构的六通道微流控芯片；

所述的带泵阀结构的六通道微流控芯片是由上下两层基片之间贴夹聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜构成；其中：在聚二甲基硅氧烷膜上开有六个出样口；在下层基片上开有六个出样口，及在下层基片的上表面刻蚀有气体通道，且气体通道不与下层基片上的六个出样口相导通；在下层基片上还开有进出气口，且进出气口与气体通道相连通；在下层基片上的六个出样口处分别连接一出样管；

在上层基片的中心开有进样口，且在上层基片的下表面围绕进样口环形对称分布设置有六路带有微阀的液体通道，每路液体通道上有三个微阀，每路液体通道的一端都与进样口相连通，每路液体通道的另一端分别通过聚二甲基硅氧烷膜上的六个出样口分别与下层基片上的六个出样口相连通；

所述的上夹片位于上层基片的外表面，上夹片正对着上层基片的进样口处开有加样口；下夹片位于下层基片的外表面，下夹片正对着下层基片上的六个出样管处开有六个出样口；在下夹片上还开有进出气通道和六个进气进水通道；其中下夹片上的进出气通道的一端与下层基片上的进出气口相连通，另一端与外源设备相连接；下夹片上的六个进气进水通道的一端分别与下夹片上的六个出样口分别相连通，下夹片上的六个进气进水通道的另一端与外源设备相连接；在下夹片上的进出气通道与进气进水通道互不导通；

在石英晶体微天平承载盒中固定有石英晶体微天平，构成带泵阀结构的六通道微流控芯片的下层基片上的六个出样管的出口分别对应于六个石英晶体微天平。

所述的构成带泵阀结构的六通道微流控芯片的下层基片上的六个出样管的出口是分别正对着六个石英晶体微天平的中心。

所述的石英晶体微天平承载盒开有出水口，供清洗后液体的流出；所述的石英晶体微天平承载盒的材料可是聚四氟乙烯材料。

所述的上夹片和下夹片与带泵阀结构的六通道微流控芯片的连接是通过螺栓固定连接。

所述的上夹片和下夹片是透明夹片，它们的材质可为塑料或有机玻璃等。

所述的构成带泵阀结构的六通道微流控芯片的上层基片和下层基片的材质可为硅、石英或玻璃等；带泵阀结构的六通道的微流控芯片的尺寸为：边长是70～80mm的正方形，中间聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜厚为10～40μm。

上述的下层基片上的气体通道、上层基片上的液体通道和微阀的形成，可按照本领域通常制备微流控芯片中的微通道来制备(如可参照CN200810102690.6)，如对涂覆有光刻胶的下层基片上和上层基片通过曝光、显影、坚膜、去铬、刻蚀、去膜等步骤制作得到。

上述的下层基片和上层基片上的各种口的形成可通过超声波打孔得到。

上述的上夹片、下夹片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜上各种口可通过钻孔或打孔得到；下夹片的进出气通道和进气进水通道也可通过钻孔得到。

所述的构成带泵阀结构的六通道微流控芯片的上层基片的液体通道，及下层基片的气体通道均为梯形结构；其梯形结构的外敞开口宽为50～450μm(对应于聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的一面)，内底宽为30～300μm，深为10～40μm。

微阀的开合是通过PDMS膜由外源设备提供的正负压来控制PDMS膜的突起关闭微阀，下沉开启微阀，同一路上的三个微阀的顺序开启和闭合来实现泵的功能。

所述的外源设备可以是气罐、真空泵或水泵。

本发明的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件具有操作简单，制造、维护和修理成本相对较低的特点。对于生物分子检测的优点在于：

(1)带泵阀结构的六通道微流控芯片由三层构成：上层基片带有液体通道，中间层是PDMS膜，下层基片带有气体通道，通过下层基片上的进出气口和外源设备相连以控制PDMS膜上突和下沉实现微阀开闭，从而实现液体的精确进样。

(2)带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件具有对生物分子进行预处理功能，其对生物分子进行预处理功能是依靠液路通道上的设计结构(包括直线、曲线等)以及液路通道的高比表面积实现生物分子的快速混合，反应来实现方便快捷的检测生物分子。

(3)带泵阀结构的六通道微流控芯片的六路液体通道保持对称性的结构，可以保持进样的均匀，使液体在带泵阀结构的六通道微流控芯片中的迁移时间相同。

(4)带泵阀结构的六通道微流控芯片可以根据不同生物样品的生物化学特性可以方便的对液路通道内表面进行修饰。

(5)带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平是一种检测器件，既可以对同一生物样品进行平行测定，也可以同时测定同一生物样品中的多种物质的数据。

附图说明

图1.本发明中具有生物分子预处理功能的带泵阀结构的六通道微流控芯片结构示意图。

图2.本发明的带泵阀结构的六通道微流控芯片与QCM构成的微全分析器件的结构示意图。

图3.本发明的带泵阀结构的六通道微流控芯片与QCM构成的微全分析器件的实物效果图。

图4.本发明实施例2中的DNA分子在带泵阀结构的六通道微流控芯片的通道中杂交后在石英晶体微天平上不同时间的吸附量曲线。

附图标记

1.上层基片    2.PDMS膜    3.下层基片    4.进样口

5.出样部位    6.出样口    7.进出气口    8.上夹片

9.带泵阀结构的六通道微流控芯片          10.下夹片

11.进出气通道                           12.进水进气通道

13.石英晶体微天平                       14.出水口

15.石英晶体微天平承载盒

具体实施方式

实施例1

请参见图2和图3所示的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件，包括带泵阀结构的六通道微流控芯片9、上夹片8(有机玻璃材料)和下夹片10(有机玻璃材料)、石英晶体微天平13、石英晶体微天平承载盒15；在上夹片8与下夹片之间夹有带泵阀结构的六通道微流控芯片9。

请参见图1和图2。带泵阀结构的六通道微流控芯片是由上层基片1(玻璃材料)和下层基片3(玻璃材料)之间贴夹(封接)开有六个出样口的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜2构成；下层基片上开有六个出样口6，在下层基片3的上表面刻蚀有气体通道和进出气口7，且气体通道不与下层基片上的六个出样口6相导通，进出气口7与气体通道相连通；在下层基片上的六个出样口6处分别连接一出样管；在上层基片的中心开有进样口4，且在上层基片1的下表面围绕进样口4环形对称分布设置有六路带有微阀的液体通道，每路液体通道上有三个微阀，每路液体通道的一端都与进样口相连通，每路液体通道的另一端分别通过聚二甲基硅氧烷膜2上的六个出样口分别与下层基片3上的六个出样口6相连通；上夹片8位于上层基片1的外表面，上夹片8正对着上层基片1的进样口4处开有加样口；下夹片10位于下层基片3的外表面，下夹片10正对着下层基片3上的六个出样管处开有六个出样口；在下夹片10上还开有进出气通道11和六个进气进水通道12；其中下夹片10上的进出气通道11的一端与下层基片3上的进出气口7相连通，下夹片10上的六个进气进水通道12的一端分别与下夹片上的六个出样口分别相连通，下夹片上的六个进气进水通道的另一端与外源设备相连接；在下夹片上的进出气通道与进气进水通道互不导通；在由聚四氟乙烯材料制备的石英晶体微天平承载盒15中固定有石英晶体微天平13，构成带泵阀结构的六通道微流控芯片9的下层基片上的六个出样管的出口分别正对应于六个8MHz石英晶体微天平13的中心，在石英晶体微天平承载盒15上开有出水口14，供清洗后液体的流出；上夹片8和下夹片10与带泵润结构的六通道微流控芯片9可通过螺栓固定连接。

带泵阀结构的六通道微流控芯片为夹层式结构，是由2块玻璃片中间为聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜封接构成，其按照本领域通常制备微流控芯片中的微通道的制作方式如下：

1)采用光刻胶和铬层保护的2块玻璃基片(75mm×75mm)，(铬层为增强光刻胶和玻璃的密封程度，更好的刻蚀图形部位的玻璃而保护其它部位的玻璃不被刻蚀，铬层为保证玻璃和胶的连接，玻璃基片是中国长沙韶光微电子总公司产品，SG2506)，铬层厚145nm，光刻胶厚450nm。用Freehand软件设计，在聚丙烯膜上分别形成如图1所示的带有液体通道及微阀的一块聚丙烯掩模和一块带气体通道的聚丙烯掩模；其中，液体通道宽70μm，气体通道宽350μm；将带有液体通道及微阀和气体通道的2块聚丙烯掩模分别置于光刻胶和铬层保护的2块玻璃基片上后，在光强为6.8mW/mm²的紫外光下曝光6秒，然后在质量比为6∶1000的NaOH和水溶液显影液中浸泡约10秒，除去被曝光部位的光刻胶，分别获得曝光处的带有液体通道及微阀和气体通道图形的光刻胶和铬层保护的2块玻璃基片。

2)再将步骤1)得到的光刻胶和铬层保护的2块玻璃基片清洗后置于120℃的烘箱中烘烤30分钟坚膜，坚膜后置于含有质量为200g的硝酸铈铵，35mL醋酸加水至1000mL的去Cr液中轻轻摇动30秒，去掉被曝光胶层部位的铬层，形成带有液路通道及微阀和气路通道的带有铬层的2块玻璃基片。

3)将步骤2)得到的带有铬层的2块玻璃基片清洗吹干后用体积比为42mL∶60mL∶198mL的分析纯HNO₃、分析纯HF和分析纯H₂O的玻璃刻蚀液，湿法在带有铬层的1块玻璃基片上刻蚀出液体通道及微阀，和在1块玻璃基片上刻蚀出气体通道；其中刻蚀时间控制为液体通道9.5分钟、气体通道11分钟，液体通道为梯形结构，外敞开口宽100μm，内底宽为30μm，液体通道及其上微阀矩形部位深30μm左右，气体通道亦为梯形结构，外敞开口宽350μm，内底宽为280μm，气体通道深3μm左右。在制备梯形结构的液体通道时，制备的3处稍宽于外敞开口宽的地方即是微阀处)；再将刻蚀好的带有铬层的2块玻璃基片放入去Cr液中(去Cr液同步骤2)一样)，在超声清洗器中超声清洗至带有铬层的2块玻璃基片上的Cr层和光刻胶层全部脱落，分别制得刻蚀出液体通道及微阀和气体通道的2块玻璃基片；

4)用超声波打孔机对步骤3)得到的带有液体通道及在液体通道上带有微阀的玻璃基片超声钻孔，在液体通道上获得孔径为4mm的进样口4；用超声波打孔机对步骤3)得到的带有气体通道的玻璃基片超声钻孔，在气体通道上获得与气体通道相连通的孔径为2mm的进出气口7，与液体通道相通的孔径为2mm的出样口6；且气体通道不与上述的出样口相导通；

依次用体积比为3∶1的质量浓度为98％的H₂SO₄与质量浓度为30％的H₂O₂混合液，以及无水乙醇溶液各对上述经打孔后的2块玻璃基片超声清洗30分钟；

5)将PDMS预聚体及固化剂(Dow Corning Corp，USA)混合，其中PDMS预聚体及固化剂体积比为10∶1，将混合液浇在与玻璃基片相同大小的玻璃片上，升温交联2小时后，形成弹性好的厚度为30μm左右的PDMS膜；

6)将步骤5)得到的PDMS膜置于步骤4)获得的刻蚀后超声清洗好的2块玻璃基片之间，制得带泵阀结构的微流控芯片。

将按上述方法连接好的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件中的下夹片10上的进出气通道11与由电磁阀控制的外源设备真空泵和储气罐相连，将下夹片10上的进气进水通道12与外源设备储气罐和水泵相连接。在加样口4处加入去离子水，通过由电磁阀控制的真空泵和储气罐的交互作用，控制带泵阀结构的六通道微流控芯片9中的下层基片3中的气体通道中的气压大小，从而实现泵的功能及实现对去离子水在液体通道中的驱动，记录在带泵阀结构的六通道微流控芯片的出样管处形成液滴的体积大小(表2所示)以及每一根出样管前后两滴液体之间的间隔时间(表1所示)。

表1两滴液体之间的间隔时间

表2同一芯片中形成液滴的体积大小

实施例2

采用实施例1的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件和相关的外源设备。

将预先用热的60℃体积比为3∶1的质量浓度为98％的H₂SO₄与质量浓度为30％的H₂O₂混合液清洗好的QCM浸泡在用体积比为1∶200的HS(CH₂)₆SH和乙醇溶液中，HS(CH₂)₆SH通过Au-SH键吸附在QCM上，二次水冲洗，N₂吹干(由QCM边缘上方的一与进气装置相连通的气管提供)；再将修饰有HS(CH₂)₆SH的QCM浸入含有直径为12nm的纳米金颗粒溶液中，纳米金颗粒通过Au-SH键吸附在HS(CH₂)₆SH上，二次水冲洗，N₂吹干；然后将处理好的QCM固定在石英晶体微天平承载盒中，记录此时的六个QCM的振荡频率，记为振荡频率1，使其正中心对准带泵阀结构的六通道微流控芯片9的出样管。带泵阀结构的六通道微流控芯片9通过由进出气通道11与电磁阀控制真空泵和储气罐的外源设备相连，在进样口4处加入浓度分别为2×10^-6mol/L的DNA Oligo-1和DNA Oligo-2的混合溶液(体积比为1∶1的混合溶液)，通过真空泵和储气罐构成的气体回路控制PDMS膜上微阀的顺序开合实现泵的功能，驱动DNA Oligo-1与DNA Oligo-2混合液在微流控液体通道中流动，DNA Oligo-1与DNAO ligo-2混合液在流动的同时杂交，待测样品通过出样管到达QCM晶片上后，DNA Oligo-1与DNA Oligo-2杂交后作为探针在QCM表面吸附，通过控制与进水进气通道12相连的外源设备水泵泵入去离子水清洗走石英晶体微天平13上未吸附的DNA，使六个石英晶体微天平上的探针的吸附时间分别为20min、40min、60min、90min、120min、180min，然后由通过进水进气通道12相连的外源设备氮气罐进入的氮气吹干石英晶体微天平上残留的水滴，记录此时六个石英晶体微天平的振荡频率，记为振荡频率2，通过每个石英晶体微天平的振荡频率1和振荡频率2之差得出DNA不同时间在石英晶体微天平上吸附量，结果如图4所示。

所用的DNA Oligo-1与DNA Oligo-2系列如下：

DNA Oligo-1：5′-CAG GTT CAT-(CH₂)₆-SH-3′

DNA Oligo-2：5′-ATG AAC CTG AGG CCC AT-3′

实施例3

采用实施例1的带泵阀结构的六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件和相关的外源设备，及实施例2中DNA Oligo-1和DNA Oligo-2杂交后作为探针的吸附时间为90min的QCM。

将DNA Oligo-1和DNA Oligo-2探针的吸附时间为90min的QCM固定在石英晶体微天平承载盒中，记录此时六个QCM的振荡频率，记为振荡频率3，且使其中心与带泵阀结构的六通道微流控芯片的出样管精准对接，带泵阀结构的六通道微流控芯片9的进出气通道11与电磁阀控制的真空泵和储气罐的外源设备相连，在进样口4加入粒径为12nm的浓度为2×10^-3g/L的纳米金颗粒溶液和浓度为2×10^-6mol/L的靶标DNA Oligo-3体积比为1∶1的混合溶液，通过真空泵和储气罐构成的气体回路控制PDMS膜上微阀的顺序开合实现泵的功能，驱动纳米金颗粒与DNA Oligo-3在微流控液体通道中流动，纳米金颗粒与DNA Oligo-3在流动的同时DNA Oligo-3吸附在纳米金颗粒上，待测样品通过出样管到达QCM晶片上，待DNA Oligo-3与DNA Oligo-1和DNAOligo-2杂交后作为探针的杂交时间为60min时，通过与进水进气通道12相连的外源设备水泵泵入去离子水清洗石英晶体微天平13上多余的DNAOligo-3和纳米金颗粒溶液，然后由通过进水进气通道12相连的外源设备氮气罐进入的氮气吹干石英晶体微天平上残余的水滴，记录此时六个QCM的振荡频率，记为振荡频率4，通过振荡频率3和振荡频率4之差得出DNA Oligo-3和纳米金颗粒在DNA Oligo-1和DNA Oligo-2杂交后作为探针的吸附时间为90min的QCM上的吸附量，结果如表3所示。

所用的DNA Oligo-1、DNA Oligo-2、DNA Oligo-3系列如下：

DNA Oligo-1：5′-CAG GTT CAT-(CH₂)₆-SH-3′

DNA Oligo-2：5′-ATG AAC CTG AGG CCC AT-3′

DNA Oligo-3：5’-HS-(CH₂)₆-ATGGGCCT-3’

表3 DNA Oligo-1和DNA Oligo-2杂交后作为探针且吸附时间为90min的QCM对靶标DNA Oligo-3和纳米金颗粒的吸附量