多层微流控芯片封装器件、多层微流控芯片及其应用

摘要

本发明涉及一种多层微流控芯片封装器件，包括第一基板和第二基板，第一基板设置有凸部，第二基板设置有与凸部配合连接的凹部，凸部连接凹部的不同位置，以调整第一基板和第二基板之间的距离；多层基板包括弹性材质的第三基板，第三基板设置于第一基板与第二基板之间，且第三基板的厚度大于第一基板与第二基板之间的距离，以使第三基板在第一基板与第二基板的压合下产生弹性变形。本发明通过凸部在凹部内的移动切换有效调整并控制基板之间的距离，从而实现基板之间的紧密连接，相较于现有技术而言，本发明无需压力产生装置，显著减小了芯片体积，而且易于通过注塑及激光雕刻等方法进行多层基板的标准化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其是指一种多层微流控芯片封装器件、多层微流控芯片及其应用。

背景技术

微流控是一种在微米尺度通道内控制流体的技术，应用微流控技术的多层微流控芯片的层与层之间需要紧密贴合，其紧密贴合的目的是防止试液从层与层之间的间隙渗出。目前多层微流控芯片的贴合方式主要由以下几种：1）热键合，该法主要用于玻璃、硅、硬质塑料等材料，步骤多，操作繁琐，需要专业技能；2）等离子体封接，但该方法仅限于PDMS等有限的几种材料，而且效率低，重复性差，难于工业化生产；3）借助压力贴合使得层与层紧密贴合，这种方式常使用到弹性的材料和硬质材料的配合，譬如PDMS弹性层和PMMA板，以及利用螺丝和螺母配合施加压力，使弹性的层发生一些形变，通过挤压达到密封的效果，这种方式的缺点是压力难于精确控制，如果压力过大，会导致层的形变过大，会让层上面的微通道变形严重，甚至堵塞，影响最终分析的重复性和可靠性，如果压力过小，就会出现因密封不严而导致漏液等状况，而且螺丝螺母等压力装置会增大芯片的体积，也影响整个芯片的外观。因此，总体而言，现有技术中微流控芯片封装缺少简单、可靠以及标准化的基板贴合设计。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中微流控芯片封装缺少简单、可靠以及标准化的基板贴合设计的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种多层微流控芯片封装器件，包括多层基板，多层基板中的部分基板设置有流体通道；；

多层基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板设置有凸部，所述第二基板设置有与所述凸部配合连接的凹部，所述凸部连接所述凹部的不同位置，以调整所述第一基板和所述第二基板之间的距离；；

多层基板包括弹性材质的第三基板，所述第三基板设置于所述第一基板与所述第二基板之间，且所述第三基板的厚度大于所述第一基板与第二基板之间的距离，以使第三基板在所述第一基板与所述第二基板的压合下产生弹性变形，使得所述第一基板和所述第三基板，以及所述第二基板和所述第三基板紧密贴合。

在本发明的一个实施例中，所述凹部包括若干个齿，相邻两个齿之间为一个档位，且所述凸部能够卡位于所述档位上。

在本发明的一个实施例中，所述凸部和/或所述凹部为能够发生轻微形变的硬质材质，以使所述凸部能够在所述凹部的档位上移动切换。

在本发明的一个实施例中，还包括多孔膜，所述多孔膜设置于所述第一基板与第二基板之间。

本发明第二方面提供一种多层微流控芯片，包括上述的多层微流控芯片封装器件；

还包括常闭阀，所述常闭阀连接基板上的流体通道，所述常闭阀在开启的状态下连通基板上的不同的流体通道。

在本发明的一个实施例中，基板上设置有用于盛放试液的孔，孔通过流体通道连接常闭阀，所述常闭阀通过流体通道控制试液在孔间的转移。

在本发明的一个实施例中，孔包括孔a、孔b和孔c，孔b和/或孔c的容积大于孔a的容积；流体通道包括流体通道a、流体通道b和流体通道c，孔a、孔b以及孔c分别通过流体通道a、流体通道b和流体通道c连接常闭阀。

在本发明的一个实施例中，流体通道还包括流体通道d，所述流体通道d连接常闭阀，该常闭阀分别连接流体通道a和流体通道b；流体通道还包括流体通道e，所述流体通道e连接常闭阀，该常闭阀分别连接流体通道a和流体通道c。

在本发明的一个实施例中，孔a在基板上并排设置呈列状排布，每一列的其中一个孔a沿垂直方向被多孔膜分隔为多个腔室，其中一个腔室设置有生化反应载体。

本发明第三方面提供一种上述的多层微流控芯片在免疫检测方面的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明通过凸部在凹部内的移动切换有效调整并控制基板之间的距离，从而实现基板之间的紧密连接，相较于现有技术而言，本发明无需压力产生装置，显著减小了芯片体积，使得芯片更加美观，而且易于通过注塑及激光雕刻等方法进行多层基板的标准化生产。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一中基板贴合原理示意图一。

图3是本发明实施例一中基板贴合原理示意图二。

图4是本发明实施例三的结构示意图一。

图5是本发明实施例三的结构示意图二。

图6是本发明实施例三中常闭阀处于开启状态的示意图。

图7是本发明实施例三中常闭阀处于关闭状态的示意图。

图8是本发明实施例四-七中多层微流控芯片的结构示意图。

图9是本发明实施例四中AMH检测的标准曲线示意图。

图10是本发明实施例六中炎症因子IL-6检测的标准曲线示意图。

说明书附图标记说明：110、第一基板；120、第二基板；130、第三基板；140、凸部；150、凹部；151、档位；152、齿；160、多孔膜；170、流体通道；

210、上层硬质基板；220、中间层弹性膜；230、下层硬质基板；

311、孔a；312、孔b；313、孔c；321、流体通道a；322、流体通道b；323、流体通道c；324、流体通道d；325、流体通道e；330、腔室；340、生化反应载体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例一

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片封装器件实施例一进行介绍，参见图1至图3，实施例一包括：

请参见图1至图3所示，一种多层微流控芯片封装器件，包括多层基板，多层基板中的部分基板设置有流体通道170，，多层基板包括第一基板110和第二基板120，第一基板110和第二基板120之间设置有多孔膜160，第一基板110设置有凸部140，第二基板120设置有与凸部140配合连接的凹部150。优选的，第一基板110和第二基板120为硬质基板，凸部140类似公头结构，凹部150类似母头结构，公头伸出的方向和母头凹陷的方向均与基板的表面垂直，在封装贴合时，可以将公头嵌入母头中，如此能够固定公头所在的第一基板110和母头所在的第二基板120之间的距离。这里第一基板110和第二基板120可以是硬质基板。

进一步地，多层基板包括第三基板130，第三基板130为弹性基板，第三基板130设置于第一基板110与第二基板120之间，且第三基板130的厚度大于第一基板110与第二基板120之间的距离，以使第三基板130在第一基板110与第二基板120的压合下产生弹性变形，使得第一基板110和第三基板130，以及第二基板120和第三基板130紧密贴合，实现上流体通道170的密封。

需要说明的是，本实施例中第三基板130可以是复合基板，复合基板由多层子基板层叠而成，子基板有的为弹性材质，有的为硬质，其最顶层和最底层子基板为弹性材质，且与每一块硬质子基板上下直接贴合的子基板都为弹性材质。如此在第一基板110和第二基板120封装贴合时，复合基板中所有的弹性子基板在第一基板110与第二基板120的压合下产生弹性变形，使得复合基板中的弹性子基板与其自身直接贴合的上下层子基板或第一基板110或第二基板120紧密贴合。当然第三基板130也可以由单一的弹性子基板构成，本发明不以此为限制。

请继续参见图2和图3所示，优选的，本实施例中母头设计为齿状结构，其具体包括若干个齿152，相邻两个齿152之间为一个档位151。公头设计为T型结构，其具体包括与母头的档位151相适配的凸起，该凸起能够卡位于档位151上，从而实现第一基板110和第二基板120的贴合定位。

进一步地，公头和/或母头的材料为能够发生轻微形变的硬质材质，例如可发生轻微形变的硬质塑料，例如聚碳酸酯（PC）、聚碳酸酯与丙烯睛-丁二烯-苯乙烯三元共聚物的共混物(PC/ABS)、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酮（POK）及聚甲醛（POM）等），如此公头的凸起可以在母头的档位151上移动切换，从而调整公头所在的第一基板110和母头所在的第二基板120之间的距离。具体的，公头的凸起在移动时会对齿152施加力的作用，使得齿152向远离凸起的方向收缩变形，以使凸起从上一个档位151滑动至下一个档位151，在齿152受力消失后，齿152复位，以使公头的凸起卡位于该档位151上。

上述实施例通过母头和公头的配合有效调整并控制基板之间的距离，从而实现基板之间的紧密连接，相较于现有技术而言，本实施例无需压力产生装置，显著减小了芯片体积，使得芯片更加美观，而且易于通过注塑及激光雕刻等方法进行多层基板的标准化生产。

实施例二

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片封装器件实施例二进行介绍，实施例二基于上述实施例一实现，并在实施例一的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例二与本实施例一的区别在于：

在实施例二中，为了改善凸起磨损的问题。本实施例中齿的尖部可以设计为圆弧形，如此在凸起滑动时，圆弧形的齿152能够减少对凸起的磨损。

更进一步的改进是，齿152还设置有卡槽，两个卡槽顺滑连接圆弧形的尖部。具体的，公头的凸起在移动时会对齿152施加力的作用，使得凸起脱离齿152上的卡槽并滑动至齿152的尖部，这时齿152向远离凸起的方向收缩变形，以使凸起从上一个档位151滑动至下一个档位151，直至凸起卡位于齿152间的卡槽内即可，同时齿152的尖部复位，以使公头的凸起卡位于齿152间，即凸起卡位于齿152间的卡槽内，该卡槽用于进一步提高凸起卡位于齿152间的稳定性。

上述实施例二是为了提高公头卡位的稳定性而在实施例一的基础上所做出的改进，当然本发明还可以有其他的改进，本发明不以此为限制。

实施例三

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片实施例三进行介绍，参见图4至图7，实施例三包括：

请参见图4至图7所示，本实施例多层微流控芯片包括上述实施例的多层微流控芯片封装器件和常闭阀，常闭阀连接基板上的流体通道170，常闭阀在开启的状态下连通基板上的不同的流体通道170。

在本实施例的一个优选方案中，多层微流控芯片封装器件由实施例一中的4层硬质基板和3层弹性基板使用实施例一中的3套公母头结构叠加而成，其具体内容已经在上述实施例中做出了详细的阐述，本实施例在这里不做赘述。本实施例中4层硬质基板从上至下分别是第一硬质基板、第二硬质基板、第三硬质基板和第四硬质基板，其中第四硬质基板上设置有流体通道，该流体通道连接常闭阀。

常闭阀的加工涉及到弹性膜和芯片基板的紧密贴合，在实验室，常用的手段是燕尾夹夹合，既增大芯片的体积，也影响整个芯片的美观，也因燕尾夹的压力不可控，影响整个分析的重复性和可靠性。因此常闭阀实际应用不多，其在流体控制方面的优势得不到发挥。因此本发明提供了一种简单可靠以及可以标准化加工的常闭阀，其具体结构请继续参见图6和图7所示，包括带流体通道170的上层硬质基板210（这里其实是上述的第四硬质基板），中间层弹性膜220，带压力通道的下层硬质基板230，上层硬质基板210设置有上述实施例阐述的公头，下层硬质基板230设置有上述实施例阐述的母头，其具体的连接方式参照上述实施例所述。工作时，当处于常压状态时，上层硬质基板210的流体通道170是不连通的，流体不能流动，具体详见图6所示；当处于负压状态时，中间层弹性膜220被吸入下层的压力通道，上层硬质基板210的流体通道170变得连通，可以进行流体流动，具体详见图7所示。

还有芯片的基板上设置有用于盛放试液的孔，孔通过流体通道170连接常闭阀，常闭阀通过流体通道170控制试液在孔间的转移。优选的，芯片基板上的孔的形状可以为柱状，圆柱状，圆锥状，大圆柱连接小圆柱，大柱连接小柱等各种形状；孔可以透光也可以不透光；每个孔的体积为1 ~1000微升。孔内盛放的试液可以为酶标二抗，荧光标记二抗，拉曼标记二抗，清洗液，底物，终止液，供氧体，化学发光试液等。

继续参见图4和图5所示，具体的，孔包括孔a311、孔b312和孔c313，其中孔a311在基板上并排设置呈列状排布，每一列的其中一个孔a311沿垂直方向被多孔膜160分隔为多个腔室330，其中一个腔室330设置有生化反应载体340，生化反应载体340可以为磁珠，微珠，纳米颗粒，聚氨酯泡沫、纸和MOF等多孔材料。在一个优选的实施例中，孔b312和孔c313的容积大于孔a311的容积。

流体通道170包括流体通道170a、流体通道170b、流体通道170c、流体通道170d和流体通道170e，孔a311、孔b312以及孔c313分别通过流体通道170a、流体通道170b和流体通道170c连接常闭阀，流体通道170d与分别连接流体通道170a和流体通道170b的常闭阀相连，流体通道170e与分别连接流体通道170a和流体通道170c的常闭阀相连。实际工作时，常闭阀控制流体通道170的连通与否，从而控制试液在孔间的转移。

实施例四

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片在免疫检测方面的应用实施例四进行介绍，实施例四基于上述实施例三实现，并在实施例三的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例提供了多层微流控芯片在检测AMH上的应用，其芯片的具体结构、孔的标记及常闭阀的标记如图8所示，芯片由5层硬质基板和4层弹性基板叠加而成，硬质基板的材料为PC/ABS，弹性基板的材料为PDMS，其使用了上述实施例的4套公母头锁死结构。多孔膜160的孔径为10微米，免疫载体为100微米的玻璃珠，玻璃珠表面修饰有AMH对用的一抗，孔017内盛放清洗液，孔018内盛放底物，孔019内盛放供氧体，孔020内盛放终止液；孔A1-A8内盛放有AMH的酶标二抗，孔B1-B3还盛放病人血清样本，孔B4-B8内盛放不同浓度的AMH标准溶液，每个孔的体积为140微升，通过常闭阀控制试液在芯片上孔间的转移。

使用多层微流控芯片检测AMH的方法包括如下步骤：

第一步：孵育

孔B1-B8内的样本，先静置孵育1个小时，AMH分子便与玻璃珠表面的一抗结合，从而被固定在玻璃珠表面上；

第二步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第三步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第四步：偶联酶标二抗

通过控制常闭阀007-009，使孔A1-A8内的酶标二抗溶液流入孔B1-B8，孵育一段时间，酶标二抗便与玻璃珠壁上的AMH相结合；

第五步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第六步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第七步：酶催化底物

通过控制常闭阀002，003，005和006，使孔018和019内的底物和供氧体平均分配到孔B1-B8中，孵育一段时间，玻璃珠表面上的酶便催化底物溶液，从而显色；

第八步：反应终止

通过控制常闭阀001，005和006，使孔020内的终止液平均分配到B1-B8中，中断酶催化底物反应；

第九步：检测

通过控制常闭阀010-012，使孔B1-B8中的反应液流入孔C1-C8中，通过显色法进行检测，所得到的AMH检测的标准曲线图见图9所示。

本实施例实现三份病人样本AMH含量的自动化定量检测，2个小时内出结果，因为样本体积大，加之利用微珠进行信号放大，结果准确度高于传统96孔板的检测准确度，而且成本更低。

实施例五

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片在免疫检测方面的应用实施例五进行介绍，实施例五基于上述实施例四实现，并在实施例四的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例中微流控芯片设计与实施例四中的一样，操作也与实施例四一样，区别在于孔B1-B8装8份病人样本，因此该微流控芯片可以实现8份病人样本AMH含量的自动化定量检测。

实施例六

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片在免疫检测方面的应用实施例六进行介绍，实施例六基于上述实施例三实现，并在实施例三的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例提供了多层微流控芯片在炎症因子检测上的应用，其芯片的具体结构、孔的标记及常闭阀的标记如图8所示，芯片由5层硬质基板和4层弹性基板叠加而成，硬质基板的材料为PC，弹性基板的材料为PDMS。多孔膜160的孔径为10微米，免疫载体为200微米的硅胶颗粒，硅胶颗粒表面修饰有炎症因子IL6对应的一抗，孔017内盛放清洗液，孔018内盛放底物，孔019内盛放供氧体，孔020内盛放终止液。孔A1-A8内盛放有IL6的酶标二抗，孔B1-B3内还盛放有临床样本，孔B4-B8内还盛有不同浓度IL6标准品。每个孔的体积为140微升，通过常闭阀控制试液在芯片上孔间的转移。

使用多层微流控芯片检测免疫因子的方法包括如下步骤：

第一步：孵育

孔B1-B8内的样本，先静置孵育1个小时，IL6分子便与硅胶颗粒表面的一抗结合，从而被固定在硅胶颗粒表面上

第二步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第三步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第四步：偶联酶标二抗

通过控制常闭阀007-009，使孔A1-A8内的酶标二抗溶液流入孔B1-B8，孵育一段时间，酶标二抗便与硅胶颗粒表面上的IL6相结合；

第五步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第六步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第七步：酶催化底物

通过控制常闭阀002，003，005和006，使孔018和019内的底物和供氧体平均分配到孔B1-B8中，孵育一段时间，硅胶颗粒表面的酶便催化底物溶液，从而显色；

第八步：反应终止

通过控制常闭阀001，005和006，使孔020内的终止液平均分配到B1-B8中，中断酶催化底物反应；

第九步：检测

通过控制常闭阀010-012，使孔B1-B8中的反应液流入孔C1-C8中，通过显色法进行检测，所得到的IL6检测的标准曲线图见图10所示。

本实施例实现三份病人样本IL6含量的自动化定量检测，2个小时内出结果，因为样本体积大，加之利用硅胶颗粒进行信号放大，结果准确度高于传统96孔板的检测准确度，而且成本更低。

实施例七

下面对本发明提供的一种多层微流控芯片在免疫检测方面的应用实施例七进行介绍，实施例七基于上述实施例三实现，并在实施例三的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例提供了多层微流控芯片在炎症因子风暴检测上的应用，其芯片的具体结构、孔的标记及常闭阀的标记如图8所示。芯片由5层硬质基板和4层弹性基板叠加而成，硬质基板的材料为PC，弹性基板的材料为PDMS。多孔膜160的孔径为10微米，免疫载体为200微米的硅胶颗粒，硅胶颗粒表面修饰有8种炎症因子（IFN-γ、 TNF-α 、IL-2、IL-6、IL-1β、IL-120p70、IL-4、 IL-10）对应的一抗，孔017内盛放清洗液，孔018内盛放底物，孔019内盛放供氧体，孔020内盛放终止液。孔B1-B8内还盛有同一个临床样本，孔A1-A8内盛放8种炎症因子对应的酶标二抗。

使用多层微流控芯片检测免疫因子风暴的方法包括如下步骤：

第一步：孵育

孔B1-B8内的样本，先静置孵育1个小时，炎症因子便与硅胶颗粒表面的一抗结合，从而被固定在硅胶颗粒表面上

第二步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第三步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第四步：偶联酶标二抗

通过控制常闭阀007-009，使孔A1-A8内的酶标二抗溶液流入孔B1-B8，孵育一段时间，酶标二抗便与硅胶颗粒表面上的炎症因子相结合；

第五步：基质溶液清除

通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的基质溶液全部流入到单独的孔11，21，31和41中；

第六步：清洗

通过控制常闭阀004-006，使孔017内的清洗液平均分配到B1-B8中，清洗一段时间后，通过控制常闭阀010，011和013，使孔B1-B8内的清洗液全部流入到单独的孔11，21，31和41中，该清洗步骤重复三次；

第七步：酶催化底物

通过控制常闭阀002，003，005和006，使孔018和019内的底物和供氧体平均分配到孔B1-B8中，孵育一段时间，硅胶颗粒表面的酶便催化底物溶液，从而显色；

第八步：反应终止

通过控制常闭阀001，005和006，使孔020内的终止液平均分配到B1-B8中，中断酶催化底物反应；

第九步：检测

通过控制常闭阀010-012，使孔B1-B8中的反应液流入孔C1-C8中，通过显色法进行检测。

本实施例可以实现危重病人炎症因子风暴的床边自动化检测（8种炎症因子），2个小时内出结果，因为样本体积大，加之利用硅胶颗粒进行信号放大，结果准确度高于传统96孔板的检测准确度，而且成本更低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。