一種微流控芯片及其制備方法和應用與流程

本發明涉及一種芯片及其制備方法和應用，尤其是涉及一種微流控芯片及其制備方法和應用。

背景技術：

微流控，是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結構的技術。通過在微尺度下流體的控制，在20世紀80年代，微流控技術開始興起，并在DNA芯片，芯片實驗室，微進樣技術，微熱力學技術等方向得到了發展。微流控分析芯片最初在美國被稱為"芯片實驗室"(lab-on-a-chip)，在歐洲被稱為"微整合分析芯片"(micrototal analytical systems)，它是微流控技術(Microfluidics)實現的主要平臺，可以把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優點的微流控芯片，在生物、化學、醫學等領域有著的巨大潛力，并已逐漸發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等多學科交叉的嶄新研究領域(Whitesides,G.M.,Nature2006,442,368-373)。

MIT Technology Review雜志發布的2015年度十大突破技術，液體活檢榮登榜單，這預示著液體活檢技術強大的發展前景和潛力。液態活檢這一概念最早在1974年由Sorrells等提出(Sorrells R.B.，J.Ark.Med.Soc.1974；71(1):59-62.)。液體活檢目前主要的檢測對象包括四個：循環腫瘤細胞(CTC)、腫瘤外泌體(exosome)、循環腫瘤DNA(ctDNA)和腫瘤相關蛋白標志物等；它們來源于腫瘤組織，存在于血液，可以提示腫瘤發展進程及抗藥性等信息，指導個體化精準治療。與現有腫瘤檢測方法相比，液態活檢無侵入性、可頻繁多次檢測及快速反應能力均體現出顯著的優勢(胡琨，等.臨床藥物治療雜志.2016,14(4):1-7.)。

無論是檢測CTC、ctDNA還是exosome，首要的工作都必須分離獲取他們。強生公司的Cell Search循環腫瘤細胞檢測系統，是全球第一個也是唯一經過美國食品藥品監督管理局(FDA)和中國國家食品藥品監督管理總局(CFDA)批準，用于惡性腫瘤疾病管理的檢測CTC的商業化產品。該系統分離CTC主要是基于免疫磁珠分離法。其缺點是：分離效率不高、得到的是死細胞、無法對CTC進行分子生物學分析。循環腫瘤DNA(ctDNA)和腫瘤相關蛋白標志物目前主要是依賴化學試劑分離法，面臨著分離的純度和濃度不高的問題。外泌體的分離方法多為離心法、化學試劑沉降法和免疫磁珠法，同樣存在著多種問題，如步驟繁瑣、耗時耗力、外泌體遭到破壞外、分離效率等。目前，無論是商品化的技術還是大量科技文獻多報道的方法，都還只是針對這四個檢測對象中的其中一個檢測對象進行分離。腫瘤是一種復雜的疾病，如何提高腫瘤檢測的準確性是醫學臨床所面對的一大難題。對于液體活檢技術而言，必須改變傳統的依賴檢測單一對象的做法，針對多靶標的聯合檢測是液體活檢技術在腫瘤檢測領域的未來發展方向。

技術實現要素：

為了得到針對多靶標的聯合檢測樣品，本發明人研究出了一種微流控芯片。該微流控芯片包括封裝層和基底層，還包括設置在封裝層和基底層之間的多孔膜層和支持層；封裝層與多孔膜層相接，基底層與支持層相接；封裝層上設置有封裝層入口、封裝層微流控通道和封裝層出口，使得液體能夠從封裝層入口流入封裝層微流控通道并從封裝層出口流出；多孔膜層上設置有通孔，使得液體能夠從封裝層入口和/或封裝層微流控通道流入該通孔；支持層上設置有支持層入口、支持層微流控通道和支持層出口，使得液體能夠從上述通孔流入支持層入口，并經支持層微流控通道從支持層出口流出。其中，通孔的數量為M個，M為整數，M≥1。

進一步地，多孔膜層和支持層的數量均為N層，N為整數，N≥1；多孔膜層和支持層從上到下交替排列。

進一步地，N≥2；從上到下多孔膜層上的通孔的孔徑依次縮小。

進一步地，N≥2；從上到下，支持層上的支持層入口的長度依次增大，多孔膜層上的通孔的個數依次增多，多孔膜層的大小依次增大。

進一步地，封裝層的材質是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環氧樹脂、玻璃、硅片或者塑料。

進一步地，多孔膜層的材質是氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO₂)或高分子聚合物。

進一步地，多孔膜層的通孔的孔徑大小是10nm～20μm。

進一步地，多孔膜層的厚度是10nm～10μm。

進一步地，支持層的材質是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環氧樹脂、玻璃、硅片或者塑料。

進一步地，基底層的材質是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環氧樹脂、玻璃、硅片或者塑料。且基底層上無孔洞。

本發明還公開了一種如上所述的微流控芯片的制備方法。該方法采用氧等離子體鍵合法、高溫熱壓法、化學黏合劑粘合法中的一種或者多種將微流控芯片的各相鄰層之間進行密封。

本發明涉及上述微流控芯片在食品衛生、環境監測、藥物開發、生物化學、微化工、戰場生物偵測領域的應用。

本發明還涉及一種含有上述微流控芯片的臨床診斷試劑盒、設備或者器材。

本發明所提供的微流控芯片及其制備方法與現有技術相比，具有操作簡單、省時省力、綜合成本較低等優點，尤其是一次操作，能同步分離不同大小物質的特點，可大大提高后續分析的效率。因此，在臨床診斷、食品衛生、環境監測、藥物開發、生物化學、微化工、戰場生物偵測等領域有很好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明的一個具體實施方式中的封裝層的俯視透視圖。

圖2是圖1中的封裝層的縱向剖面圖。

圖3是本發明的一個具體實施方式中的基底層的俯視透視圖。

圖4是圖3中的基底層的縱向剖面圖。

圖5是本發明的一個具體實施方式中的微流控芯片的俯視透視圖。

圖6是圖5中的微流控芯片的縱向剖面圖。

圖7是本發明的一個具體實施方式中的多孔膜層的俯視透視圖。

圖8是圖7中的多孔膜層的縱向剖面圖。

圖9是本發明的一個具體實施方式中的支持層的俯視透視圖。

圖10是圖9中的支持層的縱向剖面圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步地說明。

如圖1和2所示，封裝層1的結構中含有封裝層入口101、封裝層出口102和封裝層微流控通道103，且三者相互連通，液體能夠從封裝層入口101進入，流經封裝層微流控通道103，從封裝層出口102出去。

如圖3和4所示，基底層2為板狀結構，其上無孔洞。

如圖5和6所示，此微流控芯片含有三層多孔膜層和三層支持層。為便于區分，從上到下將三層多孔膜層分別命名為第一多孔膜層3、第二多孔膜層5和第三多孔膜層7；從上到下將三層支持層分別命名為第一支持層4、第二支持層6和第三支持層8。

圖6顯示，從上到下依次為封裝層1、第一多孔膜層3、第一支持層4、第二多孔膜層5、第二支持層6、第三多孔膜層7、第三支持層8和基底層2。

以第一多孔膜層3為例，介紹多孔膜層的結構。如圖7和8所示，第一多孔膜層3的厚度為H，第一多孔膜層3上有多個通孔301，通孔301的孔徑為S。H的取值范圍是10nm～10μm。通孔的孔徑的取值范圍是10nm～20μm。通孔的數量為M個。在圖7中，M＝20。在實際應用中，通孔的數量不限于20個，可以是大于等于1的任意整數個。通孔能夠使得上下兩層的空間連通。

以第一支持層4為例，介紹支持層的結構。如圖9和10所示，第一支持層4包含支持層入口401、支持層出口402和支持層微流控通道403，且三者相互連通，液體能夠從支持層入口401進入，流經支持層微流控通道403，從支持層出口402出去。

如圖6所示，封裝層1的封裝層入口101與封裝層微流控通道103和封裝層出口102相連通。

封裝層入口101經第一多孔膜層3的通孔301與第一支持層4的支持層入口401、第一支持層4的支持層微流控通道403以及第一支持層4的支持層出口402相連通。

第一支持層4的支持層入口401經第二多孔膜層5的通孔501與第二支持層6的支持層入口601、第二支持層6的支持層微流控通道603以第二支持層6的支持層出口602相連通。

第二支持層6的支持層入口601經第三多孔膜層7的通孔701與第三支持層8的支持層入口801、第三支持層8的支持層微流控通道803以第三支持層8的支持層出口802相連通。

第一多孔膜層3覆蓋第一支持層4的支持層入口401，但不覆蓋第一支持層4的支持層出口402。封裝層1也不覆蓋第一支持層4的支持層出口402。因此，多余的液體可以從該出口流出。

第二多孔膜層5覆蓋第二支持層6的支持層入口601，但不覆蓋第二支持層6的支持層出口602。第一支持層4也不覆蓋第二支持層6的支持層出口602。因此，多余的液體可以從該出口流出。

第三多孔膜層7覆蓋第三支持層8的支持層入口801，但不覆蓋第三支持層8的支持層出口802。第二支持層6也不覆蓋第三支持層8的支持層出口802。因此，多余的液體可以從該出口流出。

第一多孔膜層3的通孔301的孔徑大于其下次的第二多孔膜層5的通孔501的孔徑。

第二多孔膜層5的通孔501的孔徑又大于其下次的第三多孔膜層7的通孔701的孔徑。

封裝層1與第一多孔膜層3之間通過物理或化學方法密封。

第一多孔膜層3與第一支持層4之間通過物理或化學方法密封。

第一支持層4與第二多孔膜層5之間通過物理或化學方法密封。

第二多孔膜層5與第二支持層6之間通過物理或化學方法密封。

第二支持層6與第三多孔膜層7之間通過物理或化學方法密封。

第三多孔膜層7與第三支持層8之間通過物理或化學方法密封。

第三支持層8與基底層2之間通過物理或化學方法密封。

這里的物理或化學方法密封包括氧等離子體鍵合法、高溫熱壓法、化學黏合劑粘合法中的一種或者多種。

工作時，液體從封裝層入口101加入，進入封裝層微流控通道103，經過第一多孔膜層3的通孔301的篩選，大于該通孔301孔徑的物質被保留在第一多孔膜層3上，小于該通孔301孔徑的物質通過該通孔301進入第一支持層4的支持層入口401，過多的液體從封裝層出口102排出。

進入第一支持層4的支持層入口401的物質流經第一支持層4的支持層微流控通道403以及經過第二多孔膜層5的通孔501孔徑的篩選，大于該通孔501孔徑的物質被保留在第二多孔膜層5上，小于該通孔501孔徑的物質通過該通孔501進入第二支持層6的支持層入口601，過多的液體從第一支持層4的支持層出口402排出。

進入第二支持層6的支持層入口601的物質流經第二支持層6的支持層微流控通道603以及經過第三多孔膜層7的通孔701孔徑的篩選，大于該通孔701孔徑的物質被保留在第三多孔膜層7上，小于該通孔701孔徑的物質通過該通孔701進入第三支持層8的支持層入口801，過多的液體從第二支持層6的支持層出口602排出。

進入第三支持層8的支持層入口801的物質進入第三支持層8的支持層微流控通道803，以及保留在基底層2與第三支持層8圍合的空間內，多余的液體從第三支持層8的支持層出口802排出。從而實現了一次操作，同步分離不同大小物質的功能。這也使得該微流控芯片可以在臨床診斷、食品衛生、環境監測、藥物開發、生物化學、微化工、戰場生物偵測等領域有很好的應用前景。

以上是微流控芯片含有三層多孔膜層和三層支持層的情況。事實上，微流控芯片可以是含有N層多孔膜層和N層支持層，且N≥1，N為自然數。其結構和制備方法類似于上述含有三層多孔膜層和三層支持層的微流控芯片，這里不再贅述。

以上詳細描述了本發明的一個具體實施方式，僅為了說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓本領域技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。