原创 一种具备串行或平行通道的数字PCR微流控芯片

2023-3-23 10:43 497 2 2 分类: 医疗电子

本文提出一种具备串行或平行通道的数字PCR微流控芯片。

其中,在串行通道的芯片上 10.5 min 内可实现 99.5 ± 0.3% 的进样效率。在并行通道的芯片上 2 min 内可实现 94.6 ± 0.9% 的进样效率。

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串行和平行通道芯片设计均采用标准 SU-8 光刻技术在 4“ 硅片上制造。

 

对于气动层:首先在硅片表面采用 SU-8 2010 构建 10μm 高的基层,然后在此基层上用 SU-8 2025 构建 50μm 的高度。

 

对于流体层(2):首先采用 SU-8 2010 构建 10μm 高的基层,然后使用 SU-8 2025 构建 50 μm 的通道层,最后使用 SU-8 2025 构建另一层高度为 50μm 的层,形成总高度为 100μm 的样品装载腔和微腔。

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随后将PDMS浇筑在对应的模具上依次形成气动层和流体层。同样将PDMS浇筑在空白硅片上形成2mm厚的抗蒸发层。最后将三层粘接在一起形成完成的芯片。

 

为优化注液流程,将 2.5 μL 红色染料注入入口储液腔,然后通过气动层施加的真空吸力引入样品装载腔,入口阀关闭。

 

当所有红色染料流入样品装载腔后,入口储液腔中加入 10μl FC-40 油。然后打开入口阀,出口阀被激活以执行芯片进样通过真空驱动。

 

如图 3 所示,作者设计了两种不同类型的芯片(串联通道 和 并行通道)。

 

两种类型的芯片都有底部流体层和顶部气动层组成,每个芯片由三个平行单元组成,用于高通量测量。

 

在每个单元中,样品装载腔通过一个主通道 16个并行通道连接到2000 个微孔阵列。


为了实现无样品损失的进样,样品体积必须小于总微孔体积。因此,样品装载腔被设计为可容纳 2.5μl 的样品,比 2000 个微孔的总体积小约 10% (一个微孔约 1.44 nL)。

 

微孔阵列两侧有两个气动阀来控制样品导入和微孔填充。

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如图 4 所示,本文提出的芯片在“拉”模式和“推”模式之间实现微井的填充。

 

“拉”模式下,出口阀关闭,通过传统的真空驱动填充,主要通过主通道拉动溶液。

 

然后操作切换到“推”模式,打开出口阀,使主通道暴露在大气中,由此试剂头部与由溶液包裹的微孔之间形成压力差。

 

此时在主通道和那些未完全填充的微井之间将建立一个压力差。主通道中较高的压力会改变流动方向,推动水相完全填充微孔。

 

重复拉推循环可将样品完全分配到离散的微孔中,并被随后的油相隔离。

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5 所示为在“推”模式下,主通道中较高的压力可以改变流体流动方向,驱动试剂完全填充微孔。

 

 

为防止热循环过程中试剂蒸发,如图 6 所示,作者在芯片顶部组装了防蒸发层和载玻片。

 

其中,PDMS 防蒸发层永久粘合在气动层上,并含有一个腔室可填充超过 2 mL 的水。

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具备防蒸发层和未防蒸发层在PCR扩增后的图如图 7 所示。具备防蒸发层的芯片其阴阳性可明确辨别。

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