一种具备串行或平行通道的数字PCR微流控芯片

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。

芯片结构如图 1 所示。

图 1

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(图 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。

图 2

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 或 16个并行通道连接到2000 个微孔阵列。

图 3

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。

图 4

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。

在“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。

图 5

图 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。

其对应视频如视频 2 所示。

视频 2

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。

图 6

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。

图 7

审核编辑：刘清