于液體緩慢注入時(shí)不產(chǎn)生氣泡的長(zhǎng)菱形形狀，且圖2中僅凹坑腔室91為長(zhǎng)菱形。
[0044]所述的腔室芯片2在聚合物蓋片8與上基板7之間通過PDMS薄層粘合。
[0045]通過有限元仿真分析得到，本實(shí)施例的加熱電極51的溫度(小于98°C )經(jīng)導(dǎo)熱硅脂薄層3和薄層上基板7傳導(dǎo)至腔室內(nèi)的溫度差在I度以內(nèi)；本裝置中的加熱電極結(jié)構(gòu)使得反應(yīng)腔內(nèi)同一水平面的溫差在0.5°C以內(nèi)(溫度小于98°C時(shí))。這將有利于提高DNA產(chǎn)物的擴(kuò)增效率。
[0046]本實(shí)施例單腔室PCR芯片的工作過程為:在準(zhǔn)備好的PCR芯片(腔室芯片2通過導(dǎo)熱硅脂薄層3貼合在標(biāo)定過熱阻的電極芯片I上)上，把待擴(kuò)增的DNA模板及其引物等混合物樣本通過腔室芯片2的注樣口 93經(jīng)通道92注入到反應(yīng)腔91中，并封合注樣口 93和出樣口 94 ;將PCR芯片電極芯片I上的加熱電極51和傳感電極52分別與外部溫控電路的加熱模塊和測(cè)溫模塊連接；然后通過外部電路的加熱模塊給加熱電極51施加電壓從而電阻發(fā)熱升溫，并經(jīng)導(dǎo)熱硅脂3和薄層上基板7的熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)腔91內(nèi)樣本的升溫。降溫可通過半導(dǎo)體帕爾貼或微型風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傳感電極52測(cè)得的溫度值，外部電路實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱電極51的加熱功率，使樣本所處腔室91的溫度在變性溫度(約95°C )、退火溫度(經(jīng)常是60°C左右)和延伸溫度(72°C左右)三個(gè)特定溫度間按照一定的時(shí)間長(zhǎng)度循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)DNA模板在引物作用下的擴(kuò)增。
[0047]本實(shí)施例的PCR芯片采取電極芯片I與腔室芯片2可分離的結(jié)構(gòu)，電極芯片I可重復(fù)使用，其傳感電極52的溫阻系數(shù)只需標(biāo)定一次，多次進(jìn)行PCR實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要更換腔室芯片2，從而大大節(jié)省了成本和操作時(shí)間。
實(shí)施例2
[0048]本實(shí)施例為由多個(gè)單反應(yīng)腔室9布置成的陣列式多腔室PCR芯片。如圖4、圖5所示為本實(shí)施例以四個(gè)反應(yīng)腔室為例示意的陣列式多腔室PCR芯片結(jié)構(gòu)。
[0049]所述的陣列式多反應(yīng)腔室PCR芯片由多個(gè)所述的單腔室芯片和整片電極芯片通過導(dǎo)熱硅脂薄層貼合而成。
[0050]所述的整片電極芯片I上布置有與單腔室芯片相同陣列數(shù)量的金屬電極組合5，所述的陣列金屬電極組合之間的整片下基板4上切割有一定深度的隔熱槽10。所述的隔熱槽10用于減少各陣列電極組合之間的相互溫度干擾。
[0051]其他結(jié)構(gòu)及其所用材料與實(shí)施例1相同。
[0052]由于每個(gè)反應(yīng)腔室的溫度可以單獨(dú)控制，本實(shí)施例陣列式多腔室PCR芯片可用于至少兩種的DNA擴(kuò)增工作模式:
[0053]I)同一 DNA模板稀釋成不同的濃度，分別注入到不同的反應(yīng)腔室進(jìn)行同步或不同步的溫控反應(yīng)；
[0054]2)不同的DNA模板注入到不同的反應(yīng)腔室，進(jìn)行不同溫控條件下的擴(kuò)增反應(yīng)。
[0055]上述各種擴(kuò)增工作模式，具體到每個(gè)反應(yīng)腔室的工作過程同實(shí)施例1的工作過程。
[0056]相比傳統(tǒng)的多板孔PCR儀，本實(shí)施例陣列式多腔室PCR芯片的工作方式更加柔性靈活，可在不同溫控條件下進(jìn)行多種基因的并行擴(kuò)增。相比一般的整體鍵合式多腔室PCR芯片，本實(shí)施例陣列式多腔室PCR芯片由于整片電極芯片I與各腔室芯片2可分離，電極芯片I只需標(biāo)定一次就可重復(fù)使用，多次PCR實(shí)驗(yàn)時(shí)只需更換腔室芯片2，從而大大節(jié)省成本和操作時(shí)間。
[0057]實(shí)施例1和實(shí)施例2所述的單腔室PCR芯片和陣列式多腔室PCR芯片均采用MEMS微加工工藝制造，包括:電極芯片制備工藝、腔室芯片制備工藝和貼合工藝。
[0058]實(shí)施例1和實(shí)施例2的MEMS微加工工藝制造方法，具體如下。
[0059]電極芯片制備工藝:
[0060]1.1)在下基板4上通過磁控派射依次沉積20nm/200nm厚的Cr/Pt薄膜，其中:Cr為粘附層，Pt為熱阻層；
[0061]1.2)光刻，干刻圖形化Cr/Pt薄膜，去膠，獲得加熱電極51、傳感電極52和引腳53圖形；
[0062]1.3)化學(xué)或物理氣相沉積500nm厚的氧化硅或氧化鋁薄膜；
[0063]1.4)光刻，采用稀釋的氫氟酸溶液腐蝕氧化硅薄膜刻出窗口，去膠，獲得裸露的金屬引腳53 ；
[0064]1.5)切片。對(duì)實(shí)施例1切片到底，獲得單個(gè)電極芯片I ;對(duì)實(shí)施例2切片到玻璃基板的半厚，獲得帶有隔熱槽10的陣列式電極組合的整片電極芯片I。
[0065]腔室芯片制備工藝:
[0066]2.1)在玻璃襯底上沉積2微米厚的金屬鈦，并用氫氧化鈉和雙氧水的溶液進(jìn)行表面氧化以增強(qiáng)與SU - 8光刻膠的粘附力；
[0067]2.2)旋涂數(shù)百微米的SU - 8光刻膠進(jìn)行UV曝光光刻，獲得相應(yīng)于腔室9形狀的SU - 8結(jié)構(gòu)模具；
[0068]2.3)配制質(zhì)量比為10:1預(yù)聚體:固化劑的PDMS預(yù)聚物液體，攪拌后真空抽氣泡30分鐘以上，然后澆注在SU-8結(jié)構(gòu)模具上，并再次真空抽氣泡I小時(shí)，然后在80°C烘箱內(nèi)固化5小時(shí)，獲得交聯(lián)固化的PDMS膜。
[0069]2.4)從SU - 8結(jié)構(gòu)模具上揭膜獲得帶腔室9結(jié)構(gòu)的PDMS蓋片；在一陪片上高速旋涂小于10微米厚的PDMS預(yù)聚物，用獲得的I3DMS蓋片粘取該薄層PDMS預(yù)聚物并貼合于薄玻璃片7上，80°C烘5小時(shí)以固化薄層PDMS預(yù)聚物，從而獲得鍵合的PDMS腔室芯片2。
[0070]貼合工藝:在獲得的電極芯片I上均勻涂覆導(dǎo)熱硅脂薄層3，套準(zhǔn)電極芯片上的對(duì)準(zhǔn)符號(hào)貼合PDMS腔室芯片2，從而獲得所述的實(shí)施例1單腔室PCR芯片或?qū)嵤├?陣列式多腔室PCR芯片。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征在于，由上而下包括:腔室芯片和電極芯片兩個(gè)部分，其中:腔室芯片包括:設(shè)有腔室結(jié)構(gòu)的聚合物蓋片和上基板；電極芯片包括:絕緣鈍化層、至少一個(gè)金屬電極組合和下基板，其中:聚合物蓋片和上基板之間構(gòu)成的腔室結(jié)構(gòu)位于對(duì)應(yīng)的金屬電極組合的正上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的腔室芯片和電極芯片在所述的上基板和絕緣鈍化層之間通過導(dǎo)熱硅脂薄層相貼合以實(shí)現(xiàn)可分離的結(jié)構(gòu)和電極芯片的可重復(fù)使用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的電極芯片上的金屬電極組合包括:加熱電極、傳感電極和電極引腳，其中:加熱電極、傳感電極均為若干次彎折的條狀結(jié)構(gòu)，加熱電極所形成的加熱電極區(qū)域包括:線寬部分和縫隙部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的金屬電極組合采用雙層薄膜金屬材料制成，包括:與玻璃基板結(jié)合的粘附層金屬鉻或鈦材料和熱阻層金屬鉑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的傳感電極的尺寸小于加熱電極的尺寸并嵌入放置于彎折條狀結(jié)構(gòu)加熱電極中部的縫隙中；所述的加熱電極的中部線寬大于兩端線寬，且加熱電極區(qū)域外圍，即對(duì)應(yīng)腔室的外圍部分的線寬邊緣部分設(shè)有開放鏤空面積和線寬內(nèi)部設(shè)有封閉鏤空面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的腔室芯片的上基板為厚度0.1?0.2mm的薄玻璃片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，所述的腔室片的聚合物蓋片，材料為PDMS、PMMA, PET等光學(xué)透明聚合物材料中的一種，其上設(shè)置的腔室結(jié)構(gòu)包括凹坑腔室、凹陷通道、注樣口和出樣口，其中所述的凹坑腔室的形狀為長(zhǎng)菱形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，其特征是，當(dāng)具有兩個(gè)以上金屬電極組合和腔室時(shí)，在所述的下基板上設(shè)置用于減少各陣列電極組合之間的相互溫度干擾的隔熱槽。
9.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述PCR芯片的制備方法，其特征在于，采用MEMS微加工工藝制造，包括:電極芯片工藝、腔室芯片工藝和貼合工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述的電極芯片制備工藝包括: 1.1)在下基板上通過磁控濺射依次沉積Cr和Pt薄膜； 1.2)光刻，干刻圖形化Cr/Pt薄膜，去膠，獲得金屬電極組合； 1.3)化學(xué)或物理氣相沉積氧化硅或氧化鋁薄膜鈍化層； 1.4)光刻、濕法刻蝕獲得金屬電極組合中的裸露的金屬引腳； 1.5)完全切片以獲得單個(gè)電極芯片或切半厚獲得帶有隔熱槽整片電極芯片。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述的腔室芯片制備工藝包括: 2.1)在上基板上沉積2微米厚的金屬鈦并氧化； 2.2)旋涂SU - 8光刻膠進(jìn)行UV曝光光刻，獲得相應(yīng)于腔室形狀的SU - 8結(jié)構(gòu)模具； 2.3)配制PDMS預(yù)聚物液體澆注在SU - 8結(jié)構(gòu)模具上獲得交聯(lián)固化的PDMS膜； 2.4)從SU - 8結(jié)構(gòu)模具上揭膜獲得帶腔室結(jié)構(gòu)的PDMS蓋片；用PDMS預(yù)聚物將制備的PDMS蓋片粘貼于上基板并交聯(lián)固化，從而獲得鍵合的PDMS腔室芯片。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述的貼合工藝是指:在獲得的電極芯片上均勻涂覆導(dǎo)熱硅脂薄層，套準(zhǔn)電極芯片上的對(duì)準(zhǔn)符號(hào)后貼合腔室芯片。
【專利摘要】一種生物微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的電極可重復(fù)使用的PCR芯片，由上而下包括電極芯片和反應(yīng)腔室芯片兩部分，并通過導(dǎo)熱硅脂薄層貼合而成，其中：腔室芯片包括設(shè)置有腔室結(jié)構(gòu)的聚合物蓋片和上基板，電極芯片包括絕緣鈍化層、金屬加熱與傳感電極組合和下基板。該P(yáng)CR芯片至少包含一個(gè)反應(yīng)腔室，可用于不同溫控條件下多種基因的并行擴(kuò)增。本發(fā)明PCR芯片的電極芯片使用后可與腔室芯片分離并能重復(fù)使用，且采用玻璃基板、聚合物腔室并利用MEMS微加工技術(shù)批量制造，PCR芯片的成本大為降低。
【IPC分類】C12M1-00, C12M1-38
【公開號(hào)】CN104593256
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510005890
【發(fā)明人】崔峰, 陳偉, 曹井通, 陳文元, 張衛(wèi)平, 吳校生, 劉武, 郭兆鑫
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月6日