一种检测芯片及其制备方法、使用方法、检测装置与流程

1.本发明的实施例涉及一种检测芯片及其制备方法、使用方法、检测装置。


背景技术：

2.微流控芯片技术把生物、化学和医学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块具有微米尺度微通道的芯片上，自动完成反应和分析的全过程。该过程所使用的芯片叫做微流控芯片，也可称为芯片实验室(lab-on-a-chip)。微流控芯片技术具有样本用量少，分析速度快，便于制成便携式仪器，适用于即时、现场分析等优点，已广泛应用于生物、化学和医学等诸多领域。


技术实现要素：

3.本发明至少一个实施例提供，一种检测芯片，包括：
4.基板，所述基板包括刺破结构；
5.储液腔，所述储液腔配置为容纳液体并包括支撑架和密封所述支撑架的第一密封层和第二密封层，
6.所述支撑架包括支撑架主体和开设在所述支撑架主体中部的腔体，
7.所述第二密封层配置为朝向储液腔内部凹陷
8.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述第二密封层轮廓大致呈向储液腔内部凹陷的半球型。
9.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述第二密封层包括高分子材料层和金属材料层。
10.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述第二密封层包括铝膜层和pe高分子层。
11.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述第二密封层包括金属材料膜。
12.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述第一密封层为高分子材料柔性薄膜，所述第一密封层配置为可通过挤压产生形变。
13.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，其特征在于，所述pe高分子层厚度为0.001-1mm，所述铝膜层厚度在0.001-1mm。
14.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述基板还包括连接部，所述连接部配置为与储液腔连接。
15.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述连接部包括横截面为圆环形的凸台，所述凸台高度大于第二密封层预变形内凹深度。
16.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述刺破结构为针头。
17.例如，在根据本发明至少一个实施例的检测检测芯片中，所述刺破结构置有微流道开口，所述微流道开口配置为与基板内部微流道相连通。
18.本发明至少一个实施例还提供了一种检测装置，包括：
19.本发明任一实施例所述的检测芯片；以及
20.力作用机构，配置为在使用时，在所述检测芯片的所述储液腔的所述第一密封层上施加向所述储液室的内部空间的作用力，以使第二密封层发生形变被所述刺破结构刺破。
21.本发明至少一个实施例还提供了一种用于操作本发明任一实施例提供的检测芯片的方法，包括：
22.在所述检测芯片的所述储液腔的所述第一密封层上施加向所述储液室的内部空间的作用力，以使第二密封层发生形变被所述刺破结构刺破。
23.本发明至少一个实施例还提供了一种用于制备本发明任一实施例提供的检测芯片的制备方法，包括：
24.变形所述第二密封层，制作所述储液腔；
25.提供基板，将所述储液腔固定在所述基板的所述连接部上。
26.例如，在根据本发明至少一个实施例还提供了一种用于制备本发明任一实施例提供的检测芯片的制备方法中，变形所述第二密封层包括
27.将所述第二密封层膜固定在所述支撑架主体上，所述第二密封层覆盖所述腔体；
28.将滑动杆悬设在所述泡罩膜的竖直方向上，其中，所述竖直方向为垂直所述第二密封层表面的方向。控制所述顶杆按照预设轨迹做循环往复运动，其中，所述预设轨迹为所述顶杆的端部抵压在所述泡罩膜表面后运动的轨迹。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
30.图1为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片储液腔的立体结构图；
31.图2为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片基板的立体结构图；
32.图3为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片使用时的示意图；
33.图4为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片剖面示意图；
34.图5为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片第二密封层制备的示意图；
35.图6为本发明至少一个实施例提供的一种滑动杆的做循环往复运动时的运动轨迹示意图
36.图7是本发明至少一个实施例提供的一种检测装置的示意性框图。
37.附图标记说明：100-储液腔，110-第一密封层，120-第二密封层，130-支撑架，131-支撑架主体，132-腔体，200-芯片基板，210-凸台，220-针尖，221-微流道，310-顶杆，h1-第二密封层内凹深度，h2-针尖顶端与芯片凸台表面的间距，410-滑动杆。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术
人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
40.目前的微流控芯片通常需要试剂存储结构将液态试剂预存在芯片中，使用时再定量释放。试剂预存于密封的空间，与外界隔离从而实现长期保存；芯片工作时破坏密封的空间，定量释放试剂。能否定量释放预存试剂，也意味着该微流控芯片能否适用于检测结果的定量分析。
41.针对上述问题中至少之一，本发明的至少一个实施例提供了一种检测芯片，其便于定量释放存储在其中的液体，并且结构和制造工艺简单，成本低。
42.本发明的实施例提供的该检测芯片可以是微流控芯片，然而，应理解，本发明的实施例并不限于此。
43.本发明至少一实施例提供一种检测芯片，该检测芯片包括芯片基板和储液腔。储液腔包括包括支撑架和密封所述支撑架的第一密封层和第二密封层，支撑架包括支撑架主体和开设在所述支撑架主体中部的腔体，其中，第二密封层配置为向腔体内凹陷。通过第二密封层预变形，一方面可以减小翻转变形时所需要的外部驱动力，还可以减少密封层褶皱带来的试剂残留，实现定量排放。图1为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片的储液腔的立体结构图，图2为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片基板的立体结构图，图3为本发明至少一个实施例提供的一种检测芯片使用时的示意图。
44.下面结合图1-3，对本发明一些实施例提供的检测芯片进行说明。
45.如图1-3所示，该检测芯片包括芯片基板和储液腔，芯片基板还包括与储液腔相连接的连接部。
46.芯片基板材料根据实际要求可采用任何合适的材料，例如，可以为玻璃、硅、石英、陶瓷、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，pet)，聚苯乙烯(polystyrene，ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，pmma)、聚丙烯(polypropylene，pp)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)或其组合，本发明的实施例对此不作限制。例如，当检测芯片用于免疫检测时，基板的材料可以是ps或pmma；当检测芯片用于分子检测时，基板的材料可以是pp或pc。
47.如图1所示，储液腔包括支撑架和密封所述支撑架的第一密封层和第二密封层，支撑架包括支撑架主体和开设在所述支撑架主体中部的腔体，其中生化试剂储存在支撑架主体内部的腔体中，并由第一密封层和第二密封层密封。
48.例如，第一密封层为高分子材料构成的柔性薄膜，且具有一定的弹性和强度，可以在外部驱动力的作用下产生变形，并对第一密封层覆盖的支撑架主体中部腔体的部分施加
正压力。例如，第二密封层为高分子材料层和金属材料层组成的柔性复合膜，高分子层具有柔性和延展性，赋予复合膜可延展变形的特性，金属膜作为复合膜的支撑层，可以使得该薄膜兼具一定塑性，使得第二密封层在外力作用下发生形变时可以长时间保持形变状态。
49.例如，第二密封层可以进行向内凹陷的预变形，由于第二密封层兼具延展性和塑性，可以使得第二密封层预变形之后可以长时间保持形状。例如，第二密封层轮廓大致呈向储液腔内部凹陷的半球型，可以理解的是，第二密封层大致呈半球形是指与球形凹陷轮廓相近的的弧状凹陷，例如，第二密封层预变形内凹深度不等于第二密封层预变形部分外轮廓半径，例如，第二密封层预变形轮廓为向储液腔内部凹陷的方型，当然，本发明的实施例不限于此，第二密封层也可以采用其他适用的形状。可以理解的是，第二密封层内凹深度由第二密封层本身材料性质、具体使用储液腔支撑架尺寸决定，例如，第二密封层中高分子层厚度越厚，复合膜在预变形不破裂的情况下，第二密封层内凹半球型深度越大。例如，第二密封层通过预变形产生内凹深度为0.1-8mm。
50.例如，在使用例如顶杆在第一密封层上朝向储液腔的内部施加作用力的情况下，第一密封层膜层能够弹性变形，以允许顶杆具有一定的行程，从而压缩空气使得第二密封层发生形变，从内凹型翻转为外凸形。由于第二密封层具有一定塑性，使得第二密封层在顶杆后撤以将作用力移除后可以长时间保持形变状态。可以理解的是，由于第二密封层向储液腔内部凹陷，相较于平面设计，使得第二密封层翻转变形所需的外部驱动力更小。
51.例如，第一密封层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，pet)，以具有较好的弹性和强度。当然，本发明的实施例不限于此，第一密封层也可以采用其他适用的材料，例如采用聚苯乙烯(polystyrene，ps)和pet的高分子复合材料，从而具有更好的弹性和强度。
52.例如，第二密封层是聚乙烯(polyethylene，pe)和铝膜复合而成的薄膜，通过将聚乙烯高分子层涂敷在铝膜表层，使得复合膜可兼具一定延展性，且聚乙烯高分子层不与生化试剂产生反应，通过将聚乙烯高分子层设置在复合膜密封腔体的一侧可以实现长期保存试剂。例如，第二密封层也可以是金属膜层。当然，本发明的实施例不限于此，第二密封层也可以采用其他适用的材料。
53.例如，第二密封层中聚乙烯高分子层厚度和铝膜厚度之间的比例决定了复合膜的特性。例如，聚乙烯高分子层厚度越大，铝膜厚度越小，第二密封层延展性越好，可变形量越大；高分子层厚度越小，铝膜厚度越大，2第二密封层塑性越好，可以长期保持特定的形状。例如，聚乙烯高分子层厚度在0.001-1mm，铝膜层厚度在0.001-1mm。例如，聚乙烯高分子层厚度为0.005mm，铝膜层厚度在0.003mm，当厚度在此数值时，既可以保证第二密封层容易被刺破，也能保证在刺破后可以长时间保持刺破时的形状。
54.虽然图1-3中仅示出了芯片基板上只包括了一个储液腔，然而，本发明的实施例并不限于此，在其他实施例中，根据实际要求，芯片基板上可包括任意数量的储液腔，这些储液腔中可容纳分析检测所需的各种试剂，并且这些储液室可具有相同或不同的形状并可容纳相同或不同的液体。如图1-3所示，该检测芯片包括芯片基板和储液腔，芯片基板表面上设置有可以与储液腔相连接的连接部。例如，连接部是环形凸台结构。可以理解的是，凸台的截面形状与储液腔支撑部的截面形状相对应。当然，本发明的实施例不限于此，凸台和储液腔的支撑部的截面形状也可以为其他任意适用的形状。可以理解的是，检测芯片工作前
需要将储液腔的支撑部与凸台进行同轴心对齐，使得支撑部内径中心与凸台内径中心在同一直线上。
55.可以理解的是，芯片基板的材料根据实际要求可采用任何合适的材料，例如，可以为玻璃、硅、石英、陶瓷、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，pet)，聚苯乙烯(polystyrene，ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，pmma)、聚丙烯(polypropylene，pp)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)或其组合，本发明的实施例对此不作限制。例如，当检测芯片100用于免疫检测时，基板110的材料可以是ps或pmma；当检测芯片100用于分子检测时，基板110的材料可以是pp或pc。
56.例如，储液腔可以采用螺纹连接、卡接等固定方式固定在芯片基板10上，并使储液腔的支撑部与凸台进行同轴心对齐。例如，该固定方式为粘结，通过将储液腔底部与凸台表面进行粘结，形成密闭环境便于进行后续的检测。
57.如图2所示，芯片基板表面还设置有刺破结构。例如，刺破结构位于在连接部截面形状的中心处，可以理解的是，检测芯片工作前储液腔的支撑部和凸台和刺破结构恰好同轴心对齐。例如，刺破结构是柱形结构，例如，刺破结构是针尖。例如，针尖的材料为聚丙烯(polypropylene，pp)，且采用注塑工艺加工，通过设计相应的注塑模具，可与芯片基板一体注塑成型。当然，本发明的实施例不限于此，也可以采用激光雕刻、光刻蚀等任意适用的工艺制作刺破结构。
58.例如，在使用例如顶杆在第一密封层上朝向储液腔的内部施加作用力的情况下，第一密封层膜层能够弹性变形，以允许顶杆具有一定的行程，从而压缩空气使得第二密封层发生形变，从内凹型翻转为外凸型，针尖在外凸型半球型顶端刺破第二密封层形成破口，储液腔内试剂可以沿着半球型的面向外排出，减少储液腔内试剂残留，由于第二密封层具有一定塑性，使得第二密封层在顶杆后撤以将作用力移除后可以长时间保持形变状态。需要说明的是，为了保证工作时第二密封层翻转后可以碰到针尖被刺破，需要满足针尖顶端与芯片凸台表面的间距大于第二密封层内凹深度。
59.例如，针尖顶端与芯片凸台表面的间距略大于第二密封层内凹深度，具体的，针尖顶端与芯片凸台表面的间距略大于第二密封层内凹深度是指针尖顶端与芯片凸台表面的间距与第二密封层内凹型深度的差值在0.1mm-1mm之间，例如，储液腔内径为30mm，第二密封层内凹半球型深度为3mm，针尖顶端与芯片基板表面的间距为2.5mm，此时由于第二密封层翻转被刺破后的形状接近完整半球型结构，使得储液腔内试剂可以沿着半球型的面向外排出，减少储液腔内试剂残留，实现试剂的定量释放。
60.例如，刺破结构上还设置有微流道开口，该微流道开口配置为与基板内部微流道相连通，通过刺破结构刺破第二密封层，储液腔内试剂会沿着刺破口通过刺破结构上的微流道开口流入检测芯片内部。下面对该检测芯片的工作原理进行示例性说明。
61.在芯片工作前，需要将密封特定试剂的储液腔以螺纹连接、卡接等固定方式固定在芯片基板的凸台上，并使储液腔与凸台进行同轴心对齐。例如，该固定方式为粘结，通过将储液腔底部与凸台表面进行粘结，形成密闭环境进行后续的检测。通过将储液腔模块化，针对不同检测项目时，可以自由选用不同的试剂组合和剂量组合，使得检测数据更为准确。在该实施例中，单一的芯片基板可以对应多种密封不同试剂的储液腔，有利于节约成本。
62.储液腔包括支撑架和密封所述支撑架的上层薄膜第一密封层和下层薄膜第二密
封层，支撑架包括支撑架主体和开设在所述支撑架主体中部的腔体，其中生化试剂储存在支撑架主体内部的腔体中，并由上层薄膜第一密封层和下层薄膜第二密封层密封。
63.第一密封层为高分子材料构成的柔性薄膜，且具有一定的弹性和强度，可以在外部驱动力的作用下产生变形。第二密封层为预变形的高分子材料层和金属材料层组成的柔性复合膜，高分子层具有柔性和延展性，赋予复合膜可延展变形的特性，金属膜作为复合膜的支撑层，可以使得该薄膜兼具一定塑性，使得第二密封层可以长时间保持预变形状态。例如，第二密封层为聚乙烯高分子层与铝膜层组成的复合膜层，其中聚乙烯高分子层厚度为0.005mm，铝膜层厚度在0.003mm，当厚度在此数值时，既可以保证第二密封层容易被刺破，也能保证在刺破后可以长时间保持刺破时的形状。
64.进一步的，芯片基板表面还设置有针尖结构，刺破结构位于在连接部截面形状的中心处，可以理解的是，检测芯片工作前储液腔的支撑部和凸台和刺破结构恰好同轴心对齐，此时针尖恰好与第二膜层形变最大的部位相对应。
65.如图3所示，在芯片工作时，使用例如顶杆在第一密封层上朝向储液腔的内部施加作用力的情况下，第一密封层膜层能够弹性变形，以允许顶杆具有一定的行程，从而压缩空气使得第二密封层发生形变，从内凹型翻转为外凸型，由于第二密封层内凹深度略大于针尖顶端与芯片凸台表面的间距，使得，第二密封层翻转被刺破后的形状接近完整半球型结构，第二密封层具有塑性，使得第二密封层在顶杆后撤以将作用力移除后可以长时间保持形变状态，使得液腔内试剂可以沿着半球型的面向外排出，沿着刺破口通过针尖上的微流道开口流入检测芯片内部，进而减少储液腔内试剂残留，实现试剂的定量释放。
66.本发明至少一实施例提供了一种检测芯片的制备方法，包括提供芯片基板，该检测芯片可以是上述任一实施例提供的检测芯片。关于检测芯片的详细描述可参见上文中各实施例的描述，本文中将不再赘述。
67.例如，根据本发明至少一个实施例的用于制备检测芯片的方法可包括：
68.s1制备储液腔，
69.s2提供基板，该基板包括连接部，该连接部配置为固定储液腔，
70.s3将所述储液腔固定在所述基板的所述连接部上。
71.在一些实施例中，该制备检测芯片的方法还可包括：预变形该储液腔的第二密封层。参照图1，示出了本发明实施例薄膜预变形方法，包括：将第二密封层固定在支撑架主体上，且第二密封层覆盖腔体；滑动杆悬设在第二密封层的竖直方向上，在运行的情况下，滑动杆的端部抵压第二密封层并做循环往复运动，其中，竖直方向为垂直所述第二密封层表面的方向；在滑动杆的端部抵压第二密封层并做循环往复运动的情况下，第二密封层凹向腔体的底部。
72.支撑架为固定第二密封层的支撑件，支撑架包括支架件主体和开设在支撑架主体中部的腔体。第二密封层可以通过胶粘等方式固定在支撑架主体上。由于支撑架主体的中部为腔体，因此，当第二密封层覆盖腔体后，第二密封层覆盖腔体22的部分处于悬空状态，进而可以在滑动杆的作用下，凹向腔体的底部，形成可以提供放置生化试剂的容纳腔。
73.可选的，支撑架主体为圆环支架、矩形支架和菱形支架中的任一个。具体的，在支撑架主体为圆环支架的情况下，在滑动杆的作用下，第二密封层形成的轮廓大致呈半球型。需要说明的是，支撑架主体的形状依据第二密封层需要形成的容纳腔的形状确定，本发明
实施例对此不做限定。
74.在一种可能实现的方式中，滑动杆所做的循环往复运动的轨迹为圆形，示例性的，支撑架主体内部的腔体可以为直径为16mm，深度为1mm的，深度为6mm为圆柱形腔体，滑动杆以支撑架主体中部的腔体的中心为旋转中心做直径为10mm的圆周运动，之后滑动杆可以在垂直第二密封层面的方向下移1mm，以支撑架主体中部的腔体的中心为旋转中心做直径为8mm的圆周运动，依次类推，如图6所示，通过4次圆周运动，使得第二密封层预变形为直径约为16mm的半球型直径为5mm的半球形状。在另一种可能实现的方式中，滑动杆所做的循环往复运动的轨迹为方形。当然，本发明的实施例不限于此，可以基于不同尺寸的腔体与不同的运动轨迹，将第二密封膜预变形成不同规格的形状。
75.在一些实施例中，该制备检测芯片的方法还可包括：采用热压或热塑的办法对第二密封层进行预变形。
76.在一些实施例中，该制备检测芯片的方法还可包括：通过激光焊接或粘合剂来接合第二密封层与支撑架。例如，当第二密封层与支撑架通过相同的材料(如ps、pmma、pc、pp等聚合物材料)形成时，可通过激光焊接来接合第二密封与支撑架；当第二密封层与支撑架通过不同的材料形成时，可通过例如粘合剂来接合第二密封层与支撑架。可以理解的是，既可以在第二密封层预变形后接合第二密封层与支撑架，也可以先接合第二密封层与支撑架再对第二密封层进行预变形。
77.图7是本发明至少一个实施例提供的一种检测装置的示意性框图。如图7所示，根据本发明的至少一个实施例的检测装置500可包括：
78.检测芯片；以及
79.力作用机构，配置为在使用时，在所述检测芯片的所述储液腔的所述第一密封层上施加向所述储液室的内部空间的作用力，以使第二密封层发生形变被所述针头刺破，并使得容纳在所述内部空间内的液体流进微流道。
80.检测芯片可以是上述任一实施例提供的检测芯片。力作用机构可以采用任何合适的形式，只要其可以向检测芯片的储液腔施加作用力，以破坏检测芯片中储液室的第二密封层。例如，力作用机构可以包括顶杆，在第一密封层上朝向储液腔的内部施加作用力的情况下，第一密封层膜层能够弹性变形，以允许顶杆具有一定的行程，从而通过压缩空气使得第二密封层发生形变，从内凹型翻转为外凸型，使得针尖刺破第二密封层形成破口，储液腔内试剂可以沿着半球型的面向外排出。该力作用机构可以通过电机驱动或可以被手动操作，本发明的实施例对此不作限制。
81.本虽然在图3中未示出，然而，应理解，检测装置300还可包括用于放置检测芯片的底座、废液处理器、各种分析检测器、液体输入输出接口、电源接口等，这些部件均可采用本领域已知的部件，本发明的实施例对此不作限制。
82.本发明的至少一个实施例还提供了一种用于操作检测芯片的方法，其中该检测芯片可以是上述任一实施例提供的检测芯片。关于检测芯片的详细描述可参见上文中各实施例的描述，本文中将不再赘述。
83.例如，根据本发明至少一个实施例的用于操作检测芯片的方法可包括：
84.在所述检测芯片的所述储液腔的所述第一密封层上施加向所述储液室的内部空间的作用力，以使第二密封层发生形变被所述针头刺破，并使得容纳在所述内部空间内的
液体流进微流道。
85.以上对本发明所提供的一种检测芯片及其制备方法、使用方法、检测装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。