本文提出一種具備串行或平行通道的數字PCR微流控芯片。

其中，在串行通道的芯片上 10.5 min 內可實現 99.5 ± 0.3% 的進樣效率。在并行通道的芯片上 2 min 內可實現 94.6 ± 0.9% 的進樣效率。

芯片結構如圖 1 所示。

圖 1

串行和平行通道芯片設計均采用標準 SU-8 光刻技術在 4“ 硅片上制造。

對于氣動層：首先在硅片表面采用 SU-8 2010 構建 10μm 高的基層，然后在此基層上用 SU-8 2025 構建 50μm 的高度。

對于流體層(圖 2)：首先采用 SU-8 2010 構建 10μm 高的基層，然后使用 SU-8 2025 構建 50 μm 的通道層，最后使用 SU-8 2025 構建另一層高度為 50μm 的層，形成總高度為 100μm 的樣品裝載腔和微腔。

圖 2

隨后將PDMS澆筑在對應的模具上依次形成氣動層和流體層。同樣將PDMS澆筑在空白硅片上形成2mm厚的抗蒸發層。最后將三層粘接在一起形成完成的芯片。

為優化注液流程，將 2.5 μL 紅色染料注入入口儲液腔，然后通過氣動層施加的真空吸力引入樣品裝載腔，入口閥關閉。

當所有紅色染料流入樣品裝載腔后，入口儲液腔中加入 10μl FC-40 油。然后打開入口閥，出口閥被激活以執行芯片進樣通過真空驅動。

如圖 3 所示，作者設計了兩種不同類型的芯片（串聯通道 和 并行通道）。

兩種類型的芯片都有底部流體層和頂部氣動層組成，每個芯片由三個平行單元組成，用于高通量測量。

在每個單元中，樣品裝載腔通過一個主通道 或 16個并行通道連接到2000 個微孔陣列。

圖 3

為了實現無樣品損失的進樣，樣品體積必須小于總微孔體積。因此，樣品裝載腔被設計為可容納 2.5μl 的樣品，比 2000 個微孔的總體積小約 10% （一個微孔約 1.44 nL）。

微孔陣列兩側有兩個氣動閥來控制樣品導入和微孔填充。

圖4

如圖 4 所示，本文提出的芯片在“拉”模式和“推”模式之間實現微井的填充。

在“拉”模式下，出口閥關閉，通過傳統的真空驅動填充，主要通過主通道拉動溶液。

然后操作切換到“推”模式，打開出口閥，使主通道暴露在大氣中，由此試劑頭部與由溶液包裹的微孔之間形成壓力差。

此時在主通道和那些未完全填充的微井之間將建立一個壓力差。主通道中較高的壓力會改變流動方向，推動水相完全填充微孔。

重復拉推循環可將樣品完全分配到離散的微孔中，并被隨后的油相隔離。

圖 5

圖 5 所示為在“推”模式下，主通道中較高的壓力可以改變流體流動方向，驅動試劑完全填充微孔。

其對應視頻如視頻 2 所示。

視頻 2

為防止熱循環過程中試劑蒸發，如圖 6 所示，作者在芯片頂部組裝了防蒸發層和載玻片。

其中，PDMS 防蒸發層永久粘合在氣動層上，并含有一個腔室可填充超過 2 mL 的水。

圖 6

具備防蒸發層和未防蒸發層在PCR擴增后的圖如圖 7 所示。具備防蒸發層的芯片其陰陽性可明確辨別。

圖 7

審核編輯：劉清