CN101221167A - 一种毛细管微流控芯片 - Google Patents

Abstract

一种毛细管微流控芯片，该芯片由毛细管(1)，第一滤塞(2)，编码微球(3)，第二滤塞(4)，第一管线(5)，第二管线(6)，蠕动泵(7)，样品溶液、反应溶液或洗涤液部分(8)组成；编码微球(3)被封装在毛细管内(1)，而且编码微球(3)在毛细管(1)内成单排排列，在毛细管(1)内的两端分别设有第一滤塞(2)、第二滤塞(4)，第一管线(5)、第二管线(6)分别接毛细管(1)的两端，蠕动泵(7)的一端接第二管线(6)，另一端接反应溶液或洗涤液部分(8)。该芯片制备简单，可以用于生物分子的快速、高灵敏度、高通量检测，操作方便，成本低廉，在临床检测、检验检疫、环境监测、药物筛选、微生物鉴定以及核酸和蛋白功能分析等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种毛细管微流控芯片

技术领域

本发明涉及的是一种毛细管微流控芯片及其制备方法。它利用微球作为生物分子检测的载体，将微球置于毛细管中进行蛋白质、核酸等生物大分子的检测，在临床检测、检验检疫、环境监测、药物筛选、微生物鉴定以及核酸和蛋白功能分析等领域具有广泛的应用。

背景技术

人类基因组计划以及众多物种基因组测序的完成使现代生命科学进入了系统生物学时代。系统生物学的主要任务就是测定众多基因和蛋白相互之间的关系，因此生命科学分析面临的一个巨大的挑战就是发展高通量的并行生物分子相互作用分析技术平台，以此来分析核酸分子杂交，蛋白质相互作用或者核酸与蛋白质之间的相互作用，进而揭示基因以及蛋白功能。

20世纪末以来，DNA或者基因微阵列芯片技术逐渐成熟，并成为最为常用和主要的核酸高通量检测技术。DNA微阵列技术是将不同的探针分子(能够和被检测分子反应的生物分子，这时的被检测分子被称为靶分子)固定到同一基片上，在固定过程中每一种探针分子被固定在事先确定好的位置上。这样，  每一种探针分子都对应一个确定的XY坐标，也就是说每一种探针分子都具有一个特定的XY坐标编码，通过该编码可以确认探针分子的种类。该方法的特点是可以有效地利用现有的微加工技术在同一基片上固定数以万计的探针分子，检测时先将固定有探针分子的基片与被检测液接触，被检测液中的靶分子是用荧光标记过的，在探针分子与目标分子反应后将未反应的目标分子清洗掉，然后通过荧光检测方法确定目标分子的存在。目标分子的种类可以通过坐标确定。目前为止，制备DNA微阵列芯片的两种主要方法是光学平板印刷技术与微阵列点样技术，两者都需要专门的仪器设备而且价格不菲，因此这种芯片的应用成本很高，再加上微阵列芯片的反应速度较慢，发展新型的芯片技术成为研究的热点。

解决上述问题的解决方案是以编码微球取代平面基片作为探针的固相载体，由于编码微球可以在反应过程中通过搅拌随意运动而加快反应速度，而且固定有核酸探针的微球可以随意组合，因此相比与平面基片，微球具有更好的灵活性，更容易满足不同应用目的，降低了检测成本。尽管如此，编码微球的检测要求仍然很高，要流式细胞仪一类的精密大型仪器以控制并检测微球。微流控芯片技术则可以实现大型仪器功能的缩微化，因此有望将来替代大型分析仪器，成为便携式分析系统。

微流控分析芯片是指通过微电子、微加工技术在平方厘米大小的固相介质表面构建的微型分析系统，以实现对组织和细胞中DNA、蛋白质和其他生物组分的快速、高效、灵敏的处理与分析。它是20世纪90年代初中期在分析化学领域发展起来的一种分析技术，以分析化学和分析生物化学为基础，应用微电子加工技术，在微芯片上加工出微米级的容器、泵、阀、管道等微结构网络，将样品的制备、反应和检测的这个过程进行集成的微全分析系统。它不仅使试剂的消耗降低，且使实验速度提高，费用降低，充分体现了当今实验室设备微型化、集成化和便携化的发展趋势。但是微流控芯片的加工技术要求很高，因此制备过程相当复杂，可重复性不高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种毛细管微流控芯片，芯片的毛细管中封装有编码微球作为生物分子检测的固相载体，样品的进样、反应以及结果检测都在毛细管内进行。该芯片制备简单，可以用于生物分子的高通量检测，操作方便，成本低廉。

技术方案：鉴于上述生物分子并行检测技术研究进展，本发明提出一种制备简单，成本低廉的毛细管微流控芯片，芯片中设有编码微球，可以用于高通量检测生物大分子相互作用。

本发明的毛细管微流控芯片由毛细管，第一滤塞，编码微球，第二滤塞，第一管线，第二管线，蠕动泵，样品溶液、反应溶液或洗涤液部分组成；编码微球被封装在毛细管内，而且编码微球在毛细管内成单排排列，在毛细管内的两端分别设有第一滤塞、第二滤塞，第一管线、第二管线分别接毛细管的两端，蠕动泵的一端接第二管线，另一端接反应溶液或洗涤液部分。

编码微球的编码是条形码编码、荧光编码、量子点编码、光子晶体编码、拉曼标签编码、红外光谱编码、形状编码、射频编码、大小编码以及位置编码中的一种。编码微球的表面固定有生物分子探针，所用的生物分子探针是核酸、或蛋白质、或多肽，在编码微球的表面进行生物分子检测反应。编码微球的直径为50um～500um之间，毛细管的内经在60um～550um之间，编码微球的直径大于毛细管半径但是小于毛细管内径。

芯片通过滤塞将编码微球封装在毛细管中，芯片还可以通过缩小毛细管两端的内径将编码微球封装在毛细管内，芯片还可以通过弯曲毛细管两端将编码微球封装在毛细管内。毛细管为透明毛细管，毛细管材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。芯片利用蠕动泵通过毛细管的一端向毛细管内注入或者抽出液体；芯片还可以利用注射泵向毛细管内注入或者抽出液体。芯片可以有一根毛细管，也可以有多根毛细管并联，还可以有多根毛细管串联，毛细管中封装有编码微球，实现高通量生物分子检测。编码微球表面的生物分子检测方法可以是荧光标记法、放射性标记法、化学发光法、拉曼标记法以及非标记检测方法。

有益效果：本发明的毛细管微流控芯片的毛细管中设有编码微球作为生物分子检测的固相载体；以该芯片进行生物分子高通量检测具有以下优点：

1)芯片制备简单，与一般的模版法制备微流控芯片相比，毛细管微流控芯片的制备不需要加工模版，只要将毛细管，滤塞，管线、蠕动泵等进行组装即可完成，大大降低了芯片的成本。

2)样品需要量少，检测速度快，灵敏度高：由于检测反应只在毛细管内进行，反应液来回流动，可以减少溶液的挥发和目的靶分子到达探针的时间，提高反应的速度，缩短检测时间；同时，检测反应以微球为载体，比表面积大，检测灵敏度高；

3)检测简单：由于编码微球被封装在毛细管并且内成单排排列，不用对单个微球进行单独操作，可以对编码微球逐个检测，简化了操作难度；

4)检测通量高：采用具有编码的微球作为检测反应的固相载体，因此可以编码多元生物分子检测，同时检测同一个样品中的多个指标；在毛细管中放入n种编码的微球可以检测n种分子，并行设置m个毛细管则可以检测n×m种分子，检测通量高，如图2所示；

5)可扩展性高：由于采用了微流控芯片的形式，可以方便的同样品预处理等微流控芯片集成，促进了分析系统的微型化和自动化；

附图说明

图1为本发明芯片的结构组成示意图。

图2为设置有多个并联毛细管的微流控芯片形式。

以上的图中有：毛细管1，第一滤塞2，编码微球3，第二滤塞4，管线5，管线6，往返式蠕动泵7，样品溶液、反应溶液或洗涤液部分8。

具体实施方式

本发明是一种毛细管微流控芯片，芯片的毛细管中设有编码微球作为生物分子检测的固相载体，编码微球通过滤塞被封装在毛细管内。芯片通过装备有分液阀的往返式蠕动泵输入待测样品、反应液以及洗涤液。该芯片由毛细管1，第一滤塞2，编码微球3，第二滤塞4，第一管线5，第二管线6，蠕动泵7，样品溶液、反应溶液或洗涤液部分8组成；编码微球3被封装在毛细管内1，而且编码微球3在毛细管1内成单排排列，在毛细管1内的两端分别设有第一滤塞2、第二滤塞4，第一管线5、第二管线6分别接毛细管1的两端，蠕动泵7的一端接第二管线6，另一端接反应溶液或洗涤液部分8。

芯片通过滤塞将编码微球封装在毛细管中，芯片还可以通过缩小毛细管两端的内径将编码微球封装在毛细管内，芯片还可以通过弯曲毛细管两端将编码微球封装在毛细管内。

毛细管为透明毛细管，毛细管材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

芯片利用蠕动泵通过毛细管的一端向毛细管内注入或者抽出液体；芯片还可以利用注射泵向毛细管内注入或者抽出液体。芯片可以有一根毛细管，也可以有多根毛细管并联，还可以有多根毛细管串联，毛细管中封装有编码微球(3)，实现高通量生物分子检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现，

首先，将编码微球封装在玻璃毛细管内：在毛细管1的一端的放置一个具有滤过作用的第一滤塞2，将一定数量事先固定有生物分子探针的编码微球3放入管内，接着在毛细管的另一端再放置第二滤塞4，使微球不至于滚出毛细管1；编码微球3的直径要小于毛细管1的内径但是大于毛细管1内径的一半，编码微球3在毛细管1成单排排列；

然后，在将毛细管1的一端与第一管线5连接作为出液口，另一端与第二管线6连接作为进液口，第二管线6与装备有分液阀门的往返式蠕动泵7相连，通过蠕动泵7输入样品溶液、反应溶液或洗涤液部分8；

在检测应用时，蠕动泵7首先将待测样品溶液输入到毛细管1中，使待测溶液与编码微球3充分接触，然后来回抽送待测溶液，加速待测溶液与编码微球3的反应；

反应完毕，蠕动泵7将待测液泵出毛细管1，同时向毛细管1输入洗涤缓冲液，充分洗涤后依次检测编码微球3的编码及其表面的反应信号；

实施例一：用毛细管微流控芯片检测血液中肿瘤标志物甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)：

a、在内径为300um的玻璃毛细管一端放置一个硅胶滤塞，将固定有甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)一抗的三种光子晶体编码微球各5个放入毛细管内，微球的直径为260um，接着在毛细管的另一端再放置另一个硅胶滤塞，将15个编码微球封装在毛细管内；

b、然后，将玻璃毛细管的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与15个编码微球充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

c、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，再泵入荧光标记的甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)二抗溶液，使与15个编码微球充分接触；设置蠕动泵为往返运动模式，使二抗溶液在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

d、反应完毕，通过蠕动泵将二抗溶液泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，检测微球的光子晶体编码与表面荧光信号。

实施例二：用毛细管微流控芯片检测血液中肿瘤标志物糖原242(CA242)、糖原199(CA19-9)、前列腺特异抗原(PSA)。

a、在内径为500um的玻璃毛细管一端放置一个硅胶滤塞，将固定有糖原242(CA242)、糖原199(CA19-9)、前列腺特异抗原(PSA)-抗的三种量子点编码微球各5个放入毛细管内，微球的直径为490um，接着在毛细管的另一端再放置另一个硅胶滤塞，将15个编码微球封装在毛细管内；

b、然后，将玻璃毛细管的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与15个编码微球充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

c、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，再泵入荧光标记的糖原242(CA242)、糖原199(CA19-9)、前列腺特异抗原(PSA)二抗溶液，使与15个编码微球充分接触；设置蠕动泵为往返运动模式，使二抗溶液在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

d、反应完毕，通过蠕动泵将二抗溶液泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，检测微球的光子晶体编码与表面荧光信号。

实施例三：用毛细管微流控芯片检测血液中肿瘤标志物甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)：

a、将内径为300um的聚乙烯毛细管一端弯曲，令其内径小于200um，将固定有甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)一抗的三种条形码编码微球各5个放入毛细管内，微球的直径为260um；接着弯曲聚乙烯毛细管的另一端，令其内径小于200um，将15个编码微球封装在毛细管内；

b、然后，将玻璃毛细管的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与15个编码微球充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

c、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，再泵入荧光标记的甲胎蛋白(AFP)、癌胚还原(CEA)、糖原125(CA125)二抗溶液，使与15个编码微球充分接触；设置蠕动泵为往返运动模式，使二抗溶液在毛细管中来回流动，充分与编码微球混合反应，保持反应体系温度为37℃；

d、反应完毕，通过蠕动泵将二抗溶液泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对编码微球进行洗涤，洗涤充分后，检测微球的光子晶体编码与表面荧光信号。

Claims (9)

1.一种毛细管微流控芯片，其特征在于该芯片由毛细管(1)，第一滤塞(2)，编码微球(3)，第二滤塞(4)，第一管线(5)，第二管线(6)，蠕动泵(7)，样品溶液、反应溶液或洗涤液部分(8)组成；编码微球(3)被封装在毛细管(1)内，而且编码微球(3)在毛细管(1)内成单排排列，在毛细管(1)内的两端分别设有第一滤塞(2)、第二滤塞(4)，第一管线(5)、第二管线(6)分别接毛细管(1)的两端，蠕动泵(7)的一端接第二管线(6)，另一端接反应溶液或洗涤液部分(8)。

2.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于编码微球(3)的编码是条形码编码、荧光编码、量子点编码、光子晶体编码、拉曼标签编码、红外光谱编码、形状编码、射频编码、大小编码以及位置编码中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于编码微球(3)的表面固定有生物分子探针，所用的生物分子探针是核酸、或蛋白质、或多肽，在编码微球(3)的表面进行生物分子检测反应。

4.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于编码微球(3)的直径为50um～500um之间，毛细管(1)的内经在60um～550um之间，编码微球(3)的直径大于毛细管(1)半径但是小于毛细管(1)内径。

5.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于芯片通过滤塞(2)将编码微球(3)封装在毛细管(1)中，芯片还可以通过缩小毛细管(1)两端的内径将编码微球(3)封装在毛细管(1)内，芯片还可以通过弯曲毛细管(1)两端将编码微球(3)封装在毛细管(1)内。

6.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于毛细管(1)为透明毛细管，毛细管材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于芯片利用蠕动泵(7)通过毛细管(1)的一端向毛细管(1)内注入或者抽出液体；芯片还可以利用注射泵向毛细管(1)内注入或者抽出液体。

8.根据权利要求1所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于芯片可以有一根毛细管(1)，也可以有多根毛细管(1)并联，还可以有多根毛细管(1)串联，毛细管(1)中封装有编码微球(3)，实现高通量生物分子检测。

9.根据权利要求1、2和3所述的一种毛细管微流控芯片，其特征在于编码微球(3)表面的生物分子检测方法可以是荧光标记法、放射性标记法、化学发光法、拉曼标记法以及非标记检测方法。

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