CN101576557B - 一种集成微流控芯片系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成微流控芯片系统，该系统包括微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元，其中，所述微流控芯片通过光纤与光源单元连接，通过软管与进样单元连接，所述通讯单元与检测单元、光源单元、进样单元电连接。利用本发明，对流体样品中的具有荧光响应特性的生物化学物质进行检测，可解决现有技术存在的耗时、试剂和样品消耗大、操作复杂等问题，并可实现多种情况下的荧光检测，具有集成度高、分析速度快、灵敏度高、试样消耗少、操作简单、定量分析、在线实时检测等优点，并且编写控制程度可与电脑联用、可单独操作，还可作为传感器单元应用于无线传感网络中。

Description

一种集成微流控芯片系统

技术领域

本发明涉及微流控芯片和测试仪技术领域，具体涉及一种集成微流控芯片系统，包括微流控芯片及其系统。

背景技术

微流控芯片(microfluidic chip)是20世纪90年代在微电子机械系统(MEMS)技术、生命科学、分析科学以及信息科学等多学科交叉、多技术融合的基础上发展起来的一种新型的生化分析技术。

微流控芯片是指利用几十到几百微米的沟道处理和控制10^-9～10^-8升体积的液体的科学与技术系统。通常采用微电子机械系统(MEMS)技术，在硅片、玻璃或其他材料基片上制作微通道网络、构建微型生物化学分析单元和系统，通过微流体控制技术把功能各异的多个单元或模块在缩微尺寸上连接起来，最终协同完成一系列复杂的生化分析等工作。

与传统的生化分析技术相比，微流控芯片具有体积小、试剂消耗少、分析速度快、分析过程自动化、易于集成化以及高通量等许多优点。它在疾病诊断、公共安全、航天航空、高通量药物筛选等诸多领域具有广阔的应用前景。

目前已经成为分析学科领域最活跃的研究前沿，代表着未来生化分析仪器走向微型化、集成化、个性化和家用化的发展方向。在不远的将来，患者只要取一滴血、一滴尿，甚至一点唾液放在微流控芯片上就可以直接进行疾病诊断，使患者足不出户就可以完成就医的全过程。

尽管如此，微流控芯片的产业化进程并没有人们预想的那么迅速，制约其产业化的瓶颈技术之一是它的检测技术。激光诱导荧光法(laser-induced fluorescence，LIF)是当前微流控芯片检测中应用最广、灵敏度最高的检测方法，但是该检测装置存在体积大、结构复杂、通用性差、操作复杂等问题，无法满足微流控芯片检测的家用化和便携化要求。

荧光是在某些分子(一般是多芳香烃的碳水化合物或杂环)里发生的一种三能级(或更多能级)的辐射过程。荧光可分为自发荧光和诱发荧光。LIF技术就是利用激光作为光源照射荧光物质使其发出荧光，并对发射荧光进行检测的一种技术，通过检测荧光强度获得荧光物质的浓度。目前的荧光检测法主要在以下3种情况中应用：

(1)待分析物本身受激发产生荧光，检测荧光强度直接对应待测物的浓度。

(2)生物学上，将荧光分子事先与待测生物大分子结合(binding)，然后将该大分子加入到生物反应过程中，就可以通过荧光跟踪观察该大分子的变化，检测荧光强度可间接对应生物反应的过程以及待测物的浓度。基于这个原理发展了免疫荧光技术，即用荧光抗体示踪或检查相应抗原的方法称荧光抗体法；用已知的荧光抗原标记物示踪或检查相应抗体的方法称荧光抗原法。以荧光抗体方法较常用。常用的用于染色的荧光染料有异硫氰酸酯荧光素(FITC)、四乙基罗丹明(RIB200)、四甲基异硫氰酸罗丹明(TRITC)等。

(3)荧光猝灭是指由于荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起的荧光强度降低的现象。这种导致荧光物质分子荧光强度降低的溶剂分子或其它溶质分子称为猝灭剂。通常，荧光强度与猝灭剂浓度成反比，通过检测荧光强度从而可间接测定这些猝灭剂的浓度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成微流控芯片系统，以解决现有技术在利用微流控芯片和测试仪进行测试时存在的耗时、试剂和样品消耗大、操作复杂等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是这样实现的：

一种集成微流控芯片系统，该系统包括微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元，其中，所述微流控芯片通过光纤与光源单元连接，通过软管与进样单元连接，所述检测单元连接于微流控芯片的正下方，所述通讯单元与检测单元、光源单元、进样单元电连接。

此外，根据本发明的一个实施例，所述微流控芯片用于导入荧光物质和待检测试样，具有透光性，荧光物质和待检测试样在微流控芯片中流动检测或静置检测，该微流控芯片包括一出口、一沟道、至少一入口和至少一根光纤；该微流控芯片是玻璃-聚二甲基硅氧烷PDMS-玻璃三层结构，PDMS层中制备了入口、出口和沟道图形，在邻近出口处的沟道为检测区域；光纤一部分位于PDMS层中，其余部分悬于该微流控芯片之外；该光纤的一端对准检测区域，另一端对准光源；顶层玻璃在PDMS入口和出口处打有孔洞，用于进样和出样。

此外，根据本发明的一个实施例，所述微流控芯片中的光纤用于导入激发光，微流控芯片的检测区域对准检测单元中光电倍增管的检测窗口，可通过光电倍增管检测光强。

此外，根据本发明的一个实施例，所述光源单元包括半导体发光二极管(LED)光源及其辅助电路和软件，用于提供激发光，激发荧光物质发出荧光，激发光通过光纤传输到微流控芯片的检测区域，激发光与检测单元中光电倍增管检测窗口面相平行。

此外，根据本发明的一个实施例，所述进样单元包括至少一个泵及其控制软件和电路，用于驱动流体样品导入微流控芯片；所述控制软硬件用于控制泵的开、关、流速以及方向，所述泵采用两个泵分别用于导入荧光物质和待检测试样，或采用一个泵将荧光物质和待检测试样混合溶液导入芯片。

此外，根据本发明的一个实施例，所述检测单元包括光电倍增管、滤光片，以检测用电路硬件和软件，用于检测荧光物质受激后发射的荧光光强，该荧光光强间接反应待检测物的浓度。

此外，根据本发明的一个实施例，所述光电倍增管位于微流控芯片检测区域正下方，光电倍增管用于检测微弱光信号；滤光片位于光电倍增管和微流控芯片之间，滤光片用于过滤掉杂光，根据激发光和荧光波长选择滤光片，尽可能滤掉检测波长以外的杂光，透过荧光。

此外，根据本发明的一个实施例，所述通讯单元包括控制命令接受部分和检测结果信号输出部分，用于控制集成微流控芯片系统、处理并输出检测结果。

此外，根据本发明的一个实施例，所述通讯单元用于将该集成微流控芯片系统与电脑连接，通过电脑控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在电脑中显示；或者，

所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统单独使用，通过控制面板、按键控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在显示屏上显示；或者，

所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统作为一个传感器单元应用在无线传感网络中，通过信号控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果通过信号无线传感网络发送到控制中心。

此外，根据本发明的一个实施例，该系统还包括显示屏，控制面板和按键，所述微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元安装在暗盒中，进样单元中的泵安装在暗盒中或安装在暗盒外，显示屏和按键安装在暗盒外壳上，光源单元、检测单元、进样单元和通信单元所涉及的电路及其硬件均安装在暗盒中；所述光源单元、检测单元、进样单元、通信单元、显示屏、控制面板以及按键均通过电连接，实现控制、检测、结果输出操作。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用微流控芯片作为传感敏感单元，由于微流控芯片具有体积小、样品与试剂消耗少(微升级)、分析速度快、分析过程自动化、能耗低、易于集成化以及高通量等许多优点，所以，利用本发明对流体样品中的具有荧光响应特性的生物化学物质进行检测，可解决现有技术存在的耗时、试剂和样品消耗大、操作复杂等问题。

2、由于本发明利用电子技术对检测过程进行控制，并对检测结果进行处理和输出，最终可实现现场、在线检测。

3、由于本发明还可采用无线传感网络技术进行控制操作，并且可把检测结果传输回控制中心，所以本集成微流控芯片系统可实现无人检测，本发明的这一特点可使本发明在一些危险环境中应用。

4、本发明集成微流控芯片系统提供了一种微量荧光检测技术，具有很高的灵敏度，例如在本发明系统上检测荧光染料异硫氰酸酯荧光素(FITC)，其检测限达1×10^-6g/L。由于大部分的生物样品都可以被激发出原发荧光或者能被荧光染料染色，所以在生命科学中本发明及其检测方法具有非常广泛的应用范围。

5、本发明基于光纤传输和半导体发光二极管(LED)诱导荧光，采用MEMS技术发展了一种集成微流控芯片系统，可实现多种情况下的荧光检测，并且具有集成度高、分析速度快、灵敏度高、试样消耗少、操作简单、定量分析、在线实时检测等优点，并且编写控制程度可与电脑联用、可单独操作，还可作为传感器单元应用于无线传感网络中。

6、本发明提供的这种基于光纤传输和LED诱导荧光的集成微流控芯片系统，可单独使用，也可与电脑联用，可作为传感单元应用于无线传感网络中，可实现流体样品的荧光检测，用于检测样品中具有荧光响应特性的物质的浓度或自身具有荧光特性的物质的浓度。例如，在生物医学领域，通过荧光物质标记技术检测某些疾病标志物的浓度，检测荧光物质强度可间接获得疾病标志物的浓度，从而提供疾病相关信息用于医学诊断。

7、由于本发明的集成微流控芯片系统具有便携式、操作简单、成本低廉等优点，患者可自行进行检测，从而实现床边检测。在本发明的一个实施方式中，集成微流控芯片系统暗盒的外观尺寸为24cm×13cm×17cm，尺寸较小具有方便携带的特点。同时，由于流体样品用量非常少，可节约宝贵的试剂以及检测样品(如血液样品)。

附图说明

图1为本发明提供的微流控芯片A俯视示意图。

图2为本发明提供的微流控芯片B俯视示意图。

图3为本发明提供的集成微流控芯片系统的结构示意图。

图4为采用本发明提供的集成微流控芯片系统检测不同浓度荧光素(FITC)的检测结果。

附图标记说明：

1入口，2沟道，3检测区域，4出口，5光纤，1’另一入口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图3所示，图3为本发明提供的集成微流控芯片系统的结构示意图，该系统包括微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元，其中，所述微流控芯片通过光纤与光源单元连接(具体来说，如与光源单元中的LED光源连接)，通过软管与进样单元连接(具体来说，是与进样单元中的泵连接)，所述检测单元连接于微流控芯片的正下方，所述通讯单元与检测单元、光源单元、进样单元电连接。

所述微流控芯片具有透光性，用于导入荧光物质和待检测试样，荧光物质和待检测试样在微流控芯片中流动检测或静置检测。该微流控芯片包括一出口、一沟道、至少一入口和至少一根光纤；该微流控芯片是玻璃-聚二甲基硅氧烷PDMS-玻璃三层结构，PDMS层中制备了入口、出口和沟道图形，在邻近出口处的沟道为检测区域；光纤一部分位于PDMS层中，其余部分悬于该微流控芯片之外；该光纤的一端对准检测区域，另一端对准光源；顶层玻璃在PDMS入口和出口处打有孔洞，用于进样和出样。微流控芯片中的光纤用于导入激发光，微流控芯片的检测区域对准检测单元中光电倍增管的检测窗口，可通过光电倍增管检测光强。

所述光源单元包括LED光源及其辅助电路和软件，用于提供激发光，激发荧光物质发出荧光，激发光通过光纤传输到微流控芯片的检测区域，激发光与检测单元中光电倍增管检测窗口面相平行。

所述进样单元包括至少一个泵及其控制软件和电路，用于驱动流体样品导入微流控芯片；所述控制软硬件用于控制泵的开、关、流速以及方向，所述泵采用两个泵分别用于导入荧光物质和待检测试样，或采用一个泵将荧光物质和待检测试样混合溶液导入芯片。

所述检测单元包括光电倍增管、滤光片，以及检测用电路硬件和软件，用于检测荧光物质受激后发射的荧光光强，该荧光光强间接反应待检测物的浓度。光电倍增管位于微流控芯片检测区域正下方，光电倍增管用于检测微弱光信号；滤光片位于光电倍增管和微流控芯片之间，滤光片用于过滤掉杂光，根据激发光和荧光波长选择滤光片，尽可能滤掉检测波长以外的杂光，透过荧光。

所述通讯单元包括控制命令接受部分和检测结果信号输出部分，用于控制集成微流控芯片系统、处理并输出检测结果。所述通讯单元用于将该集成微流控芯片系统与电脑连接，通过电脑控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在电脑中显示；或者，所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统单独使用，通过控制面板、按键控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在显示屏上显示；或者，所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统作为一个传感器单元应用在无线传感网络中，通过信号控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果通过信号无线传感网络发送到控制中心。

进一步地，该系统还可包括显示屏，控制面板和按键。所述微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元安装在暗盒中，进样单元中的泵安装在暗盒中或安装在暗盒外，显示屏和按键安装在暗盒外壳上，光源单元、检测单元、进样单元和通信单元所涉及的电路及其硬件均安装在暗盒中；所述光源单元、检测单元、进样单元、通信单元、显示屏、控制面板以及按键均通过电连接，实现控制、检测、结果输出操作。

下面通过实施例来进一步说明本发明，但并不限于该实施例。

利用本发明的集成微流控芯片系统检测荧光染料异硫氰酸荧光素(fluoresceinisothiocyanate，FITC)。FITC为黄色或橙黄色结晶粉末，易溶于水或酒精等溶剂。分子量为389.4，最大吸收光波长为490nm，最大发射光波长为520nm，呈现明亮的黄绿色荧光，具有高的荧光效率、好的稳定性、与蛋白质结合能力也较好，是免疫荧光技术中应用最广泛的荧光素。根据荧光染料FITC的荧光特性，选择中心波长为470nm的LED作为激发光源，选择波长为525nm的荧光滤光片。该集成微流控芯片系统暗盒的外观尺寸为24cm×13cm×17cm，显示屏和控制按键安装在暗盒外壳正面，进样单元中的泵位于暗盒外。

微流控芯片如图1所示，微流控芯片为玻璃-PDMS-玻璃三层结构，在PDMS层中采用复制技术制备沟道、进样口和出样口图形，同时将光纤按图1位置埋入PDMS层中。底层玻璃起支撑作用；顶层玻璃在与PDMS层进样口和出样口处预先打有空洞，直接与PDMS层封装，顶层玻璃起密封作用。根据检测区域沟道的尺寸可计算出储存液体的体积约为2.4～3.3μL。

检测方案一：

(1)直接采用微流控芯片系统上的控制面板发出控制命令：依次打开电源、LED光源和光电倍增管，LED激发光经光纤传输到微流控芯片检测区域；

(2)直接采用微流控芯片系统上的控制面板发出开泵命令，在泵的驱动下荧光物质(FITC标准溶液)从进样口导入芯片；

(3)流经检测区域时，直接采用微流控芯片系统上的控制面板发出关泵命令，泵停止，检测单元检测到荧光光强(相对光强)，检测1分钟；

(4)通信单元收到检测单元送来的检测结果，直接在微流控芯片系统上的显示屏上显示；

(5)直接采用微流控芯片系统上的控制面板发出开泵命令，直到全部溶液从芯片流出；

(6)进行下一个不同浓度的FITC标准溶液的检测，检测步骤是进行(2)到(5)；

(7)所有检测结束后，导入清洗液清洗芯片，清洗后直接采用微流控芯片系统上的控制面板发出控制命令：依次关泵、光电倍增管、光源和电源。

检测方案二：

(1)采用电脑控制程序发出控制命令：依次打开电源、LED光源和光电倍增管，LED激发光经光纤传输到微流控芯片检测区域；

(2)采用电脑控制程序发出开泵命令，在泵的驱动下荧光物质(FITC标准溶液)从进样口导入微流控芯片；

(3)流经检测区域时，程序控制发出关泵命令，泵停止，检测单元检测到荧光光强(相对光强)，检测1分钟；

(4)通信单元收到检测单元送来的检测结果并传输到电脑中；

(5)程序控制发出开泵命令，溶液从芯片流出后，程序控制发出关泵命令；

(6)进行下一个不同浓度的FITC标准溶液的检测，检测步骤是进行(2)到(5)；

(7)所有检测结束后，导入清洗液清洗芯片，清洗后，程序控制发出控制命令：依次关泵、光电倍增管、光源和电源。

荧光物质FITC在LED光源激发下发出荧光，并且在一定范围内荧光强度与FITC的浓度成线性关系，检测结果如图4所示。本发明对FITC的检测限可小于1×10^-6g/L，FITC的线性范围在1×10^-6～10^-3g/L。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成微流控芯片系统，其特征在于，该系统包括微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元，其中，所述微流控芯片通过光纤与光源单元连接，通过软管与进样单元连接，所述检测单元连接于微流控芯片的正下方，所述通讯单元与检测单元、光源单元、进样单元电连接；所述微流控芯片具有透光性，荧光物质和待检测试样在微流控芯片中流动检测或静置检测，该微流控芯片包括一出口、一沟道、至少一入口和至少一根光纤；该微流控芯片是玻璃-聚二甲基硅氧烷PDMS-玻璃三层结构，光纤一部分位于PDMS层中，其余部分悬于该微流控芯片之外，其中位于PDMS层中的光纤平行于所述芯片层结构方向；该光纤的一端对准检测区域，另一端对准光源，微流控芯片的检测区域对准检测单元中光电倍增管的检测窗口，激发光通过光纤传输到微流控芯片的检测区域，激发光与检测单元中光电倍增管检测窗口面相平行，其中所述PDMS层中制备了入口、出口和沟道图形，在邻近出口处的沟道为检测区域。

2.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述微流控芯片顶层的玻璃在PDMS入口和出口处打有孔洞，用于进样和出样。

3.根据权利要求2所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述微流控芯片中的光纤用于导入激发光。

4.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述光源单元包括半导体发光二极管LED光源及其辅助电路和软件，用于提供激发光，激发荧光物质发出荧光，激发光通过光纤传输到微流控芯片的检测区域，激发光与检测单元中光电倍增管检测窗口面相平行。

5.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述进样单元包括至少一个泵及其控制软件和电路，用于驱动流体样品导入微流控芯片；所述控制软件和电路用于控制泵的开、关、流速以及方向，所述泵采用两个泵分别用于导入荧光物质和待检测试样，或采用一个泵将荧光物质和待检测试样混合溶液导入芯片。

6.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述检测单元包括光电倍增管、滤光片，以及检测用电路硬件和软件，用于检测荧光物质受激后发射的荧光光强，该荧光光强间接反应待检测物的浓度。

7.根据权利要求6所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述光电倍增管位于微流控芯片检测区域正下方，光电倍增管用于检测微弱光信号；滤光片位于光电倍增管和微流控芯片之间，滤光片用于过滤掉杂光，根据激发光和荧光波长选择滤光片，尽可能滤掉检测波长以外的杂光，透过荧光。

8.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，所述通讯单元包括控制命令接受部分和检测结果信号输出部分，用于控制集成微流控芯片系统、处理并输出检测结果。

9.根据权利要求8所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，

所述通讯单元用于将集成微流控芯片系统与电脑连接，通过电脑控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在电脑中显示；或者，

所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统单独使用，通过控制面板、按键控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果在显示屏上显示；或者，

所述通讯单元可使该集成微流控芯片系统作为一个传感器单元应用在无线传感网络中，通过信号控制该集成微流控芯片系统工作，检测结果通过信号无线传感网络发送到控制中心。

10.根据权利要求1所述的集成微流控芯片系统，其特征在于，该系统还包括显示屏，控制面板和按键，所述微流控芯片、光源单元、进样单元、检测单元和通讯单元安装在暗盒中，进样单元中的泵安装在暗盒中或安装在暗盒外，显示屏和按键安装在暗盒外壳上，光源单元、检测单元、进样单元和通信单元所涉及的电路及其硬件均安装在暗盒中；所述光源单元、检测单元、进样单元、通信单元、显示屏、控制面板以及按键均通过电连接，实现控制、检测、结果输出操作。

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