CN101696916A - 基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置 - Google Patents

Abstract

一种基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，在微分析芯片的取样探针内，有取样通道，试剂通道和载液通道；取样通道、试剂通道与载液通道之间的连通采用T型通道结构、Y型通道结构或十字型通道结构。本发明装置用于基于微分析芯片的液滴分析系统中，克服了现阶段大部分液滴生成系统只能连续生成单一组成液滴，不易随时改变液滴大小和组成，难以实现不同种类试样更换的局限性。具有集成度高、换样操作方便、装置简单、成本低、使用寿命长等优点，为目前微分析芯片液滴分析系统提供了一种新的试样引入和分析筛选模式。

Description

基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置

技术领域

本发明涉及的领域为液滴分析领域，特别是一种基于微分析芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置及其试样引入方法。

背景技术

近十年来，微流控技术向着高集成度、高通量、低消耗、低成本的方向发展，走出一条不同于生物芯片(Microarray)，不同于多孔板阵列技术的道路。特别是基于液滴的微流控分析技术的出现，充分展现了微流控系统在微通道内操控微体积流体的魅力。基于液滴的微流控分析系统将nL至pL级大小的液滴之间用互不相溶的液相或气相作间隔，形成独立的反应容器，目前已成功应用于化学、物理学、生物学及医学等领域。相比于多孔板阵列技术，微流控液滴技术具有操作自动化、分析速度快、试样试剂消耗低的优点。而且不需要一次性反应容器，在不降低实验精确性的情况下显著降低实验易耗品的支出，有望在将来发展成为与多孔板技术相媲美的高通量分析筛选技术。

然而，目前为止，大部分基于液滴的微流控系统仅是生成大量相同化学组成的液滴，还缺少一种能方便的改变液滴内试样的种类和组成的换样方法。现阶段，在微通道内能改变液滴组成的方法主要有两种：一是液滴融合技术，先是产生两类不同组成的液滴，利用电、光镊、微阀、特殊的通道构型，或是通过表面的部分改性等方法将两种液滴融合到一起。该技术需要严格地控制各个液滴的生成频率和液滴的界面性质，不易应用到基于液滴的高通量筛选系统中。第二种方法是利用液滴装载器预先将不同种类或组成的液滴封装，在实验时将其接入芯片微通道中，与试剂汇合形成液滴反应器。该方法将液滴微流控技术真正应用到了筛选分析中，较易实现。但是，该方法需要手工制备液滴装载器，费时费力，而且需要做液滴装载器和芯片的接口，将液滴转移到芯片中。此外，在压力驱动下，尤其是利用气泡间隔液段的微流控系统中，以及筛选试剂和底物反应物的混合比例都需要严格的控制，这就增加了微流控操纵的难度。

发明内容

本发明涉及的领域为基于液滴的分析领域，特别是一种基于微分析芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置及其试样引入方法，利用微分析芯片多通道高集成的优势，加工了多通道集成的芯片一体化取样探针，将试样引入、定量加试剂和液滴生成等操作单元集成到取样探针中。利用该系统首次将一体化取样探针试样引入技术应用到基于微分析芯片的液滴分析系统中，实现对不同试样的高通量试样引入。本发明克服了现阶段大部分液滴生成系统只能连续生成单一组成液滴，不易随时改变液滴大小和组成，难以实现不同种类试样更换的局限性。

本发明提供的芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，在微分析芯片上加工出集成化化取样探针，用于试样引入、试样与试剂的汇合、液滴的生成，以完全自动的方式连续产生不同组成的液滴微反应器。

本发明提供的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，在微分析芯片1的与芯片一体化的取样探针2内，有与芯片一体化的用于吸取试样3的取样通道4，用于试剂5的试剂通道6和载液7的载液通道8；所述试剂通道6与取样通道4相连通，载液通道8与取样通道4相连通，取样通道4、试剂通道6与载液通道8之间的连通采用T型通道结构、Y型通道结构或十字型通道结构。

根据本发明，加工芯片是由玻璃，或者石英玻璃，或者高分子聚合物材料加工而成。

根据本发明，其特征在于，将试样引入、定量加试剂和液滴生成的操作单元集成到尺度不足5毫米×5毫米×10毫米(宽×高×长)的取样探针中，取样探针2内的微通道由取样通道4、试剂通道6和载液通道8构成。三种通道及其相互间的连通口均集成于取样探针2内。

根据本发明，其特征在于，取样探针2的尺寸小于5毫米×5毫米×10毫米(宽×高×长)；取样通道4，试剂通道6和载液通道8的通道的宽度范围是1微米至1毫米，深度范围是1微米至1毫米。

根据本发明，其特征在于，取样探针2中的试剂通道6的数目为1至10条，每条试剂通道6与取样通道4相连通，或者多个试剂通道6先连通，再与取样通道4连通。即可以通过加工单试剂通道或多试剂通道实现试样与单试剂或多种试剂的汇合。也可以利用多种试剂先汇合再与试样汇合的方法，实现试样与多种试剂的汇合。

根据本发明，其特征在于，取样探针2中的载液通道8的数目为1至4条，每条载液通道8与取样通道4相连通。

根据本发明，其特征在于，取样通道4、试剂通道6与载液通道8之间的连通采用T型通道结构、Y型通道结构或者十字型通道结构完成。

根据本发明，其特征在于，在取样探针2中，载液通道8在试剂通道6之后与取样通道4相连通，所有参与反应的试样3和试剂5被同时包裹进液滴9，无需再往液滴中在加入试剂，降低了操控难度，保证了试剂在与不同的试样混合时具有相同的混合比例。

根据本发明，其使用方法是，将取样探针2浸入试样3中，从取样探针2入口吸入试样3进入取样通道4，在取样通道4试样3与试剂5汇合，然后再与载液7汇合，形成由载液7间隔的含有试样3与试剂5的液滴9，该液滴9由取样通道4流入芯片1内进行后续的筛选和分析。试样3与试剂5液体之间可互溶。载液7与试样3不相互溶，与试剂5不相互溶。

根据本发明，其特征在于，当试样3为亲水性液体时，载液7采用疏水性液体，微芯片1内的所有通道包括取样探针2的外壁表面需进行疏水化表面处理；当试样3为疏水性液体时，载液采用亲水性液体，微芯片1内的所有通道包括取样探针2外壁表面需进行憎水化表面处理。

根据本发明，其特征在于，对取样通道4采用负压驱动，对试剂通道6采用正压驱动，对载液通道8采用正压驱动。所述的正压驱动方法包括气压驱动、机械泵驱动和液位差驱动；所述的负压驱动方法为真空驱动、机械泵驱动和液位差驱动。

根据本发明，其特征在于，采用手动或自动的方法，将取样探针插入不同的试样溶液，实现对不同试样的试样引入、试样与试剂的汇合和不同组分液滴的生成。

根据本发明，其特征在于，通过引入不同种类、浓度或大小的染料液滴，从而在大批量液滴阵列中对含不同试样的液滴进行索引和标记。

根据本发明，其特征在于，通过调节各通道内液体的流速来改变液滴的大小。

根据本发明，其特征在于，通过调节试剂通道6内试剂的流速来调整试样与各试剂之间的混合比例，液滴内各组分的混合比例与液滴的大小无关。

根据本发明，其特征在于，检测方法可以采用直接原位激光诱导荧光方法，或者电化学检测方法，或者紫外可见光度法，或者直接电喷雾质谱方法进行检测，也可以将液滴在芯片蜿蜒通道内进行孵育后直接用显微镜进行观察，或者将液滴引出收集后进行离线检测。

根据本发明，其特征在于，在取样通道4的下游区域，可以加工成直线型用于在线检测或用于液滴引出收集，也可以加工成蜿蜒型通道用于延长液滴内组分的反应时间或进行大批量液滴的孵育。

与现有技术相比，本发明优点是：

1.将试样引入、试剂加入和液滴生成的操作单元集成于一体化取样探针内，集成度高。

2.结合自动化试样管操纵系统，可实现对不同试样的高通量自动化的试样引入及不同组分液滴的生成。

3.在液滴生成的同时将所有参与反应的组分都包裹进液滴，无需再往液滴中在加入试剂，降低了操控难度，保证了试剂在与不同的试样混合时具有相同的混合比例。

4.可任意改变液滴内组分的种类和混合比例，生成具有不同组成的液滴反应器阵列。

附图说明

图1.是实施例1的液滴分析筛选装置的芯片通道构型俯视示意图。

图2.是实施例1液滴分析筛选装置的一体化取样探针的俯视示意图。

图3.是实施例1液滴分析筛选装置形成的液滴反应器阵列示意图。

图4.是实施例1利用液滴分析筛选装置进行液滴内酶抑制分析的结果图。

图5.是实施例2液滴分析筛选装置的一体化取样探针的俯视示意图。

图中：1-微芯片、2-取样探针、3-试样、4-取样通道、5-试剂、6-试剂通道、7-载液、8-载液通道、9-液滴、10-取样通道出口、11-试剂通道入口、12-载液通道入口、13-索引液滴、14-筛选试样与反应试剂的液滴

具体实施方式

参照附图，以下将详细描述根据本发明的优选实施例。

实施例1

图1是根据本发明所建立的一种基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置的俯视示意图。在微芯片1上加工出一体化取样探针2，取样探针2中集成了取样通道4、两条试剂通道6以及载液通道8，使其同时具有试样引入、定量加试剂和生成液滴反应器的功能。

在液滴分析筛选装置使用前，需要对微芯片1内的所有微通道以及取样探针2的外壁表面进行憎水化或亲水化处理。将芯片通道内充满载液。用于驱动载液用的注射器内充满载液，注射器通过泵管与载液通道8入口12相连提供正压驱动。用于吸液的注射器则装入少量载液。然后将注射器与取样通道4出口10相连提供负压驱动。在试剂通道6出口11处分别加入一定体积的不同试剂。将取样探针2插入不同的试样3中，完成进样操作。

图2是实施例1液滴分析筛选装置的一体化取样探针的俯视示意图。吸入取样探针2内的试样3首先与试剂通道6内的试剂5在取样通道4内汇合，在到达与载液通道8的十字交叉口处时，在连续相剪切力的作用下被夹断形成液滴9。

图3是实施例1液滴分析筛选装置形成的液滴反应器阵列示意图。通过顺序引入不同的索引染料和筛选试样，在取样通道4下游的蜿蜒通道中形成索引液滴13和筛选试样与反应试剂的液滴14反应器阵列，进行孵育和显微镜观测。图中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)为五种不同筛选试样与反应试剂的液滴14。

图4是利用实施例1的装置进行液滴内酶抑制分析的结果图。在试剂通道6出口11处分别加入一定体积的β-半乳糖苷酶溶液和底物FDG溶液，在试样管内分别加入五种不同浓度的抑制剂DTPA溶液。将DTPA顺序引入到取样探针2中，形成酶、抑制剂和底物的酶液滴反应器阵列。在一定的孵育时间后，将微芯片1放置于荧光显微镜下进行观察，并将荧光照片进行处理，得到每种抑制剂液滴的荧光强度图。当液滴内的抑制剂浓度为0时，酶的活性没有受到抑制，与底物反应后产物的荧光强度最高。随着抑制剂浓度的逐渐升高，产物荧光强度逐渐变弱。当抑制剂浓度增加到5mM时，液滴内已检测不到荧光。

实施例2

图5是根据本发明所建立的又一个实施例的一体化取样探针的俯视示意图。与实施例1不同的是，当液滴反应器仅需要1种试剂参与反应的时候，在取样探针2内仅需加工一条试剂通道6，使筛选试样与试剂形成汇流并生成液滴反应器。这样可以进一步减小取样探针2的大小。

Claims (8)

1.一种基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，在微分析芯片(1)的与芯片一体化的取样探针(2)内，有与芯片一体化的用于吸取试样(3)的取样通道(4)，用于试剂(5)的试剂通道(6)和载液(7)的载液通道(8)；所述试剂通道(6)与取样通道(4)相连通，载液通道(8)与取样通道(4)相连通；取样通道(4)、试剂通道(6)与载液通道(8)之间的连通采用T型通道结构、Y型通道结构或十字型通道结构；三种通道相互间的连通口均集成于取样探针(2)内。

2.根据权利要求1所述的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，取样探针(2)的尺寸小于5毫米×5毫米×10毫米；取样通道(4)、试剂通道(6)或载液通道(8)的通道的宽度范围是1微米至1毫米，深度范围是1微米至1毫米。

3.根据权利要求1所述的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，取样探针(2)中的试剂通道(6)的数目为1至10条，每条试剂通道(6)与取样通道(4)相连通，或者多条试剂通道(6)先连通，再与取样通道(4)连通。

4.根据权利要求1所述的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，取样探针(2)中的载液通道(8)的数目为1至4条，每条载液通道(8)与取样通道(4)相连通。

5.根据权利要求1所述的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置，其特征在于，在取样探针(2)中，在试剂通道(6)与取样通道(4)相连通之后再与载液通道(8)相连。

6.根据权利要求1所述的基于芯片一体化取样探针的液滴分析筛选装置的试样引入方法，其步骤是：将取样探针(2)浸入试样(3)中，从取样探针(2)入口吸入试样(3)进入取样通道(4)，在取样通道(4)中试样(3)与试剂(5)汇合；然后再与载液(7)汇合，形成由载液(7)间隔的含有试样(3)与试剂(5)的液滴(9)；液滴(9)由取样通道(4)流入芯片(1)内进行后续的筛选和分析；试样(3)与试剂(5)液体之间可互溶，载液(7)与试样(3)或试剂(5)不相互溶；将取样探针(2)浸入不同的试样(3)中，实现对不同试样(3)的引入、试样与试剂的汇合、液滴的生成操作。

7.根据权利要求6所述的液滴分析筛选装置的试样引入方法，其特征在于，当试样(3)为亲水性液体时，载液(7)采用疏水性液体，微芯片(1)内的所有通道包括取样探针(2)的外壁表面需进行疏水化表面处理；当试样(3)为疏水性液体时，载液(7)采用亲水性液体，微芯片(1)内的所有通道包括取样探针(2)外壁表面需进行亲水化表面处理。

8.根据权利要求6所述的液滴分析筛选装置的试样引入方法，其特征在于，对取样通道(4)采用负压驱动，对试剂通道(6)采用正压驱动，对载液通道(8)采用正压驱动；所述的正压驱动方法包括气压驱动、机械泵驱动或液位差驱动；所述的负压驱动方法为真空驱动、机械泵驱动或液位差驱动。

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