CN101726578B - 微流控生物芯片精子质量分析仪 - Google Patents

Abstract

微流控生物芯片精子质量分析仪本发明公开了一种微流控生物芯片精子质量分析仪，所述分析仪包括生物芯片和测量主机；所述生物芯片包括样本输入模块和微通道；所述测量主机包括芯片对接模块、流体驱动模块、信号检测处理模块和结果显示记录模块。精液样本在流体驱动模块的驱动下，在所述生物芯片的所述微通道中以设定的流速和方式流动，通过库尔特原理和独特的算法得出被检测精液样本中的精子总数、精子密度和精子活动率。本发明还提供一种精子质量分析方法。本发明仪器实现了对精液样本全自动高通量快速分析，用户只要将含有样本的生物芯片插入主机，仪器就能快捷地输出检测结果报告，操作简便，检测成本低，适用于各级医疗机构和家庭检测。

Description

微流控生物芯片精子质量分析仪

技术领域

本发明为一种新型医疗检验仪器设备，涉及微流控生物芯片技术在精子质量检测分析领域的创新应用。 

背景技术

精子的信息是诊断男性生育能力的依据，绝大多数精子检测都在医院中完成，检测的项目包括精子密度、活动率、畸形率等。精子检查在医院中采用的主要检测方法有显微镜人工镜检法和计算机辅助精子质量分析系统(CASA)。镜检法，设备简单、成本低，但是人为误差较大，影响检验结果的因素较多，结果准确性不高，由于视野选择的随机性、精液本身的不均匀特性以及每次只检查50到100个细胞，使得同一个医师对同一份样本的两次检查结果可能存在50％以上的误差，不同医师之间的检测误差更大。八十年代以来，由计算机技术和光电技术发展的计算机辅助精子质量分析系统(CASA)，主要由显微镜、CCD摄像头、图像采集卡和计算机、打印机等组成，虽然克服了一些人为误差的因素，但原理上与镜检法相比并没有根本的改变，上述视野和检查细胞数量少等问题仍然照旧，而且还需要专业人员和昂贵的医疗设备才能实现。 

由于精子测试取样的特殊性：隐私和尴尬，所有的男性都希望能够在家中自行完成检测，世界各国科研机构和厂家对家用精子简便型测量设备的开发和改进工作一直在进行。根据世界卫生组织WHO定义，生育最基本标准为精子密度大于两千万/毫升，活动率A+B级大于50％，精液体积大于2毫升，这几项指标在早期筛查诊断中有重要的临床意义，所以一些海外科技公司相继开发了基于这些基本参数的自动化快速精子检测仪器，用于医疗机构、家庭诊断，同时还可以用于畜牧养殖。 

美国专利号4,880,732描述了一种使用荧光染色的方法快速的测量精液的浓度。通过检测被荧光染色的精子的密度得到精子的数量。但是由于此种方法的的装置非常昂贵(特别是光电倍增管等光学测量元器件)以及测量中需要荧光染色等的复杂过程，使得这种装置不能被广泛使用。 

美国专利号5,402,240描述了一种装置应用Beer-Lambert定理，发射电磁波(光线)穿过精液找到吸收率与浓度的关系，从而得出精子的密度，也就是比色法。但是同样的问题，设备的成本也很高。以上两种设备有用于畜牧养殖厂的动物诊断。 

美国专利号7,252,642和中国专利00239711.0也描述了一种类似并有改进的光学法，除了测量精子密度，还在取样器通道中利用小孔光密度变化信号测试活动精子群体的运动信息，借此估算出密度和活动率的参数。但由于沿袭光学比色方法，只是粗略估算，准确率和重复性不高，并且设备价格还高于CASA，因此这项技术并没有在医院得到广泛的认可和使用。 

美国专利号5,055,411和5,068,089描述了使用化学染色剂的一种方法。染色剂变化的范围(比色显示)被认为是精子的受孕能力。这种测量方法是可以在家中使用，但是它的局限性在于，这种复杂的方法被要求必须高于室内温度时才可以使用，而且结果仅 仅显示精子的密度是否每毫升高于两千万精虫这唯一的结果，并且只能靠肉眼对比色条来判断。 

美国专利号5,895,749和5,935,800描述了GpX抗体于每一个在精液内的精子发生作用后，测量抗体的浓度从而得到精子的浓度。这方法要求添加一些反应物，需要复杂的过程才能完成。并且与上述专利描述的方法相似的是，结果一样只能通过肉眼进行颜色比对来大致判断其精子密度是否超过每毫升两千万数量。 

因此，如何能够提供一种自动化程度高，准确、快速、方便、低成本，可以同时适用于医疗机构和家庭测试的精子检测设备成为业界发展方向。 

发明内容

本发明的提供了一种微流控生物芯片精子质量分析仪，实现了精子质量分析的全自动、高通量、方便、快速、低成本，利用微流体控制技术、生物芯片技术、库尔特细胞计数原理技术，精子细胞运动特性活动率算法等，每次检测可以自动对样本中多达上万个精子细胞逐一分析，显著提高了检测结果的准确度和重复性，一次性的生物芯片结合便携式的分析仪主机，十分适用于各级医疗机构和一般家庭检测，并可用于畜牧养殖业中的动物精子质量分析。 

所述的微流控生物芯片精子质量分析仪包括生物芯片和测量主机。所述生物芯片包括样本输入模块和微通道，所述的微通道包括样本入口池、特定设计的通道和负压气源接口，所述的特定设计的通道包括样本预处理通道、一系列的分析通道和样本后处理通道，所述的样本预处理通道的作用是实现精液样本的混匀、稀释、化学反应、温度控制、细胞筛选等样本预处理工作，所述的分析通道的作用是实现细胞计数和分析工作，所述的样本后处理通道的作用是后精液样本的后处理工作，所述的样本输入模块的作用是将被分析的精液样本输入到所述的生物芯片的所述的微通道的所述的样本入口池中，同时也可以增加精液样本的混匀、稀释、化学反应、温度控制的样本预处理功能。 

所述的分析通道的入口和出口处都设有一个微孔传感器，分析通道可以是多个，多个分析通道可以串联排列，也可以并联排列。所述的微孔传感器包括一个与所述的微通道相连通的微孔以及布置在微孔两端的一对检测微电极，所述检测微电极的一端在所述微通道中，与所述微通道中的液体相接触。 

所述的测量主机包括芯片对接模块、负压气源模块、信号检测处理模块和结果显示记录模块。 

用户将待分析的精液样本输入生物芯片的样本入口池，并将生物芯片插入主机，启动仪器后，样本由与生物芯片的负压气源接口连接的，设置在主机上的负压气源模块提供的负压气压驱动，按设定方式流经芯片的微通道。 

本发明利用到精子在流动液体中总是逆流而上游动的特性：在设定的流速中，活动力强的精子在流体中会保持在一定的位置，甚至回流，而活动力弱的和死的精子则会顺着液流方向被冲走。因此，只要计算出一定体积的以一定流速流动的精液中有多少精子细胞能够保持在一定的位置或回流，而不被冲走，就能得出在这一定量的精液中的所有精子中运动速度大于这个流速的精子所占的比例，即为大于所述流速的精子活动率，这就是本发明中所谓的精子细胞运动特性活动率算法。 

这一算法在本发明中的具体实现是这样的：在生物芯片微通道中设置有一系列微孔传感器，由于细胞膜的电容特性，通过微孔传感器的精子细胞会使微孔处的液体低频(包括直流)导电率下降，即微孔内液体阻抗升高，而设置在每个所述的微孔两端的一对检测微电极以电压脉冲的形式实时检测这一阻抗变化，并将此精子的生物阻抗电压脉冲信息上传至所述测量主机的所述信号检测处理模块中进行分析和处理。因此，在生物芯片的微通道中设定分析通道，在分析通道的入口和出口都设置一个微孔传感器，利用这两个传感器的计数和时间数据，便可计算出在特定时间内流经和流出分析通道的精子细胞，从而计算出流经这个设定流速的通道的精子中，精子自身运动速度大于和小于此流速的精子数量，(在通过的精子数量极小的情况下，还可以判断每个精子的速度信息)。这样，通过在芯片中设置一系列不同流速的分析通道，当样本通过这些分析通道后，便可快速计算出样本中的精子总数、精子密度以及各级活动力(运动速度)精子所占的比例，即精子活动率。 

在电路上，从所述的生物芯片上的微孔传感器中记录每个通过微孔的精子细胞产生的生物阻抗电压脉冲信号，并将此电学信息通过信号电极接口传递到主机的信号检测处理模块上，然后在信号处理模块中经过运算、放大，AD转换成数字信号，再由微处理器进行数据采集、处理和分析，通过独特的算法得出被检测精液样本中的精子总数、精子密度和精子活动率，最后在结果显示记录模块中直接显示或打印出结果报告单。 

精子质量分析生物芯片和精液预处理杯都是一次性的，十分方便，使用过后可以被妥善处理。 

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述。 

图1(a)为现有技术的库尔特原理微孔细胞分析仪的测量原理图； 

图1(b)为图1(a)现有技术的库尔特原理微孔细胞分析仪的测量原理中细胞通过微孔的示意图； 

图2为精子细胞在本发明生物芯片的分析通道中运动的示意图； 

图3为本发明微流控生物芯片精子分析仪的装置结构示意图； 

图4为本发明生物芯片的结构示意图； 

图5为本发明生物芯片的微孔传感器进行处理后的信号图示意； 

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例进行更为详细的说明。 

男性的精子细胞，由于细胞膜的膜电容特性，整个细胞在直流，以及低频(根据实验结果，对于人类精子细胞，这个低频为5MHz以下的频率)的电场中，表现为非导电性。根据细胞和其它非导电微粒的非导电性进行微粒计数和分析的原理，即为库尔特(Coulter)原理。其原理如图1(a)和图1(b)所示，由于真空压力的作用，悬浮在电解液18中的细胞/微粒22，从前池21，经过微孔20，被吸到后池23，当细胞/微粒22通过微孔20时，微孔20处的阻抗将升高，这一阻抗变化导至检测微孔电压的一对电级，阳电极19和阴电级20，纪录下一个电压脉冲信号，并通过此信号对电解液18中的细胞/微粒22进行计数和分析。本发明依据库尔特(Coulter)原理进行精子细胞的计数和分析。 

本发明同时利用到精子细胞的运动特性来分析精子活动力指标(即精子细胞的运动速度分析)。所述的精子细胞的运动特性是精子细胞在流动液体中总是逆流而上游动的特性。人类精子的平均运动速度是56.44微米/秒(Bates，Karl Leif.New Breed of Fertility Therapy.Detroit News.12February1996)，最快速度可达100微米/秒；动物精子(本发明可用于畜牧养殖业中的动物精子质量分析)，如牛和鼠的精子运动速度是68-162微米/秒(Katz，D.F.&H.M.Dott.″Methods of measuring swimming speed ofspermatozoa.″Journal of Reproductive Fertility.45，2(November1975)：263-72)；短尾猿的精子速度是现今测试过的灵长类动物中最快的，最快可超过200微米/秒。在设定的流速中(本发明的分析通道设定流速为1～500微米/秒)，活动力强的精子在流体中会保持在一定的位置，甚至回流，而活动力弱的和死的精子则会顺着液流方向被冲走。如图2所示，当精液样本25在分析通道中流动时(对于人类精子，液体流动速度可设定在100微米/秒以内，液体流动方向29如图2中标注所示)，活动力弱的精子26和死精子28都会顺着液体流动方向29被冲走，而在流动的精液样本25中会一致地朝与液体流动方向29相反的方向游动，当活动力强的精子27的精子游动速度大于液体流动速度时，精子细胞便会回流。并且，活动力强的精子更趋向于接近通道壁游动，因为越靠近通道壁液体流动速度越慢。 

在本发明的生物芯片包括样本输入模块和微通道。如图3所示，所述的微通道包括样本入口池1、样本预处理通道3、分析通道6、样本后处理通道7，负压气源接口8。图4中仅简化示意：出样本入口池1，负压气源接口8和一个分析通道6。本发明的生物芯片在分析通道6前后可以增加所述的样本预处理通道和所述的样本后处理通道，完成样本预处理和后处理工作，并且分析通道可以是多个，多个分析通道可以串联排列，也可以并联排列。 

本发明的分析通道6中，在通道的入口和出口分别都设置有一个微孔传感器，与样本入口池1一端连接的微孔传感器包括微孔4a和一对检测微电级5a；与负压气源接口8一端连接的微孔传感器包括微孔4b和一对检测微电级5b。由于细胞膜的电容特性，通过微孔传感器的精子细胞会使微孔处的液体低频(包括直流)导电率下降，即微孔内液体阻抗升高，而设置在每个微孔两端的一对检测微电极以电压脉冲的形式实时检测这一阻抗变化，并将此精子的生物阻抗电压脉冲信息上传至所述测量主机的所述信号检测处理模块中 

本发明的微流控生物芯片精子质量分析仪中，被检测的精液中的所有精子细胞首先通过样本入口池1进入所述的生物芯片2，在测量主机中的负压气源模块9的驱动之下，流过样本预处理通道3，并依次通过分析通道6的微孔4a，在分析通道6中活动力强的精子在流体中会保持在一定的位置，甚至回流并聚集在分析通道6靠近微孔4a的前部；而活动力弱的和死的精子则会顺着液流方向被冲过微孔4b，并最后随精液样本一同流入样本后处理通道。 

在本发明中，与分析通道6连接的样本预处理通道3的通道截面积小于分析通道6的通道截面积，以保证精液样本在样本预处理通道3的流动速度大于在分析通道6中的流动速度，并且足够大，以至于其中所有的精子细胞都会被冲进第一个分析通道，而不会在进入第一个分析通道之前就产生回流，这样将一段时间T0秒内通过第一个分析通道6的微孔4a的精子总数N0除以同一段时间内通过微孔4a的精液样本的体积V0，再除以之前精液样本的稀释比U(小于或等于1)，再再乘以一个校准系数ε0，结果就得出本次分析的精液样 本的精子密度C，如下述公式(1)所示： 

$C=(\frac{N0}{V0}/U)\×\mathrm{\ϵ}0---\left(1\right)$

在本发明中，精子密度C乘以精液总体积V，就得出本次分析的精液样本的精子总数N，如下述公式(2)所示： 

N＝C×V    ----------------------------(2) 

在本发明中，将从TS时刻开始的一段时间T秒内通过一个分析通道6的微孔4a的精子总数N1减去TS+T1时刻开始的T秒内通过一个分析通道6的微孔4b的精子总数N2，再除以N1，乘以一个校准系数ε1，再乘以100％，结果就是本次分析的精液样本中精子运动速度大于x1的比例Y1，如下述公式(3)所示： 

$Y1=\frac{N1-N2}{N1}\×\mathrm{\ϵ}1\×100\%---\left(3\right)$

其中X1为精液样本在分析通道6中的流动速度，L1为分析通道6的通道长度，T1＝L1/X1。 

因此，在生物芯片微通道中设定一系列不同流速的分析通道，在每个分析通道的入口和出口设置微孔传感器，利用这两个传感器的计数和时间数据，便可计算出流经不同设定流速(例如：X1，X2，X3，X4)的分析通道的精子中，精子自身运动速度大于此流速的精子的数量和比例(例如：Y1，Y2，Y3，Y4)(在通过的精子数量极小的情况下，还可以判断每个精子的速度信息)，这样便可快速计算出精液样本中各级运动速度精子所占的比例，即为精子活动率。 

本发明的微孔4a和4b的尺寸只有几十微米的量级，微通道的尺寸在几十到几千微米的量级，设置在微孔两边的一对检测微电级5a和5b的尺寸也在几十微米的量级。 

本发明所述的测量主机与所述的生物芯片通过所述的芯片对接模块17相互联系和作用，所述的芯片对接模块17将所述的测量主机上的所述的负压气源模块9和所述的生物芯片上的所述的负压气源接口8密封对接，并将所述的测量主机上的所述的信号检测处理模块16和所述的生物芯片上的所有所述的微孔传感器的所有检测微电极(如图3所示，仅示意一个分析通道的情况，故只有检测微电极5a和5b)对接。 

本发明所述的测量主机的信号检测处理模块16的电路中设置有微孔传感器的电源驱动单元和信号提取单元，每一个分析通道有两对微孔传感器，在测量主机上就相应地配备有两个配套的电源驱动单元和信号提取单元。如图3所示，仅为示意一个分析通道的情况：电源驱动单元15a和15b，用于驱动所述的检测微电级5a和5b的阻抗变化，并输出电压脉冲信号；信号提取单元14a和14b对相应的信号进行处理，并经A/D采样单元13和信号识别单元12，之后在算法处理单元11进行计算，最终的测量结果在结果显示和记录模块10中被显示和储存。图示箭头示意电流或者信号的流向，上述电路的处理过程为现有技术所周知，在此不再赘述。 

如图5所示，为精子细胞通过微孔传感器产生的电压脉冲信号图，纵坐标为电压值，横坐标为时间。每个明显突出的电压脉冲表示通过微孔的一个精子细胞，脉冲越高表示精子细胞的体积越大。 

综合上述，本发明的微流控生物芯片精子质量分析仪提供了一种廉价而有效的精 子质量分析技术，结合测量主机和一次性生物芯片的组合操作，对比其它现有精子质量分析技术，本发明可以快速、方便、精确地完成精液中精子质量的检测，得出精子总数、精子密度、精子活动率的各项参数结果，十分适用于各级医疗机构和一般家庭检测，用于筛查男性精子质量，早期诊断不育症，并指导用户选择合适的生育时间，本发明并可用于畜牧养殖业中的动物精子质量分析。 

当然，上述针对本发明较佳实施例的描述较为具体，并不能因此理解为对本发明专利保护范围的限制。本发明不局限于所述的实施例，并且能对这些实施应用许多的改变而不会超出本发明的范围。 

例如，本发明微流控生物芯片精子质量分析仪的生物芯片的结构并不限如图3和图4所示简化的单一分析通道，可以增加多个分析通道，以便对更多不同精子细胞运动速度进行检测，也可通过并联的多个同一设定流速的分析通道同时分析更多精子细胞，提高精子质量分析的效率。所述样本入口池可以是多个池，以便加入不同的样本或试剂。 

另外在本发明的生物芯片的所述的样本预处理通道中，以及所述的样本输入模块中都可以采用液化蛋白酶的化学处理流程，以便加快精液的液化速度，让精液样本在采集后能过更快地液化，然后适用于检测。 

而且，本发明微流控生物芯片精子质量分析仪的装置结构不仅限于对精子细胞的质量分析和检测，也可以用于对血细胞的细胞计数和分析，以及其它体液的检测如尿液、唾液等。因此，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (3)

1.一种微流控生物芯片精子质量分析仪，其特征在于：所述的微流控生物芯片精子质量分析仪包括：生物芯片和测量主机，所述的生物芯片的作用是提供精液样本流动、反应和检测的场所，所述测量主机的作用是对插入主机的所述的生物芯片进行液流控制、信号采集、分析处理，以及结果的显示；

所述的生物芯片包括样本输入模块和微通道，所述的微通道包括样本入口池、特定设计的通道和负压气源接口，所述的特定设计的通道包括样本预处理通道、一系列的分析通道和样本后处理通道，所述的样本预处理通道的作用是实现精液样本的混匀、稀释、化学反应、温度控制、细胞筛选等样本预处理工作，所述的分析通道的作用是实现细胞计数和分析工作，所述的分析通道的截面尺寸宽度在10～1000微米，高度在10～1000微米，所述的样本后处理通道的作用是后精液样本的后处理工作，所述样本输入模块的作用是将被分析的精液样本输入所述样本入口池中；

所述分析通道的入口和出口处都设有一个微孔传感器，所述微孔传感器包括一个微孔和位于微孔两端的一对检测微电级；所述微孔与所述的微通道相连通，所述检测微电极的一端在所述微通道中，且与所述微通道中的液体相接触；

所述分析通道连接的样本预处理通道的通道截面积小于分析通道的通道截面积，以保证精液样本在样本预处理通道的流动速度大于在分析通道中的流动速度，并且足够大，以至于其中所有的精子细胞都会被冲进第一个分析通道，而不会在进入第一个分析通道之前就产生回流，精液样本在所述负压气源模块提供的负气压驱动下，液体在所述的微通道中的流速设定为1微米/秒到10毫米/秒之间，当液体在所述的分析通道中流动时，流速设定为1微米/秒到500微米/秒之间；

所述的测量主机包括芯片对接模块、负压气源模块、信号检测处理模块和结果显示记录模块，所述的芯片对接模块的作用是将所述的测量主机上的所述的负压气源模块和所述的生物芯片上的所述的负压气源接口密封对接，并将所述的测量主机上的所述的信号检测处理模块和所述的生物芯片上的一系列的所述的微孔传感器的所述的检测微电极对接，所述的负压气源模块的作用是提供负气压。

2.根据权利要求1所述的一种微流控生物芯片精子质量分析仪，其特征在于所述的样本输入模块中可以增加精液样本的混匀、稀释、化学反应、温度控制的样本预处理功能。

3.根据权利要求1所述的一种微流控生物芯片精子质量分析仪，其特征在于包括多个分析通道，所述多个分析通道串联排列或并联排列。

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