CN102472739B - 离心式微流装置和用于检测来自液体样本的分析物的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于检测液体样本中的分析物的离心式微流装置和一种利用该微流装置检测来自液体样本的分析物的方法。通过利用交替组合的毛细管力和离心力而诱导的液体样本的重复流动提高反应效率，从而提高了检测灵敏度。

Description

离心式微流装置和用于检测来自液体样本的分析物的方法
技术领域
根据示例性实施例的设备和方法总体涉及一种用于检测液体样本中的分析物的离心式微流装置和一种利用该微流装置的检测方法，更具体地讲，涉及一种以提高的灵敏度检测来自液体样本的分析物的离心式微流装置以及一种利用该微流装置检测液体样本中的分析物的方法，其中，通过毛细管力和离心力两者的作用引起的液体样本的重复流动提高了反应效率。
背景技术
为了使流体在微流装置的微流结构中流动或移动，通常需要驱动压力。驱动压力可以是毛细管压力或者利用另外的泵产生的压力。近年来，已经提出将临床诊断分析仪设计成能够以简单且经济的方式检测存在于少量流体中的目标材料。一个示例是安装在诸如盘上实验室和/或实验室致密盘(CD)的圆盘式旋转平台上的具有微流结构的离心式微流装置。
盘上实验室是指盘上的实验室，是一种CD型装置，其中，各种实验单元集成在CD型装置中，用来分析实验室中使用的生物分子，以在小盘上执行对样品的例如包括分离、纯化、混合、标记、化验和/或洗涤的若干实验过程。在将诸如血液的生物样品引入到放置在盘上的微流结构中时，CD型装置可以有利地转移诸如生物样品、化学试剂等流体。离心力可以单独用来引入驱动压力和输送流体而无需另外的驱动系统。
近来，已经在研究用于血液分析的芯片实验室的快速获得来自从临床案例收集的血样样品的各种信息的能力的用途。因此，开发了快速芯片或快速试剂盒。对于这样的快速芯片或快速试剂盒，若干过程仅在快速芯片或快速试剂盒的反应部进行，所述若干过程包括：将要分析的物质(即，分析物)与可探测信号发生器的结合；分析物和可探测信号发生器的合成物(称作“可探测信号发生器-分析物复合体”)与捕获结合物的结合以及对它们的洗涤等。然而，由于首先要将分析物与标记试剂结合，所以需要大量的标记试剂，尽管该需求在实际方面极少被满足。此外，如果分析物不与标记试剂充分地反应，则分析物与可探测信号发生器的未结合部分可与存在于检测线上的捕获结合物结合，进而竞争性地抑制可探测信号发生器-分析物复合体结合到对照线或检测线。此外，分析物与每种试剂的结合仅在一个方向上的单个液体样品流中终止，由此导致结合不充分并引起灵敏度的降低和定量分析的困难。试剂盒没有用来控制可探测信号发生器的再水解率的有效装置，因此可探测信号发生器被流经其的恒定体积的液体样品过度地再水解，由此引起可探测信号发生器在早期阶段的浪费。另一方面，可探测信号发生器的再水解在晚期阶段急剧减少，因此引起分析物的敏感检测的困难。
发明内容
技术问题
一个或多个示例性实施例提供一种具有提高的灵敏度的用于检测来自液体样本的分析物的离心式微流装置及利用微流装置来检测来自液体样本的分析物的方法，其中，通过毛细管力和离心力的结合而诱导的液体样本的重复流动提高反应效率。
技术方案
根据示例性实施例的方面，提供了一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：旋转体；至少一个微流结构，包括多个室、通过其将多个室彼此连接的至少一个通道以及用来打开和关闭所述至少一个通道的至少一个阀；探测单元，其中，所述多个室包括：反应室，在反应室，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种。
根据另一示例性实施例的方面，提供了一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：至少一个微流结构，具有多个室，通过其将多个室连接的至少一个通道以及用来打开和关闭所述至少一个通道的至少一个阀；探测单元，探测反应室的探测区域的吸光率，其中，多个室包括：反应室，在反应室，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，其中，至少一个阀控制反应室与分析室之间的流体的输送，其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种。
根据另一示例性实施例的方面，提供了一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：旋转体；至少一个微流结构，具有多个室以及通过其将多个室连接在一起的至少一个通道；探测单元，探测反应室的探测区域的吸光率，其中，所述多个室包括：反应室，在反应室，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种。
捕获结合物和可探测信号发生器可选自于脱氧核糖核酸(DNA)、寡核苷酸、核糖核酸(RNA)、RNA适配体、肽核酸(PNA)、配体、受体、半抗原、抗原和抗体；然而，它们不具体局限于此。
分析室还可包括承载从反应室提供的流体的容器。
探测区域可在容器的一端与容器接触。
探测区域还可包括：检测区域，固定有捕获结合物；以及对照区域，相对于毛细作用方向位于检测区域的下游并与检测区域分开一定的距离。
探测区域的包括检测区域和对照区域的部分可以沿毛细作用的方向倾斜。
多个室还可包括相对于离心力的方向位于分析室的下游的截止室，以接收来自分析室的液体样本。
可探测信号发生器以液态或干燥的固体状态容纳在反应室中。
可探测信号发生器可包括聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧(Ⅲ)螯合物的材料、聚合物纳米颗粒或放射性同位素。
探测单元可探测并分析与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
探测单元可包括光源单元和光接收单元，使得光接收单元与光源单元对齐以接收从光源单元发射的穿过分析室的光。
根据另一示例性实施例的方面，提供了一种分析液体样本中的分析物的方法，所述方法包括：将液体样本注入到微流装置的微流结构中，将液体样本离心以获得上清液；将上清液输送到其中容纳有可探测信号发生器的反应室中；将上清液中的分析物与可探测信号发生器结合，以产生可探测信号发生器-分析物复合体；使微流装置经历离心；将可探测信号发生器-分析物复合体输送到分析室中，其中，分析室位于反应室的下游，其中，分析室包括固定有捕获结合物的探测区域，其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构或微柱；通过毛细管力来移动分析室中的发生器-分析物复合体；将上清液中的可探测信号发生器-分析物复合体与分析室中的捕获结合物结合；向微流装置施加离心力，以将移动到分析室的端部的上清液输送到分析室的前端并同时将上清液中的可探测信号-分析物复合体与分析室中的捕获结合物结合；探测与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
上清液的从分析室的一个端部到分析室的另一端部的移动可进行至少两次。
分析室还可包括承载从反应室提供的流体的容器。
探测区域可在容器的一端与容器接触。
对于离心式微流装置来说，微流结构还可包括相对于离心力的方向位于分析室的下游的截止室，以接收来自分析室的液体样本。
可探测信号发生器以液体或干燥的固体状态容纳在反应室中。
可探测信号发生器可包括聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧(Ⅲ)螯合物的材料、聚合物纳米颗粒或放射性同位素。
在探测可探测信号发生器-分析物复合体之前，可将容纳在分析室中的液体样本输送到截止室中，从而将可探测信号发生器-分析物复合体与捕获结合物之间的反应终止。
发明的有益效果
从上面的描述显而易见的是，与利用按单一方向施加的毛细管力使流体与固定的试剂反应的传统技术相比，实现了反应时间的两倍增长，进而显著提高了反应灵敏性。
此外，在通过第二次应用毛细作用将流体完全移动到区域之后，通过微流装置的旋转产生的离心力的第二次应用可以将流体再次输送到容器中，从而可使分析物-第一试剂复合体的未通过第二次毛细作用而结合的部分重复经历反应。在一个示例性实施例中，反应循环被重复期望的重复次数，从而充分地进行反应，由此显著提高分析物的探测灵敏度。
附图说明
通过下面结合附图进行的示例性实施例的描述，上述和/或其他方面将变得明显且更易于理解，附图中：
图1是示出根据示例性实施例的微流装置的构造的示意图；
图2是示出图1所示的微流装置中的微流结构的构造的示意图；
图3是示出样品室的详细视图；
图4是示出样品分离单元的详细视图；
图5是示出根据示例性实施例的形成在探测区域内的微柱的放大视图；
图6是示出根据另一示例性实施例的分析室的侧视图；
图7是根据示例性实施例的检测系统的框图；
图8是解释使用根据示例性实施例的微流装置来检测来自液体样本的分析物的方法的流程图。
具体实施方式
下面，将参照附图来描述根据示例性实施例的实用方法。然而，发明构思可以以各种其他形式实施，不具体局限于在这里描述的这些形式。
一个示例性实施例提供了一种用于检测来自液体样本的分析物的离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：旋转体；至少一个微流结构，具有多个室、将多个室连接在一起的至少一个通道以及用来打开和关闭通道的至少一个阀；以及探测单元，其中，所述装置还具有：反应室，用来容纳要与液体样本中的分析物结合的可探测信号发生器；分析室，位于反应室的下游并包括探测区域，将与可探测信号发生器-分析物复合体结合的捕获结合物固定于探测区域，并且，其中，在反应室和分析室之间输送的液体由上述阀控制，并且探测区域包括多孔膜、微孔结构或微柱。
检测样品可包括，例如，DNA、寡核苷酸、RNA、PNA、配体、受体、抗原、抗体、牛奶、尿、唾液、头发、农作物样本、肉类样本、鸟类样本、牲畜样本、处理的血样样本、口腔细胞、组织样本、精液、蛋白质或其他生物材料；然而，检测样品不具体局限于此。可以通过使用缓冲液的溶解来以液体或流体状态使用这样的样品。尽管分析物不受到具体限制，但是分析物可包括，例如，蛋白质、抗原、抗体、DNA或RNA、寡核苷酸、受体等。对于尿样本来说，分析物可以是血液、葡萄糖、抗坏血酸、酮、蛋白质、糖、尿胆原、胆红素等。
图1是示出根据示例性实施例的微流装置的构造的示意图，而图2是示出根据示例性实施例的微流结构的构造的示意图。
用在一个示例性实施例中的旋转体10可包括圆盘型平台20(见图1)。然而，平台20的形状不具体局限于圆形盘形式。可使用压克力或其他塑料材料来形成平台，这些材料均容易成形且具有生物非活性表面。然而，用于旋转体的制造的原材料不受到具体的限制并可包括具有化学或生物稳定性、透光性和/或机械可加工性的任何材料。
可在平台上设置至少一个微流结构30。例如，在将平台20划分为若干部分30、40之后，分离的微流结构31、41可彼此独立地分别放置在部分30、40上。图1示出具有两个微流结构31、41形成其上的特定平台20。
在这里使用的术语“微流结构”是指包括多个室、通道和阀并引导液体流动的大致结构，而不是具体的结构物。因此，“微流结构”可根据诸如室、通道和/或阀的布置和/或容纳在该结构中的材料的种类之类的特征而形成具有不同功能或性能的特定的单元。
因此，微流装置可广泛地用在各种应用中，例如，各种化合物的检测、环境有害物质的检测、血液分析、尿分析、基于抗原-抗体应答的免疫分析、基于配体-受体结合的新药候选物的研究、DNA/RNA分析等。此外，微流装置可同时检测和分析至少两种分析物。
可使用选自于诸如塑料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、云母、硅石、硅晶片材料等的各种材料中的至少一种材料来制造平台。考虑到经济优点和简单的可加工性而使用塑料材料。可能的塑料材料可包括聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。
可使用通过旋转体10的旋转产生的离心力将液体样品、缓冲液、反应溶液等输送到单独的室中。旋转体10具有用于高速旋转的旋转驱动器D(见图7)。通过旋转驱动器D的旋转产生的离心力可启动样品的输送和/或混合。
图2示出了样品室100、样品分离单元200、反应室300和分析室400。
样品室100可提供容纳诸如血液之类的流体类型样品的空间。样品分离单元200可使样品离心分离为上清液(即，血清、血浆等)和沉淀物(即，血细胞)。反应室300和分析室400是通过抗原-抗体应答、配体-受体结合等来探测包含在上清液中的特定蛋白质、葡萄糖、胆固醇、尿酸、肌酐、酒精等的结构。
图3是示出样品室100的详细视图。参照图3，样品室100具有样品引入入口100和样品容纳单元120。样品容纳单元120具有连接到样品分离单元200(未示出)的出口130。尽管未在附图中示出，但是出口130可形成为产生毛细管力，从而在不施加离心力时防止流体样品向样品分离单元200移动，如下所述。可选地，为了控制流体样品的流动，可在出口130上安装阀。此外，样品室100可具有从入口110向出口130增大的截面，使得包含在样品容纳单元120中的样品通过离心力容易地向样品分离单元200流动。为了有助于样品通过样品穿过入口110的注入压力而向样品分离单元120流动，此外，为了阻挡进入到样品容纳单元120的样品朝着入口110的逆流，可在入口110和样品容纳单元120之间布置产生毛细管压力的可选结构。诸如毛细管阀类型结构的该可选结构仅在施加期望的压力时将样品传送过样品室100。
样品容纳单元120可具有沿与样品流动方向交叉的方向的至少一个抗逆流单元140，其中，样品从入口110向出口130流动。抗逆流单元140可为肋形式。抗逆流单元140在样品的流动中产生阻力，结果抑制了样品从样品容纳单元120向入口110的逆向流动。
由于从样品室100到样品分离单元200的样品的输送利用通过旋转体10的旋转的离心力，所以样品容纳单元200适当地比样品室100更向外定位。用于样品的离心的样品分离单元200可构造为不同形式，并在图4中示出了样品分离单元200的示例性实施例。参照图4，样品分离单元200可包括从样品室100向外延伸的通道型上清液收集器210和沉淀物收集器220，沉淀物收集器220是形成在上清液收集器210的端部处的收集具有相对高的特定重力的沉淀物的空间。上清液收集器210具有用来将上清液分配到反应室300(未示出)中的样品分配通道230。可通过阀231来控制穿过样品分配通道230的样品的流动。阀231可以是任意类型的微流阀。例如，阀231可包括所谓的“常闭阀”，其中，该阀的通道是关闭的来防止流体流动，除非该阀被外部电源打开。
返回参照图2，上清液计量室250可以布置在样品分离单元200与反应室300之间，从而测量上清液的量。上清液计量室250的体积可足够支持检测所需的特定量的上清液。阀251安装在上清液计量室250的出口上，从而控制流体流动。阀251可以是与阀231一样的常闭阀。上清液计量室250通过通道252连接到反应室300。尽管未在附图中示出，但是可以在样品分配通道230与上清液计量室250之间设置可选的室和额外的流体通道，从而在计量后接收液相残余中的过多的样品。
第一缓冲液室310和第二缓冲液室320可容纳抗原-抗体应答或生化反应(诸如配体-受体结合)所需的反应物(即，反应溶液)。
第一缓冲液室310容纳第一缓冲液。第一缓冲液可包括，例如，用于夹心免疫方法的共轭缓冲液、用于竞争性免疫方法的含竞争性蛋白质的缓冲液、含有包括例如用于DNA扩增的聚合酶在内的各种酶和引物的缓冲液等。
第一缓冲液室310连接到第一通风室313。第一通风室313形成用于将第一缓冲液室310与外部空气连通的通风通道，由此容易地排出容纳在第一缓冲液室310中的第一缓冲液。阀314布置在第一缓冲液室310与第一通风室313之间。另一阀311安装在第一缓冲液室310的出口上。这样的阀311和314均如上所述可是常闭阀。通过向第一缓冲液室310引入第一缓冲液并安装阀311和314，第一缓冲液室310可保持密闭直到阀311和314打开。根据另一示例性实施例，可在第一缓冲液室310的出口处设置计量室(未示出)，以向反应室300提供检测所需的恒定量的第一缓冲液。如果将阀(未示出)安装在计量室(未示出)的出口处，则可以控制第一缓冲液流动。如果不使用计量室，则可以通过打开安装在第一缓冲液室310的出口处的阀311直接将第一缓冲液从第一缓冲液室310供给到反应室300。
第二缓冲液室320容纳第二缓冲液。第二缓冲液可包括，例如，通过基质与共轭反应或竞争性反应的产物的反应而呈现特定颜色的基质缓冲液、包含DNA杂交所需的各种酶的缓冲液等。除了容纳在第二缓冲液室中的第二缓冲液与第一缓冲液不同以外，第二缓冲液室320与第一缓冲液室310基本相同，因此，为了简明将省略对第二缓冲液室320的详细描述。
尽管一个示例性实施例描述了包括两个缓冲液室310和320的微流结构，但是这样的结构可基于反应类型而仅具有一个缓冲液室或具有至少三个缓冲液室。
在另一示例性实施例中，清洗室330可包含清洗缓冲液，以在反应室300中的反应之后清洗留下的残余。清洗室330连接到第三通风室333。第三通风室333形成另一通风通道，以将清洗室330与外部空气连通，由此容易地排出容纳在清洗室330中的清洗缓冲液。阀334布置在清洗室330与第三通风室333之间。清洗室330通过另一阀331连接到反应室300。这样的阀331和334均如上所述可是常闭阀。
反应室300通过通道252从上清液计量室250接收上清液。反应室300可包含以液相或固相存在的可探测信号发生器。
当固相的可探测信号发生器存在于反应室300中时，可探测信号发生器可暂时地固定到反应室300的内壁或其中的多孔盘。即，固定到反应室300的可探测信号发生器被渗透的上清液水解，就在这时水解结合剂与包含在上清液中的分析物结合。结合的可探测信号发生器-分析物变成可移动的产物。如果上清液流到反应室300中，则可探测信号发生器在早期阶段被过度地再水解，而在晚期阶段可探测信号发生器的再水解急剧减少。由于毛细管力作用单元和包括可探测信号发生器的另一单元二者共存于物理空间中，所以根据可探测信号发生器的再水解的变化和/或可探测信号发生器的外流速率，传统的技术存在检测结果的可重复性劣化和分析物的浓度应答信号特性的问题。这样的技术还具有这样的局限性，即其中，可探测信号发生器必须为固相并固定到物理空间。相反，如下所述，示例性实施例分开使用包含可探测信号发生器的反应室300和用于毛细作用的分析室400，从而消除可探测信号发生器的再水解和/或可探测信号发生器的外流速率对毛细管力的影响。此外，由于在完成可探测信号发生器与物理分开的空间内的分析物的结合之后流体样品(即，液体样本)被供给到分析室400中，所以可探测信号发生器优选地可以以液态或固态存在。
可探测信号发生器是指通过任何通用的方法与设置在反应室300中的分析物特异性反应的材料。这样的可探测信号发生器的示例根据分析物的类型而变化。例如，对于抗体A作为分析物的情况，可探测信号发生器可以是诸如预先连接有诸如荧光材料的标记材料的抗原或抗体的共轭物，其中，抗体A和可探测信号发生器首先在反应室300中结合，使用与抗体A对应的抗原将抗体A和荧光材料形成的共轭物固定到分析室400，然后利用共轭物进行检测。
可探测信号发生器的标记可包括，例如，聚合物珠、诸如胶体金或胶体银的金属胶体、诸如过氧化物酶的酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性材料、含镧(Ⅲ)螯合物的材料、聚合物纳米颗粒和放射性同位素元素。然而，可探测信号发生器的标记不具体局限于此。
反应室300可具有废料室360，以储存在反应之后用清洗室330中的清洗缓冲液清洗的留下的残余、将去除的杂质等。含有未结合的可探测信号发生器和/或分析物的杂质被移动到废料室360。因此，例如，如下所述，对于诸如检测特异性抗体的非竞争性分析来说，反应室300中的未结合的可探测信号发生器或分析物既不移动到分析室400，又不与永久固定到检测区域或对照区域的捕获结合物结合。因此，可探测信号发生器-分析物复合体不结合到检测区域或对照区域，从而防止诸如结合之类的竞争性抑制。此外，由于分析物的未结合部分被分离到废料室360中，所以观察不到由高浓度分析物引起的“高剂量钩状效应”。废料室360通过通道362连接到反应室300。通道362具有如上所述可是常闭阀的阀361。
分析室400通过阀305连接到反应室300并在反应终止之后从反应室300接收流体。
设置分析室400用于抗原-抗体应答或者生物材料之间的特异性生化反应。
分析室400包括：容器410，用来在终止反应之后从反应室300接收流体；在毛细作用下的探测区域420，包括多孔膜、微孔结构或微柱。探测区域420包括检测区域430，捕获结合物直接或间接地固定到检测区域430以检验分析物。分析室400还可具有对照区域440，独立于永久固定到检测区域430的捕获结合物的另一捕获结合物永久地固定到对照区域440。
探测区域420的端部延伸到容器410，并且当从反应室300供给的流体填充容器410时，探测区域420的延伸的端部浸没在流体中。当用流体完全填充容器410时，毛细管力沿图2所示的方向A施加，可探测信号发生器-分析物复合体在相同的方向(即，方向A)沿探测区域420移动。通过抗原-抗体应答或生物材料之间的特异性生化反应，可探测信号发生器-分析物复合体与永久固定到检测区域430和对照区域440的捕获结合物结合。结果，可探测信号发生器-分析物复合体被捕获在检测区域430和对照区域440中。在流体通过毛细管力完全移动到区域430和440之后，通过沿图2所示的方向B施加的离心力流体被再次输送到容器410中，其中，离心力由微流装置的旋转产生。离心力的方向(方向B)与毛细作用的方向(方向A)相反。因此，与利用沿单个方向施加的毛细管力来使流体与固定的试剂反应的传统技术相比，实现了反应时间的两倍的增长，进而显著地提高了反应灵敏度。
毛细管力(方向A)和离心力(方向B)的应用的反应循环不限于仅一次循环，而是，在通过离心力将流体完全输送回容器410中且微流装置停止旋转之后，可探测信号发生器-分析物复合体的未与捕获结合物结合的一部分通过方向A的毛细管力再次与永久固定到检测区域430和对照区域440的其他捕获结合物结合。在流体通过毛细作用的第二次应用被完全移动到区域430、440之后，利用由微流装置的旋转产生的离心力的第二次应用，流体可被再次输送到容器410中，从而分析物-第一试剂复合体的通过第二次毛细作用未被结合的一部分重复经历反应。在一个示例性实施例中，反应循环重复期望的重复次数，从而充分地进行反应，由此显著地提高分析物的探测灵敏度。
分析室400具有截止室460，以在检测区域430和对照区域440中的反应之后接收流体的未与捕获结合物结合的一部分。截止室460通过通道462连接到分析室400。阀461安装在通道462上。阀461可如上所述是常闭阀。在充分进行反应之后，阀461打开并且容纳在分析室400中的流体利用由微流装置的旋转产生的离心力而完全移动到截止室460，由此终止反应。
捕获结合物是指检验分析物的捕获探针并且根据要被分析的对象分析物材料而包括诸如抗原、抗体、酶、DNA、RNA等各种材料。例如，如果分析物是氨基甲酸酯类杀虫剂，则捕获结合物可以是乙酰胆碱酯酶(AChE)，而如果分析物是抗原，则捕获结合物可以是用于抗原的捕获抗体。
要施加毛细管力的探测区域420必须是光学透明的，并且可具有圆形或矩形形状的截面。对于具有圆形截面的探测区域420来说，毛细管的内径的范围可以从大约几微米到大约1毫米。毛细管的尺寸可以被限定在足以确定血红细胞比例(即，血细胞比容)的期望的范围内。探测区域420可以由任何适合的材料形成，只要它们具有小的空腔体积并包括具有高的体积密度的非常精细的孔。这样的材料的示例可包括多孔膜、微孔结构、微柱等。图5示出用于制备探测区域420的微柱502。
图6示出根据另一示例性实施例的分析室400’。参照图6，为了毛细作用，具有检测区域430’和对照区域440’的探测区域420’相对于方向A局部倾斜。更具体地讲，探测区域420’的与容器410’接触的端部形成向上倾斜单元470，而探测区域420’的另一单元480是直的，检测区域430’和对照区域440’存在于向上倾斜单元470中。这样的构造背后的原因在于，探测区域420’的与容器410’接触的端部490位于探测区域430’和对照区域440’下面，从而防止由重力引起的超出毛细管力的流体的溢出。
另一示例性实施例提供用于检测来自液体样本的分析物的离心式微流装置，该离心式微流装置包括：至少一个微流结构，具有多个室、至少一个通道和至少一个阀，所述多个室通过所述至少一个通道连接在一起，所述至少一个阀用来打开和关闭所述至少一个通道；以及探测单元，其中，所述装置还具有：反应室，用于容纳要与液体样本中的分析物结合的可探测信号发生器；以及分析室，位于反应室下游并包括探测区域，要与可探测信号发生器-分析物复合体结合的捕获结合物固定到探测区域，其中，在反应室与分析室之间输送的流体被所述至少一个阀控制，其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构或微柱。
除了微流结构安装在微流装置上以外，该示例性实施例与上述示例性实施例基本相同。下面，将解释上述微流装置的与在前面的示例性实施中描述的具体特征和/或技术构造不同的具体特征和/或技术构造，然而为了简明可以省略相同情形的详细描述。
在包含在流体样品(即，液体样本)中的分析物已经与反应室300中的可探测信号发生器完全结合之后，位于反应室300与分析室400之间的阀305打开。然后，含有可探测信号发生器-分析物复合体的流体样本被输送到分析室400的容器410中。在用流体样本填充容器410之后，通过毛细作用流体样本沿探测区域420移动，其中，容器410的端部与探测区域420接触。在在图2所示的方向A上沿探测区域420移动时，可探测信号发生器-分析物复合体通过例如抗原-抗体应答或生物材料之间的特定的生化反应与永久固定到检测区域430和对照区域440的捕获结合物结合。
如上所述，可探测信号发生器可以以液相或固相存在于反应室300中。当可探测信号发生器以固相存在时，固定到反应室300的可探测信号发生器被渗透的上清液水解，然后水解的结合物与包含在上清液中的分析物结合。结合的可探测信号发生器-分析物变成可移动产物。
如上所述，通过物理分离将可移动产物分离为可探测信号发生器包含部分和毛细管力作用部分，其中，可探测信号发生器包含部分进入到反应室300中，而毛细管力作用部分容纳在分析室400中。结果，可有利地排除可探测信号发生器的再水解和/或可探测信号发生器的外流速率对毛细管力的影响。此外，由于在完成可探测信号发生器与物理分离空间内的分析物的结合之后将流体样品供给到分析室400内，所以可探测信号发生器可以有利地以液体或固体状态存在。通过打开和关闭阀305来适当地控制含有可探测信号发生器-分析物复合体的流体样品从反应室300到分析室400的输送。
图7是示出根据示例性实施例的检测系统的框图。
上述示例性实施例的这样的检测系统包括用来旋转盘型微流装置1的旋转驱动器D、阀开关单元E、探测单元30、输出单元40、诊断数据库(DB)50、用来控制上述各个装置的控制单元60。
旋转驱动器D旋转盘型微流装置1以向其提供离心力，启动样品的离心和流体的运动，还停止并旋转相同的装置1以将分析室400中的发生器-分析物复合体(见图2)移动到期望的位置。
尽管未在附图中示出，但是旋转驱动器D还可包括用来控制盘型微流装置1的角位置的电机驱动装置。例如，电机驱动装置可具有步进电机或直流(DC)电机。
阀开关单元E被设置为用于打开和关闭盘型微流装置1的至少一个阀(未示出)，并包括外部电源E1和运动单元E2，运动单元E2用于将外部电源E1移动到任何需要打开的阀。
外部电源E1可以选自于辐射激光束的激光源、辐射可见光或红外光的发光二极管(LED)、疝气灯等。具体来讲，激光源可以具有至少一个激光二极管(LD)。
移动单元E2还可包括驱动电机(未示出)和装配有外部电源E1的齿轮单元(未示出)，以将外部电源E1移动到需要通过驱动电机的旋转而打开的阀的上方。
探测单元30可以安装为多个，以确定反应室的吸光率，在一个示例性实施例中探测单元30包括至少一个发光单元31和至少一个光接收单元32，光接收单元32与发光单元31对齐以接收穿过微流装置1上的分析室400的探测区域420的光。
发光单元31可以是以特定的频率闪烁的光源，包括例如，诸如LED或激光二极管(LD)的半导体发光装置、诸如卤素灯或疝气灯的气体放电灯等。
发光单元31位于微流装置1上方的位置处，在该位置从发光单元31发射的光穿过分析室400并到达光接收单元32。
光接收单元32根据入射光的密度产生电信号并采用，例如，耗尽层光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)等。
在本示例性实施例中，发光单元31位于盘型微流装置1上方，而光接收单元32位于盘型微流装置1下面；然而，可以转换这些单元的位置。此外，可利用反射镜或导光构件(未示出)来调整光路径。
控制单元60控制旋转驱动器D、阀开关单元E和/或探测单元30，以流畅地执行检测系统的操作，控制单元60搜索诊断DB50并使用从探测单元30探测的吸光率和存储在诊断DB50中的标准曲线来确定包含在微流装置1的分析室400中的上清液中的分析物的浓度。
输出单元40输出诊断结果以及关于诊断是否结束的信息，并且可包括诸如液晶显示器(LCD)的可视输出装置、诸如扬声器的音频输出装置或视听输出装置。
下面的描述将给出使用微流装置的探测液体样本中的分析物的方法。图8是示出使用根据示例性实施例的微流装置的探测液体样本中的分析物的方法的流程图。在该非限制性示例性实施例中，将详细描述用于血液分析的方法。
例如，将要被检测的从对象取样的全血引入样品室100中(S101)，微流装置1安装在旋转驱动器D上。
接着，以低速旋转微流装置1，血液样品从样品室100被输送到样品分离单元200。在一个示例性实施例中，低速可以是产生适合于移动流体的离心力的转速。例如，微流装置1可以以每分钟大约1800转的加速度旋转11秒。通过离心力，样品从样品室100移动到样品分离单元200。通过离心力将样品从样品室100输送到样品分离单元200。
然后，进行离心步骤(S102)。旋转驱动器D以高速旋转微流装置1。这样的高速可以是将血液分离为作为上清液的血清或血浆以及沉淀物(血细胞)的转速。例如，微流装置1可以以大约3600rpm的加速度旋转大约160秒。结果，相对重的血细胞移动到沉淀物收集器220中，而上清液留在上清液收集器210中。
利用阀开关单元E将关闭的阀231打开。旋转驱动器D旋转微流装置1以产生离心力。该离心力引起上清液通过通道230从上清液收集器210向上清液计量室250移动。由于位于上清液计量室250的出口处的阀251是关闭的，所以上清液填充上清液计量室250。因此，如果上清液的量是充足的，则上清液以与上清液计量室250的体积对应的量容纳在上清液计量室250中。
接着，利用阀开关单元E打开阀251，上清液通过微流装置1的旋转从上清液计量室250移动到反应室300。旋转驱动器D可以沿左右(顺时针和逆时针)方向摇动微流装置1若干次，以将可探测信号发生器与包含在上清液中的分析物结合。结果，包含可探测信号发生器-分析物复合体的流体样品(即，液体样本)在反应室300中产生(S103)。
结果，通过打开阀305并旋转微流装置，流体样品被移动到分析室400的容器410中。在用流体样品填充容器410之后，探测区域420的端部与包含在容器410中的流体样品接触，进而启动探测区域420或420’中的流体样品的毛细管传送，探测区域420或420’包括多孔膜、微孔结构或微柱。包含可探测信号发生器-分析物复合体的流体样品沿探测区域420或420’移动，并且可探测信号发生器-分析物复合体与永久固定到检测区域430或430’的捕获结合剂结合(S104)。在流体样品完全穿过探测区域420或420’之后，旋转驱动器D旋转微流装置以通过离心力使流体样品再次穿过探测区域420或420’。这里，可以用捕获结合剂结合可探测信号发生器-分析物复合体的未通过毛细管力与捕获结合剂结合的一部分(S105)。因此，与其中的抗原-抗体应答和/或生化反应仅在单个方向的流体流动之后就终止的传统技术相比，本示例性实施例中的反应时间显著地延长，进而提高了反应灵敏度。此外，如上所述，用在示例性实施例中的毛细管力和离心力的应用的循环不限于一次循环，而是可以重复期望次数的循环，从而充分地进行反应。换言之，当在通过离心力将流体样品完全输送到容器410之后微流装置的旋转停止时，通过毛细作用流体样品再次沿探测区域420流动(S104)。在完成流体样品沿探测区域420的移动之后，可利用通过再次旋转微流装置而产生的离心力使流体样品返回容器410(S105)。
当确定反应充分进行时(S106中的“是”)，与分析室400的容器410连接的阀461被打开并且流体样品通过微流装置的旋转经由通道462被输送到截止室460中。在流体样品输送到截止室460之后，将可探测信号发生器-分析物复合体与捕获结合物结合的反应被终止并不再进一步进行(S107)。最后，利用探测单元30来确定分析室400中的探测区域420的吸光率。为了端点的分析，以预定的间隔重复测量吸光率，以在饱和反应过程中确定吸光率。基于吸光率与存储在诊断DB340中的浓度之间的关系来计算要被分析的每种物质的浓度。
尽管已经参照附图示出并描述了一些示例性实施例，但是应该清楚地理解，提出这些示例性实施例仅为说明的目的，而不具体限制发明构思的范围。因此，本领域技术人员将知晓，可以对这些示例性实施例做出各种替换、改变和/或修改，并且这样的示例性实施例不具体局限于在上面描述或示出的具体构造和/或布置。

Claims (42)

1.一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：
至少一个微流结构，包括室和与所述室连接的至少一个通道；
探测单元，
其中，所述室包括：反应室，在反应室中，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，
其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种，
其中，分析室被构造为通过毛细管力将从反应室提供的液体移动到分析室的一个端部，并通过将离心力施加到所述离心式微流装置来将移动到分析室的所述一个端部的液体输送到分析室的另一端部。
2.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，分析室还包括承载从反应室提供的流体的容器。
3.如权利要求2所述的离心式微流装置，其中，探测区域接触所述容器的一端。
4.如权利要求2所述的离心式微流装置，其中，探测区域包括：检测区域，固定有捕获结合物；对照区域，相对于毛细作用方向位于检测区域的下游并与检测区域分开一定的距离。
5.如权利要求4所述的离心式微流装置，其中，探测区域的包括检测区域和对照区域的部分沿毛细作用的方向倾斜。
6.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，所述室还包括截止室以接收来自分析室的液体样本，所述截止室相对于离心力的方向位于分析室的下游。
7.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器由分析物特异结合构件与可探测信号发生构件组成。
8.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器以液态或干燥的固体状态容纳在反应室中。
9.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器选自于聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧螯合物的材料、聚合物纳米颗粒和放射性同位素。
10.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，探测单元探测并分析与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
11.如权利要求1所述的离心式微流装置，其中，探测单元包括光源单元和光接收单元，所述光接收单元与光源单元对齐并接收从光源单元发射的穿过分析室的光。
12.如权利要求1所述的离心式微流装置，所述离心式微流装置还包括旋转体。
13.一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：
旋转体；
至少一个微流结构，包括室、与所述室连接的至少一个通道以及用来关闭和/或打开所述至少一个通道的至少一个阀；
探测单元，
其中，所述室包括：反应室，在反应室中，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，
其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种，
其中，分析室被构造为通过毛细管力将从反应室提供的液体移动到分析室的一个端部，并通过将离心力施加到所述离心式微流装置来将移动到分析室的所述一个端部的液体输送到分析室的另一端部。
14.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，分析室还包括承载从反应室提供的流体的容器。
15.如权利要求14所述的离心式微流装置，其中，探测区域接触所述容器的一端。
16.如权利要求14所述的离心式微流装置，其中，探测区域包括：检测区域，固定有捕获结合物；对照区域，相对于毛细作用方向位于检测区域的下游并与检测区域分开一定的距离。
17.如权利要求16所述的离心式微流装置，其中，探测区域的包括检测区域和对照区域的部分沿毛细作用的方向倾斜。
18.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，所述室还包括截止室以接收来自分析室的液体样本，所述截止室相对于离心力的方向位于分析室的下游。
19.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器由分析物特异结合构件与可探测信号发生构件组成。
20.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器以液态或干燥的固体状态容纳在反应室中。
21.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器选自于聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧螯合物的材料、聚合物纳米颗粒和放射性同位素。
22.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，探测单元探测并分析与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
23.如权利要求13所述的离心式微流装置，其中，探测单元包括光源单元和光接收单元，所述光接收单元与光源单元对齐并接收从光源单元发射的穿过分析室的光。
24.一种离心式微流装置，所述离心式微流装置包括：
至少一个微流结构，包括室、与所述室连接的至少一个通道以及用来关闭和/或打开所述至少一个通道的至少一个阀；
探测单元，
其中，所述室包括：反应室，在反应室中，可探测信号发生器与液体样本的分析物结合以产生可探测信号发生器-分析物复合体；分析室，位于反应室的下游，其中，分析室包括探测区域，在探测区域，捕获结合物与可探测信号发生器-分析物复合体结合，
其中，至少一个阀控制反应室与分析室之间的流体的输送，
其中，探测区域包括多孔膜、微孔结构和微柱中的一种，
其中，分析室被构造为通过毛细管力将从反应室提供的液体移动到分析室的一个端部，并通过将离心力施加到所述离心式微流装置来将移动到分析室的所述一个端部的液体输送到分析室的另一端部。
25.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，分析室还包括承载从反应室提供的流体的容器。
26.如权利要求25所述的离心式微流装置，其中，探测区域接触所述容器的一端。
27.如权利要求25所述的离心式微流装置，其中，探测区域包括：检测区域，固定有捕获结合物；对照区域，相对于毛细作用方向位于检测区域的下游并与检测区域分开一定的距离。
28.如权利要求27所述的离心式微流装置，其中，探测区域的包括检测区域和对照区域的部分沿毛细作用的方向倾斜。
29.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器由分析物特异结合构件与可探测信号发生构件组成。
30.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器以液态或干燥的固体状态容纳在反应室中。
31.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，可探测信号发生器选自于聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧螯合物的材料、聚合物纳米颗粒和放射性同位素。
32.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，探测单元探测并分析与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
33.如权利要求24所述的离心式微流装置，其中，探测单元包括光源单元和光接收单元，所述光接收单元与光源单元对齐并接收从光源单元发射的穿过分析室的光。
34.一种分析液体样本中的分析物的方法，所述方法包括：
将液体样本注入到微流装置的微流结构中；
将液体样本离心以获得上清液；
将上清液输送到微流结构的其中容纳有可探测信号发生器的反应室中；
将上清液中的分析物与可探测信号发生器结合，以产生可探测信号发生器-分析物复合体；
使微流装置经历离心；
将可探测信号发生器-分析物复合体输送到微流结构的分析室中，其中，分析室位于反应室的下游，并且分析室包括固定有捕获结合物的探测区域，探测区域包括多孔膜、微孔结构或微柱；
通过毛细管力将可探测信号发生器-分析物复合体移动到分析室的一个端部；
将上清液中的可探测信号发生器-分析物复合体与分析室中的捕获结合物结合；
向微流装置施加离心力，以将移动到分析室的所述一个端部的上清液输送到分析室的另一端部并同时将上清液中的可探测信号-分析物复合体与分析室中的捕获结合物结合；
探测与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体。
35.如权利要求34所述的方法，其中，上清液的从分析室的所述一个端部到分析室的所述另一端部的移动重复进行至少两次。
36.如权利要求34所述的方法，其中，分析室还包括承载从反应室提供的液体样本的容器。
37.如权利要求34所述的方法，其中，探测区域接触容器的一端。
38.如权利要求34所述的方法，其中，所述至少一个微流结构还包括截止室以接收来自分析室的液体样本，其中，所述截止室相对于离心力的方向而位于分析室的下游。
39.如权利要求34所述的方法，其中，可探测信号发生器以液体或干燥的固体状态容纳在反应室中。
40.如权利要求34所述的方法，其中，可探测信号发生器选自于聚合物珠、金属胶体、酶、荧光材料、发光材料、超顺磁性的材料、含镧螯合物的材料、聚合物纳米颗粒或放射性同位素。
41.如权利要求38所述的方法，所述方法还包括在探测与捕获结合物结合的可探测信号发生器-分析物复合体之前，将液体样本从分析室输送到截止室中，从而将可探测信号发生器-分析物复合体与捕获结合物之间的反应终止。
42.如权利要求34所述的方法，所述方法还包括将离心力施加到微流装置的步骤，以将分析室的探测区域离心干燥。
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