CN103255052A - 一种电化学基因芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基因检测技术领域，更具体地涉及一种电化学基因芯片。其包括流体腔、通道模块、与通道模块相贴合的探针电路板，通道模块上设有微流槽，通道模块与探针电路板贴合后通过微流槽和探针电路板表面相接触形成微流管道，流体腔与微流管道相通，探针电路板上沿着微流管道设有用于为电化学伏安扫描提供基准参考电压的参考电极、用于连通电化学激励电路的辅助电极和用于连接检测电路的工作电极，工作电极上固定有单分子层和DNA捕获探针。本发明的工作电极可以根据实际需要设置一个或者多个，使得杂交液从流体腔进入微流管道后在流动过程中能与固定在多个工作电极上的捕获探针进行杂交，可以一次性完成多项指标的检测，大大提高了检测的效率。

Description

一种电化学基因芯片

技术领域

本发明涉及基因检测技术领域，更具体地，涉及一种电化学基因芯片。

背景技术

基因芯片，也叫DNA芯片，大小如指甲盖一般。每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区，在指定的小区内，可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子，该核酸分子也称为分子探针。

利用分子杂交及平行处理原理，基因芯片可对遗传物质进行分子检测，可用于基因研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等，其具有无可比拟的高效、快速、多参量、高通量、集约化和低成本等特点，是在传统的生物技术如检测、杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新和飞跃。由于基因芯片具有上述特点，其诞生以来就受到科学界的广泛关注，正如晶体管电路向集成电路发展的经历一样，分子生物学技术的集成化正在使生命科学的研究和应用发生一场革命。  

目前，市场上应用的基因芯片主要有三种类型：1）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。2）用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。  

但是上述现有的基因芯片检测技术，均是采用基因芯片对待检测液体进行单次的检测，这是由于现有的液体检测技术均需要将被检测的液体用容器装载，现有的装载容器均是单向管道，液体在容器内单向的流动，因此在一个容器内的液体只能进行一次的检测，当需要对液体进行多次或需要进行多个试验检测时，则需要手动多次装载同个样品或者对多个液体样品分别进行检测。目前，这种检测技术存在着以下问题：

1、当需要检测一种液体的多项指标时，需要对该液体的多个样品进行检测，由于不同的指标对应的是不同的样品，所以会大大减弱检测结果的准确性。

2、由于同一液体的多项指标需要多个样品进行多次检测，样品和试剂的用量大，操作复杂耗时，而且重复性差。

3、当对同一个样品组织进行多次或多项指标的检测时，则需要手动进行操作，不但自动化程度低，而且还容易使样品受到污染。

4、对于一张基因芯片，由于已经接触过同一个液体不同的样品，可能会发生其他的生物反应，从而造成污染，影响了检测的结果。

5、对一种液体采用多张基因芯片进行检测，大大增加了检测的成本和效率。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种能够有效提高液体检测效率的电化学基因芯片。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种电化学基因芯片，包括流体腔、通道模块，还包括与通道模块相贴合的探针电路板，通道模块上设有微流槽，通道模块与探针电路板贴合后通过微流槽和探针电路板表面相接触形成微流管道，流体腔与微流管道相通，探针电路板上沿着微流管道设置有用于为电化学伏安扫描提供基准参考电压的参考电极、用于连通电化学激励电路的辅助电极和用于连接检测电路的工作电极，工作电极上固定有单分子层和DNA捕获探针。

作为一种优选方案，所述参考电极、辅助电极和工作电极沿着微流管道以阵列式方式排列设置。

作为一种优选方案，所述参考电极包括一个，辅助电极包括相互连接的两个，工作电极包括若干个，其中参考电极位于微流管道的最前端，两个辅助电极设置在所有工作电极的两端。

作为进一步的优选方案，任意两个工作电极之间的间距相等。

作为一种优选方案，所述探针电路板正面上设有若干焊盘，正面上的焊盘镀金后用作参考电极、辅助电极和工作电极，其中作为参考电极的焊盘表面镀金后还固化有氯化银。

作为进一步的优选方案，探针电路板反面上设有与正面上的焊盘一一对应的反面焊盘，探针电路板正面上的焊盘通过探针电路板上的孔与对应的反面焊盘连接。

作为一种优选方案，所述通道模块上还设有用于提供动力使液体从流体腔输出经微流管道后回到流体腔的振动腔，流体腔上设置有回收孔和输出孔，微流管道上设有进液口和排液口，振动腔输入端与输出孔连接，振动腔的输出端与进液口连接，排液口与回收孔连接。

作为进一步的优选方案，所述微流管道为圆弧状。

作为进一步的优选方案，还包括基板和振动膜，振动膜覆盖在通道模块上，其与探针电路板分别位于通道模块相对的两侧，基板覆盖在振动膜上，所述流体腔安装在基板上，流体腔上的输出孔通过基板和振动膜与振动腔连接。

作为更进一步的优选方案，所述进液口上设有第一单向阀，所述输出孔设置有第二单向阀，液体利用第二单向阀由流体腔单向流动到振动腔，再利用第一单向阀有振动腔单向流动到微流管道内。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明沿着微流管道设置工作电极，杂交液通过流体腔进入微流管道中，在固定了捕获探针的工作电极上流动，捕获探针与对应的目标DAN片段结合，目标片段在跟信号探针结合，完成杂交。由于工作电极可以根据实际需要设置一个或者多个，使得杂交液在流动过程中与多个捕获探针进行杂交，可以一次性完成多项指标的检测，大大提高了检测的效率。

（2）利用本发明可以一次性对同一样品完成多项指标的检测，由于不同的指标对应的是同一种样品，大大提高了检测结果的准确性，而且样品和试剂的用量小，操作简单，重复性好。

（3）本发明中的基因芯片只需接触同一液体的一个样品即可完成多项指标的检测，避免了与不同样品接触可能发生的不必要的生物反应，从而避免了基因芯片的污染，保证了检测的准确性，而且只需使用一张基因芯片即可完成多项指标的检测，减少了基因芯片的使用量，从而降低了检测的成本。

附图说明

图1为本发明中电化学基因芯片具体实施例1的结构示意图。

图2为本发明中电化学基因芯片具体实施例1的结构示意图。

图3为本发明的具体实施例1中辅助电极和工作电极的分布示意图。

图4为本发明的具体实施例1中探针电路板的结构示意图。

图5为本发明的具体实施例1中微流管道和流体腔形成循环回路的结构示意图。

图6为本发明的具体实施例1中辅助电极和工作电极以弧形分布的示意图。

图7为本发明中电化学基因芯片具体实施例2的结构示意图。

图8为本发明的具体实施例2中微流管道和流体腔形成单向循环回路的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1和2所示，一种电化学基因芯片，包括流体腔1、通道模块3，还包括与通道模块3相贴合的探针电路板2，通道模块3上设有微流槽33，通道模块3与探针电路板2贴合后通过微流槽33和探针电路板2表面相接触形成微流管道31，流体腔1与微流管道31相通，探针电路板2上沿着微流管道31设置有用于为电化学伏安扫描提供基准参考电压的参考电极21、用于连通电化学激励电路的辅助电极22和用于连接检测电路的工作电极23，工作电极23上固定有单分子层和DNA捕获探针。

其中，如图2所示，通道模块3可以由多层镂空的薄膜组成，多层薄膜叠合后镂空部分形成微流槽33，微流槽33最下层与探针电路板2贴合后形成微流管道。

其中，如图1所示，参考电极21、辅助电极22和工作电极23沿着微流管道31以阵列式方式排列设置；

参考电极21包括一个，位于微流管道31的最前端，为电化学伏安扫描提供绝对的基准参考电压；

工作电极23可以根据需要设置不同数目，但受到探针电路板2的大小和微流管道31液体循环效果限制，设置数量可在2－128之间，每个工作电极23可以固定单分子层和和一种特定的DNA捕获探针，对特定的目标DNA进行检测，因此，每个工作电极23都是独立的，每个工作电极23可以通过探针电路板2上的线路和外部检测电路相互连接；

辅助电极22包括两个，位于所有工作电极23的两端，且两个辅助电极22相互连接，其相互连接可以通过探针电路板2上的线路实现，两个辅助电极22直接连通后可以通过探针电路板2上的线路再与外部的电化学激励电路相互连通。两个辅助电极22分别和各个工作电极23组成若干对电极对，进行电化学伏安扫描时对各个电极对轮流扫描检测，辅助电极22和工作电极23之间施加伏安扫描激励电压，并同时检测回路的电流信号。

基于上述方案，在流体腔1内装载杂交液，杂交液从流体腔1内流入微流管道31并在微流管道31内流动，然后与沿着微流管道31设置的工作电极23相接触，固定在工作电极23上的捕获探针在杂交液流动时会跟目标DNA片段结合，目标NDA片段再跟信号探针结合，结合后信号探针的信号标志物（如二茂铁等）近似于紧贴在工作电极23上，在外部电化学激励电路施加的伏安扫描的电压激励下会产生与标志物质量成正比的信号电流，检测信号电流的大小可以推断出待检目标DNA数量的多少，从而实现目标DNA片段的检测。探针电路板2上的工作电极23在微流管道31和辅助电极22的配合下完成DNA杂交和电化学扫描检测两项工作。

由于杂交液顺着微流管道31流动，固定在工作电极23上的捕获探针可以分别与杂交液中的目标DNA片段结合，因此，同一种杂交液样品可以同时在微流管道31内与不同的捕获探针进行杂交检测，可以一次性完成多项指标的检测，不但提高了检测的效率，还提高了检测的准确性，简化了检测操作，降低了样品和试剂的用量，节省了检测的成本。

在具体实施过程中，为了保证各个工作电极23的DNA杂交和电化学扫描的一致性，在微流管道31中，任意两个工作电极23到两个辅助电极22的距离之和相等，加上辅助电极22分布在所有工作电极23的两端，两个辅助电极22用线路直接连接，作用相同，在电化学扫描检测时视为同一点。具体地，如图3所示，在微流管道中，工作电极a到两个辅助电极的距离分别为a1和a2，工作电极b到两个辅助电极的距离分别为b1和b2，则a1+a2=b1+b2。

在具体实施过程中，为了保证工作电极之间可能存在的相互干扰程度一致，任意两个工作电极之间的间距相等，如图3所示，任意两个工作电极之间的间距为L。

在具体实施过程中，可以通过在探针电路板上设置焊盘来构造参考电极、辅助电极和工作电极。具体地，如图4所示，探针电路板2正面上设有若干焊盘24，正面上的焊盘24镀金后用作参考电极、辅助电极和工作电极，其中，作为工作电极的焊盘镀金后会再固定上单分子层和DNA捕获探针，作为参考电极的焊盘24表面镀金后还固化有氯化银。作为电极的焊盘24需要进行有别于一般电路板的工艺处理，并且镀上厚金，确保金面平整、致密和洁净。作为电化学电极使用时使所有工作电极、辅助电极和参考电极均浸泡在同一种电介质溶液中。

为了便于探针电路板上的参考电极、辅助电极和工作电极连接外部电路，在一个优选的实施方式中，如图4所示，探针电路板2反面上设有与正面上的焊盘24一一对应的反面焊盘25，探针电路板2正面上的焊盘24通过探针电路板2上的孔26与对应的反面焊盘25连接。

为了保护探针电路板上的线路图形，可以在探针电路板正面上焊盘以外的区域及焊盘上除了与微流槽相接触的区域均覆盖绿油。

为了能够进一步降低样品及试剂的消耗量，同时也降低检测产生废物对环境的污染，可以将流体腔和微流管道之间形成的通道设计成循环回路，让杂交液从流体腔出来经微流管道后能够回到流体腔内进行回收处理。具体地，如图1和图5所示，通道模块上还设有振动腔32，该振动腔32用于提供动力使液体从流体腔1输出经微流管道31后回到流体腔1，流体腔1上设置有回收孔11和输出孔12，微流管道31上设有进液口311和排液口312，振动腔32的输入端与输出孔12连接，振动腔32的输出端与进液口311连接，排液口312与回收孔11连接。

在一个优选的实施方式中，如图5所示，流体腔1上还设置有装载口13，用于将杂交液装载到流体腔1中，装载口13上可以配置密封盖来对流体腔1进行密封。

在具体实施过程中，如图1、5和6所示，为了保证探针电路板上的工作电极23和辅助电极22所在的微流管道31中的液体可靠循环流动，微流管道31设计为弧形状，工作电极23和辅助电极22对应地分布成弧形状。

实施例2

如图7所示，在实施例1的基础上，本实施例2还包括基板4和振动膜5，振动膜5覆盖在通道模块3上，其与探针电路板2分别位于通道模块3相对的两侧，基板4覆盖在振动膜5上，流体腔1安装在基板4上，流体腔1上的输出孔通过基板4和振动膜5与振动腔32连接。

其中，如图7所示，通道模块3可以由多层镂空的薄膜组成，多层薄膜叠合后镂空部分形成微流槽，微流槽最下层与探针电路板2贴合后密封，上层与基板4和振动膜5组成密封结构。

进一步地，进液口上设有第一单向阀，输出孔设置有第二单向阀，液体利用第二单向阀由流体腔单向流动到振动腔，再利用第一单向阀由振动腔单向流动到微流管道内。

其工作原理如图8所示：当C处的振动膜往左运动，第一单向阀和第二单向阀间的下部管道空间将会变大，相对于两单向阀的上部会出现一个负压，由于右侧的第二单向阀只能从下往上流动，存放于A处的流体腔内的流体在此负压的作用下，将通过左侧的第一单向阀流入一定的量到两单向阀之间；当C处的振动膜往右运动，两单向阀间的下部管道空间将会变小，相对于两单向阀的上部会出现一个正压，由于左侧的第一单向阀只能从上往下流，两单向阀间下部管道的流体在此正压的作用下，将通过右侧的第二单向阀流回上部。C处的振动膜不间断的左右运动，此装置内的流体就会按逆时针的方向循环。

本发明中通道模块以及基板、振动膜、第一单向阀、第二单向阀等部件的具体结构可以参考本申请人的另一专利申请：201210590469.6，一种微流管道内驱动装置，在此不再赘述。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学基因芯片，包括流体腔、通道模块，其特征在于，还包括与通道模块相贴合的探针电路板，通道模块上设有微流槽，通道模块与探针电路板贴合后通过微流槽和探针电路板表面相接触形成微流管道，流体腔与微流管道相通，探针电路板上沿着微流管道设置有用于为电化学伏安扫描提供基准参考电压的参考电极、用于连通电化学激励电路的辅助电极和用于连接检测电路的工作电极，工作电极上固定有单分子层和DNA捕获探针。

2.根据权利要求1所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述参考电极、辅助电极和工作电极沿着微流管道以阵列式方式排列设置。

3.根据权利要求2所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述参考电极包括一个，辅助电极包括相互连接的两个，工作电极包括若干个，其中参考电极位于微流管道的最前端，两个辅助电极设置在所有工作电极的两端。

4.根据权利要求3所述的电化学基因芯片，其特征在于，任意两个工作电极之间的间距相等。

5.根据权利要求1所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述探针电路板正面上设有若干焊盘，正面上的焊盘镀金后用作参考电极、辅助电极和工作电极，其中作为参考电极的焊盘表面镀金后还固化有氯化银。

6.根据权利要求5所述的电化学基因芯片，其特征在于，探针电路板反面上设有与正面上的焊盘一一对应的反面焊盘，探针电路板正面上的焊盘通过探针电路板上的孔与对应的反面焊盘连接。

7.根据权利要求1至6所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述通道模块上还设有用于提供动力使液体从流体腔输出经微流管道后回到流体腔的振动腔，流体腔上设置有回收孔和输出孔，微流管道上设有进液口和排液口，振动腔输入端与输出孔连接，振动腔的输出端与进液口连接，排液口与回收孔连接。

8.根据权利要求7所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述微流管道为圆弧状。

9.根据权利要求7所述的电化学基因芯片，其特征在于，还包括基板和振动膜，振动膜覆盖在通道模块上，其与探针电路板分别位于通道模块相对的两侧，基板覆盖在振动膜上，所述流体腔安装在基板上，流体腔上的输出孔通过基板和振动膜与振动腔连接。

10.根据权利要求9所述的电化学基因芯片，其特征在于，所述进液口上设有第一单向阀，所述输出孔设置有第二单向阀，液体利用第二单向阀由流体腔单向流动到振动腔，再利用第一单向阀有振动腔单向流动到微流管道内。

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