CN103275870A - 一种含致冷功能的微流芯片分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流芯片分析仪，包括：毛细管电泳单元、荧光检测单元、信号处理单元和致冷单元，其中，致冷单元与毛细管电泳单元连接，用于降低毛细管电泳单元的温度；毛细管电泳单元与荧光检测单元连接，并由其进行光学检测以获得光学测量信号；以及荧光检测单元与信号处理单元连接，由其对所测量的信号进行信号处理。根据本发明含致冷功能的微流芯片分析仪DNA电泳分辨率高、电泳重复性和一致性高、且多次电泳结果偏差小；体积小、结构简单、易于操作、成本低；性能稳定，分析检测灵敏度高、疾病诊断周期短、适用于有关疾病的基因临床诊断。

Description

一种含致冷功能的微流芯片分析仪

技术领域

本发明涉及一种生物医学检测分析仪，尤其涉及一种含致冷功能的微流芯片分析仪。

背景技术

微型全分析系统是上世纪90年代初兴起的一个全新领域，涉及分析化学、物理学、生物学、医学、药学、微加工技术、电子学、计算机等学科，通过对样品处理、分离及检测的集成化、微型化来实现常规实验室的基本功能，从而实现低成本、高通量、智能化、便携式的目标。

芯片实验室技术是将整个实验室功能，从加样、反应、分离、检测等过程集成在只有几平方厘米的微型芯片上，目前已在化学合成、细胞培养、药物高通量筛选、疾病诊断、食品安全、血液分析和环境检测等方面取得了重要进展。微流芯片技术的发展，使芯片上毛细管电泳技术得以实现，微流体所经过的沟道尺寸从微米级已经进入到纳米级，使微流控技术的研究对象从细胞级进入到了分子级。微流控技术已经成为当今研究的前沿和热点。

微流芯片的检测方法主要有：激光诱导荧光法、电化学法、化学发光法、质谱法等。其中，激光诱导荧光法具有灵敏度高，原理简单，容易集成在微流控芯片上，成为目前主要采用的检测方法。激光诱导荧光检测的光学单元主要有两种：一种是激发光光路与荧光光路相互垂直；另一种是共聚焦式，它是用显微物镜把入射光光束聚焦在微流控芯片沟道上，激发荧光通过同一物镜入射到光电倍增管上进行检测。目前市场上出现的激光诱导荧光检测技术的主要问题是检测器的体积比较大，价格昂贵，结构复杂，难以实现分析单元的微型化。

毛细管电泳技术自从问世以来，已经成为分析领域中必不可少的手段。毛细管电泳中常用到的是凝胶电泳，样品用量比较大，操作费时，灌注凝胶比较难，分析时间长，所用电压高。微流控芯片毛细管电泳，采用粘度低的聚合物筛分介质充当电泳介质，操作更容易。微流控毛细管电泳，由于分离沟道只有几个厘米长，分离时间大大缩小，仅仅需要几分钟，甚至几十秒。微流控毛细管电泳，所用试剂用量少，分离电压低，灵敏度更高。

然而，在使用聚合物筛分介质来进行微流芯片电泳时，首先，由于电泳缓冲液中聚合物筛分介质粘度较低，DNA分离效果较差，如果提高电泳缓冲液中高分子筛分介质粘度，则非常难以灌胶；另外，电泳时由于电流的热效应，缓冲液温度升高，缓冲液布朗运动加剧，电泳分辨率进一步下降。因此在微流芯片DNA电泳过程中，存在的分辨率较低的问题限制了毛细管电泳技术的发展。

发明内容

为此，本发明提出了一种可以解决上述问题的或至少能部分解决上述问题的含致冷功能的微流芯片分析仪。

根据本发明的一个方面，提供了一种微流芯片分析仪，包括：

毛细管电泳单元、荧光检测单元、信号处理单元和致冷单元，

其中，所述致冷单元与所述毛细管电泳单元连接，用于降低所述毛细管电泳单元的温度；所述毛细管电泳单元与所述荧光检测单元连接,并由其进行光学检测以获得光学测量信号；以及所述荧光检测单元与所述信号处理单元连接，由其对所测量的信号进行信号处理。

根据本发明含致冷功能的微流芯片分析仪，其致冷单元、毛细管电泳单元、荧光检测单元和信号处理单元都安装在机壳内。在本发明中通过微流控芯片技术，将毛细管电泳分离过程的分析结果通过激光诱导的荧光检测单元进行荧光信号检测，经过信号处理单元对信号进行采集并在计算机上进行分析显示结果。本发明的微流芯片分析仪集致冷、电泳分离、荧光检测于一体，体积小、结构简单、易于操作、成本低；其次，根据本发明的微流芯片分析仪性能稳定，分析检测灵敏度高，疾病诊断周期短，适用于有关疾病的基因临床诊断；另外，本发明的分析仪DNA电泳分辨率高、电泳重复性和一致性高、且多次电泳结果偏差小。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述毛细管电泳单元包括：可控高压输出电源、电极、电极夹具、电极夹具旋转装置和微流芯片。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，

所述可控高压输出电源与所述（铂）电极连接；

所述电极设置在所述(铂)夹具上；

所述电极夹具设置在所述电极夹具旋转装置上；

所述电极与所述微流芯片是可接触的。

根据本发明的含有致冷功能的微流芯片分析仪，包括了毛细管电泳单元，其中毛细管电泳是一种分离分析技术，该技术具有快速、高效、高灵敏度、易定量、重现性好及自动化等优点，并且已被广泛地应用于小分子、小离子、多肽及蛋白质的分离分析研究，另外该技术又在核酸分离方面显示出巨大的潜力。毛细管电泳的基本装置是一根充满电泳缓冲液的毛细管和与毛细管两端相连的两个小瓶微量样品从毛细管的一端通过“压力”或“电迁移”进入毛细管。电泳时，与高压电源连接的两个电极分别浸入毛细管两端小瓶的缓冲液中。样品朝与自身所带电荷极性相反的电极方向泳动。各组分因其分子大小、所带电荷数、等电点等性质的不同而迁移速率不同，依次移动至毛细管输出端附近的光检测器，检测、记录吸光度，并在屏幕上以迁移时间为横坐标，吸光度为纵坐标将各组分以吸收峰的形式动态直观地记录下来。在本发明中所述可控高压输出电源为一种0～6000V可调高压电源；所述电极夹具旋转装置是能够进行90-160度旋转的机械部件；电极通过导线和可控高压输出电源连接，为电极提供电源。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述致冷单元（制冷单元，cooler）包括：温度控制电路、温度传感器、半导体致冷模块、散热片和散热风扇。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述温度控制电路与所述温度传感器连接，用以采集所述微流芯片的温度；所述温度控制电路与所述半导体致冷模块连接并控制其制冷，从而控制所述微流芯片的温度。

其中，所述温度控制电路设计成：在由温度传感器测量的温度低于设定的温度值或温度范围时，使得所述半导体致冷模块停止制冷；以及在由温度传感器测量的温度高于设定的温度值或温度范围时，使得所述半导体致冷模块继续制冷。其中，所述温度传感器可以设置在所述半导体致冷模块上；所述半导体致冷模块可以设置在所述散热片上；以及所述散热片设置在所述散热风扇上。

在致冷单元中，其中所述散热片是一种给电器中易发热电子元件散热的装置，一般由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状；所述半导体致冷模块优选1-4个。通过致冷单元可以实现在电泳过程中微流芯片保持在较低的恒定温度，通过降低缓冲液的温度，使高分子筛分介质的粘度得到大幅度提高，有效的提高了DNA的分离分辨率；另外，由于降低缓冲液的温度，缓冲液的布朗运动得到有效的降低，因此DNA电泳分辨率也得到了有效的提升。其中所述微流芯片放置在载物台上，而致冷单元中的温度传感器通过探测载物台的温度来探测微流芯片的温度，以及根据探测到的温度对微流芯片进行温度调节，在调节温度时通过半导体制冷模块对载物台进行制冷，从而降低微流芯片的温度。其中所述载物台热容较小、热敏感性强、热传导性强并且透光性强。其中，在分析仪中电路以及微流芯片等产生的热量通过散热风扇以及在壳体上设置的散热窗，将热量释放出去。另外，根据本发明的致冷单元可以为一个也可以为多个，当致冷单元是多个时，也可以将致冷单元等面积均匀分布，多个致冷单元可以设置一个温度控制电路也可以设置多个温度控制电路。另外，半导体致冷模块也可以用压缩机进行替代。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述温度传感器为铂电阻温度传感器。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中所述电极包括直径为0.1～2mm的铂丝；所述微流芯片包括样品进样通道和样品分离通道，所述样品进样通道与所述样品分离通道呈十字交叉状。

其中，所述微流芯片的进样通道与分离通道也可以呈双T相连，该微流芯片是利用静电的光刻显影以及湿法刻蚀方法在玻璃上制作出微米级的通道，利用钻头在玻璃上相应位置钻出储液池，再与另外一块相同材料的平面玻璃在高温下键合得到的。该微流芯片也可以是通过电铸模具法将有机高聚物聚甲基丙烯酸甲酯在电铸模具上加热加压制备而成。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述荧光检测单元包括：固体激光器、平面反射镜、半反半透镜、物镜、凸透镜、针孔、滤光片和光电倍增管。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中所述固体激光器产生的激光经过所述平面反射镜、所述半反半透镜和所述物镜至所述微流芯片后产生荧光；所述荧光依次通过所述物镜、所述半反半透镜、所述凸透镜、所述针孔和所述滤光片至所述光电倍增管。

可选地，根据本发明的微流芯片分析仪，其中，所述信号处理单元包括：信号采集滤波放大和模数转换电路和计算机的一部分或者整体。其中，所述信号采集滤波放大和模数转换电路与所述光电倍增管连接；以及所述信号采集滤波放大和模数转换电路与所述计算机的一部分或者整体连接，用于由其进行处理并呈现在其上。

根据本发明的微流芯片分析仪，所述计算机的一部分可以指在分析仪内部集成单片机或数据处理元件与显示设备，也可以是，在外部接电脑主机和显示器，以对数据进行处理和显示。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1示出了根据本发明的微流芯片分析仪的示意图；

图2示出了根据本发明的含致冷功能的微流芯片分析仪的一种实施例的示意图；

图3示出了荧光检测单元的结构和光路；

图4示出了在本发明中致冷单元的温度控制流程。

其中附图标记所示为：

微流芯片分析仪F；

致冷单元100、温度控制电路101、温度传感器102、半导体致冷模块103、散热片104、散热风扇105、毛细管电泳单元200、可控高压输出电源201、电极202、电极夹具203、电极夹具旋转装置204、微流芯片205、载物台206、荧光检测单元300、固体激光器301、平面反射镜302、半反半透镜303、物镜304、凸透镜305、针孔306、滤光片307、光电倍增管308、信号采集与处理单元400、信号采集滤波放大和模数转换电路401、计算机一部分或者整体402、支架500。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

图1示出根据本发明的含致冷功能的微流芯片分析仪，其包括：毛细管电泳单元200、荧光检测单元300、信号处理单元400和致冷单元100，其中，致冷单元100与毛细管电泳单元200连接，用于降低毛细管电泳单元200的温度；毛细管电泳单元200与荧光检测单元300连接；以及荧光检测单元300与信号处理单元400连接，由信号处理单元400进行信号处理。

根据图2所示的本发明的一个实施例，其中所述毛细管电泳单元200包括：可控高压输出电源201、电极202、电极夹具203、电极夹具旋转装置204、微流芯片205以及载物台206。其中，可控高压输出电源201与电极202电学地连接；电极202固定在电极夹具203上；电极夹具203固定在电极夹具旋转装置204上；电极202与微流芯片205是可接触的；微流芯片205置于载物台206上。其中，电极202优选地为铂电极；以及，电极202可以包括直径为0.1～2mm的铂丝。

根据图2所示的本发明的一个实施例，其中所述致冷单元100包括：温度控制电路101、温度传感器102、半导体致冷模块103、散热片104和散热风扇105。其中，温度控制电路101与温度传感器102进行连接，用于采集微流芯片205的温度；温度控制电路101与半导体致冷模块103进行电学（例如：导线）连接，用于控制微流芯片205的温度；温度传感器102固定在半导体致冷模块103上；半导体致冷模块103固定在散热片104上；以及散热片104固定在散热风扇105上。温度传感器102可以是铂电阻温度传感器。其中，微流芯片205可以包括样品进样通道和样品分离通道，样品进样通道与样品分离通道呈十字交叉状。微流芯片的详细构造，可以由本领域技术人员从现有技术知悉或者由公开的文献资料中查知。其中，所述微流芯片205放置在载物台206上，致冷单元100中的温度传感器102通过探测载物台206的温度来探测微流芯片205的温度，以及根据探测到的温度对微流芯片205进行温度调节，在调节温度时通过半导体制冷模块103对载物台206进行制冷，从而降低微流芯片205的温度。致冷单元设置100与载物台206进行连接。

根据图4示出的致冷单元中温度控制电路实现的温度控制过程：温度传感器102通过载物台206获取微流芯片205的温度，将温度反馈至温度控制电路101，温度控制电路101对探测温度进行判断，当探测温度小于目标温度时，则控制半导体致冷（制冷）模块停止致冷（制冷），当探测温度大于目标温度时，则控制半导体致冷模块继续致冷，此过程循环进行。

根据图2所示的本发明的一个实施例，所述荧光检测单元300包括：固体激光器301、平面反射镜302、半反半透镜303、物镜304、凸透镜305、针孔306、滤光片307和光电倍增管308。固体激光器301产生的激光经过平面反射镜302、半反半透镜303和物镜304至微流芯片205后产生荧光；荧光依次通过物镜304、半反半透镜303、凸透镜305、针孔306和滤光片307至光电倍增管308。

根据图2所示的本发明的一个实施例，所述信号处理单元400包括：信号采集滤波放大和模数转换电路401与计算机402。其中，所述信号采集滤波放大和模数转换电路401与光电倍增管308（光学地）连接；以及信号采集滤波放大和模数转换电路401与机算计402（电学地）连接，用于将采集处理的信号呈现在计算机402上。其中所述计算机402可以是集成在分析仪内部，也可以为连接在外部的计算机，对采集得到的数据进行分析和处理。

根据本发明，利用含致冷功能微流芯片分析仪对样品进行分析时可以按以下步骤进行：

（1）将加好样品溶液和缓冲溶液的微流芯片205放置于芯片支架500上，调节电极夹具旋转装置204使电极夹具203向下移动，从而将电极夹具203上的电极202分别插入微流芯片205对应的储液池中；

（2）启动半导体固体激光器301，使激光光束的聚焦点在微流芯片205检测沟道的检测点上；

（3）启动致冷模块103，启动光电倍增管308，启动信号采集滤波放大模数转换电路401，启动可控高压输出电源201，调节光电倍增管308的工作电压，选择合适的检测灵敏度；

（4）调节可控高压输出电源201，同时在微流芯片205上同步进行样品的进样、分离过程；在此过程中，荧光信号的数据采集与处理、荧光图谱的显示都会同时进行；

（5）待样品分析过程结束后，将微流芯片205取出。

根据本实施方式的含致冷功能的微流芯片分析仪，集致冷、电泳分离、荧光检测于一体，体积小、结构简单、易于操作、成本低；其次，根据本发明的微流芯片分析仪性能稳定，分析检测灵敏度高，疾病诊断周期短，适用于有关疾病的基因临床诊断；另外，本发明的分析仪DNA电泳分辨率高、电泳重复性和一致性高、且多次电泳结果偏差小。在本实施方式微流芯片分析仪中，通过致冷单元100使微流芯片保持在较低的恒定温度，首先通过降低缓冲液的温度，高分子筛分介质的粘度得到了大幅度的提高，有效的提高了DNA的分离分辨率；另外，由于降低了缓冲液的温度，缓冲液的布朗运动得到了有效的降低，因此DNA电泳分辨率也得到了有效的提升。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

Claims (10)

1.一种微流芯片分析仪，包括：

毛细管电泳单元（200）、荧光检测单元（300）、信号处理单元（400）和致冷单元（100），

其中，所述致冷单元（100）与所述毛细管电泳单元（200）相连接，用于降低所述毛细管电泳单元（200）的温度；所述毛细管电泳单元（200）与所述荧光检测单元（300）相连接,并由其进行光学检测以获得光学测量信号；以及所述荧光检测单元（300）与所述信号处理单元（400）相连接，由其对所测量的信号进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的微流芯片分析仪，其中，所述毛细管电泳单元（200）包括：可控高压输出电源（201）、电极（202）、电极夹具（203）、电极夹具旋转装置（204）和微流芯片（205）。

3.根据权利要求2所述的微流芯片分析仪，其中，

所述可控高压输出电源（201）与所述电极（202）相连接；

所述电极（202）设置在所述电极夹具（203）上；

所述电极夹具（203）设置在所述电极夹具旋转装置（204）上；

所述电极（202）与所述微流芯片（205）是可接触的。

4.根据权利要求1-3中任一所述的微流芯片分析仪，其中，

所述致冷单元（100）包括：温度控制电路（101）、温度传感器（102）、半导体致冷模块（103）、散热片（104）和散热风扇（105）；

其中，所述温度控制电路（101）与所述温度传感器（102）相连接，用以采集所述微流芯片（205）的温度；所述温度控制电路（101）与所述半导体致冷模块（103）相连接并控制其制冷，从而控制所述微流芯片（205）的温度；

其中，所述温度控制电路设计成：在由温度传感器测量的温度低于设定的温度值或温度范围时，使得所述半导体致冷模块（103）停止制冷；以及在由温度传感器测量的温度高于设定的温度值或温度范围时，使得所述半导体致冷模块（103）继续制冷。

5.根据权利要求4所述的微流芯片分析仪，其中，

所述温度传感器（102）设置在所述半导体致冷模块（103）上；

所述半导体致冷模块（103）设置在所述散热片（104）上；以及

所述散热片（104）设置在所述散热风扇（105）上。

6.根据权利要求3所述的微流芯片分析仪，其中，所述温度传感器（102）为铂电阻温度传感器。

7.根据权利要求2所述的微流芯片分析仪，其中，

所述电极（202）包括直径为0.1～2mm的铂丝；

所述微流芯片（205）包括样品进样通道和样品分离通道，所述样品进样通道与所述样品分离通道呈十字交叉状。

8.根据权利要求1-7任一所述的微流芯片分析仪，其中所述荧光检测单元（300）包括：固体激光器（301）、平面反射镜（302）、半反半透镜（303）、物镜（304）、凸透镜（305）、针孔（306）、滤光片（307）和光电倍增管（308）。

9.根据权利要求8所述的微流芯片分析仪，其中，

所述固体激光器（301）产生的激光经过所述平面反射镜（302）、所述半反半透镜（303）和所述物镜（304）至所述微流芯片（205）后产生荧光；以及

所述荧光依次通过所述物镜（304）、所述半反半透镜（303）、所述凸透镜（305）、所述针孔（306）和所述滤光片（307）至所述光电倍增管（308）。

10.根据权利要求1-7任一所述的微流芯片分析仪，其中，所述信号处理单元（400）包括：

信号采集滤波放大和模数转换电路（401）和计算机的一部分或者整体（402），

其中，所述信号采集滤波放大和模数转换电路（401）与所述光电倍增管（308）连接；以及

所述信号采集滤波放大和模数转换电路（401）与所述计算机的一部分或者整体（402）相连接，以将采集处理的信号由所述计算机的一部分或者整体（402）处理并呈现在其上。

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