CN103308502B

CN103308502B - 掌上型通用微流控芯片即时检测装置及应用

Info

Publication number: CN103308502B
Application number: CN201310212756.8A
Authority: CN
Inventors: 牟颖; 宋博凡; 金伟; 于丙文
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-06-01
Filing date: 2013-06-01
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-06-01
Also published as: CN103308502A

Abstract

本发明提供一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，由智能移动设备、微处理器、移动电源、透镜、滤光片、2个激发光源、微芯片、温度传感器、加热板、导热板、无线通讯模块、智能移动设备内置成像芯片、智能移动设备内置镜头、大型服务器或个人计算机组成。本发明设计结构简单合理，体积小巧，成本低廉，克服了传统片上反应控制与检测装置的诸多缺点。低功耗的整体设计并结合智能移动设备自身的处理能力与数据传输能力，无需外部供电和外接大型计算机，极大的扩展了装置的可适用范围。配合智能移动设备上运行的应用程序（APP），易于操作，可在核酸扩增反应中的应用。

Description

掌上型通用微流控芯片即时检测装置及应用

技术领域

本发明属于微流控芯片反应控制与检测技术领域，涉及一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置。

背景技术

微芯片因其高集成化、低试剂损耗的优点，广泛应用于医疗诊断、环境保护、药物筛选等诸多领域。微芯片的应用需配合片上反应控制与反应结果检测，其基本方法是：通过高精度的温控模块对片上反应进行精确的控制，反应完成后，激发光源照射到微通道或微反应小室中，荧光物质获得能量发出荧光，经光电转换器件变成电信号由计算设备处理。

传统的片上反应控制与检测装置，体积笨重、价格昂贵、功耗高、需外接电源、大型计算机。对使用者的操作要求也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，由智能移动设备、微处理器、移动电源、透镜、滤光片、左激发光源、右激发光源、微芯片、温度传感器、加热板、导热板、无线通讯模块、智能移动设备内置成像芯片、智能移动设备内置镜头、大型服务器或个人计算机组成；左激发光源、右激发光源位于微芯片上方相对两侧，使得其激发光均匀投射至微芯片，微芯片由进样口、出样口和反应单元组成，微芯片下表面与导热板紧贴，温度传感器嵌于导热板内部中央，导热板下表面与加热板紧贴；滤光片、透镜、智能移动设备内置成像芯片、智能移动设备内置镜头位于微芯片正上方，构成了荧光检测光路，采集微芯片的荧光信息，荧光信息以数字图像的形式经由智能移动设备处理，可与大型服务器或个人计算机进一步交互；微处理器实时处理温度传感器数据并控制加热板、左激发光源、右激发光源通过无线通讯模块与智能移动设备通讯，构成装置的控制与通讯模块；检测装置由移动电源供电，无需外接电源。

由微处理器温度传感器加热板构成控温模块，温度调节范围为0-100℃，调节精度为0.1℃，精确控制微芯片中的反应温度。

微芯片的表面保持平滑、透明，制作材料选用玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲脂、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷等。

微处理器实时采集温度传感器数据、控制加热板、左激发光源、右激发光源，通过无线通讯模块与智能移动设备通讯。

采集的荧光图像信号经由智能移动设备处理，检测数据可由多种无线传输方式与大型服务器或个人计算机进一步交互。

装置由移动电源供电，无需外接电源。

微芯片的反应单元边长范围可在1-10000μm，对应的检测单元数量范围为1-100000个 /mm²。

通过智能移动设备上运行的应用程序（APP），即可控制片上反应，检测反应结果，对数据进一步处理，与计算机交互，进行数据管理等。

本发明的另一个目的是提供上述装置在核酸扩增反应中的应用,包括需要聚合酶链式扩增反应（PCR）或不需要热循环的等温核酸等温扩增反应中的应用。

本发明结构简单，体积小巧，成本低廉，克服了传统片上反应控制与检测装置的诸多缺点。低功耗的整体设计并结合智能移动设备自身的处理能力与数据传输能力，无需外部供电和外接大型计算机，极大的扩展了装置的可适用范围。配合智能移动设备上运行的应用程序（APP），易于操作。

本发明的优点：

1．与常用的片上反应控制与检测装置比较，本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置充分利用了智能移动设备集成的拍摄模块、计算处理能力和数据传输功能，极大的简化了装置的体积和复杂程度，做到了真正的便携。成本非常低廉。可广泛应用于微芯片的高通量实时反应控制与即时检测。

2.本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置整体功耗非常低，使用移动电源供电，无需外接电源，减少了装置使用的限制，扩展了装置的可适用范围。

3. 本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置功能涵盖片上反应控制、反应结果检测与后期数据处理、传输与管理，集成度高，一体性好。

4. 本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置可适用于多种微流控芯片反应的控制与结果检测，例如PCR反应或等温核酸扩增反应。

5. 本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置可对不同种类的芯片进行检测，例如玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲脂、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷等。

6. 本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置可使用多种不同类型的智能移动设备，例如各种操作系统的智能手机与平板电脑等。

7. 本发明中的便携式通用型片上反应控制与即时检测装置通过智能移动设备上运行的应用程序（APP），即可控制片上反应，检测反应结果，对数据进一步处理，与计算机交互及信息管理。非常易于操作。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为微芯片示意图。

图3为微芯片采用集成流路芯片时获得的检测图像。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步说明

实施例1

参见图1，一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，由智能移动设备1、微处理器2、移动电源3、透镜4、滤光片5、左激发光源6’、右激发光源6、微芯片7、温度传感器8、加热板9、导热板10、无线通讯模块11、智能移动设备内置成像芯片12、智能移动设备内置镜头13、大型服务器或个人计算机14组成；主要分为智能移动设备1与外接装置两部分，外接装置由微处理器2、移动电源3、透镜4、滤光片5、左激发光源6’、右激发光源6、微芯片7、温度传感器8、加热板9、导热板10、无线通讯模块11组成；左激发光源6’和右激发光源6位于微芯片7上方相对两侧，使得其激发光均匀投射至微芯片7，微芯片7由进样口15、出样口16和反应单元17组成，微芯片7下表面与导热板10紧贴，温度传感器8嵌于导热板10内部中央，导热板10下表面与加热板9紧贴；滤光片5、透镜4、智能移动设备内置成像芯片12、智能移动设备内置镜头13位于微芯片7正上方，构成了荧光检测光路，采集微芯片7的荧光信息，荧光信息以数字图像的形式经由智能移动设备1处理，可与大型服务器或个人计算机14进一步交互；外接装置的核心—微处理器2实时处理温度传感器8数据、控制加热板9、左激发光源6’、右激发光源6，并通过无线通讯模激发光源块11与智能移动设备1通讯，构成控制与通讯模块；整个检测装置由移动电源3供电，无需外接电源。

由微处理器2温度传感器8加热板9构成控温系统，温度调节范围为0-100℃，调节精度为0.1℃，精确控制微芯片7中的反应温度。

微芯片7的表面保持平滑、透明，制作材料选用玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲脂、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷等。

微芯片7与导热板10紧贴，微处理器2、温度传感器8、加热板9组成的温控模块控制微芯片7中的反应。反应完成后，左激发光源6’和右激发光源6从微芯片7相对两侧照射，由滤光片5、透镜4、智能移动设备内置成像芯片12、智能移动设备内置镜头13构成的检测光路位于微芯片7正上方。

微处理器2实时采集温度传感器8数据、控制加热板9、控制激发光源6，通过无线通讯模块11与智能移动设备1通讯。

采集的荧光图像信号经由智能移动设备1处理，检测数据可由多种无线传输方式与大型服务器或个人计算机14进一步交互。

装置由移动电源3供电，无需外接电源。

参见图2，微芯片7的结构包括进样口15、出样口16、通道和反应单元17。微芯片7的反应单元17边长范围可在1-10000μm，对应的检测单元数量范围为1-100000个 /mm²。

实施例2 掌上型通用微流控芯片即时检测装置上的核酸等温扩增

本实施例采用实施例1中的装置进行，芯片采用申请号CN103071548A实施例4的芯片进行，并进行后续的数字核酸等温扩增反应。

具体步骤：

1、微芯片7采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）为材料，以多层软光刻技术制作的具有微通道结构的模板为模具，在模具上浇注具有透气性质的PDMS固化形成。

2、制作完成的微流控PDMS芯片置于容器中抽真空除气，PDMS芯片进行抽真空除气处理后，透气性的聚合物块体内气压下降，停止抽真空除气后并置于常压下时，通道与反应单元（17）与外界环境形成气压差，此气压差驱动样品溶液均匀充满反应单元17。

3、采用商业化的E.coli16s rRNA作为反应模板考察装置整体性能：将模板DNA稀释到适当的浓度并与适量的LAMP反应试剂及DNA荧光染料SYBR Green I混合：

4、按照50μL体系配置LAMP反应混合物：E.coli 16s rRNA模板1μL，引物FIP（40μM）2μL，引物BIP（40μM）2μL，引物F3（5μM）2μL，引物B3（5μM）2μL，dNTP(2.5mM each)8μL，MgSO₄ (50mM)6μL，betaine(5M)10μL，Bst酶2μL，Bstbuffer5μL，SYBR Green I 2μL，ddH₂O 8μL。LAMP引物如下：

F3:5’GATGTGCCCAGATGGGATT3’

B3：5’GGCCTTCTTCATACACGCG3’

FIP:5’TGGTCATCCTCTCAGACCAGCTTTTTGCTAGTAGGTGGGGTAACGG3’

BIP:5’TGGAACTGAGACACGCTCCAGATTTTATGGCTGCATCAGGCTTG3’

5、将样品溶液加入进样口15处，样品溶液在气压差的驱动下充满通道与反应单元17。

6、待样品溶液均匀充满整个通道与反应单元17后，在进样口15处加入与水不相容的油相液体，油相液体在气压差的驱动下充满通道，从而将反应样品封隔入反应单元17内。

7、开启掌上型通用微流控芯片即时检测装置，将微芯片7与装置导热板10紧贴。开启配套的智能移动设备1上的专用应用程序（APP）。

8、操作智能移动设备1上的专用应用程序（APP），实现其与外接设备的通讯连接，设置反应类型、反应温度与反应时间，控制装置开始扩增反应。

9、微处理器2处理温度传感器8数据，并通过无线通讯模块11将数据传输至智能移动设备1，实现实时监控。

10、待反应完成后、微处理器2控制开启左激发光源6’、右激发光源6，使得其激发光均匀投射至微芯片7；专用应用程序（APP）开启智能移动设备1的拍照功能，荧光信息以数字图像的形式由滤光片5、透镜4、智能移动设备内置成像芯片12、智能移动设备内置镜头13构成的检测光路获取。

11、当SYBR Green I荧光染料与DNA双链结合时，发出较原先强800~1000倍的荧光，因此，发生扩增反应的小室呈现绿色荧光，阴性将无颜色变化。当有核酸分子进入某独立反应单元17，该反应单元17在反应后将产生绿色荧光；如果核酸浓度足够低、使每个反应单元17最多能分到一个核酸分子。则通过对阳性孔的计数就可以对起始的核酸模板量进行精确定量。

12、数字图像的形式获取的反应结果荧光信息由专用应用程序（APP）内嵌的图像处理算法处理，在短时间内即可显示最终结果。检测数据还可与大型服务器或个人计算机14进一步交互、处理。结果参见图3。

<110> 浙江大学

<120> 掌上型通用微流控芯片即时检测装置及应用

<160> 4

<210> 1

<211> 19

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<223> 根据E.coli 16s rRNA 序列设计的LAMP F3序列

<400> 1

5’-GATGTGCCCAGATGGGATT-3’

<210> 2

<211> 19

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<223> 根据E.coli 16s rRNA序列设计的LAMP B3序列

<400> 2

5’-GGCCTTCTTCATACACGCG-3’

<210> 3

<211> 46

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<223> 根据E.coli 16s rRNA序列设计的LAMP FIP序列

<400> 3

5’-TGGTCATCCTCTCAGACCAGCTTTTTGCTAGTAGGTGGGGTAACGG-3’

<210> 4

<211> 44

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<223> 根据E.coli 16s rRNA序列设计的LAMP BIP序列

<400> 4

5’-TGGAACTGAGACACGCTCCAGATTTTATGGCTGCATCAGGCTTG-3’

Claims

1.一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，其特征在于，由智能移动设备（1）、微处理器（2）、移动电源（3）、透镜（4）、滤光片（5）、左激发光源（6’）、右激发光源（6）、微芯片（7）、温度传感器（8）、加热板（9）、导热板（10）、无线通讯模块（11）、智能移动设备内置成像芯片（12）、智能移动设备内置镜头（13）、大型服务器或个人计算机（14）组成；左激发光源（6’）、右激发光源（6）位于微芯片（7）上方相对两侧，使得其激发光均匀投射至微芯片（7），微芯片（7）由进样口(15)、出样口（16）和反应单元(17)组成，微芯片（7）下表面与导热板（10）紧贴，温度传感器（8）嵌于导热板（10）内部中央，导热板（10）下表面与加热板（9）紧贴；滤光片（5）、透镜（4）、智能移动设备内置成像芯片（12）、智能移动设备内置镜头（13）位于微芯片（7）正上方，构成了荧光检测光路，采集微芯片（7）的荧光信息，荧光信息以数字图像的形式经由智能移动设备（1）处理，与大型服务器或个人计算机（14）交互；微处理器（2）实时处理温度传感器（8）数据并控制加热板（9）、左激发光源（6’）、右激发光源（6），通过无线通讯模块（11）与智能移动设备（1）通讯，构成装置的控制与通讯模块；所述装置由移动电源（3）供电，无需外接电源；由微处理器（2）温度传感器（8）加热板（9）构成控温模块，温度调节范围为0-100℃，调节精度为0.1℃，精确控制微芯片（7）中的反应温度；微处理器（2）实时采集温度传感器（8）数据、控制加热板（9）、左激发光源（6’）、右激发光源（6），通过无线通讯模块（11）与智能移动设备（1）通讯；采集的荧光图像信号经由智能移动设备（1）处理，检测数据可由多种无线传输方式与大型服务器或个人计算机（14）进一步交互。

2.根据权利要求1所述的一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，其特征在于，微芯片（7）的表面保持平滑、透明，制作材料选用玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲脂、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚苯乙烯或聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置，其特征在于，微芯片（7）由进样口（15）、出样口（16）、通道和反应单元（17）构成，反应单元（17）边长范围可在1-10000μm，对应的检测单元数量范围为1-100000个 /mm²。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种掌上型通用微流控芯片即时检测装置在核酸扩增反应中的应用,其特征在于，在需要聚合酶链式扩增反应或不需要热循环的等温核酸等温扩增反应中的应用。