CN103433085A - 自动切换通道的纸基微流体装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动切换通道的纸基微流体装置及其应用，该装置包括若干层叠加的含有疏水隔离区和亲水微流通道的纸基微流体单层，形成微流通道，并在其上设置有微流开关；微流通道与微流开关之间设置有吸水树脂，液体流入吸水树脂后，树脂吸水膨胀向下推动微流开关和其下的试剂承载衬垫，试剂承载衬垫向下移动与其下方的微流通道相接触后，开启另一条微流通道完成通道自动切换。该装置实现了纸基微流体自动切换通道的功能，在不需要任何辅助设备和专业人员的情况下，可通过通道的自动切换引入多种生化试剂，进行多步骤生化反应，作为生化检测装置的一部分，微型化了生化检测装置，使纸基微流体装置具备了放大被检测信息分子的功能。

Description

自动切换通道的纸基微流体装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种纸基微流体装置，具体涉及一种自动切换通道的纸基微流体装置及其应用。

背景技术

微流控芯片因具有体积小、样品用量少、操作相对简单和分析功能强大，已成为生化分析领域的研究热点，在DNA测序、蛋白质结晶、单细胞分析、单分子分析、疾病诊断和食品安全等众多领域中得以应用。而纸基微流控芯片作为＂简约版＂的微流体装置，与微流控芯片相比，因其具有成本低廉、便于携带、操作简单、无需任何附加装置和专业人员等显著优点，引起了广泛地重视。

纸基微流体装置是将纸张进行处理后（如在纸张上喷涂蜡或其他疏水物质等多种方式），形成亲水的微流通道和疏水隔离区，疏水隔离区作为通道屏障，亲水的微流通道则利用纸张纤维（素）的毛细管力实现微流的输运，无需外界驱动力。

到目前为止，现有的纸基微流体装置中的导流通道都是固定的，故在没有辅助设备的情况下，难以控制通道内微流体的走向。当现有的纸基微流体装置用于生化分析领域中时，使用现有的纸基微流体装置进行生化检测只能完成简单的生化反应步骤、功能单一，却无法完成多步骤的生化反应进行进一步检测。

而大多数的生化反应是多步骤、多层级、不同反应时间的一个连续的过程，且多步骤的生化反应所能达到的检测灵敏度要比单一生化反应高出很多。例如，目前较为广泛应用的侧流试纸条胶体金标记一步法的灵敏度大约为每毫升10^-9克（ng/ml），而采用多步骤、超敏感的等离子酶联免疫吸附试验(Plasmonic ELISA)双抗体夹心法对抗原的灵敏度可以达到每毫升10^-18克（ag/ml)。在特异性相近的情况下，灵敏度明显提高。故用现有的纸基微流体装置进行生物化学的检测时，因其无法完成多步骤生化反应，使其检测灵敏度有限，在应用中受到一定限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种自动切换通道的纸基微流体装置。同时，本发明还进一步提供应用该纸基微流体装置的生化检测装置，通过此装置在不需要任何辅助设备和专业人员的情况下，可完成多步骤、多层级、不同反应时间的生化反应进行样品检测。

为实现上述目的，本发明自动切换通道的纸基微流体装置，包括若干层叠加的含有疏水隔离区和亲水微流通道的纸基微流体单层，形成若干条生化反应微流通道和若干条树脂受水微流通道，微流体底层设置有微流输出端；微流体单层上的微流通道连同其上下两层纸基微流体单层上微流通道对应位置的疏水隔离区设置有三面断开、一面与疏水隔离区相连的活瓣作为微流开关，微流开关上设置有试剂承载衬垫树脂受水微流通道与微流开关之间设置有吸水树脂，吸水树脂设置有对应的吸水树脂膨胀空间，微流开关设置有对应的微流开关活动空间；液体经树脂受水微流通道流入吸水树脂，树脂吸水膨胀向下推动微流开关和试剂承载衬垫，试剂承载衬垫向下移动与设置在其下方的生化反应微流通道相接触后，开启另一条微流通道完成通道自动切换。

进一步，所述吸水树脂与所述微流开关之间设置有所述吸水树脂膨胀空间，所述吸水树脂吸水后向下方的所述吸水树脂膨胀空间膨胀，推动所述微流开关开启；所述微流开关下方设置有所述微流开关活动空间，当所述微流开关启动时，设置在所述微流开关上的所述试剂承载衬垫向下移动至所述微流开关活动空间。

进一步，所述微流开关单独控制生化反应微流通道或树脂受水微流通道的通断，或同时控制生化反应微流通道和为所述微流开关上方的吸水树脂提供水的树脂受水微流通道的通断。

进一步，所述装置通过控制所述树脂受水微流通道的宽度和长度控制所述微流开关开启时间。

进一步，当所述试剂承载衬垫与设置在其下方所述生化反应微流通道相接触时，所述试剂承载衬垫与其下方的两条生化反应微流通道呈串联式连接。

进一步，所述微流输出端位于所述纸基微流体装置的顶层或底层。

进一步，所述吸水树脂为半球型球块、长方形、方形或其他具有受水平面的异型吸水树脂。

进一步，所述微流体单层由滤纸构成，滤纸上设置有蜡层形成所述疏水隔离区。

一种利用上述自动切换通道的纸基微流体装置进行检测的生化检测装置，包括基质，基质一端上方设置有纸基微流体装置作为缓冲液施加区；基质的中部设置有若干条平行的侧流试纸条，纸基微流体装置的微流输出端延伸分出和侧流试纸条相同数量的端口，并与各侧流试纸条的一端对应连接；延伸的微流输出端作为待测样品施加区，其下设置有交联衬垫；基质另一端上方设置有吸水衬垫，与侧流试纸条部分重叠；其中，纸基微流体装置中的试剂承载衬垫与待测样品施加区下的交联衬垫，以及设置在侧流试纸条上的检测线和对照线上根据需要含有不同的生化试剂，用于生化反应检测与分析。

进一步，所述吸水衬垫由吸水纤维构成，与所述侧流试纸条重叠的部分设置在所述侧流试纸条上方；所述侧流试纸条材料为硝酸纤维膜、聚偏二氟乙烯膜(PVDF membrane)或尼龙膜(nylon membrane)。

本发明的自动切换通道的纸基微流体装置实现了自动切换通道的功能，可通过通道的自动切换引入多种生化试剂，进行多步骤生化反应，使纸基微流体装置具备放大被检测信息分子的功能。其用于生化检测分析领域，可作为生化检测装置中的一部分，设计出带有自动切换通道的纸基微流体的生化检测装置，具有以下优点。

1.此生化检测装置具有廉价、便携、快速、灵敏、特异、微量、操作简单、无需要任何辅助设备和专业人员等优点，是一种性价比高的生化检测装置。

2．本发明的生化检测装置微型化了进行生化反应的检测装置，在不需要任何辅助设备和专业人员的情况下，可进行多步骤生化反应，减小了人为操作误差，方便实施实时检测，特别适合在不具备辅助设备和专业人员的家庭、农村、牧场、野外和灾难等资源有限的场合。

3．本发明的生化检测装置使用全纸基结构，成本低廉，使用后可焚毁，防止有害被测样品污染环境，节能环保。

4．本发明的生化检测装置采用模块化组合，可根据不同的检测目的而选择相应的纸基微流体装置、交联衬垫和侧流试纸条进行组合。

附图说明

图1为实施例的纸基微流体装置的分层示意图；

图2为本发明生化检测装置的主视图；

图3为实施例中纸基微流体装置底层及底层延伸区的仰视图；

图4为实施例中生化检测装置的操作流程图；

其中，1为缓冲液施加区，2为待测样品施加区，3为基质，4为侧流试纸条，5为检测线，6为对照线，7为吸水衬垫，J为纸基微流体装置底层。

具体实施方式

下面，参考附图1-4，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

实施例

使用等离子酶联免疫吸附试验(Plasmonic ELISA)双抗体夹心法进行样品检测，制备自动切换通道的纸基微流体装置和相应的生化检测装置。自动切换通道的纸基微流体装置分层图如图1所示。

本实施例的自动切换通道的纸基微流体装置由微流体单层A层、微流体单层B层、微流体单层C层、微流体单层D层、微流体单层E层、微流体单层F层、微流体单层G层、微流体单层H层、微流体单层I层、微流体单层J层十层单层叠加组成，每层单层通过在滤纸上喷涂蜡制备出疏水隔离区和亲水微流通道。叠加后，形成生化反应微流通道和树脂受水微流通道，如下：

树脂受水微流通道A：A1-B1-C1-D1-E1-F1-F2-E2-D2-C2；

树脂受水微流通道B：A1-B1-C1-D1-E1-F1-F3-E3-D3-C3;

生化反应微流通道A：A4-B4-C4-D4-E4-F4-G4-H4-I4-J4;

生化反应微流通道B：A5-B5-C5-D5-E5-F5-G5-H5-I5-J5;

生化反应微流通道C：A1-B1-C1-D1-E1-F1-G1-H1-I1-J1。

微流底层J层中的微流通道J4作为微流最终流出纸基微流体的通道，设置有J8微流输出端。

微流体单层F层上的树脂受水微流通道A和生化反应微流通道A上，连同微流体单层F层的上层微流体单层E层和下层微流体单层G层上其上下对应位置处的疏水隔离区设置有三面断开、一面与隔离区相连的活瓣作为微流开关A，即大小相等的活瓣E6、活瓣F6、活瓣G6共同组成微流开关A，并同时控制树脂受水微流通道A和生化反应微流通道A的通断。同样，微流开关B由大小相等的活瓣E7、活瓣F7、活瓣G7共同组成，同时控制树脂受水微流通道B和生化反应微流通道B的通断。

在树脂受水微流通道A的部分微流通道C2和微流开关A之间设置有半球型吸水树脂块C6，其对应下方设置有吸水膨胀空间D6。同样，在树脂受水微流通道B的部分微流通道C3和微流开关B之间设置有半球型吸水树脂块C7，其对应下方设置有吸水膨胀空间D7。

在微流体单层H层上，微流开关A下方设置有试剂承载衬垫H6，试剂承载衬垫H6下方设置有微流开关A的微流开关活动空间I6。同样，微流开关B下方设置有试剂承载衬垫H7，试剂承载衬垫H7下方设置有微流开关B的微流开关活动空间I7。

本实施例通过控制树脂受水微流通道的宽度和长度控制微流开关开启时间。当向纸基微流体装置的缓冲液施加处A8滴加缓冲液时，缓冲液同时顺着亲水的微流通道流动开始向生化反应微流通道A、生化反应微流通道B、生化反应微流通道C、树脂受水微流通道A和树脂受水微流通道B流动。首先经生化反应微流通道A通过微流输出端J8输出微流体，而生化反应微流通道B和生化反应微流通道C分别流至微流体底层J层的微流通道J1和微流通道J5后停止。

待缓冲液经生化反应微流通道A流出微流体一段时间后，缓冲液流经树脂受水微流通道A后到达微流通道C2并流入吸水树脂C6，吸水树脂C6吸水向吸水膨胀空间D6处膨胀推动微流开关A，微流开关A首先开启。随着微流开关A开启下移，微流通道A断开，而试剂承载衬垫H6随之向下移动到达微流体单层I层的微流开关A的微流开关活动空间I6处，试剂承载衬垫H6两端分别与微流通道J4和微流通道J5相接触，将微流通道J4和J5接通形成新的生化反应微流通道B’（A5-B5-C5-D5-E5-F5-G5-H5-I5-J5-H6-J4），此时缓冲液经生化反应微流通道B’流出微流体，微流体完成首次通道自动切换。

待缓冲液经生化反应微流通道B’流出微流体一段时间后，缓冲液流经树脂受水微流通道B后到达微流通道C3并流入吸水树脂C7，吸水树脂C7吸水向吸水膨胀空间D7处膨胀推动微流开关B，微流开关B开启。随着微流开关B开启下移，微流通道B’断开，而试剂承载衬垫H7随之向下移动到达微流体单层I层的微流开关B的微流开关活动空间I7处，试剂承载衬垫H7两端分别与微流通道J4和微流通道J1相接触，将微流通道J4和J1接通形成新的生化反应微流通道C’（A1-B1-C1-D1-E1-F1-G1-H1-I1-J1-H7-J4），此时缓冲液经生化反应微流通道C’流出微流体，微流体完成第二次通道自动切换。

 使用上述结构的纸基微流体作为缓冲液施加区，组成用于等离子酶联免疫吸附试验双抗体夹心法分析检测法的生化检测装置，装置主视图如2所示，图3为纸基微流体装置底层及底层延伸区的仰视图。该生化检测装置包括基质3，基质3的一端上方设置有纸基微流体装置作为缓冲液施加区1。基质3的中部设置有两条平行的侧流试纸条4，侧流试纸条4上分别设置有检测线5和对照线6。纸基微流体装置底层J层的微流输出端J8延伸并分出两个微流输出端端口J9分别与两条侧流试纸条4的一端对应连接；延伸的微流输出端作为待测样品施加区2，其下设置有交联衬垫（图中未示出）。基质3另一端上方设置有吸水衬垫7，与侧流试纸条4部分重叠。

其中，纸基微流体装置中的试剂承载衬垫H6中含有酶标第二抗体，试剂承载衬垫H7中含有显色试剂，待测样品施加区2下的交联衬垫中含有特异抗体，侧流试纸条上含有固定在检测线5上的特异抗体和固定在对照线6上的结合酶标第二抗体的抗体，对照线6作为质量检测使用。

当向待测样品施加区中滴加含有抗原的样品时，等离子酶联免疫吸附试验双抗体夹心法检测法操作流程如图4所示。首先液体样品施加在待测样品施加区2，待测样品中的抗原与待测样品施加区2下面的交联衬垫中的抗体相结合。与此同时，将缓冲液施加在缓冲液施加区1上，缓冲液顺着纸基微流体中生化反应微流通道A流至待测样品施加区处，抗原与抗体结合物在缓冲液冲洗作用下流向侧流试纸条4；随着缓冲液不断流出冲洗，抗原与抗体结合物到达侧流试纸条4的检测线5处，固定在检测线5上的抗体俘获抗原与抗体的结合物，未被俘获的抗原与抗体的结合物被缓冲液冲洗至吸水衬垫7上。

待侧流试纸条4上的抗原与抗体结合物的残存物冲洗干净后，纸基微流体微流开关A开启，生化反应微流通道A断开，微流开关A上的试剂承载衬垫H6接触到微流通道J4和微流通道J5，生化反应通道B’开启，并将试剂承载衬垫H6中的酶标第二抗体释放出来，酶标第二抗体随着缓冲液通过生化反应通道B’流向侧流试纸条4，一段时间后与侧流试纸条4上的检测线5已存在的结合物上的抗体结合，与对照线6上的抗体结合。未被结合酶标第二抗体经缓冲液冲洗至吸水衬垫7上。

待侧流试纸条4上的酶标第二抗体残存物冲洗干净后，纸基微流体微流开关B开启，生化反应微流通道B’断开，微流开关B上的试剂承载衬垫H7接触到微流通道J4和微流通道J1，生化反应通道C’开启，并将试剂承载衬垫H7中的显色试剂释放出来，显色试剂随着缓冲液通过生化反应通道  C’流向侧流试纸条4，一段时间后与侧流试纸条4上的检测线5和对照线6上存在的酶标第二抗体上的酶反应显色，显示最终检测结果。

当样品中不含有与特异抗体结合的抗原时，经操作后检测线5不显色，而对照线6显色，即在样品中未检测出抗原。当检测线5和对照线6经操作后均不显色，说明此生化检测装置失效，无法检测样品。

结果显示，经此装置使用超敏感的等离子酶联免疫吸附试验双抗体夹心法检测抗原，其灵敏度可以达到每毫升10^-15克（fg/ml)。

 本实施例的自动切换通道的纸基微流体装置实现了纸基微流体自动切换通道的功能，在不需要任何辅助设备和专业人员的情况下，可通过通道的自动切换引入多种生化试剂，进行多步骤生化反应，减小了人为操作误差，微型化了生化检测装置，使纸基微流体装置具备了放大被检测信息分子的功能。

本实施例的生化检测装置用于超敏感的等离子酶联免疫吸附试验双抗体夹心法检测样品，其采用模块化组合使用。根据不同的检测目的和不同的检测方法而调整或选择相应的纸基微流体装置、交联衬垫和侧流试纸条，进一步组合成相应的生化检测装置，故在此不再列举相应的实施例。

虽然，上文中已经用一般性说明和具体实施方式对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改和改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改和改进，均属于本发明要求保护的范围。 

Claims (10)

1.一种自动切换通道的纸基微流体装置，其特征在于，所述纸基微流体装置包括若干层叠加的含有疏水隔离区和亲水微流通道的纸基微流体单层，形成若干条生化反应微流通道和若干条树脂受水微流通道，微流体底层设置有微流输出端；微流体单层上的微流通道连同其上下两层纸基微流体单层上微流通道对应位置的疏水隔离区设置有三面断开、一面与疏水隔离区相连的活瓣作为微流开关，微流开关上设置有试剂承载衬垫树脂受水微流通道与微流开关之间设置有吸水树脂，吸水树脂设置有对应的吸水树脂膨胀空间，微流开关设置有对应的微流开关活动空间；液体经树脂受水微流通道流入吸水树脂，树脂吸水膨胀向下推动微流开关和试剂承载衬垫，试剂承载衬垫向下移动与设置在其下方的生化反应微流通道相接触后，开启另一条微流通道完成通道自动切换。

2.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述吸水树脂与所述微流开关之间设置有所述吸水树脂膨胀空间，所述吸水树脂吸水后向下方的所述吸水树脂膨胀空间膨胀，推动所述微流开关开启；所述微流开关下方设置有所述微流开关活动空间，当所述微流开关启动时，设置在所述微流开关上的所述试剂承载衬垫向下移动至所述微流开关活动空间。

3.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述微流开关单独控制生化反应微流通道或树脂受水微流通道的通断，或同时控制生化反应微流通道和为所述微流开关上方的吸水树脂提供水的树脂受水微流通道的通断。

4.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述装置通过控制所述树脂受水微流通道的宽度和长度控制所述微流开关开启时间。

5.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，当所述试剂承载衬垫与设置在其下方生化反应微流通道相接触时，所述试剂承载衬垫与其下方的两条生化反应微流通道呈串联式连接。

6.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述微流输出端位于所述纸基微流体装置的顶层或底层。

7.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述吸水树脂为半球型球块、长方形、方形或具有受水平面的异型吸水树脂。

8.如权利要求1所述的纸基微流体装置，其特征在于，所述微流体单层由滤纸构成，滤纸上设置有蜡层形成所述疏水隔离区。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的自动切换通道的纸基微流体装置进行检测的生化检测装置，其特征在于，所述生化检测装置包括基质，基质一端上方设置有纸基微流体装置作为缓冲液施加区；基质的中部设置有若干条平行的侧流试纸条，纸基微流体装置的微流输出端延伸分出和侧流试纸条相同数量的端口，并与各侧流试纸条的一端对应连接；延伸的微流输出端作为待测样品施加区，其下设置有交联衬垫；基质另一端上方设置有吸水衬垫，与侧流试纸条部分重叠；其中，纸基微流体装置中的试剂承载衬垫与待测样品施加区下的交联衬垫，以及设置在侧流试纸条上的检测线和对照线上根据需要含有不同的生化试剂。

10.如权利要求9所述的生化检测装置，其特征在于，所述吸水衬垫由吸水纤维构成，与所述侧流试纸条重叠的部分设置在所述侧流试纸条上方；所述侧流试纸条材料为硝酸纤维膜、聚偏二氟乙烯膜或尼龙膜。

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