CN103454346A - 一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台，包括声波传感器、进样芯片及其温控单元、外围进样系统、传感器信号采集与处理系统以及平台支撑组件五个部分。其中多通道声波传感器和聚合物进样芯片经溶剂键合，满足微米或毫米尺度液体样品的高通量测试，通过一体式或独立式温控单元控制流体反应条件，外围进样系统则用于自动实现样品及缓冲液在芯片中的驱动、样品的定量移液和取样针的清洗等功能。本发明结合了声波传感、磁珠免疫及微流控芯片等技术，避免了传统检测方法因光学因素干扰而带来的信号失真，同时结合免疫磁珠满足复杂样品快速准确的测量要求。
Description
技术领域
本发明属于微流控分析技术领域，具体涉及的是一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台。
背景技术
目前生命科学及诊断应用领域，尤其是蛋白质定量方面，对检测传感器及其系统提出了新的要求，包括更高的测试灵敏度、更快的响应速度以及微型化等多个方面。传统的光学测试方法如ELISA 、Western Blot和Luminex被广泛使用，但是上述测试方法难以避免因光学因素的干扰出现信号失真的可能，导致复杂样品测试过程中得到pg量级超高灵敏度变得困难，同时上述测试方法十分耗时，需要多步手工操作才能获得测试结果。
微流控芯片技术将生物、化学及医疗分析等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元加以集成，达到高通量、快速分析样品的目的，已经开始在生物分析、医学检测、食品药品安全及环境污染等领域发挥越来越重要的作用。目前国内外基于声波传感器的微流控芯片的研究多是集中在检测传感器灵敏度提高、样品处理与混合反应、样品控制驱动、芯片加工材料及手段等一个或几个方向，将相关的技术加以整合并提出可商品化的分析平台则很少涉及。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台，将相关的技术整合，并且商品化。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台，包括外围进样系统、声波传感器、传感器信号采集与处理系统、平台支撑组件和进样芯片。
所述进样芯片包括底板，所述底板上从左到右依次设置样品室、微阀开关、储液池，所述底板的边缘设置废液管路和缓冲液管路；所述进样芯片采用聚合物材料，微通道宽度和高度尺寸范围为10μm-5mm，所述样品室、所述储液池以及微通道集成于盖片5-1，所述盖片5-1和所述基片5-2采用粘结、热压键合、超声键合或者激光焊接的方式键合；所述进样芯片采用一体式或独立式温控单元，其中一体式温控单元同时控制传感器、样品室以及微通道的流体温度，温度范围为25-37℃；独立式温控单元中传感器和样品室分别设置温控装置，其中温度范围25-37℃，用于反应的恒温控制，样品室温度范围65-90℃，用于PCR反应。
进一步的，所述声波传感器为柔性板波器件、表面声波器件、薄膜体声波谐振器件中的一种，所述声波传感器的微通道采用电磁铁或永磁铁，所述永磁铁包括永磁铁、永磁铁支架和永磁铁支架导轨，所述柔性板波器件与所述进样芯片采用溶剂键合，所述柔性板波器件包括地电极、叉指电极和外接电极。
进一步的，所述进样芯片与所述外围进样系统可选择单通道或多通道，多通道为双通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
进一步的，多组探针多电极信号并行采集时的准确定位借助探针支架实现，除探针针头同传感器相应电极处接触导通外，探针其他部位及针套涂覆绝缘材料，绝缘材料选用聚对二甲苯Parylene，型号为Parylene C、Parylene N以及Parylene D三种之一。
进一步的，进样芯片1-5支撑采用防振动平台以避免样品分析时信号的扰动，同时分析平台做屏蔽处理防止信号干扰，其中屏蔽类型为电屏蔽、磁屏蔽以及电磁屏蔽之一。
本发明的有益效果是:
本发明结合了声波传感、磁珠免疫及微流控芯片等技术，其中声波传感器利用薄膜振动频率的变化可获得表面吸附的待测样品的含量，避免了传统检测方法如ELISA 、Western Blot等因光学因素干扰而带来的信号失真，同时结合免疫磁珠满足复杂样品快速准确的测量要求，本发明采用模块化设计，适用于多种尺度单通道或多通道液体样品的分析，将会在生物分析、医学检测、食品药品安全及环境污染等领域发挥越来越重要的作用。
附图说明
图1为分析平台整体结构示意图；
图2为分析平台工作状态示意图；
图3为一种基于声波器件的十通道进样芯片示意图；
图4为一种十通道柔性板波器件的正视图；
图5为一种十通道柔性板波器件的后视图；
图6为一种上述柔性板波器件与进样芯片连接示意图；
图7为一种进样芯片一体式温控单元结构示意图；
图8为一种进样芯片独立式温控单元结构的正视图；
图9为一种进样芯片独立式温控单元结构的后视图；
图10为传感器多电极信号并行采集探针装置示意图；
图11为传感器微通道磁场采用电磁铁结构示意图；
图12为传感器微通道磁场采用永磁铁结构示意图。
图中标号说明：1-1、外围进样系统，1-2、声波传感器，1-3、传感器信号采集与处理系统，1-4、平台支撑组件，1-5、进样芯片，3-1、样品室， 3-2、储液池，3-3、微阀开关，3-4、废液管路，3-5、缓冲液管路，4-1、地电极，4-2、叉指电极，4-3、外接电极，4-4、传感器微流道，5-1、盖片，5-2、基片，6-1、一体式温控单元，7-1、传感器温控单元，7-2、样品室温控单元，V1/V2、三通阀，V3/V4、微阀开关，V5/V6、微阀开关，10-1、探针支架，10-2、探针针套，10-3、探针针头，10-4、定位销，10-5、探针支架支撑孔，11-1、电磁铁铁芯，12-1、永磁铁，12-2、永磁铁支架，12-3、永磁铁支架导轨。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台，包括外围进样系统1-1、声波传感器1-2、传感器信号采集与处理系统1-3、平台支撑组件1-4和进样芯片1-5。
外围进样系统1-1使用注射泵驱动，采用三通阀或集成于进样芯片1-5上的微阀控制流体的通断，其中分离式进样系统采用一台注射泵实现样品的定量移液和样品取样针的清洗，一台注射泵实现样品及缓冲液在进样芯片中的驱动，而一体式进样系统仅使用一台注射泵顺序实现上述功能。
MEMS声波传感器是系统的核心器件，用于液体测试的声波器件类型包括柔性板波器件、表面声波器件以及薄膜体声波谐振器件几种，其中图4、图5为一种十通道柔性板波器件典型结构，4-1为地电极，用于多组电极的接地处理，通常选用Mo金属。外接电极4-3经过多组叉指电极4-2引入电信号，通过逆压电效应，器件薄膜产生振动。待测样品或缓冲液经过声波传感器1-2的传感器微流道4-4，薄膜谐振频率的变化通过压电效应使另一侧叉指电极获得相应的电信号，并通过外接电极4-3相应电极引出，从而反应或测定出薄膜表面的附着质量的变化。采用多组探针对传感器进行多电极信号并行采集时，由于MEMS传感器外形尺寸有限，需要考虑各探针的准确定位。如图10所示，借助探针支架10-1实现，探针支架本身的开孔位置决定了探针最终的横向位置，除探针针头10-3同传感器相应电极处接触导通外，探针其他部位及探针针套10-2涂覆绝缘材料，绝缘材料选用聚对二甲苯Parylene，型号为Parylene C、Parylene N以及Parylene D三种之一，涂覆厚度范围为0.5-10μm。四个探针支架支撑孔10-5配合圆柱销后作为探针支架的粗定位，不同长度的圆柱销可调整探针针头和传感器电极之间接触的基本位置，所示的一对定位销10-4则是用于精定位，实现探针支架和微流控芯片相应接口的准确配合。
MEMS声波传感器每一微通道都含有一个磁场，用来捕获表面吸附目标待测样品的磁珠。然后关闭磁场，在样品的流动作用下，载有目标待测样品的磁珠与传感器表面发生生物特异性结合而继续留在传感器表面，而其他的磁珠会被流体带走。其中磁场施加形式为永磁体或电磁铁之一，电磁铁铁芯11-1缠绕线圈并固定于探针支架10-1上，如图11所示，其中电信号通断控制磁场施加于撤除；所述永磁体包括永磁铁12-1、永磁铁支架12-2和永磁铁支架导轨12-3，为保证磁场对反应时待测样品磁珠具备足够的吸附力，通常选用永磁铁方式施加磁场。如图12所示，不同于电磁铁，永磁铁12-1通过接近或远离MEMS传感器表面来控制磁场施加与撤除。
传感器信号采集与处理系统1-3针对多路微通道样品测试的幅频特性进行测试和分析。
平台支撑组件1-4采用防振动平台以避免样品分析时信号的扰动，同时分析平台做屏蔽处理防止信号干扰，其中屏蔽类型为电屏蔽、磁屏蔽以及电磁屏蔽之一。
图3为一种基于声波器件的十通道进样芯片示意图，进样芯片1-5采用聚合物材料，微通道宽度和高度尺寸不限于微米量级，尺寸范围为10μm-5mm，样品室3-1、储液池3-2以及微通道集成于盖片，盖片和基片采用粘结、热压键合、超声键合或者激光焊接的方式键合。待测样品从样品室3-1滴入，各样品室设计容积为500μL。缓冲液能够用于解离传感器表面修饰物，经外部容器从缓冲液管路3-5引入，最终通过微阀开关3-3与待测样品进行切换。储液池3-2借助外部进样系统的驱动将样品或缓冲液存储，存储设计容积1.2mL。反应完成后，储液池液体经废液管路3-4排出并回收。经过微阀的切换，进样芯片实现了缓冲液的自动冲洗，从而重复使用。进样芯片1-5采用一体式或独立式温控单元，如图7所示，一体式温控单元6-1同时控制传感器、样品室以及微通道的流体温度，温度范围为25-37℃。如图9所示，独立式温控单元中传感器和样品室分别设置温控装置，其中传感器温控单元7-1处温度范围25-37℃，用于反应的恒温控制，样品室温控单元7-2处温度范围65-90℃，用于PCR反应。
进一步的，进样芯片与外围进样系统可选择单通道或多通道，多通道为双通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
如图2所示，分析平台工作状态，进样芯片沿水平箭头所示方向进入确定位置，传感器信号采集与处理系统1-3所在移动结构下移，确保和进样芯片各接口准确配合，包括信号采集探针部件、磁场施加部件，以及储液池和微阀开关均实现位置的一一对应。
图6为一种柔性板波器件与进样芯片连接示意图，二者采用溶剂键合方式，其中声波传感器1-2和盖片5-1通过粘结剂粘接，样品和缓冲液沿图中箭头所示方向传输，经盖片5-1微通道进入声波传感器1-2的传感器微流道4-4。
Claims (6)
1.一种基于声波传感器的微流控芯片分析平台，其特征在于：包括外围进样系统（1-1）、声波传感器（1-2）、传感器信号采集与处理系统（1-3）、平台支撑组件（1-4）和进样芯片（1-5），所述进样芯片（1-5）包括底板，所述底板上从左到右依次设置样品室（3-1）、微阀开关（3-3）、储液池（3-2），所述底板的边缘设置废液管路（3-4）和缓冲液管路（3-5）。
2.根据权利要求1所述的基于声波传感器的微流控芯片分析平台，其特征在于：所述进样芯片（1-5）采用聚合物材料，微通道宽度和高度尺寸范围为10μm-5mm，所述样品室（3-1）、所述储液池（3-2）以及微通道集成于盖片（5-1），所述盖片（5-1）和所述基片（5-2）采用粘结、热压键合、超声键合或者激光焊接的方式键合；所述进样芯片（1-5）采用一体式或独立式温控单元，其中一体式温控单元同时控制传感器、样品室（3-1）以及微通道的流体温度，温度范围为25-37℃；独立式温控单元中传感器和样品室（3-1）分别设置温控装置，其中温度范围25-37℃，用于反应的恒温控制，样品室温度范围65-90℃，用于PCR反应。
3.根据权利要求1所述的基于声波传感器的微流控芯片分析平台，其特征在于：所述声波传感器（1-2）为柔性板波器件、表面声波器件、薄膜体声波谐振器件中的一种，所述声波传感器（1-2）的微通道采用电磁铁或永磁铁，所述永磁铁包括永磁铁（12-1）、永磁铁支架（12-2）和永磁铁支架导轨（12-3），所述柔性板波器件与所述进样芯片（1-5）采用溶剂键合，所述柔性板波器件包括地电极（4-1）、叉指电极（4-2）和外接电极（4-3）。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片分析平台，其特征在于：所述进样芯片（1-5）与所述外围进样系统（1-1）可选择单通道或多通道，多通道为双通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片分析平台，其特征在于：多组探针多电极信号并行采集时的准确定位借助探针支架实现，除探针针头同传感器相应电极处接触导通外，探针其他部位及针套涂覆绝缘材料，绝缘材料选用聚对二甲苯Parylene，型号为Parylene C、Parylene N以及Parylene D三种之一。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片分析平台，其特征在于：进样芯片（1-5）支撑采用防振动平台以避免样品分析时信号的扰动，同时分析平台做屏蔽处理防止信号干扰，其中屏蔽类型为电屏蔽、磁屏蔽以及电磁屏蔽之一。
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