CN103820304A - 用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置 - Google Patents

用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，用于在微纳条件下快速提取核酸，包括混匀微流道、复数组电磁激发源和与所述电磁激发源相连的控制装置，所述混匀微流道内包括生物样品、纳米磁珠和反应液，所述电磁激发源围绕所述混匀微流道互成一定角度排列，所述控制装置控制对所述电磁激发源施加时序控制的电流，在所述混匀微流道内形成时变磁场，使得所述纳米磁珠做三维涡流螺旋线运动，所述生物样品、纳米磁珠与所述反应液混匀结合并反应。本发明采用独特的三维电磁激发方式，使在微纳条件下快速提取核酸成为现实，相对现有核酸提取设备，极大提高了核酸提取效率；且本发明设备结构简单，易加工实现。

Description

用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置
技术领域
本发明涉及核酸提取纯化领域，尤其是涉及一种基于三维电磁激发技术将生物样品、反应液和纳米磁珠高速混匀的装置。
背景技术
核酸提取技术在生物和医药领域都有广泛应用，精确快速的从样品中提取核酸是进行准确核酸检验的前提。磁珠法提取核酸已经是一种很成熟的技术，其基本原理是利用超顺磁性氧化硅纳米磁珠与核酸分子特异性地识别和高效结合。利用氧化硅纳米微球的超顺磁性，在Chaotropic盐(盐酸胍、异硫氰酸胍等)和外加磁场的作用下，能从血液、动物组织、食品、病原微生物等样本中的DNA和RNA分离出来。其基本步骤为裂解-结合-洗涤-洗脱。在这些步骤中，主要时间(大约占总的提取时间70％)均花费在混匀步骤，即将磁珠、样品以及反应液混合充分是核酸提取中的关键步骤。如何快速充分的混匀纳米磁珠和反应液已经成为进一步提高核酸提取效率的瓶颈问题。微纳技术的快速发展为解决这一问题提供了可能性。
快速充分混匀纳米磁珠和反应液在微流控中实际为如何高效的驱动微流体或者纳米磁珠实现快速充分的运动，现在主流的微流体驱动技术包括机械驱动、光学驱动、电驱动、磁驱动等，这些方法或结构复杂或者效率不够，均不能有效实现纳米磁珠和反应液的快速充分混匀。即微流控技术用于核酸提取最大缺陷就是不能像在宏观条件下一样，使样品和各类试剂充分混合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，将在微流道中实现纳米磁珠和反应液的快速混匀和核酸提取成为现实。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，包括混匀微流道、复数组电磁激发源和与所述电磁激发源相连的控制装置，所述混匀微流道内包括生物样品、纳米磁珠和反应液，所述电磁激发源围绕所述混匀微流道互成一定角度排列，所述控制装置控制对所述电磁激发源施加时序控制的电流，在所述混匀微流道内形成时变磁场，使得所述纳米磁珠做三维涡流螺旋线运动，所述生物样品、纳米磁珠与所述反应液混匀结合并反应。
优选地，所述混匀微流道包括微流槽和微加热器，所述微加热器设置在所述微流槽侧面，用以辅助微流槽内生物样品的裂解结合反应的完成。
所述微加热器可采用金属铂薄膜微加热器。
所述混匀微流道材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其他类似材料，另外混匀微流道可采用软蚀刻技术或其他微流道加工技术进行加工。
所述电磁激发源围绕所述混匀微流道互成120°分布。
每组所述电磁激发源上设置至少一个电磁激发装置，每个所述电磁激发装置包括铁芯和包裹在所述铁芯外的铁芯外绕线，所述电磁激发装置与所述控制装置电性相连。
所述电磁激发装置与所述控制装置之间还连接有电流放大器。
所述控制装置控制对所述电磁激发源施加时序控制的半波正弦电流或半波余弦电流。
所述混匀装置还包括液体分选和驱动装置、核酸收集腔和废液储存腔，所述液体分选和驱动装置、核酸收集腔和废液储存腔均通过阀门与所述混匀微流道相通或分隔。
所述反应液为裂解液、洗涤液和洗脱液中的一种，通过液体分选和驱动装置依次加入到混匀微流道内，用于进行核酸的提取纯化反应。
本发明的有益效果是：(1)本发明采用独特的三维电磁激发方式，驱使纳米磁珠在微流道内做三维涡流螺旋线运动，从而使得纳米磁珠上的样品跟反应液充分混合均匀并快速反应，使在微纳条件下实现快速提取核酸成为现实，相对现有核酸提取设备，极大提高了核酸提取效率；(2)本发明设备结构简单，易加工实现。
附图说明
图1是本发明用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置的俯视结构示意图；
图2是图1中A-A方向的剖视结构示意图；
图3是本发明电磁激发源上所加电流的时序图示意图；
图4为纳米磁珠在三维磁场作用下整体运动轨迹示意图；
图5为单个纳米磁珠在三维磁场作用下的运动轨迹示意图；
图6为裂解后纳米磁珠被吸附到混匀微流道一侧的原理示意图；
图7为洗涤后纳米磁珠被吸附到混匀微流道一侧的原理示意图。
附图标记：1、液体分选和驱动装置，2、混匀微流道，21、微加热器，3、电磁激发源，4、核酸收集腔，5、废液储存腔，6、控制装置，7、电流放大器，8、阀门，9密封膜。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
结合图1和图2所示，本发明所揭示的一种用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，包括液体分选和驱动装置1、混匀微流道2、三组电磁激发源3、核酸收集腔4、废液储存腔5和控制装置6，所述液体分选和驱动装置1与所述混匀微流道2相连，用于将生物样品、反应液和纳米磁珠全部注入到所述混匀微流道2内，待进行核酸提取反应，并驱使在所述混匀微流道2内反应后形成的废液进入到所述废液储存腔5内，以及驱使提取纯化后的核酸进入到所述核酸收集腔4内。
所述反应液包括裂解液、洗涤液和洗脱液，所述裂解液、洗涤液和洗脱液依次被加入到所述混匀微流道2中，分别进行生物样品的裂解结合反应、洗涤和洗脱提纯。
所述混匀微流道2作为核酸反应提取腔，用于进行核酸提取纯化反应，所述混匀微流道2包括微流槽(图未示)和微加热器21，所述微流槽用于盛装生物样品、反应液和纳米磁珠，所述微加热器21集成在所述微流槽的侧面，用于辅助所述微流槽内生物样品的裂解结合反应的完成，所述微加热器21可采用金属铂薄膜微加热器。
三组所述电磁激发源3围绕所述混匀微流道2互成120°分布，对电磁激发源3施加时序控制半波正弦或余弦电流，使得所述混匀微流道2内形成时变磁场，驱使纳米磁珠在混匀微流道2中做往复的三维涡流螺旋运动，从而实现纳米磁珠与反应液充分快速混匀的目的。
每组所述电磁激发源3上设置n个电磁激发装置，n为正整数，在具体实施时可以根据需要自行调节所述电磁激发装置的数量。本发明实施例中以每组电磁激发源3上设置7个电磁激发装置，来具体介绍所述电磁激发源的工作过程。
为叙述方便，定义三组所述电磁激发源3分别为电磁激发源A、电磁激发源B和电磁激发源C，再将每组电磁激发源3上的电磁激发装置依次编号，即电磁激发源A上的7个电磁激发装置依次标为电磁激发装置A1、电磁激发装置A2……、电磁激发装置A7，电磁激发源B和电磁激发源C按照同样的方式对其电磁激发装置进行编号。
每个所述电磁激发装置均包括铁芯(图未示)和包裹在所述铁芯外的铁芯外绕线(图未示)，反应开始时，通过时序控制从电磁激发源A上的第一个电磁激发装置A1开始，按照电磁激发源A-电磁激发源B-电磁激发源C的顺序，依次对各组上的电磁激发装置通半个周期正弦交流电，如图3所示，待每组最后一个电磁激发装置均通电结束后，再反向从每组电磁激发源上的编号倒数第二个电磁激发装置开始，仍按照电磁激发源A-电磁激发源B-电磁激发源C的顺序再进行反向通电，如此循环反复。具体地：先依次对电磁激发源A1、电磁激发源B1、电磁激发源C1、……电磁激发源An、电磁激发源Bn、电磁激发源Cn通电，待正序反应结束后，再依次进行电磁激发源An-1、电磁激发源Bn-1、电磁激发源Cn-1……电磁激发源A1、电磁激发源B1、电磁激发源C1的反序通电，如此循环对各组上的电磁激发装置施加半波正弦电流，使得所述混匀微流道2中形成时变磁场，驱使纳米磁珠在混匀微流道2中做往复三维涡流螺旋运动，达到生物样品、纳米磁珠与反应液充分快速混匀目的。如图4、图5所示，其中图4为纳米磁珠在三维磁场作用下整体运动轨迹示意；图5为单个纳米磁珠在三维磁场下的运动轨迹示意。
结合图1和图2所示，所述控制装置6经电流放大器7与每组电磁激发源3相连，用于控制向所述电磁激发源3施加时序控制的电流。
所述核酸收集腔4用于收集并存储最终提取纯化的核酸，所述废液储存腔5用于收集在核酸提取过程中形成的各种废液，所述液体分选和驱动装置1与所述混匀微流道2之间、所述混匀微流道2与所述核酸收集腔4之间、所述混匀微流道2与所述废液储存腔5之间均设置有阀门8，通过阀门8控制其与所述混匀微流道2相通或分隔。
下面以每个电磁激发装置上通的正弦电流的全周期为2s(即半波正弦电流的周期为1s)，三组电磁激发源3完成一个全周期通电耗时为21s为例，来介绍本发明混匀装置的具体反应过程。
本发明用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置的具体反应过程为：结合图6所示，首先，通过液体分选和驱动装置1将裂解液、生物样品和纳米磁珠全部注入到混匀微流道2，在混匀微流道2中，进行3个全周期(即耗时63秒)三维涡流螺旋混匀结合反应。结束后再继续单独对电磁激发源A组上的铁芯施加电流，则带有核酸及其他杂质的纳米磁珠在该电流作用下会被吸附到混匀微流道2的电磁激发源A侧，然后再通过液体分选和驱动装置1将裂解产生的废液推入到废液储存腔5，此时裂解后的核酸及纳米磁珠则留在混匀微流道2中。
结合图7所示，其次，通过液体分选和驱动装置1将洗涤液注入混匀微流道2，在上述混匀作用下，洗涤三次，每次0.5个混匀周期，经过1.5个混匀周期，洗涤结束理论耗时31.5秒。结束后同样再继续单独对电磁激发源A组上的铁芯施加电流，则带有核酸的纳米磁珠会被吸附到混匀微流道2的电磁激发源A侧，然后再通过液体分选驱动装置1将洗涤废液推入废液储存腔5，此时核酸及磁珠留在混匀微流道2中，如图7所示。
最后，通过液体分选和驱动装置1将洗脱液注入混匀微流道2，在前述混匀作用下，经过2个混匀周期，洗脱结束，理论耗时42秒。结束后再次同时对A组磁棒施加电流，经过洗脱的磁珠被吸附到混匀微流道2的电磁激发源A侧，然后再通过液体分选驱动装置1将洗脱纯化后核酸注入核酸收集腔4。
综上，整个核酸提取时间为146.5秒，相对常规核酸提取仪耗时减少62.5％。
表1所示为使用本发明混匀装置和使用常规核酸提取仪所需时间对比，从结果可以看出本发明装置极大减少了核酸提取所用时间，这完全得益于本发明独特的三维电磁混匀结构设计。
表一
过程 本发明所需时间(s) 常规核酸提取仪所需时间(s)
裂解 63 190
洗涤 31.5 70
洗脱 42 70
弃磁 10 60
表2为使用本发明装置所提取核酸纯度和使用普通核酸提取仪所得核酸在吸光度试验下所得数据结果。使用现有磁珠法核酸提取试剂盒，对8个全血样本做对比实验，配合蛋白核酸测定仪测定各自所得核酸吸光度。实验数据证明本发明的混匀装置所提取核酸纯度比常规核酸提取仪要优异的多。
表二
Figure BDA0000469288450000071
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，包括混匀微流道、复数组电磁激发源和与所述电磁激发源相连的控制装置，所述混匀微流道内包括生物样品、纳米磁珠和反应液，所述电磁激发源围绕所述混匀微流道互成一定角度排列，所述控制装置控制对所述电磁激发源施加时序控制的电流，在所述混匀微流道内形成时变磁场，所述纳米磁珠在所述时变磁场作用下做三维涡流螺旋线运动，使得所述生物样品、纳米磁珠与所述反应液混匀结合并反应。
2.根据权利要求1所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述混匀微流道包括微流槽和微加热器，所述微加热器设置在所述微流槽侧面。
3.根据权利要求2所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述微加热器为金属铂薄膜微加热器。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述混匀微流道材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
5.根据权利要求1所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述电磁激发源围绕所述混匀微流道互成120°分布。
6.根据权利要求1或5所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，每组所述电磁激发源上设置至少一个电磁激发装置，每个所述电磁激发装置包括铁芯和包裹在所述铁芯外的铁芯外绕线，所述电磁激发装置与所述控制装置导线相连。
7.根据权利要求6所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述电磁激发装置与所述控制装置之间还连接有电流放大器。
8.根据权利要求1所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述控制装置控制对所述电磁激发源施加时序控制的半波正弦电流或半波余弦电流。
9.根据权利要求1所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述混匀装置还包括液体分选和驱动装置、核酸收集腔和废液储存腔，所述液体分选和驱动装置、核酸收集腔和废液储存腔均通过阀门与所述混匀微流道相通或分隔。
10.根据权利要求1所述的用于核酸纯化的微流体三维电磁激发混匀装置，其特征在于，所述反应液为裂解液、洗涤液和洗脱液中的一种。
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