CN104155462B - 一种微流控免疫检测分析芯片及其分析仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流控免疫检测分析芯片及其分析仪器，所述芯片包括：双PDMS层、阵列阀、铝箔层，所述双PDMS层由PDMS基底层和PDMS管道层上下叠合组成；所述PDMS管道层在与PDMS基底层叠合的面上刻蚀有储液池、微流管道、阵列阀通孔、负压泵接口；所述PDMS基底层上分布有与PDMS管道层相对应的阵列阀通孔；所述阵列阀插入双PDMS层的阵列阀通孔中，控制微流管道中流体的流动；所述铝箔层位于PDMS管道层与PDMS基底层之间，其上分布有蛋白条阵列。所述芯片能够实现对微流管道内反应液的控制，并且结构简单，加工方便，成本低廉，能够理想地实现免疫检测功能。

Description

一种微流控免疫检测分析芯片及其分析仪器

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种微流控免疫检测分析芯片及其分析仪器。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的技术。

微流控分析芯片的主要特征是通过控制流体在各种构型的微流通道和反应池内的流动，进而完成芯片系统的各项功能。微流控芯片系统中的核心是微流体的驱动与控制，微流体的驱动与控制主要通过各种形式的整合在芯片中的泵或者外接的泵与各种形式的微阀配合使用而实现。微阀的基本功能是实现微流体通道的导通与隔断，因此其是微流控芯片中用于实现微流体操控的最重要的功能单元之一。

到目前为止，研究者已提出多种微流控芯片，如专利CN102087292A公开了一种微流控免疫印迹芯片、其制备方法及用途，该专利所述的微流控芯片采用多层叠合的结构，应用于免疫检测方面，可以实现仅单次免疫印迹实验就能检测生物样品中的多种蛋白，检测灵敏度高，且能检测出蛋白分子量，操作简单，能够有效的提高免疫检测效率，降低成本，但该专利由于在芯片中没有开关或者阀的结构，所以不能实现液体的驱动与控制；专利US2013315782A1：基于集成IC芯片和微流控塑料基底的检测系统公开了一种微流控芯片，该芯片为多层叠合和多通道结构，将微流管道、集成电路芯片、驱动泵均集成在分析芯片中，虽然布置紧凑，但是结构复杂；专利CN102288755A公开了一种快速现场检测微生物的PDMS(聚二甲基硅氧烷)多通道免疫芯片，该芯片具有多层叠合结构，采用多管道平行实验可实现不同种类或浓度样品的多组分分析，利用负压进样方法引入待测样品，可实现不同通道内不同溶液的同时引入，节约进样时间，但是该芯片不能实现管道中试剂驱动与控制。

纵观微流控芯片领域，有的微流控芯片结构简单，微流体控制功能单一，不能达到预期的目的，有的微流控芯片虽然能够实现微流体各种形式的控制，但芯片结构复杂，加工困难，成本高昂，不利于大批量生产，而且现有的微流控芯片大多因为芯片中阀的功能不太理想而需配有辅助的体积庞大的微流体控制的各种设施，显然这不符合微流控芯片技术微型化、便携化、一体化的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种微流控免疫检测分析芯片及其分析仪器，使得微流控分析芯片结构简单、流体控制理想、加工简单，便于批量化生产。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明中所述的PDMS无特殊说明均指聚二甲基硅氧烷。

第一方面，本发明提供了一种微流控免疫检测分析芯片，包括：双PDMS层、阵列阀和铝箔层。

所述双PDMS层由上下叠合的PDMS管道层和PDMS基底层组成；所述PDMS管道层和PDMS基底层之间设有铝箔层。

所述PDMS管道层在与PDMS基底层叠合的面上刻蚀有多个储液池、阵列阀通孔、微流管道和负压泵接口：所述储液池与负压泵接口均贯通PDMS管道层；所述微流管道一端分有若干支路，所述支路分别与各储液池连通，所述微流管道的另一端与负压泵接口连通；所述阵列阀通孔位于各支路上并与储液池一一对应；所述铝箔层位于负压泵接口与支路之间的微流管道上，其上铺有等间距的、与微流管道垂直的蛋白条阵列；所述PDMS基底层上设有与PDMS管道层相对应的阵列阀通孔。

所述阵列阀由上底座、多个棒和下底座组成，所述多个棒通过双PDMS层上的阵列阀通孔穿过双PDMS层连接上底座和下底座；所述多个棒上设有与支路连通的通孔。

所述芯片还包括固定装置，所述固定装置由两片钢片和螺母组成，所述两片钢片分别位于双PDMS层上下表面，并通过螺母连接。

优选地，所述固定装置至少有两套；其中一套钢片位于双PDMS层上的阵列阀通孔的上下表面并设有多个阵列阀通孔，阵列阀的棒穿过钢片上的阵列阀通孔与上底座和下底座连接。

优选地，所述固定装置与双PDMS层之间设有垫片。

优选地，所述垫片每两片为一组，安装于双PDMS层的阵列阀通孔的上下表面处，位于固定装置之下。

所述垫片的材质为橡胶材质。

所述芯片还包括缠绕于储液池上的密封膜；所述密封膜具有较好的弹性，在负压泵提供负压时，能使储液池中的反应液顺利通过微流管道，并与铝箔层上的蛋白条阵列反应。

所述储液池、棒、阵列阀通孔及支路的数量相同。

优选地，所述储液池、棒、阵列阀通孔及支路的数量为5个。

所述储液池的形状为圆形、三角形、四边形或多边形，优选为圆形。

所述微流管道的宽度为0.2-1.0mm，如0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm或0.9mm，深度为0.2-1.0mm，0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm或0.9mm；优选为宽度和深度均为0.5mm。

所述PDMS管道层与PDMS基底层的长宽高分别相同，长度为50-90mm，如55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm或85mm，宽度为30-40mm，如32mm、34mm、36mm、38mm或39mm，高度为2-5mm，如2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.5mm、3.6mm、4.0mm、4.5mm或4.8mm。

优选地，所述PDMS管道层与PDMS基底层的长度为80mm，宽度为32mm，高为3mm。

所述棒的材质为金属或高分子材料，优选为铝。

所述棒上设有一至储液池数量个通孔。

优选地，所述每个棒上等间距地分布有一个通孔。

所述阵列阀通孔的形状与所述棒的截面形状相同，所述形状包括圆形、三角形、四边形或多边形，优选为圆形。

第二方面，本发明提供了一种用于微流控阵列阀分析芯片的分析仪器，主要包括：仪器框架、所述的微流控免疫检测分析芯片、控制装置、负压泵和检测装置；

所述微流控免疫检测分析芯片安装于仪器框架中；

所述控制装置与所述微流控免疫检测分析芯片的阵列阀上下底座相连，用于控制所述阵列阀的棒上下移动；

所述负压泵与所述微流控免疫检测分析芯片的负压泵接口相连；

所述检测装置用于微流控免疫检测分析芯片上化学发光信号的读取和传输。

所述检测装置包括CCD相机与计算机，所述CCD相机分别与所述芯片和计算机相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的微流控免疫检测分析芯片结构简单，加工方便，成本低廉，能够理想的实现免疫检测功能，应用广泛。

2、本发明提供的微流控免疫检测分析芯片性能稳定，操作简单，在工作时只需驱动和控制储存在储液池中的反应液。

3、本发明提供的包括微流控免疫检测分析芯片的分析仪器能够全自动控制芯片中的反应，体积小，结构简单，操作简便。

附图说明

图1是本发明的微流控免疫检测分析芯片的整体结构示意图；

图2是本发明的微流控免疫检测分析芯片的双PDMS层的透视图；

图3是本发明的微流控免疫检测分析芯片的双PDMS层的实物图；

图4是本发明的垫片与双PDMS层的位置关系图；

图5是本发明的阵列阀结构示意图；

其中，1，双PDMS层；1-1，PDMS管道层；1-2，PDMS基底层；1-3，铝箔层；1-4，储液池；1-5，阵列阀通孔；1-6，微流管道；2，固定装置；3，垫片；4，阵列阀；4-1，上底座；4-2，下底座；4-3，棒；4-4，通孔；5，密封膜；6，负压泵接口。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种微流控免疫检测分析芯片包括：双PDMS层1、固定钢片2、阵列阀4、铝箔层1-3、密封膜5。双PDMS层1由PDMS管道层1-1与PDMS基底层1-2相互叠合组成。铝箔层1-3位于PDMS管道层1-1与PDMS基底层1-2之间。固定装置2有两套，分别都由上下两片钢片和螺母组成：其中一套固定装置2的上下钢片上开有5个阵列阀通孔1-5，阵列阀4的5根铝棒4-3通过双PDMS层1的5个阵列阀通孔1-5分别插入上下钢片的阵列阀通孔1-5中，并与上底座4-1和下底座4-2相连接；另一套固定装置2上下钢片没有阵列阀通孔1-5。密封膜5缠绕在两层PDMS层1的储液池1-4上，使储液池密封。

如图2和图3所示，在所述PDMS管道层1-1上刻蚀有微流管道1-6、5个圆形储液池1-4、5个阵列阀通孔1-5以及一个负压泵接口6；在PDMS基底层1-2上加工有5个与PDMS管道层1-1相对应的5个阵列阀通孔1-5；负压泵接口6和储液池1-4均为通孔，均贯通PDMS管道层1-1；微流管道1-6的一端有5条平行支路，分别与5个储液池1-4相连通，微流管道1-6的另一端与负压泵接口6相连通，5个阵列阀通孔1-5分别在5条平行的支路上；铝箔层1-3上铺设有等间距的蛋白条阵列。PDMS基底层1-2、铝箔层1-3、PDMS管道层1-1按照如图3所示的样子叠合在一起，保证PDMS管道层1-1与PDMS基底层1-2的阵列阀通孔1-5对齐，并且铝箔层1-3上的蛋白条阵列与PDMS管道层1-1的微流管道1-6相垂直。叠合之后的双PDMS层1表面上的5个储液池1-4可以注入5种不同的反应试剂。

如图4所示为在图3所示的叠合之后的双PDMS层1的5个阵列阀通孔1-5的上下两面各贴好一对垫片3，并保持垫片3的中心孔与阵列阀通孔1-5的中心孔对齐。

如图5所示，为本发明的阵列阀4。所述阵列阀包括上底座4-1、5根铝棒4-3、下底座4-2，且在5根铝棒上等间距的分布有5个通孔4-4。上底座4-1与外部设备相连，用于控制铝棒4-3插入阵列阀通孔1-5的长短，进而控制储液池1-4中反应液与蛋白条阵列的反应，下底座4-2起到固定铝棒4-3的作用。

所述分析芯片的组装过程为：在图4所示的双PDMS层1的阵列阀通孔1-5处固定好固定装置2，旋紧固定装置2上的螺母，保持固定装置2上的5个通孔与双PDMS层1的5个阵列阀通孔1-5对齐，在与阵列阀通孔1-5对称的位置同样也固定好固定装置2。然后，将图5所示的阵列阀4的铝棒4-3安插在固定装置2和双PDMS层1和固定装置2的阵列阀通孔1-5中，并将其与上底座4-1和下底座4-2固定好。最后将所需的各种反应试剂依照实验要求加入到5个不同储液池1-4中，在储液池1-4的周围缠绕好密封膜5，以保证反应液体不会渗漏出芯片。

实施例1

首先阵列阀4连接的控制装置推动阵列阀4沿阵列阀通孔1-5运动，当阵列阀4的第一个铝棒通孔4-4与微流管道1-6接通时，负压泵将第一个储液池1-4中的反应液缓慢抽到覆盖蛋白条区域的全部，等待10-30分钟，然后再次启动负压泵将反应液抽到负压泵中，待第一个储液池1-4中的反应液抽完后暂停负压泵的工作。然后重启阵列阀4的向下运动，当阵列阀4的第二个铝棒通孔4-4与微流管道1-6接通时，再次暂停阵列阀4的向下运动，并再次启动负压泵，负压泵将第二个储液池1-4中的反应液缓慢抽到覆盖蛋白条区域的全部，等待10-30分钟，然后再次启动负压泵将反应液抽到负压泵中，待第二个储液池1-4中的反应液抽完后，再次暂停负压泵的工作。依次类推，直到芯片的反应过程完毕。

在芯片的反应过程完毕后，用CCD相机拍取芯片的反应信号，然后将CCD相机拍取的图片传递给计算机进行相关处理，进而完成整个芯片的工作过程。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (14)

1.一种微流控免疫检测分析芯片，其特征在于，包括双PDMS层(1)、阵列阀(4)和铝箔层(1-3)；

所述双PDMS层(1)由上下叠合的PDMS管道层(1-1)和PDMS基底层(1-2)组成；所述PDMS管道层(1-1)和PDMS基底层(1-2)之间设有铝箔层(1-3)；

所述PDMS管道层(1-1)在与PDMS基底层(1-2)叠合的面上刻蚀有多个储液池(1-4)、阵列阀通孔(1-5)、微流管道(1-6)和负压泵接口(6)，所述储液池(1-4)与负压泵接口(6)均贯通PDMS管道层(1-1)；所述微流管道(1-6)一端分有若干支路，所述支路分别与各储液池(1-4)连通，所述微流管道(1-6)的另一端与负压泵接口(6)连通；所述阵列阀通孔(1-5)位于各支路上并与储液池(1-4)一一对应；所述铝箔层(1-3)位于负压泵接口(6)与支路之间的微流管道(1-6)上，其上铺有等间距的、与微流管道(1-6)垂直的蛋白条阵列；所述PDMS基底层(1-2)上设有与PDMS管道层(1-1)相对应的阵列阀通孔(1-5)；

所述阵列阀(4)由上底座(4-1)、多个棒(4-3)和下底座(4-2)组成，所述多个棒(4-3)通过双PDMS层(1)上的阵列阀通孔(1-5)穿过双PDMS层(1)并连接上底座(4-1)和下底座(4-2)；所述多个棒(4-3)上开有能够与所述支路相连通的通孔(4-4)。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，还包括固定装置(2)；所述固定装置(2)由两片钢片和螺母组成，所述两片钢片分别位于双PDMS层(1)上下表面，并通过螺母连接。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述固定装置(2)至少有两套；其中一套钢片位于双PDMS层(1)上的阵列阀通孔(1-5)的上下表面并设有多个阵列阀通孔(1-5)，阵列阀的棒(4-3)穿过钢片上的阵列阀通孔(1-5)与上底座(4-1)和下底座(4-2)连接。

4.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述固定装置(2)与双PDMS层(1)之间设有垫片(3)。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述垫片(3)每两片为一组，安装于双PDMS层(1)的阵列阀通孔(1-5)的上下表面处，位于固定装置(2)之下。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，还包括缠绕于储液池(1-4)上的密封膜(5)。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述储液池(1-4)、棒(4-3)、阵列阀通孔(1-5)及支路的数量相同。

8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述储液池(1-4)、棒(4-3)、阵列阀通孔(1-5)及支路的数量为5个。

9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述PDMS管道层(1-1)与PDMS基底层(1-2)长宽高分别相同，长度为50-90mm，宽度为30-40mm，高度为2-5mm。

10.根据权利要求9所述的芯片，其特征在于，所述PDMS管道层(1-1)与PDMS基底层(1-2)长度为80mm，宽度为32mm，高为3mm。

11.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述棒(4-3)的材质为金属或高分子材料。

12.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述棒(4-3)的材质为铝。

13.一种包括权利要求1至12任一项所述芯片的分析仪器，其特征在于，包括仪器框架、微流控免疫检测分析芯片、控制装置、负压泵和检测装置；

所述微流控免疫检测分析芯片安装于仪器框架中；

所述控制装置与所述微流控免疫检测分析芯片的阵列阀上下底座相连，用于控制所述阵列阀的棒上下移动；

所述负压泵与所述微流控免疫检测分析芯片的负压泵接口相连；

所述检测装置用于微流控免疫检测分析芯片上化学发光信号的读取和传输。

14.根据权利要求13所述的分析仪器，其特征在于，所述检测装置包括CCD相机与计算机，所述CCD相机分别与所述芯片和计算机相连。