CN104614521A - 基于微流控芯片的免疫团聚检测方法、芯片及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，包括：利用微流控芯片，通过控制磁场在所述芯片微沟道的特定区域动态富集免疫磁珠，形成磁珠塞；控制样品液循环流过所述磁珠塞，使所述样品液中抗原被所述免疫磁珠捕获；被所述磁珠捕获的抗原与另一磁珠免疫结合，形成两个或以上的磁珠的团聚；通过检测所述磁珠的散射光信号，统计单个磁珠和团聚磁珠的数量，获得样品中抗原的浓度。本发明提供了一种微流控芯片。本发明还提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，包括：微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、磁珠塞控制装置及光学检测模块。本发明有利于实现微小型免疫检测仪器，降低检测限，实现低浓度抗原的检测。

Description

基于微流控芯片的免疫团聚检测方法、芯片及系统

技术领域

本发明涉及免疫检测技术领域，具体涉及基于微流控芯片的免疫团聚检测方法、芯片及系统。

背景技术

近年来，食品安全、环境卫生、现场快速疾病诊断等越来越多的受到人们的关注，开发一套便携、实时、操作简便的检测系统显得愈发重要。在众多检测方法中，免疫检测因其抗原-抗体结合的特异性好而备受关注。最常用的免疫检测策略是酶联免疫吸附试验(enzymelinked immunosorbent assay，ELISA)，主要方式有：通过夹心法锁定抗原，借助抗体标记实现信号放大和检测。标准的ELISA方法操作复杂，基于微流控芯片进行免疫检测时，一般需要固化抗体、引入样品反应、清洗、引入二抗、清洗、引入反应底物等多步操作、多种试剂。实际操作中为了提高检测的灵敏度，通常还要进行信号放大，导致试剂种类进一步增加、操作程序更加繁琐，难以满足便携、操作简便的现场检测系统的需求。

乳液免疫团聚检测方法是免疫检测的另一种方式。通过在微球表面修饰抗体，当样品中有抗原存在时，微球会在抗原的桥接作用下发生团聚，引起反应体系特性的变化，通过检测这种变化，就能得到样品中的抗原信息。免疫团聚反应只需要抗体修饰的微球一种试剂，反应也只需要样品和微球混合一步操作，相对ELISA等检测方式大大简化了操作流程，有利于实现基于微流控芯片的检测，为开发便携、实时、操作简便的免疫检测系统提供了可靠的途径。

常规的乳液免疫团聚检测，最简单的方法是通过肉眼观察团聚产生的沉降，但是这种方法只能定性判断抗原的有无，不能定量分析。另一种方法是通过测量反应体系的浊度实现抗原的定量检测，具体的光学检测方法包括透射光检测和散射光检测。虽然免疫团聚检测操作简便，但是直接检测反应体系的透射光或者散射光光强变化的方法灵敏度比较低，不能满足低浓度抗原的检测需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种微流控芯片、基于微流控芯片的免疫团聚检测方法及系统，利用磁珠塞提高了局部磁珠的浓度，提高了反应速率；并采用判断单个或团聚磁珠进行计数统计的方法，有利于降低检测限，实现低浓度抗原的检测。

第一方面，本发明提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，所述方法包括：

利用微流控芯片，通过控制磁场在所述芯片微沟道的特定区域动态富集磁珠，形成磁珠塞；

控制样品液循环流过所述磁珠塞，使所述样品液中待测物被所述磁珠捕获；

被所述磁珠捕获的待测物与另一磁珠结合，形成两个或以上的磁珠的团聚；

通过检测所述磁珠的散射光信号，统计单个磁珠和团聚磁珠的数量，获得样品中待测物的浓度。

优选地，所述磁珠修饰有免疫探针。

优选地，所述检测所述磁珠的散射光信号，包括：

激光器或LED输出的光束经所述光束整形透镜组后，汇聚成一个光斑；

所述光斑照射到微流控芯片的检测区，所述检测区的散射光经过所述成像透镜组汇聚到所述光阑；

所述散射光经所述光阑的过滤，汇聚到所述光电探测器的感光区域。

第二方面，本发明提供了一种微流控芯片，包括柔性聚合物层和基片，柔性聚合物层和基片键合在一起，

所述芯片中设有微沟道系统，所述微沟道系统包括缓冲液入口、样品入口、磁珠入口、废液出口、微阀、微泵区、磁珠塞区、循环区及检测区。

优选地，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷的聚合物层，所述基片为有机玻璃透明聚合物或玻璃。

优选地，所述微阀包括：缓冲液入口微阀、样品入口微阀、磁珠入口微阀、废液出口微阀和循环区微阀。

优选地，所述缓冲液入口、所述样品入口、所述磁珠入口及所述废液出口均设有贯穿所述柔性聚合物层的垂直通孔。

优选地，所述微泵区为环形蠕动泵或直线蠕动泵。

第三方面，本发明提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，所述系统包括：上述的微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、磁珠塞控制装置及光学检测模块；

微泵驱动装置，用于为微泵提供驱动力；

微阀驱动装置，位于所述微流控芯片上方，用于控制微阀的打开和关闭；

磁珠塞控制装置，用于在所述微流控芯片微沟道的特定区域产生动态磁场；

光学检测模块，用于采集所述微流控芯片的检测区的磁珠散射光信号。

优选地，所述光学检测模块包括：激光器或LED、光束整形透镜组、成像透镜组、光阑和光电探测器。

基于上述技术方案，通过本发明提供的微流控芯片、基于微流控芯片的免疫团聚检测方法及系统，微泵、微阀组合实现样品的循环操作，实现被测对象的富集捕获，减少了样品用量；利用磁珠塞提高了局部磁珠的浓度，提高了反应速率；光学检测模块采用判断单个或团聚磁珠进行计数统计的方法，有利于降低检测限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的基于微流控芯片的免疫团聚检测方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的基于微流控芯片的免疫团聚检测系统的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的微流控芯片的示意图；

图4是本发明另一实施例提供的微流控芯片的结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的采用环形蠕动泵的微流控芯片的示意图；

图6是本发明另一实施例提供的采用直线蠕动泵的微流控芯片的示意图；

图7是本发明另一实施例提供的一种微泵驱动装置的结构示意图；

图8是本发明另一实施例提供的一种微泵驱动装置的结构示意图；

图9是本发明另一实施例提供的微阀驱动装置的结构示意图；

图10是本发明另一实施例提供的磁珠筛控制机构的原理示意图；

图11是本发明另一实施例提供的回转轴在磁铁中心的磁珠筛控制机构截面的示意图；

图12是本发明另一实施例提供的回转轴在磁铁外部的磁珠筛控制机构截面的示意图；

图13是本发明另一实施例提供的采用环形蠕动泵的免疫团聚检测系统的示意图；

图14是本发明另一实施例提供的采用直线蠕动泵的免疫团聚检测系统的示意图；

图15是本发明另一实施例提供的基于微流控芯片的免疫团聚检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，该方法包括如下步骤：

S1：利用微流控芯片，通过控制磁场在所述芯片微沟道的特定区域动态富集磁珠，形成磁珠塞；

S2：控制样品液循环流过所述磁珠塞，使所述样品液中待测物被所述磁珠捕获；

S3：被所述磁珠捕获的待测物与另一磁珠结合，形成两个或以上的磁珠的团聚；

S4：通过检测所述磁珠的散射光信号，统计单个磁珠和团聚磁珠的数量，获得样品中待测物的浓度。

本实施例中，待测物可为抗原，则上述方法所使用的磁珠修饰有免疫探针，以和样品中的抗原结合，发生免疫反应。

本实施例中，步骤S4中所述检测所述磁珠的散射光信号，具体包括如下步骤：

步骤一、所述激光器或LED输出的光束经所述光束整形透镜组后，汇聚成一个光斑；

步骤二、所述光斑照射到芯片的检测区，所述检测区的散射光经过所述成像透镜组汇聚到所述光阑；

步骤三、所述散射光经所述光阑的过滤，汇聚到所述光电探测器的感光区域。

如图2所示，本发明一实施例提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，该系统包括：微流控芯片1、微泵驱动装置2、微阀驱动装置3、磁珠塞控制装置4及光学检测模块5。

其中，微泵驱动装置2，用于为微泵提供驱动力；微阀驱动装置3，位于所述微流控芯片上方，用于控制微阀的打开和关闭；磁珠塞控制装置4，用于在所述微流控芯片微沟道的特定区域产生动态磁场；光学检测模块5，用于采集所述微流控芯片的检测区的磁珠散射光信号。

如图3所示，本发明另一实施例提供了一种微流控芯片，微流控芯片1包括柔性聚合物层12和基片11，柔性聚合物层12和基片11键合在一起。

如图4所示，该微流控芯片中设有微沟道系统，所述微沟道系统包括缓冲液入口15、样品入口16、磁珠入口17、废液出口18、微阀、微泵区13、磁珠塞区14、循环区114及检测区115。

其中，微阀包括：缓冲液入口微阀19、样品入口微阀110、磁珠入口微阀111、废液出口微阀112和循环区微阀113。

其中，缓冲液入口15、样品入口16、磁珠入口17、废液出口18均设有贯穿所述柔性聚合物层的垂直通孔。

本实施例中，微流控芯片中设有微沟道系统具体是指：在基板11上表面上设置微沟道系统，或者在柔性聚合物的下表面设置微沟道系统。

其中，柔性聚合物12为聚二甲基硅氧烷的聚合物层，基片11为无磁、透明材质的板材，如有机玻璃等透明聚合物或玻璃板材。

其中，微泵区13可为环形蠕动泵或直线蠕动泵。如图5所示，微泵区13设置为环形蠕动泵，即微泵区13为有一缺口的环形沟道131。如图7所示，环形蠕动泵的微泵驱动装置2包括电机21、固连在电机上的轴套22、装于轴套中的弹簧23和钢珠24。

如图6所示，微泵区13设置为直线蠕动泵，即微泵区13为一直线沟道132。如图8所示，直线蠕动泵的微泵驱动装置2为三个可直线运动的结构25、26、27；所述可直线运动的结构25、26、27为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。而直线蠕动泵的微泵驱动装置还可以为高压气体气动泵。微泵也可以为其他集成在芯片上的压力驱动泵。

如图9所示，微阀驱动装置为可直线运动的结构3，布置于微流控芯片的上方，可直线运动的机构3为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。

磁珠塞控制装置4在芯片微沟道磁珠塞区14产生局域化的动态磁场。磁珠塞控制装置可以从芯片上移开，使芯片内部的磁珠自由运动；也可以移动到芯片位置对芯片微沟道磁珠塞区14的磁珠产生操控作用；所述操控作用包括将磁珠吸附、固定在微沟道磁珠塞区14壁面，以及控制磁珠在微管道磁珠塞区14内运动形成磁珠塞。

其中，光学检测模块5包括：激光器或LED、光束整形透镜组、成像透镜组、光阑和光电探测器。

基于上述实施例提供的微流控芯片及免疫团聚检测系统，如图15所示，本发明另一实施例提供了一种基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，该方法包括如下步骤：

S10：打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，微泵将缓冲液吸入沟道，使缓冲液充满沟道；

S20：关闭缓冲液入口微阀，打开磁珠入口微阀，微泵将磁珠悬浮液吸入沟道，并控制磁场使得磁珠在磁珠塞区被吸住；

S30：关闭磁珠入口微阀，打开样品入口微阀，微泵将样品吸入沟道，使样品充满沟道；

S40：关闭样品入口微阀，关闭废液出口微阀，打开循环区微阀，控制磁场使得磁珠在沟道中运动形成磁珠塞，微泵带动样品在沟道中循环；

S50：经过预设时间的循环后，微泵停止工作，控制磁场使得沟道中的磁珠吸附到沟道壁，发生团聚反应；

其中，磁珠修饰有免疫探针。则抗原能够与磁珠免疫结合，形成免疫团聚。

S60：经过预设时间的团聚反应后，微泵开始工作，使得磁珠在沟道内混合；

S70：利用光学检测模块，采集检测区的磁珠散射光信号，并根据信号强弱区分并统计单个磁珠和团聚磁珠的数量，获得样品中抗原的浓度。

本实施例提供的基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，微流控芯片集成了微泵，无需外接进样驱动系统，且集成了微泵的芯片一次性使用，避免了交叉污染的风险；微泵、微阀组合实现样品的循环操作，实现被测对象的富集捕获，减少了样品用量；利用磁珠塞提高了局部磁珠的浓度，提高了反应速率；光学检测模块采用判断单个或团聚磁珠进行计数统计的方法，有利于降低检测限。

为了更清楚地说明本发明提供的微球免疫团聚检测方法及系统，下面通过几个具体的实施例来说明基于微流控芯片免疫团聚检测系统。

实施例1

本实施例中的免疫团聚检测系统，其结构如图2、图5、图7、图9、图10、图11和图13所示，由微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、磁珠塞控制装置和光学检测模块组成。

本实施例中，如图13所示的免疫团聚检测系统的制作过程如下：

A01、在有机玻璃基片11上制作微沟道，再把基片11和柔性聚合物层12粘接，形成微沟道系统；

A02、在柔性聚合物层12上打孔，制作出缓冲液入口15、样品入口16、磁珠入口17、废液出口18，形成微流控芯片1；

A03、在微流控芯片1的微泵区13上方布置微泵驱动机构2，钢珠24对齐环形沟道131；

A04、在基片微沟道19、110、111、112和113对应的微阀位置布置电磁铁31、32、33、34、35；

A05、在微流控芯片1的磁珠塞区14布置磁珠塞控制机构4；运动的磁铁41置于检测芯片上方，可绕轴45做回转运动；运动的磁铁42置于检测芯片下方，可绕轴46做回转运动；固定的磁铁43和44相对运动的磁铁41非对称布置；

其中，磁珠塞控制机构4中的运动的磁铁41、42和固定的磁铁43、44相互独立，可以分别移动到磁珠塞区14或者从磁珠塞区14移开。

A06、在微流控芯片1的检测区115布置光学检测模块5。

在工作过程中，微泵驱动机构2的电机21和轴套22一起向微流控芯片1运动，轴套22内部的钢珠24压紧环形沟道131；接通电磁铁32、33、35以关闭样品入口微阀110、磁珠入口微阀111、循环区微阀113，打开缓冲液入口微阀19和废液出口微阀112，电机21带到轴套22转动，缓冲液在微泵的抽吸作用下充满微沟道；关闭缓冲液入口微阀19，关断电机21；打开磁珠入口微阀111，运动的磁铁41和42分别移动到磁珠塞区14，接通电机21，磁珠悬浮液被微泵吸入，磁珠在经过沟磁珠塞区14的时候被磁铁41或42固定在磁珠塞区14的壁面上；吸入一定量的磁珠后，关断电机21，关闭磁珠入口微阀111，打开样品入口微阀110，接通电机21，待检测样品被微泵吸入；当样品充满整个沟道槽时，关断电机21，关闭样品入口微阀110和废液出口微阀112，打开循环区微阀113；固定的磁铁43、44移动到磁珠塞区14，磁铁41和42做回转运动，磁珠在磁珠塞区14往复运动形成磁珠塞；接通电机21，样品从微泵区13出来后依次经过检测区115、循环区114、磁珠塞区14再回到微泵区13，如此循环；样品循环经过磁珠塞区14，样品中的抗原与磁珠表面的抗体发生免疫反应；循环一段时间之后，移开磁铁43、44，磁铁41和42停止回转运动，关断电机21，管道中的磁珠被永磁铁41或42固定在磁珠塞区14的壁面上，发生团聚反应；关闭循环区微阀113，打开缓冲液入口微阀19和废液出口微阀112，接通电机21，吸入缓冲液，用缓冲液冲洗沟道中的杂质以及没有被磁珠捕获的抗原；一段时间之后，关断电机21，关闭缓冲液入口微阀19和废液出口微阀112，打开循环区微阀113，移开磁铁41和42，接通电机21，使磁珠在沟道内充分混合；待磁珠在沟道内均匀分布之后，采集光电探测器信号，记录经过检测区的磁珠散射光信号，根据信号强弱区分单个磁珠和团聚的磁珠，分别记录统计两者的数量，得到被检对象浓度。

本实施例中，环形沟道131的环形外径为10-30mm，沟道的宽度为0.05-5mm，深度为0.01-1mm，柔性聚合物12的厚度为0.05-5mm。

本实施例中，缓冲液入口15、样品入口16、磁珠入口17、废液出口18形状任意，顺序可以任意排列。

本实施例中，运动的磁铁41和42的端面到微流控芯片1表面的距离为0.5-10mm；固定的磁铁43和44到磁铁41端面的距离为5-60mm，且总是大于磁铁41和42到微流控芯片1表面的距离。

本实施例中，固定的磁铁43到运动的磁铁41的距离5-55mm，固定的磁铁44到运动的磁铁41的距离10-60mm，且磁铁44到永磁铁41的距离总是大于磁铁43到磁铁41的距离；或者

固定的磁铁44到运动的磁铁41的距离5-55mm，固定的磁铁43到运动的磁铁41的距离10-60mm，且磁铁43到永磁铁41的距离总是大于磁铁44到磁铁41的距离；

本实施例中，磁铁41绕轴45旋转的速度和磁铁42绕轴46旋转的速度相等，为30-3000rpm；磁铁41的N极朝下时，磁铁42的S极朝上；磁铁41的S极朝下时，磁铁42的N极朝上；

本实施例中，光学检测模块5由激光器或LED、光束整形透镜组、成像透镜组、光阑和光电探测器组成；

激光器或LED输出的光束经所述光束整形透镜组后汇聚成一个光斑；所述光斑照射到所述芯片的微管道检测区115内部；

成像透镜组将所述检测区中心微小区域的散射光汇聚到所述光电探测器的感光区域；

光电探测器前置有光阑，过滤掉检测区中心微小区域发出的散射光以外的光线。

该光学检测模块5检测散射光的角度为0.5°至90°。

实施例2

本实施例中的基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，其结构如图2、图5、图7、图9、图10、图11和图13所示。

本实施例与实施例1的区别在于：柔性聚合物层12下表面设有微沟道；所述柔性聚合物12和基片11粘接后形成的微沟道系统。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例中的基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，其结构如图2、图5、图7、图9、图10、图11和图13所示。

本实施例与实施例1的区别在于：运动的磁铁41绕轴45摆动，运动的磁铁42绕轴46摆动；磁铁41绕轴45摆动的速度和磁铁42绕轴46摆动的频率相等，为0.1Hz至100Hz；磁铁41正对微流控芯片的时候，磁铁42摆动在不正对微流控芯片的位置；磁铁42正对微流控芯片的时候，磁铁41摆动在不正对微流控芯片的位置。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

本实施例中的基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，其结构如图2、图5、图7、图9、图10、图12和图13所示。

本实施例与实施例3的区别在于：磁铁41的摆动轴45不在磁铁41的中心，磁铁42的摆动轴46不在磁铁42的中心。其他结构与实施例3相同，在此不再赘述。

实施例5

本实施例中的基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，其结构如图2、图5、图6、图9、图10、图11和图13所示。

本实施例与实施例1的区别在于：所述微阀驱动机构31、32、33、34、35为由电机带动可以做直线运动的杆。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例6

本实施例的微球免疫团聚检测系统，其结构如图2、图6、图8、图9、图10、图11和图14所示。

本实施例与实施例1的区别在于：微泵采用直线蠕动泵；微泵驱动机构25、26、27按一定规律运动，挤压柔性聚合物层12，使微沟道中的液体向一个方向流动；微泵驱动机构25、26、27为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片的免疫团聚检测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用微流控芯片，通过控制磁场在所述芯片微沟道的特定区域动态富集磁珠，形成磁珠塞；

控制样品液循环流过所述磁珠塞，使所述样品液中待测物被所述磁珠捕获；

被所述磁珠捕获的待测物与另一磁珠结合，形成两个或以上的磁珠的团聚；

通过检测所述磁珠的散射光信号，统计单个磁珠和团聚磁珠的数量，获得样品中待测物的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁珠修饰有免疫探针。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测所述磁珠的散射光信号，包括：

激光器或LED输出的光束经所述光束整形透镜组后，汇聚成一个光斑；

所述光斑照射到微流控芯片的检测区，所述检测区的散射光经过所述成像透镜组汇聚到所述光阑；

所述散射光经所述光阑的过滤，汇聚到所述光电探测器的感光区域。

4.一种微流控芯片，包括柔性聚合物层和基片，柔性聚合物层和基片键合在一起，其特征在于：

所述芯片中设有微沟道系统，所述微沟道系统包括缓冲液入口、样品入口、磁珠入口、废液出口、微阀、微泵区、磁珠塞区、循环区及检测区。

5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷的聚合物层，所述基片为有机玻璃透明聚合物或玻璃。

6.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述微阀包括：缓冲液入口微阀、样品入口微阀、磁珠入口微阀、废液出口微阀和循环区微阀。

7.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述缓冲液入口、所述样品入口、所述磁珠入口及所述废液出口均设有贯穿所述柔性聚合物层的垂直通孔。

8.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述微泵区为环形蠕动泵或直线蠕动泵。

9.一种基于微流控芯片的免疫团聚检测系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求4-8中任一项所述的微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、磁珠塞控制装置及光学检测模块；

微泵驱动装置，用于为微泵提供驱动力；

微阀驱动装置，位于所述微流控芯片上方，用于控制微阀的打开和关闭；

磁珠塞控制装置，用于在所述微流控芯片微沟道的特定区域产生动态磁场；

光学检测模块，用于采集所述微流控芯片的检测区的磁珠散射光信号。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光学检测模块包括：激光器或LED、光束整形透镜组、成像透镜组、光阑和光电探测器。