CN104762193B - 核酸自动提取微流控装置 - Google Patents

Abstract

核酸自动提取微流控装置，该装置包括微流控芯片和驱动装置。实验前，通过注入孔，分别将样品、裂解液、磁珠等注入微流控芯片中的裂解腔，将清洗液注入三个洗涤腔，将洗脱液注入洗脱腔，然后，将微流控芯片放入芯片托盘，并形成紧密配合，通过步进电机带动芯片托盘的转动和槽型光耦的定位控制，利用上下磁铁对磁珠的吸附作用，使微流控芯片在小范围内往复转动，促使样品与裂解液之间、磁珠与清洗液、洗脱液之间发生反应，并且借助各个反应腔入口处的挡板，可以在各个腔之间进行磁珠与待提取核酸的转移，由此完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个反应步骤，得到纯化的核酸模板，实现了核酸的自动提取。

Description

核酸自动提取微流控装置

技术领域

本发明涉及生命医学检测领域，尤其涉及一种自动完成核酸提取过程的微流控装置。

背景技术

微流控芯片技术由于其独到的技术特点与优势，得到世界各国研究人员的密切关注，正逐渐取得各类突破性进展。原理上，微流控芯片可以把化学或生物等领域中所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元移植到在一块很小的芯片上，或者将多个功能模块集成到一个统一芯片上，将可控流体贯穿整个芯片的微通道网络，构建生物、化学微反应器或微系统。对于生物医学诊断领域，其显著优势在于：通过自动化、流水式的工作模式，大幅度缩短样品处理时间，提高检测效率，降低反应试剂和样品的消耗、及检测成本，最终实现自动化、低成本、智能化的快速医学检测。

核酸检测由于具有灵敏度高、特异性好的特点，在生命科学、医学检验中，占据了极其重要的位置。实现核酸检测，首先需要对原始样品进行处理，成功提取其中的高纯度核酸模板。现有核酸提取方法往往包括了多个复杂的生物反应步骤，无论是手工完成，还是依靠辅助设备来完成，均存在效率较低，容易出错等不足。由于在样品处理方面的突出优势，微流控芯片通过其集成的多个微反应器，以及由微阀、微泵、微通道构成的可控性微流体网络，为样品处理及核酸自动提取所涉及的样品流动、样品混合、核酸纯化、废液移除等多个步骤提供了一个理想平台。因此，基于微流控芯片技术实现核酸提取的自动化，一方面可以提高核酸检测的效率，另一方面也可以为构建一体化核酸自动检测系统打下扎实的基础。

发明内容

本发明目的在于设计一种自动提取核酸的微流控装置，该装置可以对原始样品，如血液、唾液中的病毒颗粒进行裂解，纯化核酸，最后洗脱得到高纯度的核酸，进一步为PCR(聚合酶链式反应)、基因芯片等下游操作提供样品模板。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为核酸自动提取微流控装置，该装置包括微流控芯片和驱动装置，通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现了操作简单、自动化的核酸提取。

其中，微流控芯片包括芯片上盖1、芯片结构片2、芯片下盖3；芯片结构片2中包括注入孔4、注入通道5、裂解腔6、洗涤腔7、洗脱腔8、挡板9、转移通道10。

所述芯片上盖1和芯片下盖3设置在芯片结构片2的上下两端；芯片结构片2中设有注入通道5、裂解腔6、洗涤腔7、洗脱腔8、转移通道10；所述芯片上盖1、芯片结构片2、芯片下盖3共同组成封闭结构。

所述芯片结构片2中共有一个裂解腔6、三个洗涤腔7和一个洗脱腔8；其中，裂解腔6、洗涤腔7、洗脱腔8组成一个闭合的微流控芯片网络；所述裂解腔6、洗脱腔8设在该微流控芯片网络的两端，三个洗涤腔7设在裂解腔6、洗脱腔8之间且各洗涤腔7相互连接；所述裂解腔6、洗涤腔7、洗脱腔8之间通过转移通道10相连接；所述裂解腔6、洗涤腔7、洗脱腔8的各个侧面均设有一个注入孔4，注入孔4与各腔之间通过注入通道5相连接。

所述各洗涤腔7的每个入口端设有挡板9，用于样品转移过程中截留磁珠，使其停留在当前反应腔，防止磁珠流失。

洗脱腔8所对应的注入孔4同时用于洗脱液的注入及纯化后核酸的移出。

驱动装置包括芯片托盘11、定位槽12、磁铁架13、上磁铁14、下磁铁15、光耦架16、槽型光耦17、电机固定板18、步进电机19、支撑架20、底板21。

所述芯片托盘11的上方固定有上磁铁14，上磁铁14吸附芯片结构片2内的磁珠用以完成样品的逐步转移，芯片托盘11的下方固定有下磁铁15，下磁铁15吸附芯片结构片2内的磁珠，芯片托盘11带动芯片结构片2内的样品往复运动，上磁铁14与下磁铁15均为永久磁铁，并与芯片结构片2中各个腔的中心在同一垂直方向；上磁铁14、下磁铁15均安装在磁铁架13上。

所述芯片托盘11的边缘有距离不等的定位槽12，定位槽12位于芯片托盘11边缘，各定位槽12与各个腔相对应。

所述芯片托盘11与步进电机19紧密配合，通过步进电机19带动芯片托盘11和微流控芯片的转动；步进电机19安装在电机固定板18上。

槽型光耦17安装在光耦架16上，且定位槽12与槽型光耦17相互配合，用以完成转盘转动过程中的定位控制。

磁铁架13、光耦架16、电机固定板18均安装在支撑架20上，所述支撑架20的底部设有底板21。

所述芯片上盖1、芯片结构片2、芯片下盖3的材料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯材料。

所述芯片上盖1、芯片结构片2、芯片下盖3通过化学粘结或者物理键合进行封闭，构成一个无流体泄露的微流控网络。

所述芯片上盖1、芯片结构片2、芯片下盖3组成的微流控芯片中部设有梯形凹槽，用以安装固定整个芯片。

裂解腔6内通过注射器或移液枪将样品、裂解液、磁珠注入，三个洗涤腔7注入有清洗液，洗脱腔8注入有洗脱液。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、微流控芯片采用一次性检测模式，避免了原始样品在核酸提取过程中的交叉污染。

2、本装置以一种自动化、流水式的工作模式，通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个反应步骤，得到适合基因扩增反应的核酸模板。

3、本发明装置具有体积小、结构简单、操作简单、自动化程度高、提取效率高等优点，既可以与现有方法相结合，也能够与下游PCR(聚合酶链式反应)、基因芯片等反应及检测装置一起，构成一体化的微流控检测系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明核酸自动提取微流控装置的一个实施例示意图；

图2本装置的微流控芯片结构图；

图3a本装置的芯片结构片正面结构图；

图3b本装置的芯片结构片反面结构图；

图4本装置的驱动装置结构图；

图中：1、芯片上盖，2、芯片结构片，3、芯片下盖，4、注入孔，5、注入通道，6、裂解腔，7、洗涤腔，8、洗脱腔，9、挡板，10、转移通道，11、芯片托盘，12、定位槽，13、磁铁架，14、上磁铁，15、下磁铁，16、光耦架，17、槽型光耦，18、电机固定板，19、步进电机，20、支撑架，21、底板。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-4所示，该装置操作过程为通过注入孔4，将样品、裂解液、磁珠等注入微流控芯片中的裂解腔6，将清洗液注入三个洗涤腔7，将洗脱液注入洗脱腔8，然后，将微流控芯片放入芯片托盘11，并形成紧密配合。

通过步进电机19带动芯片托盘11的转动和槽型光耦17的定位控制，将裂解腔6转动到下磁铁15的正上方，利用下磁铁15对磁珠的吸附作用，驱使裂解腔6作小范围往复转动，促使样品与裂解液、磁珠充分混合。

混合一段时间后，将裂解腔6转动到上磁铁14的正下方，利用上磁铁14对磁珠的吸附作用，将吸附了核酸的磁珠通过转移通道10转移到洗涤腔7，利用洗涤腔7入口端的挡板9将磁珠截留在洗涤腔7，防止磁珠流入下一个反应腔。接下来，将装有磁珠的洗涤腔7转动到下磁铁15的正上方，利用下磁铁15对磁珠的吸附作用，驱使洗涤腔7作小范围往复转动，促使磁珠与清洗液充分反应。

同样方法将吸附了核酸的磁珠转移到第二个和第三个洗涤腔7完成核酸纯化过程，直至进入洗脱腔8，洗脱液与磁珠充分反应，将吸附在磁珠上的核酸洗脱下来，利用上磁铁14将完成反应后的磁珠转移到前一个洗涤腔7，洗脱后的核酸留在洗脱腔8，由此完成核酸的纯化。

本发明一种自动提取核酸的微流控装置，采用了一种自动化、流水式的操作模式，实现了核酸的自动化提取。通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个反应步骤，得到适合基因扩增反应的核酸，为PCR(聚合酶链式反应)、基因芯片等下游操作提供样品模板。

上述附图及具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。如微流控芯片的材质、形状及尺寸，裂解腔、洗涤腔、洗脱腔的形状、尺寸，各类功能性及连接性通道的形状、尺寸，以及芯片托盘的形状等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.核酸自动提取微流控装置，其特征在于：该装置包括微流控芯片和驱动装置，通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现了操作简单、自动化的核酸提取；

其中，微流控芯片包括芯片上盖(1)、芯片结构片(2)、芯片下盖(3)；芯片结构片(2)中包括注入孔(4)、注入通道(5)、裂解腔(6)、洗涤腔(7)、洗脱腔(8)、挡板(9)、转移通道(10)；

所述芯片上盖(1)和芯片下盖(3)设置在芯片结构片(2)的上下两端；芯片结构片(2)中设有注入通道(5)、裂解腔(6)、洗涤腔(7)、洗脱腔(8)、转移通道(10)；所述芯片上盖(1)、芯片结构片(2)、芯片下盖(3)共同组成封闭结构；

所述芯片结构片(2)中共有一个裂解腔(6)、三个洗涤腔(7)和一个洗脱腔(8)；其中，裂解腔(6)、洗涤腔(7)、洗脱腔(8)组成一个闭合的微流控芯片网络；所述裂解腔(6)、洗脱腔(8)设在该闭合微流控芯片网络的两端，三个洗涤腔(7)设在裂解腔(6)、洗脱腔(8)之间且各洗涤腔(7)相互连接；所述裂解腔(6)、洗涤腔(7)、洗脱腔(8)之间通过转移通道(10)相连接；所述裂解腔(6)、洗涤腔(7)、洗脱腔(8)的各个腔的侧面均设有一个注入孔(4)，注入孔(4)与各腔之间通过注入通道(5)相连接；

所述各洗涤腔(7)的每个入口端设有挡板(9)，用于样品转移过程中截留磁珠，使其停留在当前反应腔，防止磁珠流失；

洗脱腔(8)所对应的注入孔(4)同时用于洗脱液的注入及纯化后核酸的移出；

驱动装置包括芯片托盘(11)、定位槽(12)、磁铁架(13)、上磁铁(14)、下磁铁(15)、光耦架(16)、槽型光耦(17)、电机固定板(18)、步进电机(19)、支撑架(20)、底板(21)；

所述芯片托盘(11)的上方固定有上磁铁(14)，上磁铁(14)吸附芯片结构片(2)内的磁珠用以完成样品的逐步转移，芯片托盘(11)的下方固定有下磁铁(15)，下磁铁(15)吸附芯片结构片(2)内的磁珠，芯片托盘(11)带动芯片结构片(2)内的试剂往复运动，上磁铁(14)与下磁铁(15)均为永久磁铁，并与芯片结构片(2)中各个腔的中心在同一垂直方向；上磁铁(14)、下磁铁(15)均安装在磁铁架(13)上；

所述芯片托盘(11)的边缘有距离不等的定位槽(12)，定位槽(12)位于芯片托盘(11)边缘，各定位槽(12)与各个腔相对应；

所述芯片托盘(11)与步进电机(19)紧密配合，通过步进电机(19)带动芯片托盘(11)和微流控芯片的转动；步进电机(19)安装在电机固定板(18)上；

槽型光耦(17)安装在光耦架(16)上，且定位槽(12)与槽型光耦(17)相互配合，用以完成转盘转动过程中的定位控制；

磁铁架(13)、光耦架(16)、电机固定板(18)均安装在支撑架(20)上，所述支撑架(20)的底部设有底板(21)。

2.根据权利要求1所述的核酸自动提取微流控装置，其特征在于：所述芯片上盖(1)、芯片结构片(2)、芯片下盖(3)的材料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯材料。

3.根据权利要求1所述的核酸自动提取微流控装置，其特征在于：所述芯片上盖(1)、芯片结构片(2)、芯片下盖(3)通过化学粘结或者物理键合进行封闭，构成一个无流体泄露的微流控网络。

4.根据权利要求1所述的核酸自动提取微流控装置，其特征在于：所述芯片上盖(1)、芯片结构片(2)、芯片下盖(3)组成的微流控芯片中部设有梯形凹槽，用以安装固定整个芯片。

5.根据权利要求1所述的核酸自动提取微流控装置，其特征在于：裂解腔(6)内通过注射器或移液枪将样品、裂解液、磁珠注入，三个洗涤腔(7)注入有清洗液，洗脱腔(8)注入有洗脱液。

6.根据权利要求1所述的核酸自动提取微流控装置，其特征在于：该装置操作过程为通过注入孔(4)，将样品、裂解液、磁珠注入微流控芯片中的裂解腔(6)，将清洗液注入三个洗涤腔(7)，将洗脱液注入洗脱腔(8)，然后，将微流控芯片放入芯片托盘(11)，并形成紧密配合；

通过步进电机(19)带动芯片托盘(11)的转动和槽型光耦(17)的定位控制，将裂解腔(6)转动到下磁铁(15)的正上方，利用下磁铁(15)对磁珠的吸附作用，驱使裂解腔(6)作小范围往复转动，促使样品与裂解液、磁珠充分混合；

混合一段时间后，将裂解腔(6)转动到上磁铁(14)的正下方，利用上磁铁(14)对磁珠的吸附作用，将吸附了核酸的磁珠通过转移通道(10)转移到洗涤腔(7)，利用洗涤腔(7)入口端的挡板(9)将磁珠截留在洗涤腔(7)，防止磁珠流入下一个反应腔；接下来，将装有磁珠的洗涤腔(7)转动到下磁铁(15)的正上方，利用下磁铁(15)对磁珠的吸附作用，驱使洗涤腔(7)作小范围往复转动，促使磁珠与清洗液充分反应；

同样方法将吸附了核酸的磁珠转移到第二个和第三个洗涤腔(7)完成核酸纯化过程，直至进入洗脱腔(8)，洗脱液与磁珠充分反应，将吸附在磁珠上的核酸洗脱下来，利用上磁铁(14)将完成反应的磁珠转移到前一个洗涤腔(7)，洗脱后的核酸留在洗脱腔(8)，由此完成核酸的纯化。