CN106031889A - 一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，目的在于，通过离心平台实现对微流道的自动控制，将操作流程集成到同一块微流控芯片上，从而实现蛋白质的自动化、快速、低成本的检测，所采用的技术方案为：包括与电机固定连接的转轴，转轴上自上而下依次同轴设置有微流控芯片和滑动盘，微流控芯片包括硅胶PDMS，硅胶PDMS的上表面加工有若干个腔室，若干个腔室间通过微流道连通，硅胶PDMS的上表面覆盖有机玻璃板PMMA，所述硅胶PDMS和有机玻璃板PMMA与转轴固定连接，滑动盘套设在转轴上，滑动盘的上端固定设置有若干个用于关闭或打开微流道的弹性销，滑动盘的下端固定设置有离心机构，离心机构与转轴固定连接，所述离心机构与滑动盘间设置有弹性部件。

Description

一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统。
背景技术
微流控芯片是将生化分析的许多过程与步骤集成在单一芯片上，具有检测速度快、试剂用量少、通量高等显著特点，因此近些年来深受世界各国学者的研究和关注和传统检测手段相比，微流控芯片具有不可替代的优势。
目前基于微流控芯片的检测系统中液体流动提供动力的动力源难以稳定的集成到蛋白质芯片上，并且常规实现方法容易对芯片中的试剂造成污染，进而影响检测结果的准确性。而且检测系统中需要将许多生化操作集成在一块小面积的芯片上，所以需要集成数目繁多的、且能够轻松实现时序化控制的阀门。然而当前研究出来的微型阀门性能不够稳定，而且研究比较多的牺牲阀在打开阀门后，就处于常开状态无法关闭，没有实现真正意义上的自动化控制。
在蛋白质检测系统中首先需要将抗体固定在某一载体上。目前最常用的方法是利用聚苯乙烯与抗体之间形成连接以固定抗体，该方法需要很长的反应时间且步骤繁多，与要求的快速、高效检测相悖。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种通过离心平台实现对微流道的自动控制，将操作流程集成到同一块微流控芯片上，从而实现蛋白质的自动化、快速、低成本检测的基于离心平台的蛋白质快速检测系统。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括与电机固定连接的转轴，转轴上自上而下依次同轴设置有微流控芯片和滑动盘，微流控芯片包括硅胶PDMS，硅胶PDMS的上表面加工有微流道系统，微流道系统包括若干个腔室，若干个腔室间通过微流道连通，硅胶PDMS的上表面覆盖有机玻璃板PMMA，所述硅胶PDMS和有机玻璃板PMMA与转轴固定连接，所述滑动盘套设在转轴上，滑动盘的上端固定设置有若干个用于关闭或打开微流道的弹性销，滑动盘的下端固定设置有离心机构，离心机构与转轴固定连接，所述离心机构与滑动盘间设置有弹性部件；所述离心机构静止时，若干个弹性销分别顶住挤压硅胶PDMS，关闭微流道；所述电机通过转轴带动微流控芯片、滑动盘和离心机构转动，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘在转轴上滑动，使弹性销打开或关闭微流道。
所述微流道系统包括反应腔、废液腔和若干个功能腔，废液腔和若干个功能腔通过微流道与反应腔连通，若干个弹性销分别位于若干个功能腔的微流道的正下端，离心机构静止时，若干个弹性销分别顶住挤压硅胶PDMS，关闭功能腔的微流道。
所述滑动盘的上端固定设置有顶柱，顶柱位于反应腔的正下端，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘在转轴上滑动，从而使顶柱挤压或远离反应腔，使弹性销打开或关闭某个功能腔的微流道。
所述反应腔内充有磁标抗体，顶柱的上端面设置有永磁体。
所述磁标抗体采用磁性纳米材料对抗体进行标记。
所述功能腔包括靶蛋白腔、第一清洗液腔、荧光标记二抗腔和第二清洗液腔。
所述靶蛋白腔、第一清洗液腔、荧光标记二抗腔和第二清洗液腔的微流道长度依次递增。
所述离心机构包括两个沿转轴对称设置的二连杆机构，二连杆机构固连有质量块。
所述滑动盘的底部和转轴上均固定设置有固定块，二连杆机构包括两根相互铰接的连杆，一根连杆的与滑动盘的固定块铰接，另一根连杆与转轴的固定块铰接，与滑动盘的固定块铰接的连杆末端固定设置质量块。
所述弹性部件包括套设在转轴上的支撑弹簧，支撑弹簧一端连接滑动盘的固定块，另一端连接转轴的固定块。
与现有技术相比，本发明在硅胶PDMS上加工若干不同功能的腔室，腔室间设有微流道，硅胶PDMS上端覆盖有机玻璃板PMMA，从而构成微流控芯片，在硅胶PDMS下端的滑动盘上固定若干与微流道位置对应的弹性销，利用弹性销作为微型阀门控制微流道的开闭，利用电机驱动转轴，使微流控芯片、滑动盘和离心机构转动，通过调节电机转速使离心机构带动滑动盘沿转轴滑动，从而使弹性销挤压或远离硅胶PDMS，从而关闭或打开某个微流道，使对应腔室内的液体进入进行反应，反应完成后通过弹性部件复位，通过控制电机的转速时序和弹性销的初始高度，完成对各个腔室的控制，本发明通过离心平台实现对微流道的自动控制，将操作流程集成到同一块微流控芯片上，从而实现蛋白质的自动化、快速、低成本检测。
进一步，磁标抗体采用磁性纳米材料对抗体进行标记，滑动盘的上端固定设置有顶柱，顶柱上端设置永磁体，电机转动时离心机构通过滑动盘带动顶柱往复滑动，永磁体能够随着滑动盘的移动而上下运动。当离心机构的转速升高时，永磁体向下运动远离磁标抗体，使得磁标抗体所受磁力减少进而得以释放；而当离心机构的转速降低时，永磁体向上运动接近磁标抗体，使得磁标抗体所受磁力增加进而固定抗体，抗体的固定与释放，能够通过改变离心机构的转速而实现，操作十分简便且易于实现自动化控制，本发明通过控制磁场即可实现抗体的固定和释放，从而大大的简化了包被抗体操作的复杂程序。
进一步，为了改进反应效率，从而提高系统的灵敏度，当两种试剂进入反应腔进行反应时，离心机构的转速呈现波浪式变化，忽而升高忽而降低，以此推动滑动盘以及附着其上的磁性顶柱做上下往复运动，磁标抗体周围的磁场也因此呈现忽强忽弱的变化，从而加大了磁标抗体在试剂中相对运动，使试剂之间的反应更加充分。另外，用于控制清洗液腔室的阀门先打开一段时间然后再关闭，并且如些循环三次，从而使得清洗液分三次进入反应腔室。每次将清洗液腔室的阀门打开一段时间后即将其关闭，然后通过调节离心机构的转速使清洗液在反应腔内充分清洗。清洗液在反应腔内反应完全后，再降低离心机构的转速，此时磁性顶柱会向上挤压反应腔室并将清洗液排入废液池。而磁标抗体则在磁场的作用下被固定在反应腔内。为了能够标记靶蛋白以及进一步放大检测信号，当靶蛋白与磁标抗体充分反应并清洗完后，还需要加入被荧光分子标记的二抗，通过检测荧光强度实现对靶蛋白的定量和定性检测。
附图说明
图1为本发明静止状态结构示意图；
图2为本发明转动状态结构示意图；
图3a、3b、3c为弹性销时序控制图；
图4为微流道系统的结构示意图；
其中，1-硅胶PDMS、2-有机玻璃板PMMA、3-弹性销、4-滑动盘、5-转轴、6-质量块、7-连杆、8-支撑弹簧、9-顶柱、10-磁标抗体、11-反应腔、12-废液腔、13-第二清洗液腔、14-荧光标记二抗腔、15-第一清洗液腔、16-靶蛋白腔。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
参见图1和图2，本发明包括与电机固定连接的转轴5，转轴5上自上而下依次同轴设置有微流控芯片和滑动盘4，微流控芯片包括硅胶PDMS1，硅胶PDMS1的上表面加工有微流道系统，微流道系统包括若干个腔室，若干个腔室间通过微流道连通，硅胶PDMS1的上表面覆盖有机玻璃板PMMA2，硅胶PDMS1和有机玻璃板PMMA2与转轴5固定连接，滑动盘4套设在转轴5上，滑动盘4的上端固定设置有若干个用于关闭或打开微流道的弹性销3，滑动盘4的下端固定设置有离心机构，离心机构与转轴5固定连接，离心机构包括两个沿转轴5对称设置的二连杆机构，二连杆机构固连有质量块6，滑动盘4的底部和转轴5上均固定设置有固定块，二连杆机构包括两根相互铰接的连杆7，一根连杆的与滑动盘4的固定块铰接，另一根连杆与转轴5的固定块铰接，与滑动盘4的固定块铰接的连杆末端固定设置质量块6。离心机构与滑动盘4间设置有弹性部件，弹性部件包括套设在转轴5上的支撑弹簧8，支撑弹簧8一端连接滑动盘4的固定块，另一端连接转轴5的固定块；离心机构静止时，若干个弹性销3分别顶住挤压硅胶PDMS1，关闭微流道；电机通过转轴5带动微流控芯片、滑动盘4和离心机构转动，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘4在转轴5上滑动，使弹性销3打开或关闭微流道。
参见图4，微流道系统包括反应腔11、废液腔12和若干个功能腔，废液腔12和若干个功能腔通过微流道与反应腔11连通，若干个弹性销3分别位于若干个功能腔的微流道的正下端，离心机构静止时，若干个弹性销3分别顶住挤压硅胶PDMS1，关闭功能腔的微流道。滑动盘4的上端固定设置有顶柱9，顶柱9位于反应腔11的正下端，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘4在转轴5上滑动，从而使顶柱9挤压或远离反应腔11，使弹性销3打开或关闭某个功能腔的微流道。反应腔11内充有磁标抗体10，顶柱9的上端面设置有永磁体。磁标抗体10采用磁性纳米材料对抗体进行标记。功能腔包括靶蛋白腔16、第一清洗液腔15、荧光标记二抗腔14和第二清洗液腔13，靶蛋白腔16、第一清洗液腔15、荧光标记二抗腔14和第二清洗液腔13的微流道长度依次递增。
参见图1和图2，本发明由二个主要的子系统组成：驱动控制系统、样品分离和处理的微流控芯片。微流控芯片是由有机玻璃板PMMA2和硅胶PDMS1组成，而硅胶PDMS1上可以加工出复杂的微流道系统。驱动控制系统包括以下几个主要部分：电机、转轴5、质量块6、连杆7、支撑弹簧8、滑动盘4和弹性销3。连杆机构的下端固定在电机轴上，而其顶部和滑动盘4固定在一起，可以沿转轴5滑动。当电机带动转轴5旋转时，质量块6在离心力的作用下通过连杆7带动滑动盘4和弹性销3向下运动。而当电机逐渐减速时，则在支撑弹簧8的弹性力作用下，滑动盘4和弹性销3又会向上运动。
参见图3a、3b和3c，当离心机构处于静止状态时，在预设弹簧力的作用下弹性销3会向上顶住硅胶PDMS1并使其产生足够变形，从而阻塞硅胶PDMS1薄膜覆盖下的微流道，进而阻止了液体在微流道内的流动，从而使得该腔室处于关闭状态。而当电机转到整个离心机构开始旋转时，离心力克服弹簧力推动滑动盘4下行，带动弹性销3向下运动。当其向下运动到一定距离后，覆盖在微流管道上的硅胶PDMS1薄膜会在自身的弹性下恢复原状，此时微流道则处于打开状态。所以每个弹性销3相当于一个微型阀门，它决定了微流道的开闭状态。而且，通过调整弹性销3的初始高度，来调节微型阀门打开和关闭所对应的转速。如图3a、3b和3c所示，阀A所对应的弹性销的初始位置低于阀B距离d，所以当阀A对PDMS薄膜产生的压力不足以阻塞微流道时，阀B却具有足够的压力使微流道处于关闭状态。因此，阀A打开状态所对应的转速低于阀B所对应的转速。通过该方法可以在微流控芯片上集成大量的顺序控制的微型阀门，并且每个阀门都只在某一特定的转速下才会打开和关闭。
图4所示是微流控芯片结构图，芯片上包括有若干个不同功能的腔室。分别包含了：靶蛋白腔16(抗原腔室)、荧光标记二抗腔14(酶标二抗腔室)、第一第二清洗液腔室、反应腔11(磁标抗体腔室)以及废液腔12等。其中每个腔室均由一个可控的阀控制，为了克服常规抗体包被方法所具有的操作复杂且耗时的缺点，在本发明中将采用磁性纳米材料对抗体进行标记，然后通过控制磁场即可实现抗体的固定和释放。从而大大的简化了包被抗体操作的复杂程序，减少了整个检测过程的耗时。同时，为了与本发明中的离心机构平台相兼容，在本方案中将永磁体固定在顶柱9的顶部，而顶柱9则固定在滑动盘4上，所以永磁体能够随着滑动盘4的移动而上下运动。当离心机构的转速升高时，永磁体向下运动远离磁标抗体10，使得磁标抗体10所受磁力减少进而得以释放；而当离心机构的转速降低时，永磁体向上运动接近磁标抗体10，使得磁标抗体10所受磁力增加进而固定抗体。所以，在本发明中抗体的固定与释放，完全可以通过改变离心机构的转速而实现，操作十分简便且易于实现自动化控制。
本发明的具体工作过程：当两种试剂进入反应腔11进行反应时，为了改进反应效率，从而提高系统的灵敏度，离心机构的转速呈现波浪式变化，忽而升高忽而降低，以此推动滑动盘4以及附着其上的磁性顶柱9做上下往复运动。磁标抗体10周围的磁场也因此呈现忽强忽弱的变化，从而加大了磁标抗体10在试剂中相对运动，使试剂之间的反应更加充分。
另外，用于控制清洗液腔室的阀门先打开一段时间然后再关闭，并且如些循环三次，从而使得清洗液分三次进入反应腔11。每次将清洗液腔室的阀门打开一段时间后即将其关闭，然后通过调节离心机构的转速使清洗液在反应腔11内充分清洗。清洗液在反应腔11内反应完全后，再降低离心机构的转速，此时磁性顶柱9会向上挤压反应腔11并将清洗液排入废液腔12。而磁标抗体10则在磁场的作用下被固定在反应腔11内。为了能够标记靶蛋白以及进一步放大检测信号，当靶蛋白与磁标抗体10充分反应并清洗完后，还需要加入被荧光分子标记的二抗。通过检测荧光强度实现对靶蛋白的定量和定性检测。所以整个蛋白质检测系统内的流体驱动力、多个阀门开闭的状态和次序、以及全部的生化操作流程完全由电机的转速控制。因此该方案不但能够在微流道系统中集成多个稳定的微型阀门和微型泵，而且能够轻松的实现对整个检测系统的自动化控制。

Claims (10)

1.一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，包括与电机固定连接的转轴(5)，转轴(5)上自上而下依次同轴设置有微流控芯片和滑动盘(4)，微流控芯片包括硅胶PDMS(1)，硅胶PDMS(1)的上表面加工有微流道系统，微流道系统包括若干个腔室，若干个腔室间通过微流道连通，硅胶PDMS(1)的上表面覆盖有机玻璃板PMMA(2)，所述硅胶PDMS(1)和有机玻璃板PMMA(2)与转轴(5)固定连接，所述滑动盘(4)套设在转轴(5)上，滑动盘(4)的上端固定设置有若干个用于关闭或打开微流道的弹性销(3)，滑动盘(4)的下端固定设置有离心机构，离心机构与转轴(5)固定连接，所述离心机构与滑动盘(4)间设置有弹性部件；所述离心机构静止时，若干个弹性销(3)分别顶住挤压硅胶PDMS(1)，关闭微流道；所述电机通过转轴(5)带动微流控芯片、滑动盘(4)和离心机构转动，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘(4)在转轴(5)上滑动，使弹性销(3)打开或关闭微流道。
2.根据权利要求1所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述微流道系统包括反应腔(11)、废液腔(12)和若干个功能腔，废液腔(12)和若干个功能腔通过微流道与反应腔(11)连通，若干个弹性销(3)分别位于若干个功能腔的微流道的正下端，离心机构静止时，若干个弹性销(3)分别顶住挤压硅胶PDMS(1)，关闭功能腔的微流道。
3.根据权利要求2所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述滑动盘(4)的上端固定设置有顶柱(9)，顶柱(9)位于反应腔(11)的正下端，调节电机的转速使离心机构带动滑动盘(4)在转轴(5)上滑动，从而使顶柱(9)挤压或远离反应腔(11)，使弹性销(3)打开或关闭某个功能腔的微流道。
4.根据权利要求3所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述反应腔(11)内充有磁标抗体(10)，顶柱(9)的上端面设置有永磁体。
5.根据权利要求4所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述磁标抗体(10)采用磁性纳米材料对抗体进行标记。
6.根据权利要求5所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述功能腔包括靶蛋白腔(16)、第一清洗液腔(15)、荧光标记二抗腔(14)和第二清洗液腔(13)。
7.根据权利要求6所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述靶蛋白腔(16)、第一清洗液腔(15)、荧光标记二抗腔(14)和第二清洗液腔(13)的微流道长度依次递增。
8.根据权利要求1所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述离心机构包括两个沿转轴(5)对称设置的二连杆机构，二连杆机构固连有质量块(6)。
9.根据权利要求8所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述滑动盘(4)的底部和转轴(5)上均固定设置有固定块，二连杆机构包括两根相互铰接的连杆(7)，一根连杆的与滑动盘(4)的固定块铰接，另一根连杆与转轴(5)的固定块铰接，与滑动盘(4)的固定块铰接的连杆末端固定设置质量块(6)。
10.根据权利要求9所述的一种基于离心平台的蛋白质快速检测系统，其特征在于，所述弹性部件包括套设在转轴(5)上的支撑弹簧(8)，支撑弹簧(8)一端连接滑动盘(4)的固定块，另一端连接转轴(5)的固定块。
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