CN106140334A - 带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，该检测反应装置包括微流控芯片、驱动装置；通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现干、湿反应试剂的长期保存、快速释放、试剂驱动及检测反应，最终实现POCT型的现场快速检测；其中，微流控芯片包括试剂存储模块和检测反应模块；试剂存储模块包括盖片、存储结构片、连接结构片，检测反应模块包括反应器；检测前，反应器半嵌入芯片定位座的凹槽，然后，将试剂存储模块放置在芯片对接座的上面，在方形导轨的导向下，移动试剂存储模块，使其与检测反应模块实现快速对接；由此，实现了芯片两个模块之间的快速组装，以及微流控芯片与驱动装置之间的相互定位与固定。
Description
技术领域
本发明涉及生命医学检测、诊断领域，尤其涉及一种带试剂存储功能的微流控芯片反应装置。
背景技术
传统检测方法中，仪器与试剂之间往往相互分离，某些试剂可以常温保存，某些则需要保存在低温环境中，检测时，需将试剂手工加入到检测仪器中。其不足之处包括：试剂需要独立，甚至特殊的保存环境，这限制了检测装置的适用范围；试剂与仪器相互分离，需要检验员完成一系列手工操作，这增加了检测过程的复杂度和出错概率，检测效率较低；仪器结构较为复杂，且辅助装置较多，检测装置体积较大，便携性较差；开放型的检测反应方式，容易引起不同次检测间的交叉感染；检测成本较高、操作较繁琐，难以推广到社区等基层医疗机构。
为了实现低成本、简单、方便、快捷的疾病诊疗，基于Point-of-Care Test(POCT)概念的现场快速检测正成为体外诊断的一个重要发展方向。作为一种新型检测平台，微流控芯片利用其自身结构和功能特点，能够将样品处理、检测反应及信号读取等过程，在芯片与试剂一体化平台上自动完成，为实现POCT型现场快速检测，提供了一个理想的解决方案。微流控芯片技术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。因此，微流控芯片技术有利于实现检测的自动化、流水化、缩短样品处理时间、提高检测效率、降低出错概率、提高检测准确性、降低反应试剂和样品消耗与检测成本。
为了构建基于微流控芯片的POCT型现场快速检测系统，需要将反应试剂与芯片有机结合起来，既能够实现室温环境下，反应试剂的长期保存，如将某些需要低温保存环境的反应试剂以固体形式保存，又能够以一种简单、可靠，方便的方式，实现芯片检测环境中，检测样品、反应试剂之间的相互作用与反应。将反应试剂存储在微流控芯片或者其子模块上，让试剂与芯片构成一个一体化，一次性使用的检测单元。检测过程中，以单个独立的检测芯片单元为反应载体，通过快速、逐个释放芯片存储的反应试剂，检测反应能够在一个全封闭的环境中完成，这样既有效避免了生物医学检测中的交叉感染，又简化了检测流程，降低了检测成本。因此，带试剂存储功能的微流控芯片反应装置的研究设计可以为实现POCT型的现场快速检测装置打下坚实的基础。
发明内容
本发明目的在于提供一种POCT型的微流控芯片检测反应装置，该装置能够长期存储反应试剂、并在检测时，根据需要，快速释放和驱动反应试剂，完成检测反应。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，该检测反应装置包括微流控芯片、驱动装置；通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现干、湿反应试剂的长期保存、快速释放、试剂驱动及检测反应，最终实现POCT型的现场快速检测。
其中，微流控芯片包括试剂存储模块和检测反应模块；试剂存储模块包括盖片12、存储结构片13、连接结构片14，检测反应模块包括反应器16。
所述盖片12固定在存储结构片13的顶部，用以封闭存储结构片13的上表面，使存储结构片13成为一个全封闭的试剂存储结构；存储结构片13中间内部分布有数个存储腔2，各存储腔2的底部分别设置有凹入的盲孔3；存储腔2的数量取决于所需反应试剂数量；
连接结构片14安装在存储结构片13底部，所述连接结构片14内部设置有与存储腔2底部的盲孔3相匹配的连接孔4，连接孔4与存储腔2底部的各盲孔3相互配合；
反应器16内部设有与各连接孔4相对应的各反应腔15，反应器16为半封闭式结构，各反应腔15内预先放置有反应试剂。
驱动装置包括直流电机7、直流电机支座8、芯片对接座20、芯片定位座21、运动滑块9、运动导轨10、触控开关17、槽型光耦19、定位光栅尺18、尖针座11、尖针1。
直流电机7固定在直流电机支座8上，通过直流电机7的输 出轴与螺杆连接，螺杆与运动滑块9通过螺纹副连接，通过直流电机7带动螺杆通过螺纹传动带动运动滑块9沿运动导轨10作直线运动；所述直流电机支座8上固定有触控开关17，用以确定运动滑块9的运动零位。
运动滑块9的一端与尖针座11相固定，尖针座11上固定有尖针1。
所述尖针1的数量与存储结构片中存储腔2的个数相同，位于存储腔2底部盲孔3的正上方，且一一对应。
定位光栅尺18固定在直流电机支座8上，槽型光耦19固定在运动滑块9上；
芯片对接座20是试剂存储模块、检测反应模块、驱动装置之间的连接及定位接口，芯片对接座20为一带方形导轨的平板，芯片对接座20被左支撑板22、右支撑板23对称固定在底板24上；芯片定位座21固定在底板24的中间位置，芯片定位座21中间设有凹槽用以安装固定反应器16；试剂存储模块安装在芯片对接座20顶端；
检测前，反应器16半嵌入芯片定位座21的凹槽，然后，将试剂存储模块放置在芯片对接座20的上面，在方形导轨的导向下，移动试剂存储模块，使其与检测反应模块实现快速对接。由此，实现了芯片两个模块之间的快速组装，以及微流控芯片与驱动装置之间的相互定位与固定。
所述盖片12、存储结构片13、连接结构片14、反应器16的材料是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或其它聚合物材料。
所述盖片12与存储结构片13，存储结构片13与连接结构片14，连接结构片14与反应器16之间的连接方式为有机溶剂、热粘接方式实现化学粘接或采用压敏双面胶实现物理粘接。
为了存储各类不同的干、湿反应试剂，并实现反应试剂的快速释放、驱动及反应，微流控芯片存储结构13内的各存储腔2为多层立体结构，该多层立体结构是一层或多层试剂存储单元，每层存储单元被分割成多个独立的存储单元腔。
所述盲孔3底部的残留层厚度不大于0.3mm，以实现反应试剂的快速释放。
在存储结构片13与反应器16之间设置了连接结构片14，在连接结构片14中，包括与存储腔2底部盲孔3一一对应的连接孔4，用于将反应试剂从存储腔2导入到反应腔15。
直流电机7转动时，经螺杆传动，运动滑块9沿运动导轨10作上下线性运动；运动滑块9及尖针座11运动时，带动尖针1作垂直向下运动，并依次穿刺试剂存储模块的盖片12、存储腔2及其底部的盲孔3。
微流控芯片被穿刺后，存储腔2底部的盲孔3会变成通孔，将封闭保存的反应试剂快速释放出来，同时建立了反应试剂的流动通道，依靠一种无泵式驱动模式，在重力与表面张力的共同作用下，反应试剂会自动由存储腔2底部的通孔，经连接结构片14 中的连接孔4，最终进入反应腔15。
所述各尖针1的长度互不相同，各尖针1随尖针座11垂直向下运动过程中，通过槽型光耦19与定位光栅尺18的定位控制，以实现各不同的反应试剂按先后顺序释放；按照反应试剂的释放顺序，从最长的尖针1开始，让各根尖针1依次穿刺对应的各存储腔2，并根据检测反应需要，各步中间作相应停留，直到最短的尖针1完成穿刺，最终，所有的反应试剂均从存储腔2转移到了反应腔15，与此同时，反应试剂与检测样品相接触，完成了整个检测反应过程。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明设计了一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现干、湿反应试剂的长期保存、快速释放、试剂驱动，及检测反应，得到POCT(Point-of-Care Test)型的现场快速检测装置。
2、本发明提出了模块化的微流控芯片设计。微流控芯片包括试剂存储模块和检测反应模块。试剂存储模块与检测反应模块在物理上完全独立，只有在检测时，让试剂存储模块与检测反应模块实现快速组装与对接。
3、本发明提出了基于尖针双层穿刺原理的试剂释放方法，以实现快速释放存储的反应试剂，并将其驱动到反应器进行检测反应。在线性运动模块的控制下，尖针会依次穿刺试剂存储模块的盖片、存储腔及其底部的盲孔，依靠一种无泵式驱动模式，在重 力与表面张力的共同作用下，反应试剂经连接结构片内部的连接孔，自动进入检测反应模块的反应腔，既快速释放了干、湿反应试剂，又能够实现试剂驱动，最终完成检测反应。
4、本发明提出了一种单驱动器模式的驱动装置，由单驱动器来完成各类反应试剂的快速释放，以简化微流控芯片检测反应装置的结构，降低芯片操作复杂度。在单驱动器的端面上固定多根尖针，尖针垂直向下运动中，通过槽型光耦与定位光栅尺的定位控制，按照反应试剂的释放顺序及检测反应原理，从最长的尖针开始，依次穿刺对应的存储腔，并可根据检测反应需要，各步中间停留一定时间，直到最短的尖针完成穿刺。
5、本发明使得芯片试剂存储模块被穿刺后，将封闭保存的反应试剂快速释放出来，同时建立了反应试剂的流动通道，依靠一种无泵式驱动模式，在重力与表面张力的共同作用下，反应试剂经连接结构片中的连接孔，自动进入反应腔。整个过程简化了反应试剂的流体驱动，降低装置复杂度。
附图说明
图1为本发明微流控芯片检测反应装置一个实施例示意图。
图2为本发明带单层试剂存储腔的微流控芯片示意图。
图3为本发明微流控芯片驱动装置示意图。
图4a为本发明微流控芯片检测反应装置试剂释放原理结构图。
图4b为本发明微流控芯片检测反应装置试剂释放过程示意 图。
图4c为本发明微流控芯片检测反应装置试剂释放完成示意图。
图5为本发明微流控芯片检测反应装置另一个实施例示意图。
图中：1、尖针，2、存储腔，3、盲孔，4、连接孔，5、上层存储腔，6、下层存储腔，7、直流电机，8、直流电机支座，9、运动滑块，10、运动导轨，11、尖针座，12、盖片，13、存储结构片，14、连接结构片，15、反应腔，16、反应器，17、触控开关，18、定位光栅尺，19、槽型光耦，20、芯片对接座，21、芯片定位座，22、左支撑板，23、右支撑板，24、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作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1-4c所示，该装置操作过程为在直流电机7的驱动作用下，运动滑块9在运动导轨10的导向作用下，做垂直向下运动，并带动尖针座11上的尖针1做垂直向下运动，长短不一的尖针1依次穿刺存储腔2及其底部的盲孔3，使盲孔3变为通孔，将封闭保存的反应试剂快速释放出来，同时建立了反应试剂的流动通道，反应试剂会自动由存储腔2底部的通孔，进入连接结构片14中的连接孔4，最终进入反应腔15，以完成下一步检测反应。
图5为本微流控芯片检测反应装置另一个实施例示意图。试剂存储模块为多层立体结构，存储腔2包括两上下连接的结构层即上层存储腔5、下层存储腔6；上层存储腔5、下层存储腔6为相互独立结构；上层存储腔5和下层存储腔6分别存储有需要预先混合的液体和固体反应试剂或者液体和液体反应试剂。
尖针1统一固定在尖针座11上，尖针座11在直流电机7的 驱动作用下，带动尖针1向下运动，对芯片进行穿刺。在穿刺两层试剂存储腔过程中，上层存储腔5首先被穿刺，随着上下层存储腔之间的边界层被穿刺，上层存储腔5与下层存储腔6之间建立了流体通道。通过槽型光耦19与定位光栅尺18的定位控制，让尖针1停止向下穿刺，等待一定的反应时间，让上下层存储腔内的反应试剂充分混合，如液体反应试剂溶解固体反应试剂，或者两种液体反应试剂相互混溶。等待时间完成后，让尖针1继续向下穿刺芯片，通过穿刺存储腔2底部的盲孔3，一方面将反应试剂释放出来，同时，也通过连接结构片14中的连接孔4，建立了从试剂存储模块到检测反应模块的流体通道。最终，反应试剂依靠一种无泵式驱动模式，在重力与表面张力的共同作用下，自动进入检测反应模块的反应腔15。
本发明的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，采用了一种单驱动器工作模式，实现了基于尖针双层穿刺原理的反应试剂快速释放。通过在芯片试剂存储模块中构造多层的试剂存储单元结构，借助简化的驱动装置，实现了干、湿反应试剂长期存储、快速释放、混合反应、试剂驱动，及检测反应一体化操作。本发明带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置与传统方法相比，通过自带反应试剂的微流控芯片与配套驱动装置之间的相互配合，以一种简单、方便、可靠、无交叉感染，且低成本的方式，实现了POCT型的现场快速检测。
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。如盖片厚度、样品存储腔的形状、尺寸，各类功能性及连接性盲孔、连接孔的形状、尺寸，以及尖针的数量、形状、直径和长度等。
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 (10)
1.一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：该检测反应装置包括微流控芯片、驱动装置；通过微流控芯片与驱动装置之间的相互配合，实现干、湿反应试剂的长期保存、快速释放、试剂驱动及检测反应，最终实现POCT型的现场快速检测；
其中，微流控芯片包括试剂存储模块和检测反应模块；试剂存储模块包括盖片(12)、存储结构片(13)、连接结构片(14)，检测反应模块包括反应器(16)；
所述盖片(12)固定在存储结构片(13)的顶部，用以封闭存储结构片(13)的上表面，使存储结构片(13)成为一个全封闭的试剂存储结构；存储结构片(13)中间内部分布有数个存储腔(2)，各存储腔(2)的底部分别设置有凹入的盲孔(3)；存储腔(2)的数量取决于所需反应试剂数量；
连接结构片(14)安装在存储结构片(13)底部，所述连接结构片(14)内部设置有与存储腔(2)底部的盲孔(3)相匹配的连接孔(4)，连接孔(4)与存储腔(2)底部的各盲孔(3)相互配合；
反应器(16)内部设有与各连接孔(4)相对应的各反应腔(15)，反应器(16)为半封闭式结构，各反应腔(15)内预先放置有反应试剂；
驱动装置包括直流电机(7)、直流电机支座(8)、芯片对接座(20)、芯片定位座(21)、运动滑块(9)、运动导轨(10)、触 控开关(17)、槽型光耦(19)、定位光栅尺(18)、尖针座(11)、尖针(1)；
直流电机(7)固定在直流电机支座(8)上，通过直流电机(7)的输出轴与螺杆连接，螺杆与运动滑块(9)通过螺纹副连接，通过直流电机(7)带动螺杆通过螺纹传动带动运动滑块9沿运动导轨(10)作直线运动；所述直流电机支座(8)上固定有触控开关(17)，用以确定运动滑块(9)的运动零位；
运动滑块(9)的一端与尖针座(11)相固定，尖针座(11)上固定有尖针(1)；
所述尖针(1)的数量与存储结构片中存储腔(2)的个数相同，位于存储腔(2)底部盲孔(3)的正上方，且一一对应；
定位光栅尺(18)固定在直流电机支座(8)上，槽型光耦(19)固定在运动滑块(9)上；
芯片对接座(20)是试剂存储模块、检测反应模块、驱动装置之间的连接及定位接口，芯片对接座(20)为一带方形导轨的平板，芯片对接座(20)被左支撑板(22)、右支撑板(23)对称固定在底板(24)上；芯片定位座(21)固定在底板(24)的中间位置，芯片定位座(21)中间设有凹槽用以安装固定反应器(16)；试剂存储模块安装在芯片对接座(20)顶端；
检测前，反应器(16)半嵌入芯片定位座(21)的凹槽，然后，将试剂存储模块放置在芯片对接座(20)的上面，在方形导轨的导向下，移动试剂存储模块，使其与检测反应模块实现快速 对接；由此，实现了芯片两个模块之间的快速组装，以及微流控芯片与驱动装置之间的相互定位与固定。
2.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：所述盖片(12)、存储结构片(13)、连接结构片(14)、反应器(16)的材料是聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：所述盖片(12)与存储结构片(13)，存储结构片(13)与连接结构片(14)，连接结构片(14)与反应器(16)之间的连接方式为有机溶剂、热粘接方式实现化学粘接或采用压敏双面胶实现物理粘接。
4.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：为了存储各类不同的干、湿反应试剂，并实现反应试剂的快速释放、驱动及反应，微流控芯片存储结构(13)内的各存储腔(2)为多层立体结构，该多层立体结构是一层或多层试剂存储单元，每层存储单元被分割成多个独立的存储单元腔。
5.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：所述盲孔(3)底部的残留层厚度不大于0.3mm，以实现反应试剂的快速释放。
6.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：直流电机(7)转动时，经螺杆传动， 运动滑块(9)沿运动导轨(10)作上下线性运动；运动滑块(9)及尖针座(11)运动时，带动尖针(1)作垂直向下运动，并依次穿刺试剂存储模块的盖片(12)、存储腔(2)及其底部的盲孔(3)。
7.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：微流控芯片被穿刺后，存储腔(2)底部的盲孔(3)会变成通孔，将封闭保存的反应试剂快速释放出来，同时建立了反应试剂的流动通道，依靠一种无泵式驱动模式，在重力与表面张力的共同作用下，反应试剂会自动由存储腔(2)底部的通孔，经连接结构片(14)中的连接孔(4)，最终进入反应腔(15)。
8.根据权利要求1所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：所述各尖针(1)的长度互不相同，各尖针(1)随尖针座(11)垂直向下运动过程中，通过槽型光耦(19)与定位光栅尺(18)的定位控制，以实现各不同的反应试剂按先后顺序释放；按照反应试剂的释放顺序，从最长的尖针(1)开始，让各根尖针(1)依次穿刺对应的各存储腔(2)，并根据检测反应需要，各步中间作相应停留，直到最短的尖针(1)完成穿刺，最终，所有的反应试剂均从存储腔(2)转移到了反应腔(15)，与此同时，反应试剂与检测样品相接触，完成了整个检测反应过程。
9.根据权利要求1或8所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：该装置操作过程为在直流电机 (7)的驱动作用下，运动滑块(9)在运动导轨(10)的导向作用下，做垂直向下运动，并带动尖针座(11)上的尖针(1)做垂直向下运动，长短不一的尖针(1)依次穿刺存储腔(2)及其底部的盲孔(3)，使盲孔(3)变为通孔，将封闭保存的反应试剂快速释放出来，同时建立了反应试剂的流动通道，反应试剂会自动由存储腔(2)底部的通孔，进入连接结构片(14)中的连接孔(4)，最终进入反应腔(15)，以完成下一步检测反应。
10.根据权利要求1或4或6或8或9所述的一种带试剂存储功能的微流控芯片检测反应装置，其特征在于：试剂存储模块为多层立体结构，存储腔(2)包括两上下连接的结构层即上层存储腔(5)、下层存储腔(6)；上层存储腔(5)、下层存储腔(6)为相互独立结构；上层存储腔(5)和下层存储腔(6)分别存储有需要预先混合的液体和固体反应试剂或者液体和液体反应试剂；
尖针(1)统一固定在尖针座(11)上，尖针座(11)在直流电机(7)的驱动作用下，带动尖针(1)向下运动，对芯片进行穿刺；在穿刺两层试剂存储腔过程中，上层存储腔(5)首先被穿刺，随着上下层存储腔之间的边界层被穿刺，上层存储腔(5)与下层存储腔(6)之间建立了流体通道；通过槽型光耦(19)与定位光栅尺(18)的定位控制，让尖针(1)停止向下穿刺，等待一定的反应时间，让上下层存储腔内的反应试剂充分混合，如液体反应试剂溶解固体反应试剂，或者两种液体反应试剂相互混溶； 等待时间完成后，让尖针(1)继续向下穿刺芯片，通过穿刺存储腔(2)底部的盲孔(3)，一方面将反应试剂释放出来，同时，也通过连接结构片(14)中的连接孔(4)，建立了从试剂存储模块到检测反应模块的流体通道；最终，反应试剂依靠一种无泵式驱动模式，在重力与表面张力的共同作用下，自动进入检测反应模块的反应腔(15)。
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