CN106153879A - 用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于疾病诊断的微流控系统，尤其涉及一种用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，本发明包括控制部分、感测部分、微流控芯片以及活性微小生物，活性微小生物对是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象的测试样本产生的反应具有差异性的现象或结果，诊断方法为：在微流控芯片内部或表面，通过控制部分的驱动，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本附近，并控制二者相互接近，通过感测部分，得到活性微小生物在此过程以及其前后若干时间的位移或其它特征、参数的变化，从而推断测试样本中是否具有与前述疾病相关的物质、气味或现象。

Description

用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法

技术领域

本发明涉及一种微流控系统及其诊断方法，尤其涉及一种利用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法。

背景技术

当今，病菌的进化、病毒的变异日渐猖獗，很多疾病还不能快速有效的得到医治，如癌症、心脑血管疾病等，而在诊疗领域，尤其是早期疾病的检测、诊断，对人类健康具有重要意义。以癌症为例，随着医疗技术的发展，当前可以对很多早期、中期癌症进行有效的医治，但遗憾的是：癌症患者感知或检查出病患时一般都已经到了晚期，难于治愈。

通过活性微小生物进行疾病诊断，是当前医疗领域的一种新兴的重要研究方向之一，难能可贵的是：活性微小生物参与的疾病诊断，可以对包括癌症在内的很多疾病实现早期、中期、晚期的诊断，其相关应用方兴未艾。

当然，通过活性微小生物进行的疾病诊断对象不仅仅局限于人类，还包括动物、植物、微生物等。

但在应用领域的问题是：在上述诊断过程，对于尺寸小于1毫米，最低至微米级别的活性微小生物，如何精确、快速的实施操控？

微流控系统，又称芯片实验室，是一种以在微小尺度空间对流体进行操控为主要特征的一种前沿科学技术，具有将生物、化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米甚至几平方微米的芯片上的能力。

液滴型微反应器，在业内被简称为液滴，是下一代生化分析工具，相对当前广泛使用的传统生化实验方式，具有低损耗、高效率等特点，在当今的化学、医学、生物学、环境学、国防科学等领域将发挥无法替代的重要作用，具有广阔的应用前景。

本发明提出了一个非常适合的解决方案：以液滴型微反应器作为工具，辅以特定的微流控系统以及自动化技术，可实现对像线虫这样尺寸，甚至还要小的微米至毫米尺寸级别微小生物实施精确检测与操控。

发明内容

本发明提出一种用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法。

本发明的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统包括控制部分、感测部分、液流载体以及活性微小生物，控制部分与感测部分在实现形式上可以合并或拼装，也可相互独立。

本发明的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统，除活性微小生物外的组成部分中，每个组成部分自成一体或分为若干子部分，分为若干子部分的情形，各子部分之间以下述方式中的一种或多种实现功能：

（1）电气连接；

（2）功能合并；

（3）彼此拼装或组装；

（4）相互独立。

感测部分对如下目标中的若干种进行操作或处理：液流载体内部发生的现象、液流载体表面发生的现象、液流载体内部产生的信号、液流载体表面产生的信号，手段包括但不限于感应、测量、采集、观测、摄取、记录、判断、转换以及传输中的一种或多种，该手段也包括人工观测方式：人仅通过肉眼，或借助若干工具进行观察，工具的类型包括但不限于：显微镜、摄像机、照相机、高速相机、监视器、计算机、摄像头、光线感应器、光电倍增管、放大镜、带照相功能的其它设备。

液流载体具有如下特性：内部可放置液流、液滴或活性微小生物；或者液流载体表面可承载液流、液滴或活性微小生物。

液流载体的种类包括但不限于涂板、载玻片、玻璃片、石英片、塑料片、微流控芯片，采用微流控芯片的情形，微流控芯片中包含多个电极，电极中的全部或局部可通过控制部分切入或断开电信号，利用电场的作用实现电极附近的液滴的移动、定位、合并、拆分、震荡、反应、催化等操控行为。

控制部分是整个系统的控制中心，负责接收信息或指令，并进行判断、计算、分析、处理、决策与控制。

控制部分包括但不限于下述功能部件中的若干种：微控制器、微处理器、逻辑控制器、安装软件的计算机、可安装软件或可编程的仪器设备、可安装软件或可编程的器件以及其它自动化控制部件，控制部分的全部或部分功能也可用人脑思考与手动操作的方式实现，控制部分分别与感测部分、液流载体电气连接或通过光、磁场、神经实现信息的传递。

控制部分可经引线或借助人工手动切入电信号，也可经引线或借助人工手动断开电信号，该电信号的类型包括但不限于如下所述中的一种或多种：

（1）直流信号；

（2）方波；

（3）正弦波；

（4）三角波；

（5）梯形波；

（6）积分波；

（7）微分波；

（8）不规则波；

（9）前述类型中若干种信号的叠加或函数运算的结果。

上述的非直流周期型电信号的频率选择范围为：50Hz～1GHz。

系统既可以采用无对外通讯接口独立运行方式；也可以在控制部分或感测部分安置通讯接口，实现系统与外界之间的信息交互：包括但不限于：多机通信协同工作、用户通过通讯接口对系统进行远程监测或远程控制。

本发明涉及的活性微小生物尺寸小于1厘米，种类包括但不限于：细菌、真菌、古菌、线虫、爬虫以及其它动物类。

本发明测试对象包括但不限于人、动物、微生物。

测试样本类型包括但不限于尿液、血液、汗液、唾液、体液、组织液、细胞液、骨髓。

活性微小生物在实施诊断前可不做任何标记，也可进行荧光、同位素、电荷等方式的标记，便于后续过程中系统的精确感测，其中选用荧光标记的情形，感测部分可采用先经滤镜滤除荧光波长之外的部分或全部干扰光后，再进行接收的方式，也可以采用不滤除干扰光直接对荧光信号进行接收的方式。

参与诊断过程的活性微小生物既可以是单个个体，也可以是多个个体；既采用液滴包裹的方式，也可以不采用液滴包裹的方式。

本发明的诊断方法为：置于液流载体表面或内部的若干活性微小生物，对是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象的测试样本产生的反应具有不同的现象或结果，包括但不限于下述类别组合中的一种或多种：

（1）活性微小生物主动靠近测试样本和远离测试样本；

（2）活性微小生物主动靠近测试样本和随机性活动；

（3）活性微小生物主动靠近测试样本和静止不动；

（4）活性微小生物表现为烦躁和安静；

（5）活性微小生物存活和死亡；

（6）活性微小生物频繁活动和较少活动；

（7）活性微小生物的某种生物特性变化和未变化。

感测部分通过对上述现象或结果的检测，将信息传递或传输给控制部分，控制部分即可通过计算、分析、控制、处理或判断，推断出测试样本中是否包含与前述种类疾病相关的物质、气味，具体方法包括但不限于下述四种。

方法一，在液流载体内部或表面，通过控制部分的驱动与控制，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本附近，并使二者靠近至接触后相互融合，在融合过程中，测试样本会向包裹活性微小生物液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向包裹活性微小生物液滴方向呈现由大到小的梯度分布，在融合过程及其前后若干时间段，测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象，使活性微小生物产生不同的反应、现象或结果，包括但不限于：远离和靠近测试样本、不接近和接近测试样本、接近测试样本和随机活动、烦躁和安静、存活和死亡、生物特性变化和未变化、频繁活动和较少活动，系统通过感测部分对该反应、现象或结果进行感应、检测或信息摄取，采用的方式包括但不限于：光信号检测、电信号检测、拉曼信号检测、阻抗值检测、频率值检测、电流检测、电压检测、摄像、录像、图像识别、人工观测，得到活性微小生物的相关数据信息，包括但不限于下述类型中的若干种：位移信息、状态信息、健康信息、活动信息、特性参数，从而推断测试样本中是否具有与某类疾病相关的物质、气味或现象，从而对测试样本的来源是否患有前述种类疾病做出诊断。

方法二，使用比对液滴，比对液滴为所选用的活性微小生物对其不敏感的液体构成的液滴，类型包括但不限于下述类型中的一种或多种：纯水液滴、培养液液滴、生理盐水液滴，诊断方法为：在液流载体内部或表面，通过控制部分的驱动与控制，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本与比对液滴之间，并使包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴相互靠近，控制液滴的移动路线、接近时间，使包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴同时接触或先后接触的时间差小至不影响诊断精度，之后包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴分别相互融合，在融合过程中，测试样本会向包裹活性微小生物液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向包裹活性微小生物液滴方向呈现由大到小的梯度分布，在融合过程及其前后若干时间内，测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象，使活性微小生物产生不同的反应、现象或结果，包括但不限于：远离和靠近测试样本、不接近和接近测试样本、接近测试样本和随机活动、烦躁和安静、存活和死亡、生物特性变化和未变化、频繁活动和较少活动，系统通过感测部分对该反应、现象或结果进行感应、检测或信息摄取，采用的方式包括但不限于：光信号检测、电信号检测、拉曼信号检测、阻抗值检测、频率值检测、电流检测、电压检测、摄像、录像、图像识别、人工观测，得到活性微小生物的相关数据信息，包括但不限于下述类型中的若干种：位移信息、状态信息、健康信息、活动信息、特性参数，从而推断测试样本中是否具有与某类疾病相关的物质、气味或现象，进而对测试样本的来源是否患有前述种类疾病做出诊断。

方法三，在液流载体内部或表面的活性微小生物不采用液滴包裹的方式参与检测，使其位于测试样本附近，并使二者靠近，观察或检测活性微小生物的反应，其它方面采用原理与方法一相同的方式、方法、过程。

方法四，在液流载体内部或表面的活性微小生物不采用液滴包裹的方式参与检测，使其位于测试样本与比对液滴之间，观察或检测活性微小生物的反应，其它方面采用原理与方法二相同的方式、方法、过程。

综上所述，本发明通过活性微小生物，实现对包括但不限于人及动物的尿液、体液、血液、汗液、唾液等测试样本的检测，可诊断多类疾病，包括但不限于癌症，尤其可对疾病早期进行诊断，具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1、实施例2的系统结构示意图。

图2为本发明实施例1、实施例2的控制逻辑示意图。

图3为本发明实施例1的诊断方法示意图。

图4为本发明实施例2的诊断方法示意图。

具体实施方式

本发明的若干实施例如下所示，首先声明：下列实施例分别是本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

实施例1：

本发明的一个典型实施例如图1～图3所示。

本发明实施例1的系统结构示意图如图1所示，包括控制部分、感测部分、微流控芯片、活性微小生物等部分，活性微小生物位于微流控芯片内部。

控制部分是整个系统的控制中心，负责数据接收、计算、处理等各个环节的任务。

感测部分对微流控芯片内部或表面上发生的实验现象、信号进行感应、测量、采集、摄取、记录、判断、转换以及传输。

本实施例中的微流控芯片即本发明的液流载体中的一个特定类型，微流控芯片中包含多个电极，电极中的全部或局部可通过控制部分经引线切入或断开电信号，利用电场的作用实现电极附近的液滴的移动、定位、合并、拆分、震荡、反应、催化等操控行为。

本发明实施例1的控制逻辑示意图如图2所示，感测部分对微流控芯片内部或表面活性微小生物的状态、现象以及发出的信号进行采集、摄录，进行参数检测，并将数据传输给控制部分，控制部分接收数据后进行实时分析、计算、处理并决策，控制微流控芯片上的若干电极及其它可控部件，实现液滴或液流的操控乃至整个诊断过程。

本发明实施例1的诊断方法示意图如图3所示，通过控制部分的驱动与控制，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本附近，并使二者靠近至接触后相互融合，在融合过程中的一段时间内，测试样本会向包裹活性微小生物液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向包裹活性微小生物液滴方向呈现由大到小的梯度分布，图3中，表示阴影的竖线密度表示测试样本的浓度分布，在融合过程及其前后若干时间段，活性微小生物对测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分或气味产生逻辑相反的反应：如果测试样本中包含某种疾病，则活性微小生物因为喜好而靠近测试样本，移动到测试样本液滴的方向；如果测试样本中未包含前述疾病，则活性微小生物远离测试样本，系统都通过感测部分对该现象进行摄录，并实时传输给控制部分，控制部分通过对影像数据的分析判断，推断出测试样本的来源是否患有前述种类疾病。

实施例2：

本发明的一个典型实施例如图1、图2、图4所示。

本发明实施例2的系统结构示意图、控制逻辑示意图以及相应描述同实施例1。

本发明实施例2的诊断方法示意图如图4所示，本实施例使用比对液滴，比对液滴选为纯净水液滴；并采用荧光标记过的线虫作为活性微小生物的类型，疾病类型选择癌症，测试样本采用人的尿液样本。

本发明实施例2的诊断方法为：通过控制部分的驱动与控制，在微流控芯片内部或表面，将包裹线虫的液滴置于测试样本与纯净水液滴之间，并使线虫液滴与另两种液滴相互靠近，控制液滴的移动路线、接近时间，使线虫液滴与另两种液滴同时接触或先后接触的时间差小至不影响诊断精度，之后线虫液滴与另两种液滴分别相互融合，此过程中控制二者的大致位置，尽可能保持原有轮廓或位置，在融合过程中的一段时间内，测试样本会向线虫液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向线虫液滴方向呈现由大到小的梯度分布，图4中，表示阴影的竖线密度表示测试样本的浓度分布，在液滴相互融合过程及其前后若干时间段，线虫对测试样本中是否包含与癌症相关的成分或气味产生逻辑相反的反应：如果测试样本中包含癌症疾病成分或气味，则线虫因为喜好而靠近测试样本，移动到测试样本液滴的方向；如果测试样本中不包含癌症疾病成分或气味，则线虫因为憎恶而远离测试样本靠近纯净水液滴的方向，系统通过感测部分对微流控芯片内部或表面进行实时荧光信号检测，用以确定线虫的移动方向与位置，并实时传输给控制部分，控制部分通过对荧光信号相关数据的分析判断，推断出测试样本的来源是否患有癌症。

本发明实施例2的其它步骤、方法、内容、特征同实施例1。

Claims (10)

1.用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：包括控制部分、感测部分、液流载体以及活性微小生物，液流载体内部或表面可放置液流、液滴或活性微小生物；感测部分操作或处理如下目标中的若干种：液流载体内部发生的现象、液流载体表面发生的现象、液流载体内部产生的信号、液流载体表面产生的信号，方式包括但不限于感应、测量、采集、观测、摄取、记录、判断、转换以及传输中的一种或多种；若干活性微小生物置于液流载体表面或内部，对附近的测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象，产生的反应具有不同的现象或结果，包括但不限于下述类别组合中的一种或多种：

（1）活性微小生物主动靠近测试样本和远离测试样本；

（2）活性微小生物主动靠近测试样本和随机性活动；

（3）活性微小生物主动靠近测试样本和静止不动；

（4）活性微小生物表现为烦躁和安静；

（5）活性微小生物存活和死亡；

（6）活性微小生物频繁活动和较少活动；

（7）活性微小生物的某种生物特性变化和未变化，

感测部分通过对上述现象或结果的检测，将信息传递或传输给控制部分，控制部分即可通过计算、分析、控制、处理或判断，推断出测试样本中是否包含与前述种类疾病相关的物质、气味，从而作出诊断。

2.根据权利要求1所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：除活性微小生物外的各组成部分自成一体或分为若干子部分，分为若干子部分的情形，各子部分之间以下述方式中的一种或多种实现机能：电气连接、功能合并、彼此拼装、相互独立，控制部分与感测部分在空间或功能上可以合并或拼装，也可相互独立。

3.根据权利要求2所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：控制部分包括但不限于下述功能部件中的若干种：微控制器、微处理器、逻辑控制器、安装软件的计算机、可安装软件或可编程的仪器设备、可安装软件或可编程的器件以及其它自动化控制部件，控制部分的功能也可用人脑思考与手动操作的方式实现，控制部分分别与感测部分、液流载体电气连接或通过光、磁场、神经实现信息的传递。

4.根据权利要求3所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于活性微小生物的种类包括但不限于：尺寸小于1厘米的细菌、真菌、古菌、线虫、爬虫以及其它动物类；测试对象包括但不限于人、动物、微生物；测试样本类型包括但不限于尿液、体液、组织液、血液、汗液、唾液、细胞液、骨髓。

5.根据权利要求4所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于诊断方法包括但不限于：在液流载体内部或表面，通过控制部分的驱动与控制，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本附近，并使二者靠近至接触后相互融合，在融合过程中，测试样本会向包裹活性微小生物液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向包裹活性微小生物液滴方向呈现由大到小的梯度分布，在融合过程及其前后若干时间段，测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象，使活性微小生物产生差异性的反应、现象或结果，系统通过感测部分对该反应、现象或结果进行感应、检测或信息摄取，采用的方式包括但不限于：光信号检测、电信号检测、拉曼信号检测、阻抗值检测、频率值检测、电流检测、电压检测、摄像、录像、图像识别、人工观测，得到活性微小生物的相关数据信息，包括但不限于下述类型中的若干种：位移信息、状态信息、健康信息、活动信息、特性参数，从而推断测试样本中是否具有与某类疾病相关的物质、气味或现象，从而对测试样本的来源是否患有前述种类疾病做出诊断，该方法中的活性微小生物也可以选择不采用液滴包裹。

6.根据权利要求4所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于诊断方法包括但不限于：过程中使用比对液滴，比对液滴为所选用的活性微小生物对其不敏感的液体构成的液滴，类型包括但不限于下述类型中的一种或多种：纯水液滴、培养液液滴、生理盐水液滴，首先在液流载体内部或表面，通过控制部分的驱动与控制，将包裹活性微小生物的液滴置于测试样本与比对液滴之间，并使包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴相互靠近，控制液滴的移动路线、接近时间，使包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴同时接触或先后接触的时间差小至不影响诊断精度，之后包裹活性微小生物的液滴与另两种液滴分别相互融合，在融合过程中，测试样本会向包裹活性微小生物液滴方向扩散，并且测试样本的浓度在空间上向包裹活性微小生物液滴方向呈现由大到小的梯度分布，在融合过程及其前后若干时间内，测试样本中是否包含与某种疾病相关的成分、气味或现象，使活性微小生物产生差异性的反应、现象或结果，系统通过感测部分对该反应、现象或结果进行感应、检测或信息摄取，采用的方式包括但不限于：光信号检测、电信号检测、拉曼信号检测、阻抗值检测、频率值检测、电流检测、电压检测、摄像、录像、图像识别、人工观测，得到活性微小生物的相关数据信息，包括但不限于下述类型中的若干种：位移信息、状态信息、健康信息、活动信息、特性参数，从而推断测试样本中是否具有与某类疾病相关的物质、气味或现象，进而对测试样本的来源是否患有前述种类疾病做出诊断，该方法中的活性微小生物也可以选择不采用液滴包裹。

7.根据权利要求1至权利要求6所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：液流载体的种类包括但不限于涂板、载玻片、玻璃片、石英片、塑料片、微流控芯片，采用微流控芯片的情形，微流控芯片中包含多个电极，电极中的全部或局部可通过控制部分切入或断开电信号，借助电场的作用实现电极附近的液滴的移动、定位、合并、拆分、震荡、反应、催化等操控行为，控制部分切入或断开的电信号的类型包括但不限于如下所述中的一种或多种：直流信号、方波、正弦波、三角波、梯形波、积分波、微分波、不规则波，施加的电信号的类型也包括前述类型中若干种信号的叠加以及函数运算的结果，其中，施加的非直流周期型电信号的频率选择范围为：50Hz～1GHz。

8.根据权利要求1至权利要求6所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：活性微小生物在参与诊断前进行荧光、同位素、电荷等方式的标记，便于后续过程中系统的精确感测，其中选用荧光标记的情形，感测部分可采用先经滤镜滤除荧光波长之外的部分或全部干扰光后，再进行接收的方式，也可以采用不滤除干扰光直接对荧光信号进行接收的方式。

9.根据权利要求1至权利要求6所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于：系统既可以采用无对外通讯接口独立运行方式；也可以在控制部分或感测部分安置通讯接口，实现系统与外界之间的信息交互。

10.根据权利要求1至权利要求6所述的用活性微小生物实现疾病诊断的微流控系统及其诊断方法，其特征在于采用人工方式实现感测部分、控制部分中的全部或部分功能，具体方式包括：人工方式实现感测部分功能，即人仅通过肉眼，或借助若干工具进行观察，工具的类型包括但不限于：显微镜、摄像机、照相机、高速相机、监视器、计算机、摄像头、光线感应器、光电倍增管、放大镜、带照相功能的其它设备；人工方式实现控制部分功能，包括但不限于：人依靠手动操作实现电信号的切入与断开、人根据观察结果经脑力分析与判断得出诊断结果。