CN106370842B

CN106370842B - 基于微流控的磁珠分离装置与方法

Info

Publication number: CN106370842B
Application number: CN201610681784.8A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 周小溪
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: CN106370842A

Abstract

本发明公开一种微流控应用领域中基于微流控的磁珠分离装置与方法，免疫磁珠溶液进口管道、细菌混合溶液进口管道和无菌水进口管道汇集成一个主入口管道，微流控芯片上设有一个连接主入口管道和主出口管道的环形管道，环形管道上串接一个微泵和第六电磁阀，在环形管道的外部套有一个环形巨磁阻芯片组，环形管道上设有一个与环形管道的内部相通并成为一体的凹槽，凹槽正前方、正后方和出口侧各设有电磁铁；主出口管道出口分别连接混合溶液出口管道和无菌水出口管道，利用电磁铁和电磁阀的通断富集磁珠，并采用巨磁阻芯片检测免疫磁珠的量，采用无菌水清洗管道内壁同时收集免疫磁珠。

Description

基于微流控的磁珠分离装置与方法

技术领域

本发明涉及微流控应用领域，具体是从免疫磁珠溶液和细菌混合溶液中分离出附有特异型菌的免疫磁珠的装置。免疫磁珠属于免疫学技术，它将固化试剂特有的优点与免疫学反应高度特异性结合于一体，以免疫学为基础，渗透到病理、生理、药理、微生物、生化以及分子遗传学等各个领域，其在免疫检测、细胞分离、生物大分子纯化和分子生物学等方面得到广泛应用。

背景技术

目前，由于免疫磁珠分离方法的快速、高浓缩比、对设备要求简单等优点，在实际应用中已较为广泛，现有的免疫磁珠分离方法一般由两步组成：混合和分离。一般的混合器只能按一个方向旋转，并且旋转速度为手动调节，混合时间只能由人为控制；分离设备一般由永久磁铁和支架组成，分离时间也是由人工来控制，并且仅分离一次。由于这两个步骤是单独操作，使得分离效果也受到诸多方面的影响。因此传统方法无法满足分离分选的纯度要求，达不到快速的进行纯化、磁珠富集的目的。如现有技术的H型磁珠分离方法及系统，其中，当结合目标生物分子的磁珠溶液通过左侧微管道时，左侧的电磁线圈工作，将磁珠吸至微管道的左壁，然后断开左侧电磁线圈，让右侧的电磁线圈工作，磁珠从侧壁上释放下来，进入右侧的管道，完成磁珠分离。但是该方法及系统存在以下缺点：第一，人为控制电磁线圈的通断，易产生误差；第二，仅分离一次，导致磁珠分离不够彻底。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控的磁珠分离的装置和方法，能够更好地使免疫磁珠与目标溶液混合分离更加充分。

本发明基于微流控的磁珠分离装置采用的技术方案是：免疫磁珠溶液进口管道、细菌混合溶液进口管道和无菌水进口管道汇集成一个主入口管道，主入口管道连接微流控芯片左侧进口，微流控芯片右侧出口连接主出口管道，每个所述进口管道上分别装有一个电磁阀，微流控芯片上设有一个连接主入口管道和主出口管道的环形管道，环形管道上串接一个微泵和第六电磁阀，在环形管道的外部套有一个环形巨磁阻芯片组，环形管道上设有一个与环形管道的内部相通并成为一体的凹槽，凹槽正前方设第四电磁铁、正后方设第三电磁铁、出口侧设第五电磁铁；主出口管道出口分别连接混合溶液出口管道和无菌水出口管道，混合溶液出口管道上装有第四电磁阀，无菌水出口管道上装有第四电磁阀；微泵、每个所述电磁阀以及每个所述电磁铁均由MCU控制器控制，MCU控制器包括MCU单元和信号处理模块，环形巨磁阻芯片组通过信号处理模块连接MCU单元。

本发明基于微流控的磁珠分离装置的磁珠分离方法采用的技术方案是：包括以下步骤：

A、MCU控制器控制第六电磁阀打开、装在免疫磁珠溶液进口管道上的第一电磁阀和装在细菌混合溶液进口管道上的第二电磁阀打开，第五电磁铁通电，并控制微泵运行；

B、经t₁时间后，MCU控制器闭合第一电磁阀和第二电磁阀；

C、经t₂时间后，MCU控制器控制第五电磁铁断电，第四电磁铁通电；

D、环形巨磁阻芯片组将电位信号输出到信号处理模块进行处理，信号处理模块输出信号值的平均值r，MCU控制器将平均值r与预设阈值B进行对比，若平均值r小于阈值B，则控制微泵停止运行；

E、MCU控制器控制第四电磁铁断开，打开第四电磁阀；

F、经t₃时间后，MCU控制器控制微泵运行，关闭第四电磁阀，第三电磁铁通电，打开第五电磁阀和装在无菌水进口管道上的第三电磁阀，分离出免疫磁珠。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过在微管道内部设置凹槽，并借助电磁铁使免疫磁珠吸附于凹槽内，利用MCU控制器控制电磁铁的通断以及电磁阀的开关，最终完成免疫磁珠的分离，整个过程通过MCU控制器控制，实现了操作自动化，无需人为操作，不仅减小了误差，也使磁珠分离的更加彻底，降低了成本及劳动损耗。

2、本发明通过电磁铁的通电使免疫磁珠吸附在管壁上，同时混合液在环形管道内不停流动，待接触充分后再断开电磁铁使免疫磁珠随混合液在环形管道内流动，从而使免疫磁珠与混合液接触更加充分，特异型菌的吸附更加彻底。

3、本发明通过在管道内设置凹槽以及在凹槽前侧设置一电磁铁，由电磁铁的通电使经过的免疫磁珠吸附在凹槽内，从而使免疫磁珠富集的更加便捷，可以很快的分离出磁珠。

4、本发明通过在环形管道上设置一微泵，使包含免疫磁珠的混合液在环形管道内循坏流动，免疫磁珠每流动到凹槽处管道时，受电磁铁工作的影响进入凹槽内，循环多次，从而使免疫磁珠分离的更加彻底。

5、本发明通过在环形管道上设置一个包含两个巨磁阻芯片的环状环形巨磁阻芯片组，用来检测环形管道内免疫磁珠的数量，巨磁阻芯片受到磁化后的免疫磁珠的影响将电位信号输出到信号处理模块处理，待输出量满足限定条件后停止循环，本过程保证了不会有过多的磁珠随混合液排出导致分离不彻底。

6、本发明通过在环形管道凹槽的对面设置一电磁铁，凹槽内的免疫磁珠受对面电磁铁的作用吸附于对面管壁上，当向管道内加入无菌水时，无菌水在环形管道内流动，流动过程中带动吸附于管壁的免疫磁珠经出口管道流出，本过程既用无菌水清洗了管道内壁，同时又使分离出的免疫磁珠得以收集出来。

7、本发明通过将微流控芯片置于具有磁性屏蔽功能材料制成的长方实体中，以免受到外界磁场的干扰，大大提高了磁珠分离的精确性。

附图说明

图1是本发明基于微流控的磁珠分离装置的整体结构示意图；

图2是图1中微流控芯片内部的环形管道的结构放大图；

图3是图2中环形管道上的巨磁阻芯片组的局部结构示意图；

图4是图1的电路控制框图。

附图中各部分的序号和名称：1、固定螺丝；2、磁性屏蔽材料板；3、微流控芯片；4、第一电磁阀；5、第二电磁阀；6、第三电磁阀；7、第四电磁阀；8、第五电磁阀；9、免疫磁珠溶液；10、细菌混合溶液；11、无菌水；12、容器；13、容器；14、主入口管道；15、主出口管道；16、导线；17、MCU控制器；18、免疫磁珠溶液进口管道；19、细菌混合溶液进口管道；20、无菌水进口管道；21、混合溶液出口管道；22、无菌水出口管道；23、第一永磁体；24、第二永磁体；25、第三电磁铁；26、第四电磁铁；27、第五电磁铁；28、环形管道；29、微泵；30、第六电磁阀；31、环形巨磁阻芯片组；32、免疫磁珠；33、凹槽;34、第一巨磁阻芯片；35、第二巨磁阻芯片；36、圆环件。

具体实施方式

参见图1，本发明基于微流控的磁珠分离装置包括一块实体磁性屏蔽材料板2，磁性屏蔽材料板2分为上下两层，上下两层均是长方体的实体磁性屏蔽材料板。在上下两层的中间埋设一组从左到右的微管道，主入口管道14、主出口管道15以及微流控芯片3均紧密嵌在磁性屏蔽材料板2的下层中，磁性屏蔽材料板2的上下两层的四角处通过四颗固定螺丝1固定，使上下两层紧紧的固定在一起。整个装置除了微管道外没有没有任何空隙，屏蔽外界的一切磁干扰。

磁性屏蔽材料板2的外部左侧放置着分别盛放了免疫磁珠溶液9、细菌混合溶液10和无菌水11的三个容器，三个容器各自分别与免疫磁珠溶液进口管道18、细菌混合溶液进口管道19和无菌水进口管道20相对应连接，在每个进口管道上分别安装一个电磁阀，免疫磁珠溶液进口管道18上安装第一电磁阀4，细菌混合溶液进口管道19上安装第二电磁阀5，无菌水进口管道20上安装第三电磁阀6，每个进口管道分别由对应的电磁阀控制。

免疫磁珠溶液进口管道18、细菌混合溶液进口管道19和无菌水进口管道20汇集成一个主入口管道14，主入口管道14连接微流控芯片3的左侧进口，微流控芯片3的右侧出口连接主出口管道15。主出口管道15的出口分别连接混合溶液出口管道21和无菌水出口管道22，在混合溶液出口管道21上安装第四电磁阀7，在无菌水出口管道22上安装第四电磁阀8，使这两个出口管道分别由对应的电磁阀控制，同时这两个出口管道分别与对应的容器12、容器13相连接，容器12收集混合溶液出口管道21中的混合溶液，容器13收集无菌水出口管道22中的无菌水。

参见图2，微流控芯片3上设有一个环形管道28，环形管道28左侧连接且连通主入口管道14的出口、右侧连接且连通主出口管道15的入口。主入口管道14的出口和主出口管道15的入口平行于微流控芯片3的上下表面，环形管道28水平布置在微流控芯片3的中央位置。

环形管道28是个可循环管道，其上串接一个微泵29和第六电磁阀30，在环形管道28的外部套一个环形巨磁阻芯片组31。

环形管道28上设有一个凹槽33，凹槽33由环形管道28的一段内壁向外凸出形成，凹槽33与环形管道28的内部相通并成为一体。在靠近凹槽33处，于环形管道28的外部设有三个电磁铁，分别是布置在凹槽33正前方的第四电磁铁26、正后方的第三电磁铁25以及凹槽33出口侧的第五电磁铁27。第四电磁铁26通电时，在第四电磁铁26作用下，环形管道28内流动中的混合溶液中的免疫磁珠32吸附进凹槽33中，从流动中的混合溶液中分离出来。第四电磁铁26对面的第三电磁铁25通电时，在第三电磁铁25作用下，凹槽33内的免疫磁珠32吸附于凹槽33对面的管壁侧，免疫磁珠32从凹槽33进入环形管道28中，使免疫磁珠32随无菌水11分离出来。第五电磁铁27通电时，在第五电磁铁27作用下，免疫磁珠32吸附于管壁，使免疫磁珠32与流动的混合液接触更加充分，免疫磁珠32更好地吸附细菌混合液10中的特异型菌，免疫磁珠32从凹槽33出口进入环形管道28中继续循环。整个微管道中只有凹槽33处的横截面是不规则的，其余部分的管道的横截面都是圆形。

整个基于微流控的磁珠分离装置中所有的电磁阀、电磁铁均由MCU控制器17控制，以导线16连接MCU控制器17，微泵29也由MCU控制器17控制。

参见图3，环形巨磁阻芯片组31包含两个巨磁阻芯片和圆环件36，两个巨磁阻芯片分别是第一巨磁阻芯片34和第二第一巨磁阻芯片35，两个巨磁阻芯片均固定连接圆环件36，位于圆环件36的外侧，上下分布。圆环件36的内径大于环形管道28外径，套在环形管道28外。两个巨磁阻芯片都经导线连接外部的信号处理模块（参见4中的信号处理模块）。每个巨磁阻芯片都由巨磁阻a、b、c、d这四个巨磁阻构成的惠斯通电桥组成，外接直流恒流电源，仅在巨磁组d外包裹一层磁性材料屏蔽层，直流恒流电源正极由巨磁阻a、b之间的连接点输入，负极由巨磁阻c、d之间的连接点输出。同时在圆环件36的左右两侧，分别水平放置了两个永磁体，分别是左侧水平布置的第一永磁体23与右侧的水平布置的第二永磁体24，第一永磁体23的S极与第二永磁铁24的N极相对，永磁体23与永磁铁24形成的外加磁场与巨磁阻芯片的上下表面垂直。两个巨磁阻芯片中的巨磁阻的电阻率随外加磁场的变化而产生变化，给定恒定的电压时，输出电流，根据电流的变化能得出环形管道28内免疫磁珠32的量。

参见图4，MCU控制器17包括MCU单元、电源供电模块、信号处理模块以及电源转换电路。电源供电模块向环形巨磁阻芯片组31以及MCU单元供电，环形巨磁阻芯片组31通过信号处理模块连接MCU单元，向MCU单元传送数据。MCU单元经电源转换电路分别连接并控制各个电磁阀、各个电磁铁和微泵29。控制六个电磁阀4、5、6、7、8、30的开关、控制三个电磁铁25、26、27的通断以及控制微泵29的工作状态。其中第一电磁阀4控制免疫磁珠溶液进口管道18的通断，第二电磁阀5控制细菌混合溶液进口管道19的通断，第三电磁阀6控制无菌水进口管道20，第六电磁阀30控制环形管道28的通断，第四电磁阀7控制混合溶液出口管道21，第五电磁阀8控制无菌水出口管道22。

参见图1-4，本发明基于微流控的磁珠分离装置工作时，利用电磁铁和电磁阀的通断富集磁珠，并采用巨磁阻芯片检测免疫磁珠的量，采用无菌水在清洗管道内壁同时收集免疫磁珠。具体如下：

在MCU控制器17的控制下，分别打开第一电磁阀4和第二电磁阀5，并控制微泵29运行，从免疫磁珠溶液进口管道18通入免疫磁珠溶液9、细菌混合溶液进口管道19通入细菌混合溶液10，两种溶液混合后进入环形管道28内，混合溶液中的免疫磁珠32与细菌混合溶液10内的特异型菌接触，吸附此特异型菌。同时，MCU控制器17打开第六电磁阀30并使第五电磁铁27通电。经过MCU控制器17预设的t₁时间后，MCU控制器17闭合第一电磁阀4和第二电磁阀5。

由于环形管道28上的微泵29一直处于工作状态，第六电磁阀30打开后，两种混合液体在环形管道28内处于不停流动状态，此时，MCU控制器17控制第五电磁铁27处于通电状态，免疫磁珠32被吸附在环形管道28的管壁上，免疫磁珠32与细菌混合液10的接触面扩大，接触更充分，更好地吸附特异型菌。经过MCU控制器17预设的t₂时间后使第五电磁铁27断电，并且使第四电磁铁26通电，免疫磁珠32随混合液沿环形管道28循环流动。

在免疫磁珠32循环流动过程中，MCU控制器17控制第四电磁铁26处于通电状态，免疫磁珠32每流动至凹槽33处时，受第四电磁铁26的作用吸附至凹槽33内。当含有免疫磁珠32的混合液绕环形管道28循环流动至环形巨磁阻芯片组31处时，免疫磁珠32受永磁体的磁化作用，环形巨磁阻芯片组31受到水平磁场影响，其电阻值发生改变，环形巨磁阻芯片组31将电位信号输出到信号处理模块进行处理，信号处理模块求出第一巨磁阻芯片34和第二巨磁阻芯片35输出信号值的平均值r并输入到MCU控制器17。由于环形管道28内的免疫磁珠32几乎不可能完全被收集，当环形管道28内的免疫磁珠32量很小时，MCU控制器17将输出信号值的平均值r与MCU控制器17内部预先设置的一阈值B进行对比，如果平均值r小于阈值B时，MCU控制器17控制微泵29停止运行，使混合液停止循环，反之，如果平均值r大于或等于阈值B时，微泵29继续工作，混合液继续循环，直对平均值r小于阈值B为止。如此，使免疫磁珠32分离更加彻底，余下的混合液中仅有少量的免疫磁珠32甚至没有。

当平均值r小于阈值B，MCU控制器17控制第四电磁铁26断开，打开第四电磁阀7，混合液经混合液出口管道21流入容器12中，将分离之后的混合液清理出来。

经MCU控制器17预设的t₃时间后，混合液被清理出来， MCU控制器17控制微泵29运行，关闭第四电磁阀7，打开第三电磁阀6，无菌水11经由无菌水进口管道20进入环形管道28内，以用来清洗管道并收集完成分离的免疫磁珠32，同时，MCU控制器17控制第三电磁铁25通电，打开第五电磁阀8。经t₄时间后，凹槽33内的附有特异型菌的免疫磁珠32随流动的无菌水11流动至无菌水出口管道22处，流入容器13中，MCU控制器17关闭第三电磁阀6，断开第三电磁铁25，关闭第五电磁阀8，并使微泵29停止工作，便分离出附有特异型菌的免疫磁珠32。

Claims

1.一种基于微流控的磁珠分离装置，免疫磁珠溶液进口管道（18）、细菌混合溶液进口管道（19）和无菌水进口管道（20）汇集成一个主入口管道（14），主入口管道(14)连接微流控芯片(3)左侧进口，微流控芯片（3）右侧出口连接主出口管道（15），每个所述进口管道上分别装有一个电磁阀，其特征是：微流控芯片（3）上设有一个连接主入口管道（14）和主出口管道（15）的环形管道（28），环形管道（28）上串接一个微泵（29）和第六电磁阀（30），在环形管道（28）的外部套有一个环形巨磁阻芯片组（31），环形管道（28）上设有一个与环形管道（28）的内部相通并成为一体的凹槽（33），凹槽（33）正前方设第四电磁铁（26）、正后方设第三电磁铁（25）、出口侧设第五电磁铁（27）；主出口管道（15）出口分别连接混合溶液出口管道（21）和无菌水出口管道（22），混合溶液出口管道（21）上装有第四电磁阀（7），无菌水出口管道（22）上装有第五电磁阀（8）；微泵（29）、每个所述电磁阀以及每个所述电磁铁均由MCU控制器（17）控制， MCU控制器（17）包括MCU单元和信号处理模块，环形巨磁阻芯片组（31）通过信号处理模块连接MCU单元。

2.根据权利要求1所述基于微流控的磁珠分离装置，其特征是：凹槽（33）由环形管道（28）的一段内壁向外凸出形成。

3.根据权利要求1所述基于微流控的磁珠分离装置，其特征是：环形巨磁阻芯片组（31）包含两个巨磁阻芯片和圆环件（36），两个巨磁阻芯片均固定连接圆环件（36）且位于圆环件（36）的外侧，在圆环件（36）左右两侧分别置放两个水平的永磁体，形成的外加磁场与巨磁阻芯片的上下表面垂直。

4.根据权利要求3所述基于微流控的磁珠分离装置，其特征是：每个巨磁阻芯片都由四个巨磁阻构成的惠斯通电桥组成，外接直流恒流电源。

5.一种如权利要求1所述基于微流控的磁珠分离装置的磁珠分离方法，其特征是包括以下步骤：

A、MCU控制器（17）控制第六电磁阀（30）打开、装在免疫磁珠溶液进口管道（18）上的第一电磁阀（4）和装在细菌混合溶液进口管道（19）上的第二电磁阀（5）打开，第五电磁铁（27）通电，并控制微泵（29）运行；

B、经t₁时间后，MCU控制器（17）闭合第一电磁阀（4）和第二电磁阀（5）；

C、经t₂时间后，MCU控制器（17）控制第五电磁铁（27）断电，第四电磁铁（26）通电；

D、环形巨磁阻芯片组（31）将电位信号输出到信号处理模块进行处理，信号处理模块输出信号值的平均值r， MCU控制器（17）将平均值r与预设阈值B进行对比，若平均值r小于阈值B，则控制微泵（29）停止运行；

E、MCU控制器（17）控制第四电磁铁（26）断开，打开第四电磁阀（7）；

F、经t₃时间后，MCU控制器（17）控制微泵（29）运行，关闭第四电磁阀（7），第三电磁铁（25）通电，打开第五电磁阀（8）和装在无菌水进口管道（20）上的第三电磁阀（6），分离出免疫磁珠。