CN106984370A - 一种基于微流控芯片的自动进样系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片的自动进样系统,包括微流控芯片和向所述微流控芯片内输入样本的进样装置，还包括生成负压的负压控制装置；所述进样装置包括盛放样品的孔板，所述微流控芯片的进样端口处密封连接有抽吸针，所述负压控制装置生成自所述孔板向所述微流控芯片的气压，以将所述孔板内的样本通过所述抽吸针吸入所述微流控芯片。该自动进样系统使样本直接通过抽吸针，经负压引入微流控芯片内，避免了人工加样，提高了检测自动化程度，减少了交叉污染风险。

Description

一种基于微流控芯片的自动进样系统
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及到一种基于微流控芯片的自动进样系统。
背景技术
微流控技术(Microfluidics)是一种精确控制和操控微尺度流体的技术。该技术起源于20世纪80年代，在基因芯片(DNA Microarray)、即时诊(POCT)以及芯片实验室(LOC)等方面得到了快速发展和广泛应用。微流控芯片又被成为“芯片实验室”，它是微流控技术实现的主要平台，可以把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控芯片具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点，在生物、化学、医学等领域有着的巨大潜力，近年来已经发展成为集成生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等交叉学科的崭新研究领域。
毛细管电泳(capillary electrophoresis)是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术。基于微流控芯片的毛细管电泳技术目前广泛应用于DNA测序、DNA片段的分离和鉴定，氨基酸、多肽、蛋白质的分离测定以及单细胞内组分分析等。对于上述应用，准确控制皮升级的样品进样量是分离测定的关键。
目前，微流控芯片的进样技术主要有基于电渗流驱动的电动进样、基于注射泵的压力进样。其中，电动进样过程中正负离子在电场中迁移速度不一致，导致样品浓度不同于样品溶液，且芯片毛细管表面性质的变化会导致电渗流大小不同，使进样量的精度大大降低；而正压进样利用注射泵驱动样品池中样品进入分离通道，为了减少样本在缓冲液中扩散稀释而导致分离效率降低，通常需要使用多个注射泵或PC控制的电磁阀才能形成稳定的样品，增加了系统成本和操作难度。
可见，微流控芯片进样系统必须依靠外接泵或不同形式阀体配合实现，导致各种分析检测仪器大多处于手工半自动的状态。例如使用普通微流控毛细管电泳芯片进行DNA片段分析时，仍需手工将PCR扩增后样本加入芯片中，操作复杂，制约了检测通量并且增加了交叉污染的风险。
因此，提供一种基于微流控芯片的自动进样系统，以期改进传统的微流控芯片进样方式，提高分析检测仪器的自动化水平，并降低操作难度，降低交叉污染的风险，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微流控芯片的自动进样系统，以期改进传统的微流控芯片进样方式，提高分析检测仪器的自动化水平，并降低操作难度，降低交叉污染的风险。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于微流控芯片的自动进样系统,包括微流控芯片和向所述微流控芯片内输入样本的进样装置，还包括生成负压的负压控制装置；所述进样装置包括盛放样品的孔板，所述微流控芯片的进样端口处密封连接有抽吸针，所述负压控制装置生成自所述孔板向所述微流控芯片的气压，以将所述孔板内的样本通过所述抽吸针吸入所述微流控芯片。
在工作过程中，根据指令启动负压控制装置，使之生成负压，从而将孔板内的样本通过抽吸针负压吸入微流控制芯片中，该自动进样系统使样本直接通过抽吸针，经负压引入微流控芯片内，避免了人工加样，提高了检测自动化程度，减少了交叉污染风险，从而改进了传统的微流控芯片进样方式，提高了分析检测仪器的自动化水平，并降低了操作难度。
进一步地，所述微流控芯片包括芯片基底、与所述芯片基底热键连接的芯片盖板、形成于所述芯片基底和所述芯片盖板之间的微流控通道，和与所述微流控通道相连通的样品槽；所述抽吸针固接于所述芯片基底，并与所述微流控通道相连通。
进一步地，所述微流控芯片还包括芯片外壳，所述芯片外壳通过粘附层与所述芯片盖板固定连接。
进一步地，所述芯片基底上开设有安装孔，所述抽吸针通过橡胶连接器固接于所述芯片基底上，且所述橡胶连接器与所述芯片基底的接缝处填充有密封硅胶。
进一步地，所述进样装置包括向所述微流控通道发射荧光激发的光学模块，和与所述微流控通道及所述样品槽形成回路的直流电源。
进一步地，所述进样装置还包括在动力部件的驱动下水平横向或纵向移动的平台，和通过电磁弹簧复位装置安装于所述平台上的托架，所述孔板置于所述托架之上。
进一步地，所述孔板上开设的样本孔为呈矩阵形式排列的96孔。
进一步地，所述动力部件包括步进电机和与所述步进电机传动连接的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠与所述托架固定连接。
进一步地，所述滚珠丝杠包括驱动所述托架水平横向移动的横向滚珠丝杠，和驱动所述托架水平纵向移动的纵向滚珠丝杠。
进一步地，所述负压控制装置包括设置于所述抽吸针一端的密封圈、设置于所述抽吸针另一端的金属电极，和与所述抽吸针通过负压管路连通的微型真空泵；所述负压管路上依次设置有微型负压瓶、压力表、控压阀和三通电磁阀。
附图说明
图1为本发明所提供的自动进样系统中微流控芯片一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供的自动进样系统中进样装置一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明所提供的自动进样系统中负压控制系统一种具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明：
1-微流控芯片
11-抽吸针 12-芯片基底 13-芯片盖板 14-微流控通道
15-样品槽 16-芯片外壳 17-粘附层 18-橡胶连接器
19-密封硅胶
2-进样装置
21-孔板22-光学模块 23-直流电源 24-平台
25-电磁弹簧复位装置 26-托架
3-负压控制装置
31-密封圈 32-金属电极 33-微型真空泵 34-微型负压瓶
35-压力表 36-控压阀 37-三通电磁阀
具体实施例
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参考图1-图3，图1为本发明所提供的自动进样系统中微流控芯片一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的自动进样系统中进样装置一种具体实施方式的结构示意图；图3为本发明所提供的自动进样系统中负压控制系统一种具体实施方式的结构示意图。
在一种具体实施方式中，本发明提供一种基于微流控芯片1的自动进样系统,包括微流控芯片1和向所述微流控芯片1内输入样本的进样装置2，还包括生成负压的负压控制装置3；所述进样装置2包括盛放样品的孔板21，所述微流控芯片1的进样端口处密封连接有抽吸针11，所述负压控制装置3生成自所述孔板21向所述微流控芯片1的气压，以将所述孔板21内的样本通过所述抽吸针11吸入所述微流控芯片1。
在工作过程中，根据指令启动负压控制装置3，使之生成负压，从而将孔板21内的样本通过抽吸针11负压吸入微流控制芯片中，该自动进样系统使样本直接通过抽吸针11，经负压引入微流控芯片1内，避免了人工加样，提高了检测自动化程度，减少了交叉污染风险，从而改进了传统的微流控芯片1进样方式，提高了分析检测仪器的自动化水平，并降低了操作难度。
上所述微流控芯片1包括芯片基底12、与所述芯片基底12热键连接的芯片盖板13、形成于所述芯片基底12和所述芯片盖板13之间的微流控通道14，和与所述微流控通道14相连通的样品槽15；所述抽吸针11固接于所述芯片基底12，并与所述微流控通道14相连通，所述微流控芯片1还包括芯片外壳16，所述芯片外壳16通过粘附层17与所述芯片盖板13固定连接；所述芯片基底12上开设有安装孔，所述抽吸针11通过橡胶连接器18固接于所述芯片基底12上，且所述橡胶连接器18与所述芯片基底12的接缝处填充有密封硅胶19。
具体地，微流控通道14采用光刻胶表面镀层，选择性曝光并蚀刻而成，其截面尺寸宽30微米，深12微米。玻璃材质芯片盖板13经sandblaster打孔后清洗，孔径2mm。芯片基底12与芯片盖板13尺寸长75mm，宽25mm，厚1mm，经表面处理后热键合形成微流控芯片1。抽吸针11为不锈钢材质，内径0.5mm，长度为20cm，通过橡胶连接器18和密封硅胶19集成在微流控芯片1上，保证了芯片的密闭性。该结构使样本直接通过抽吸针11，经负压引入微流控芯片1内，避免了人工加样，提高了检测自动化程度，减少了交叉污染风险。3D打印芯片外壳16通过连接黏附层与微流控芯片1紧密连接，减少了玻璃芯片损毁的风险。同时，芯片外壳16起到定位作用，配合金属托架26结构，保证了激发光源与样本通路的聚焦程度，提高了检测结果的准确性，稳定性。
上述进样装置2包括向所述微流控通道14发射荧光激发的光学模块22，和与所述微流控通道14及所述样品槽15形成回路的直流电源23；所述进样装置2还包括在动力部件的驱动下水平横向或纵向移动的平台24，和通过电磁弹簧复位装置25安装于所述平台24上的托架26，所述孔板21置于所述托架26之上；所述动力部件包括步进电机和与所述步进电机传动连接的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠与所述托架26固定连接；所述滚珠丝杠包括驱动所述托架26水平横向移动的横向滚珠丝杠，和驱动所述托架26水平纵向移动的纵向滚珠丝杠。
具体地，步进电机驱动滚珠丝杠，实现托架26的在水平横向(即X方向)和水平纵向(即Y向)上移动。弹簧复位装置由电磁继电器及弹簧组成，通过电压信号控制，可以实现托架26在竖直方向(即Z方向)的定导程移动。托架26处于向上移动极限位置时，微流控芯片1上抽吸针11恰好浸入96孔板21上样品EP管中，从而抽吸样本，托架26上设置96孔板21定位结构，用于放置待测样本。在工作过程中，经PC控制驱动，向上运动至抽吸针11对准并伸入孔位，启动负压吸取该孔位内的样本后，向下运动至起始位置，而后水平横向或纵向移动平台24，以将抽吸针11对准下一孔位，在此上行平台24，使抽吸针11对准并抽吸下一孔位内的样本，以此类推实现多样本连续进样。
所述负压控制装置3包括设置于所述抽吸针11一端的密封圈31、设置于所述抽吸针11另一端的金属电极32，和与所述抽吸针11通过负压管路连通的微型真空泵33；所述负压管路上依次设置有微型负压瓶34、压力表35、控压阀36和三通电磁阀37。由伯努利方程可知，管路内流体满足连续性方程及能量守恒定律，因此可根据压差计算得出流体移动速度，如下：
能量损失取决于流道摩擦系数，通道尺寸等，计算公式如下：
系统由PC统一控制，结合压力传感器等负反馈机制，保证施加负压稳定，密封圈31与金属电极32集成一体化，可在实现压力控制的同时施加电压，驱动样本跟随电泳流在微流控通道14内迁移并通过光学检测区域，实现样本检测。
上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片(1)的自动进样系统,包括微流控芯片(1)和向所述微流控芯片(1)内输入样本的进样装置(2)，其特征在于，还包括生成负压的负压控制装置(3)；所述进样装置(2)包括盛放样品的孔板(21)，所述微流控芯片(1)的进样端口处密封连接有抽吸针(11)，所述负压控制装置(3)生成自所述孔板(21)向所述微流控芯片(1)的气压，以将所述孔板(21)内的样本通过所述抽吸针(11)吸入所述微流控芯片(1)。
2.根据权利要求1所述的进样装置(2)，其特征在于，所述微流控芯片(1)包括芯片基底(12)、与所述芯片基底(12)热键连接的芯片盖板(13)、形成于所述芯片基底(12)和所述芯片盖板(13)之间的微流控通道(14)，和与所述微流控通道(14)相连通的样品槽(15)；所述抽吸针(11)固接于所述芯片基底(12)，并与所述微流控通道(14)相连通。
3.根据权利要求2所述的进样装置(2)，其特征在于，所述微流控芯片(1)还包括芯片外壳(16)，所述芯片外壳(16)通过粘附层(17)与所述芯片盖板(13)固定连接。
4.根据权利要求3所述的进样装置(2)，其特征在于，所述芯片基底(12)上开设有安装孔，所述抽吸针(11)通过橡胶连接器(18)固接于所述芯片基底(12)上，且所述橡胶连接器(18)与所述芯片基底(12)的接缝处填充有密封硅胶(19)。
5.根据权利要求4所述的进样装置(2)，其特征在于，所述进样装置(2)包括向所述微流控通道(14)发射荧光激发的光学模块(22)，和与所述微流控通道(14)及所述样品槽(15)形成回路的直流电源(23)。
6.根据权利要求5所述的进样装置(2)，其特征在于，所述进样装置(2)还包括在动力部件的驱动下水平横向或纵向移动的平台(24)，和通过电磁弹簧复位装置(25)安装于所述平台(24)上的托架(26)，所述孔板(21)置于所述托架(26)之上。
7.根据权利要求6所述的进样装置(2)，其特征在于，所述孔板(21)上开设的样本孔为呈矩阵形式排列的96孔。
8.根据权利要求6所述的进样装置(2)，其特征在于，所述动力部件包括步进电机和与所述步进电机传动连接的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠与所述托架(26)固定连接。
9.根据权利要求8所述的进样装置(2)，其特征在于，所述滚珠丝杠包括驱动所述托架(26)水平横向移动的横向滚珠丝杠，和驱动所述托架(26)水平纵向移动的纵向滚珠丝杠。
10.根据权利要求1-9任一项所述的进样装置(2)，其特征在于，所述负压控制装置(3)包括设置于所述抽吸针(11)一端的密封圈(31)、设置于所述抽吸针(11)另一端的金属电极(32)，和与所述抽吸针(11)通过负压管路连通的微型真空泵(33)；所述负压管路上依次设置有微型负压瓶(34)、压力表(35)、控压阀(36)和三通电磁阀(37)。
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