CN107723210B

CN107723210B - 新型核酸检测微流控芯片装置

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Publication number: CN107723210B
Application number: CN201711152685.1A
Authority: CN
Inventors: 楼朝英
Original assignee: Hangzhou Anbisheng Biotechnology Co ltd
Current assignee: HUNAN HONGYA GENE TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2017-11-19
Filing date: 2017-11-19
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2037-11-19
Also published as: CN107723210A

Abstract

本发明涉及一种核酸自动提取、纯化检测的新型核酸检测微流控芯片装置。该新型核酸检测微流控芯片装置为密封腔式结构，其包括废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室、生物传感器和信号输出端口，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室之间通过流体微通道连接，生物传感器与信号输出端口通过电信号相连接，流体微通道在该新型核酸检测微流控芯片装置中呈立体管状分布；废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室内分别设有微泵，或者是，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室上分别设有与外接微泵相连的分流孔。本发明通过微泵进行管路清洗，可以实现循环往复的，不断检测，实现了一个或多样本的，一项或则多项检测，降低了使用成本。

Description

新型核酸检测微流控芯片装置

技术领域

本发明涉及一种核酸检测装置，特别涉及一种核酸自动提取、纯化检测的新型核酸检测微流控芯片装置。

背景技术

传统的核酸检测方法，包括核酸提取、分离、纯化；对纯化后的核酸进一步进行PCR等基因信息检测。传统的核酸检测操作复杂，步骤繁琐，需要在专门的实验室进行操作，操作人员必须要通过专业的培训，导致核酸检测的推广很受限制。同时，传统的核酸检测，无法做到一次检测多种成分，如需检测多个项目，必须做多次并行检测。另外，由于传统的核酸检测属于开放式实验操作，人工操作存在一定的交叉污染问题。因此，本发明，采用微流控芯片技术，实现了从核酸提取、分离、纯化；核酸PCR检测的全流程自动化封闭式检测。微流体芯片是一种以生物技术和分析化学为基础，涉及到电化学、生命科学、材料学、微加工技术、光学、电子学、传热传质学以及流体力学等多种学科领域交叉应用，以微管道网络为结构特征，目前主要应用于生化分析领域的全新概念的分析仪器。微流体芯片实验室是由混合、反应、分离和检测等功能单元组成，以微通道网络为结构形式的，微流体的流动是各个单元间检测试样运输的决定因素。现有微流控芯片，只是单一的实现扩增，洗脱，分离等较少功能单元。

发明内容

本发明通过优化的结构管路设计，提供一种对分子诊断核酸分析技术过程中，混合，反应，分离，扩增检测等多项功能集合而成的新型核酸检测微流控芯片装置，实现了一个样本多项检测快速检测的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型核酸检测微流控芯片装置，该新型核酸检测微流控芯片装置为密封腔式结构，其包括废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室、生物传感器和信号输出端口，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室之间通过流体微通道连接，生物传感器与信号输出端口通过电信号相连接，流体微通道在该新型核酸检测微流控芯片装置中呈立体管状分布；废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室内分别设有微泵，或者是，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室上分别设有与外接微泵相连的分流孔。

作为优选，扩增室与生物传感器、扩增室与预扩增室之间均设置有止通阀。

作为优选，样本试剂室至少有3个，每个样本试剂室上设有与样本试剂室连通的液体出口通道；混合室至少有2个，各混合室内部分别设有液体出口通道；预扩增室上设有与预扩增室连通的液体出口通道。

作为优选，废液室、样本试剂室、混合室和预扩增室分别设有连接通道。

作为优选，混合室一侧设有磁发生器，混合室的另一侧设有加热器。

作为优选，新型核酸检测微流控芯片装置上设有7个样本试剂室，其中4个样本试剂室R1、R2、R3、R4位于混合室的右侧，与废液室一起位于新型核酸检测微流控芯片装置的右端，混合室包括第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M；混合室的左侧设有3个样本试剂室R8、R9、R10。

作为优选，第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有分流孔O10、O7、O9、O8；样本试剂室R1、R2、R3、R4的顶部分别设有分流孔O2、O3、O4、O5；废液室的顶部分别设有分流孔O1；样本试剂室R8、R9、R10的顶部分别设有分流孔O13、O11、O12，预扩增室R12的顶部设有分流孔O14。

作为优选，废液室内设置连接通道Li1，第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有连接通道Li4、Li3、Li5、Li2；样本试剂室R8设有连接通道Li7；预扩增室R12内设有连接通道Li8和Li6，其中连接通道Li8位于与样本试剂室R8相邻的一侧内，连接通道Li6位于与样本试剂室R8远离的一侧内。

作为优选，样本试剂室R1侧壁外设有与样本试剂室R1连通的液体出口通道Lo4，同样的，样本试剂室R2、R3、R4的侧壁外分别设有液体出口通道Lo3、Lo2、Lo1；第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M内部分别设有液体出口通道Lo7、Lo6、Lo8、Lo5；样本试剂室R8、R9、R10的侧壁外分别设有液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10，液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10分别与样本试剂室R8、R9、R10内部联通，液体出口通道Lo12设于预扩增室R12与样本试剂室R8相邻一侧的外壁内，液体出口通道Lo11、Lo10分别设于预扩增室R12与样本试剂室R9、R10相邻的外壁内；预扩增室R12的侧壁外设有液体出口通道Lo9，液体出口通道Lo9与样本试剂室R10相邻。

作为优选，流体微通道由流体微通道C1-C18构成，流体微通道C1和C6连接分流孔O1和连接通道Li2，流体微通道C1和C6之间的交点连接至液体出口通道Lo1是流体微通道C5，流体微通道C1上设有分别连接至液体出口通道Lo4、Lo3、Lo2的分支流体微通道C2、C3、C4；流体微通道C7连接连接通道Li1和液体出口通道Lo5，流体微通道C8连接液体出口通道Lo5和连接通道Li3，流体微通道C9连接连接通道Li2和液体出口通道Lo7，流体微通道C10连接液体出口通道Lo8和连接通道Li7，流体微通道C13连接连接通道Li7和液体出口通道Lo11，流体微通道C14连接液体出口通道Lo11和连接通道Li8，流体微通道C11连接液体出口通道Lo6和连接通道Li6，流体微通道C12连接连接通道Li5和液体出口通道Lo9，流体微通道C15连接止通阀Vo2和液体出口通道Lo12，流体微通道C16连接止通阀Vo2和扩增室的一端，流体微通道C17连接止通阀Vo3和液体出口通道Lo10，流体微通道C18连接止通阀Vo3和扩增室的另一端。

本发明的优势在于，从采样到检测项目的完整集成极大的提高了检测项目的数量和质量。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、现有的微流控芯片结构极少，本发明是集成样本的混合，反应，分离，清洗，洗脱，加热，磁吸，扩增，提取，检测，以及信号输出于一体的微流控芯片；

2、现有微流控芯片检测项目较少而多数为一次性，本发明通过微泵进行管路清洗，可以实现循环往复的，不断检测，实现了一个或多样本的，一项或则多项检测，降低了使用成本；

3、现有芯片很少将微泵在溶液混合中使用，本发明通过微泵对混合溶液实现了涡流混合，使样本和试剂进行充分的混合反应，提高了样本的混合效率，提升了检出率。

附图说明

图1是本发明微流控芯片的主视结构示意图；

图2是本发明微流控芯片的立体结构示意图；

图3是本发明微流控芯片的仰视结构立体示意图；

图4是本发明微流控芯片的分流孔分布示意图；

图5是本发明微流控芯片的各个样本试剂室和混合室分布图；

图6是本发明微流控芯片的连接通道分布图；

图7是本发明微流控芯片的样本出口连接通道分布图；

图8是本发明微流控芯片的流体微通道分布示意图；

图9是本发明装置实时定量PCR同时检测12 种不同种类的细菌基因的曲线。

图中：1.废液室、2.微泵、3.样本试剂室、4.流体微通道、5.混合室、6. 磁发生器、7.加热装置、8.止通阀、9.生物传感器、10.信号输出端口、11.扩增室、R12预扩增室。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

一种新型核酸检测微流控芯片装置，为密封腔式结构，如图1-3所示，包括废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室（聚合酶链反应室）11、生物传感器9和信号输出端口，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室之间通过流体微通道连接。流体微通道在该新型核酸检测微流控芯片装置中呈立体管状分布。扩增室11与生物传感器9、扩增室11与预扩增室R12之间均设置有止通阀8。

如图1和图5所示，新型核酸检测微流控芯片装置上设有7个样本试剂室，其中4个样本试剂室R1、R2、R3、R4位于混合室的右侧，与废液室1一起位于新型核酸检测微流控芯片装置的右端，混合室包括第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M，第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有分流孔O10、O7、O9、O8。混合室一侧设有磁发生器，混合室的另一侧设有加热器。混合室的左侧设有3个样本试剂室R8、R9、R10。

新型核酸检测微流控芯片装置的左端设有信号输出端口，信号输出端口与两个并联的生物传感器9通过电信号相连接，生物传感器9的右侧是扩增室，扩增室的右侧设有预扩增室R12，预扩增室R12与3个样本试剂室R8、R9、R10相邻。本实施例中，扩增室11与两个生物传感器9之间连通的流体微通道上分别设置止通阀Vo1和Vo4。

如图4所示，样本试剂室R1、R2、R3、R4的顶部分别设有分流孔O2、O3、O4、O5。废液室1的顶部分别设有分流孔O1、O6，分流孔O6用于定时排出废液。样本试剂室R8、R9、R10的顶部分别设有分流孔O13、O11、O12，预扩增室R12的顶部设有分流孔O14。新型核酸检测微流控芯片装置上，扩增室11与样本试剂室之间的流体微通道上固定有止通阀Vo2和Vo3。这些分流孔用于与微泵连接。本实施例中所述的分流孔可由内置于新型核酸检测微流控芯片装置的微泵代替。止通阀Vo2和Vo3用于所在流体微通道的开通或者闭合。

如图6所示，废液室1内设置连接通道Li1，第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有连接通道Li4、Li3、Li5、Li2。样本试剂室R8设有连接通道Li7。预扩增室R12内设有连接通道Li8和Li6，其中连接通道Li8位于与样本试剂室R8相邻的一侧内，连接通道Li6位于与样本试剂室R8远离的一侧内。

如图7所示，样本试剂室R1侧壁外设有与样本试剂室R1连通的液体出口通道Lo4，同样的，样本试剂室R2、R3、R4的侧壁外分别设有液体出口通道Lo3、Lo2、Lo1。第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M内部分别设有液体出口通道Lo7、Lo6、Lo8、Lo5。样本试剂室R8、R9、R10的侧壁外分别设有液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10，液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10分别与样本试剂室R8、R9、R10内部联通，液体出口通道Lo12设于预扩增室R12与样本试剂室R8相邻一侧的外壁内，液体出口通道Lo11、Lo10分别设于预扩增室R12与样本试剂室R9、R10相邻的外壁内。预扩增室R12的侧壁外设有液体出口通道Lo9，液体出口通道Lo9与样本试剂室R10相邻。

如图8所示，流体微通道由流体微通道C1-C18构成，流体微通道C1和C6连接分流孔O1和连接通道Li2，流体微通道C1和C6之间的交点连接至液体出口通道Lo1是流体微通道C5，流体微通道C1上设有分别连接至液体出口通道Lo4、Lo3、Lo2的分支流体微通道C2、C3、C4。流体微通道C7连接连接通道Li1和液体出口通道Lo5，流体微通道C8连接液体出口通道Lo5和连接通道Li3，流体微通道C9连接连接通道Li2和液体出口通道Lo7，流体微通道C10连接液体出口通道Lo8和连接通道Li7，流体微通道C13连接连接通道Li7和液体出口通道Lo11，流体微通道C14连接液体出口通道Lo11和连接通道Li8，流体微通道C11连接液体出口通道Lo6和连接通道Li6，流体微通道C12连接连接通道Li5和液体出口通道Lo9，流体微通道C15连接止通阀Vo2和液体出口通道Lo12，流体微通道C16连接止通阀Vo2和扩增室的一端，流体微通道C17连接止通阀Vo3和液体出口通道Lo10，流体微通道C18连接止通阀Vo3和扩增室的另一端。

在进行使用时，血液样本的多项检测方法具体过程如下：

样本从样本试剂室R1通过微泵的作用力下经流体微通道流进混合室M，同时蛋白酶通过微泵的作用从混合室R5进入混合室M。蛋白酶与样本在微泵作用力下，在混合室M内进行涡流混合。

裂解液从样本试剂室R2，流入混合室M，使样本发生裂解实现核酸分离。在磁发生器6作用下，吸住磁珠。其余废液在微泵的作用力下通过流体微通道4流入废液室1。

核酸分离反应完成后，通过启动微泵对微流管路4进行清洗。而后不同的实验试剂在样本试剂室3内，通过微泵的作用力下经过微流体通道4进入混合室M，进行两次混合，分离，磁吸，排液清洗操作。

洗脱缓冲液在样本试剂室R3在微泵的作用力下通过流体微通道流入混合室M 内，在加热器7的作用下，进行样本热混合洗脱。

洗脱后的核酸样本通过流体微通道流入混合室R6，将核酸样本预扩增反应液进行混合。再通过微泵作用力下进入预扩增室R12进行预扩增。预扩增后通过流体微通道进入混合室R7，与核酸检测反应液进行混合。

在止通阀8的控制下，把核酸检测反应液载到扩增室11内。运行扩增，并通过设置在反应室上面的光学检测系统进行实时信号检测，同时输出信号。

应用例1、对血液中传染病原体检测

采用表1中的试剂通过本发明的新型核酸检测微流控芯片装置对血液中传染病原体检测，具体过程如下：

表1

样本试剂室或混合室	试剂名称	用量
			R1	裂解液	200µl
R2	清洗液1	1000µl
			R3	清洗液2	1000µl
R4	洗脱液	200µl
			R5	蛋白酶K	40µl
R6	预扩增酶	固体
			R7	核酸扩增反应液	固体
R9	封闭液	1000µl

本实验采用的核酸提取试剂为Qiagen核酸提取试剂盒，根据以下顺序，以此将表1中试剂预装至芯片中。

a、将200μL 裂解液通过分流孔O5混入样本试剂室R4；

b、40μL 蛋白酶K溶液加入混合室R5；

c、40μL 磁珠通过分流孔O8进入并悬浮于混合室M内；

d、1000μL 清洗液1（除去PCR抑制剂）通过分流孔O4进入样本试剂室R3；

e、1000μL 清洗液2（除去蛋白质）通过分流孔O3进入样本试剂室R2；

f、200μL 洗脱液通过分流孔O2进入样本试剂室R1；

g、500μL 矿物油进入样本试剂室R9。

操作：

将200μL血液用微量移液器加入R5，将200ul异丙醇加入样本试剂室R4，然后把整个芯片装置放入核酸检测仪，打开对应的运行软件，设置体积参数，点击开始按钮，核酸检测仪将自动开始血液核酸的提取、洗涤、洗脱；核酸PCR反应液的混合，预扩增，扩增等反应，并实时进行结果检测。

经实验结果证明，新型核酸检测微流控芯片装置可以检测到病人样品中低至0.01pg/ml的病原体基因。图9展示了用本发明装置实时定量PCR同时检测12 种不同种类的细菌基因的能力，所有的结果都经过溶解曲线验证。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1.一种新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：该新型核酸检测微流控芯片装置为密封腔式结构，其包括废液室（1）、样本试剂室（3）、混合室（5）、预扩增室（R12）、扩增室（11）、生物传感器（9）和信号输出端口（10），废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室、扩增室之间通过流体微通道（4）连接，生物传感器与信号输出端口通过电信号相连接，流体微通道（4）在该新型核酸检测微流控芯片装置中呈立体管状分布；废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室内分别设有微泵，或者是，废液室、样本试剂室、混合室、预扩增室上分别设有与外接微泵相连的分流孔；扩增室与生物传感器、扩增室与预扩增室之间均设置有止通阀。

2.根据权利要求1所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：样本试剂室至少有3个，每个样本试剂室上设有与样本试剂室连通的液体出口通道；混合室至少有2个，各混合室内部分别设有液体出口通道；预扩增室上设有与预扩增室连通的液体出口通道。

3.根据权利要求1所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：废液室、样本试剂室、混合室和预扩增室分别设有连接通道。

4.根据权利要求1所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：混合室一侧设有磁发生器，混合室的另一侧设有加热器。

5.根据权利要求1所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：新型核酸检测微流控芯片装置上设有7个样本试剂室，其中4个样本试剂室R1、R2、R3、R4位于混合室的右侧，与废液室一起位于新型核酸检测微流控芯片装置的右端，混合室包括第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M；混合室的左侧设有3个样本试剂室R8、R9、R10。

6.根据权利要求5所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有分流孔O10、O7、O9、O8；样本试剂室R1、R2、R3、R4的顶部分别设有分流孔O2、O3、O4、O5；废液室的顶部分别设有分流孔O1；样本试剂室R8、R9、R10的顶部分别设有分流孔O13、O11、O12，预扩增室R12的顶部设有分流孔O14。

7.根据权利要求5所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：废液室内设置连接通道Li1，第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M的顶部分别设有连接通道Li4、Li3、Li5、Li2；样本试剂室R8设有连接通道Li7；预扩增室R12内设有连接通道Li8和Li6，其中连接通道Li8位于与样本试剂室R8相邻的一侧内，连接通道Li6位于与样本试剂室R8远离的一侧内。

8.根据权利要求5所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：样本试剂室R1侧壁外设有与样本试剂室R1连通的液体出口通道Lo4，同样的，样本试剂室R2、R3、R4的侧壁外分别设有液体出口通道Lo3、Lo2、Lo1；第一混合室R5、第二混合室R6、第三混合室R7和第四混合室M内部分别设有液体出口通道Lo7、Lo6、Lo8、Lo5；样本试剂室R8、R9、R10的侧壁外分别设有液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10，液体出口通道Lo12、Lo11、Lo10分别与样本试剂室R8、R9、R10内部联通，液体出口通道Lo12设于预扩增室R12与样本试剂室R8相邻一侧的外壁内，液体出口通道Lo11、Lo10分别设于预扩增室R12与样本试剂室R9、R10相邻的外壁内；预扩增室R12的侧壁外设有液体出口通道Lo9，液体出口通道Lo9与样本试剂室R10相邻。

9.根据权利要求5所述的新型核酸检测微流控芯片装置，其特征在于：流体微通道由流体微通道C1-C18构成，流体微通道C1和C6连接分流孔O1和连接通道Li2，流体微通道C1和C6之间的交点连接至液体出口通道Lo1是流体微通道C5，流体微通道C1上设有分别连接至液体出口通道Lo4、Lo3、Lo2的分支流体微通道C2、C3、C4；流体微通道C7连接连接通道Li1和液体出口通道Lo5，流体微通道C8连接液体出口通道Lo5和连接通道Li3，流体微通道C9连接连接通道Li2和液体出口通道Lo7，流体微通道C10连接液体出口通道Lo8和连接通道Li7，流体微通道C13连接连接通道Li7和液体出口通道Lo11，流体微通道C14连接液体出口通道Lo11和连接通道Li8，流体微通道C11连接液体出口通道Lo6和连接通道Li6，流体微通道C12连接连接通道Li5和液体出口通道Lo9，流体微通道C15连接止通阀Vo2和液体出口通道Lo12，流体微通道C16连接止通阀Vo2和扩增室的一端，流体微通道C17连接止通阀Vo3和液体出口通道Lo10，流体微通道C18连接止通阀Vo3和扩增室的另一端。