CN108160125A - 生化检测微流控芯片和生化检测微流控芯片体系以及它们的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流控芯片生化检测技术领域，特别涉及生化检测微流控芯片和生化检测微流控芯片体系以及它们的应用。芯片包括：进样单元(1)、反应单元(3)、废液单元(4)；对待检样本定量的第一定量单元(5)，其包括狭缝(51)、由第一狭缝隔开的第一样本腔室(52)和第二样本腔室(53)；第一样本腔室与进样单元相通，第二样本腔室与废液单元相通；反应单元和废液单元之间有第三报错单元(14)，其具有腔室，接收经由反应单元的待检样本。芯片体系由上中下三层组成；中层为所述芯片；上下层用于覆盖封闭中层；上层有与进样单元连接的进样孔，及对应储液单元的让位孔。所述芯片检测过程简单，可对反应样本定量，灵敏度高、重复性强。

Description

生化检测微流控芯片和生化检测微流控芯片体系以及它们的 应用
技术领域
本发明涉及微流控芯片生化检测技术领域，特别涉及一种生化检测微流控芯片和一种生化检测微流控芯片体系，以及它们在生化检测中的应用。
背景技术
微流控芯片技术又被称为微流控芯片实验室或芯片实验室，指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室，它把化学和生物学等领域中所涉及的样品制备，反应，分离，检测，细胞培养，分选，裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现生物，化学，医学诊断等领域中的各种功能。
微流控芯片技术的基本特征和最大优势是：多种单元结构在微小的芯片平台上可以灵活组合使得芯片设计上灵活多变且功能齐全；微小的芯片内部结构单元所需要的检测样本量非常少，且微结构单元的大比表面积允许内部试剂快速扩散以实现快速反应和检测；微流控芯片一般是由配套仪器自动完成内部反应，故而在实际测试过程中，微流控芯片技术可以减少对医学检测人员的技术要求，降低检测的人为失误，进而降低患者的医学检测成本；微流控芯片技术由于采用仪器自动化完成，故而内部反应过程完全可控，如此可以得到更加准确，更加灵敏的检测数据。
在医学检测领域中，体外诊断是一个非常重要的分支，是指在人体体外，对来源于人体的样本(如血液，尿液，唾液等体液)进行检测从而获取临床诊断信息，根据该信息来判断受检者是否患有某种疾病或经受某种病菌感染的诊断方法。目前，随着生物技术，特别是生物化学，免疫学，分子生物学的快速发展，体外诊断根据检测原理和检测方法主要有生化诊断，免疫诊断，分子诊断，微生物诊断，凝血类诊断，流式细胞诊断等方面，其中生化，免疫，分子诊断是目前我国体外诊断的主要细分领域。
生化诊断是指通过各种生物化学反应或免疫反应测定体内酶类、糖类、脂类、蛋白和非蛋白氮类、无机元素类、肝功能等指标的检测手段，主要应用于医院的常规检测，是医疗检测的基本组成部分。目前生化检测主要是通过大型生化分析仪来完成，如全自动生化分析仪已经实现了整个检测流程 (比如取样，加试剂，混合，保温，比色，结果计算，得出报告等步骤)的全集成和完全自动化。但是现有自动生化分析仪的价格昂贵，体积庞大，且操作复杂，需要专业的检测人员来进行操作，且往往在医院里检测的时间周期非常长，难以对病人进行快速检测，对疾病进行即时应对。
尽管生化检测领域发展比较早，但使用微流控芯片技术进行生化检测的专利比较少，其中能够进行多指标同时检测的专利就更少。经过专利调研发现，国内外近年来有少量使用微流控技术进行生化检测的相关专利，比如中国专利201110416978中公开了一种多功能多指标检测集成芯片，但该芯片采用的是离心的方式来进行驱动，需要对芯片进行高速旋转，增加了操作的危险性；再比如中国专利201210142337中公开了一种多指标生化检测微流控芯片，但该芯片并不具备试剂存储功能，且没有报错机制，故而难以保证检测的准确性，同时芯片内部采用气压式微阀门来进行液体隔离，从而实现液体的定量，但这种方式在实际应用中却难以准确控制，实际测试中难以实现液体的准确定量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的如上问题，提供一种生化检测微流控芯片，该微流控芯片具有检测过程简单，能够对反应样本进行定量，各结构单元相互连通的特点，且可以同时对样本的多个指标进行检测，检测灵敏度高、重复性强。
为了实现上述目的，本发明提供一种生化检测微流控芯片，该微流控芯片包括：用于接收待检样本的进样单元、为所述待检样本和所述反应试剂提供反应场所的反应单元以及用于收集废液的废液单元；该微流控芯片还包括用于对所述待检样本进行定量的第一定量单元；
其中，所述第一定量单元包括第一狭缝、以及由所述第一狭缝隔开的第一样本腔室和第二样本腔室；所述第一样本腔室与所述进样单元相通，所述第二样本腔室与所述废液单元相通；
其中，在所述反应单元和所述废液单元之间还设置有第三报错单元，所述第三报错单元具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元的待检样本。
优选的，该微流控芯片还包括在废液单元和第二样本腔室之间设置的第一报错单元，所述第一报错单元具有腔室，该腔室用于接收来自第二样本腔室的待检样本。
优选的，所述第一报错单元与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量；此处需要说明的是，此处所述“相连”可以不是物理相连，而只是位置对准即可。
优选的，该微流控芯片还包括用于存储反应试剂的储液单元。
优选的，该微流控芯片还包括用于对所述反应试剂进行定量的第二定量单元。
其中，所述第二定量单元包括第二狭缝、以及由所述第二狭缝隔开的第一试剂腔室和第二试剂腔室；所述第一试剂腔室与所述储液单元相通，所述第二试剂腔室与所述废液单元相通。
优选的，该微流控芯片还包括在废液单元和第二试剂腔室之间设置的第二报错单元，所述第二报错单元具有腔室，该腔室用于接收来自第二试剂腔室的反应试剂。
优选的，所述第二报错单元与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量；此处需要说明的是，此处所述“相连”可以不是物理相连，而只是位置对准即可。
优选的，该微流控芯片还包括混合单元，以用于将待检样本和反应试剂混合。
优选的，所述混合单元中设置有混合装置，用于将待检样本与反应试剂进行混合。
优选的，所述混合装置选自竖立小柱、Z形微通道、W型混合器和三角形微结构中的至少一种。
所述第三报错单元具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元的来自混合单元的混合液。
优选的，所述第三报错单元与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量；此处需要说明的是，此处所述“相连”可以不是物理相连，而只是位置对准即可。
优选的，该微流控芯片还包括与所述废液单元连接的通气单元，用于为微流控芯片体系提供所需的外部气压。
优选的，该微流控芯片还包括与所述通气单元连接的仪器接口，所述仪器接口用于连接流控芯片体系外的配套仪器，所述配套仪器提供的气压通过所述通气单元提供至所述微流控芯片体系。
优选的，所述配套仪器包括用于提供气压的气压泵、导气管以及与所述通气单元连接的气密性接口；所述气密性接口优选为喇叭形。
优选的，所述通气单元中还填充有透气但不透水的物质；优选的，所述透气但不透水的物质为气溶胶。
优选的，所述反应试剂通过试剂囊袋装填到所述储液单元中；所述试剂囊袋包括用于将其固定到所述储液单元上的定位孔，密封口以及用于将所述密封口打开并释放所述反应试剂的挤压区域或针刺结构。
优选的，所述进样单元和所述第一定量单元之间还设置有过滤单元以对待检样本进行过滤。
本发明的第二方面还提供一种生化检测微流控芯片体系，该微流控芯片体系由上层、中层和下层组成；
其中，中层结构为如上所述的生化检测微流控芯片；
其中，上层结构和下层结构用于覆盖封闭所述中间层；上层结构中设置有与进样单元连接的进样孔。
本发明的第三方面还提供如上所述的生化检测微流控芯片和/或如上所述的生化检测微流控芯片体系在生化检测中的应用。
本发明可以取得如下的有益效果：
1、本发明采用微流控芯片技术结合生化分析法来检测待检样本，可以同时检测一个样本的多个生化指标，且具有检测灵敏度高，检出限低，检测可重复等优点，同时配合特定配套仪器，可以实现全自动芯片检测，无需人为干扰即可快速得到准确的检测结果。
2、本发明采用微流控芯片技术，对待检样本首先进行体积定量，使得只有特定体积的样本发生反应，保证检测结果的准确性，同时由于芯片结构固定，故而对于同一样本其检测可重复性强，保证检测结果的稳定性和可靠性。
3、本发明采用微流控芯片技术，对于每一个检测样本只进行一次检测，检测完成之后芯片立即废弃，完全避免了医院中不同样本之间的检测干扰，同时完全避免患者之间的交叉感染。
4、本发明采用微流控芯片技术，将反应完成之后的废液和多余样本都完全密封在芯片内部，不会导致废液或样本的泄露，对检测环境无公害，对医院检测人员安全性高，不会导致院内感染的发生。
附图说明
图1是本发明提供的一种具体的生化检测微流控芯片示意图。
图2显示了本发明一种优选的在进样单元与第一定量单元之间设置有过滤单元的局部示意图。
图3显示了一种具体的配套仪器及其与生化检测微流控芯片的连接方式。
图4是本发明提供的芯片的第一定量单元的结构及其运作机理图。
图5是本发明提供的芯片的第二定量单元的结构及其运作机理图。
图6A是本发明提供的一种试剂囊袋的示意图；图6B示出了通过外部压力破裂试剂囊袋的方式；图6C显示了通过针刺破裂试剂囊袋的方式。
图7为本发明的生化检测微流控芯片体系的层结构示意图。
图8为本发明提供的一种上层结构的示意图。
附图标记说明
1 进样单元 2 储液单元 3 反应单元
4 废液单元 5 第一定量单元 6 第一报错单元
7 通气单元 8 仪器接口 9 配套仪器
10 第二定量单元 11 第二报错单元 12 混合单元
13 过滤单元 14 第三报错单元 21 试剂囊袋
51 第一狭缝 52 第一样本腔室 53 第二样本腔室
54 第一挡板 91 推动气压泵 92 导气管
93 气密性接口 101第二狭缝 102 第一试剂腔室
103 第二试剂腔室 104第二挡板 121 混合装置
211 定位孔 212 密封口 213 挤压区域
214 针刺结构
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如图1和图4所示，本发明第一方面提供一种生化检测微流控芯片，该微流控芯片包括：用于接收待检样本的进样单元1、为所述待检样本和所述反应试剂提供反应场所的反应单元3以及用于收集废液的废液单元4；该微流控芯片还包括用于对所述待检样本进行定量的第一定量单元5；
其中，所述第一定量单元5包括狭缝51、以及由所述第一狭缝51隔开的第一样本腔室52和第二样本腔室53；所述第一样本腔室52与所述进样单元1相通，所述第二样本腔室53与所述废液单元4相通；
其中，在所述反应单元3和所述废液单元4之间还设置有第三报错单元 14，所述第三报错单元14具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元3的待检样本。
根据本发明，第一定量单元5用于对要参与反应的待检样本进行定量分取，其可将多余的待检样本运送到废液单元4处，保证只有特定体积的待检样本参与后续的生化反应，从而保证本发明芯片检测的准确度。
现结合图4对所述第一定量单元5进行定量的原理进行说明：如图4A 中示出的，第一定量单元5的主要结构有第一挡板54，第一样本腔室52，第二样品腔室53、第一狭缝51，并且在第一样本腔室52侧的微通道上设置有微阀门。其中，所述第一挡板54与所述第一狭缝51相对但不相接，所述第一样本腔室52和第二样品腔室53通过所述第一挡板54与所述第一狭缝 51界定的空间相通。该第一定量单元5对样本进行定量的主要工作原理是，在定量之前，先通过配套仪器9中的推拉杆来关闭微阀门(如图4B中示出的)，然后通过样本入口向第一样本腔室52中加入待定量样本，待定量样本会首先填充在第一样本腔室52中，多余的液体会越过第一狭缝51而进入到第二样品腔室53，进而通过与废液单元4连通的微通路流入下游结构单元 (图4C)。然后如图4D中所示的，通过配套仪器9打开微阀门，定量后的样本会流入到下游结构单元中。
由于芯片结构均采用注塑成型的大批量制备方式，故而每一个芯片内部的挡板54，第一样本腔室52，第二样品腔室53、第一狭缝51的位置均相同，从而保证每个芯片该第一定量单元5的定量腔室的体积相同，进而保证不同芯片对同一个待测样本定量之后的体积也相同，该第一定量单元5提高了芯片的批内重复性和批间重复性。作为备选方案，该定量腔室还可以采用其他形状，比如圆形，梯形，正方形或其他各种不规则形状，定量挡板也可以采用其他形状，比如竖直挡板，圆弧形挡板等其他各种形状。
根据本发明，所述第一定量单元5与进样单元1和废液单元4之间均通过微通道进行连接，以便于液体的流动。优选的，微通道与废液单元4之间的连接口设在废液单元4的上部，其主要作用是将反应完成后的废液或多余的待检样本输送到废液单元4中，同时由于位置上的结构关系使得进入废液单元4内部的废液不会通过微通道而回流到芯片前部分。
其中，所述微通道的横截面的形状可以是矩形，圆形，三角形，梯形，或其他各种形状。微通道215的宽度可以是0.001mm-10mm，其深度可以是 0.001mm-10mm。
其中，所述微阀门中优选设置有活塞结构，其打开或关闭可以完全由仪器根据预定程序来完成。平时没有仪器的介入下，微阀门处于打开状态或部分微阀门处于打开状态，而需要将其关闭时，由仪器中步进电机的转轴带动微阀门处的活塞，将活塞旋转一定角度，从而使得活塞内部的液体通路关闭，使得微阀门转变为关闭状态。因此，优选的，配套仪器9还包括步进电机。
作为一种备选的实施方式，所述活塞可以是竖直推拉式而非旋转式，在一般状态下微阀门的活塞处于打开状态，在需要关闭时，通过仪器的推拉杆推动微阀门处的活塞，将活塞推入到微通道内部从而阻塞微通道，使得该微阀门处于关闭状态。
作为另一种备选的实施方式，微阀门还可以通过铁片和电磁场的配合来进行打开和关闭操作，例如，可以在微阀门上方粘贴一个小铁片，在微阀门下方放置电磁铁，在一般状态下，电磁铁不通电，铁片位于微阀门上方，微阀门处于打开状态，在需要关闭时，通过仪器来对电磁铁通电，磁铁产生的电磁场会吸引微阀门上方的铁片，从而将铁片拉到微阀门下方，使得微阀门处于关闭状态。
此处需要说明的是，虽然如上仅是对第一定量单元5中的微阀门以及第一定量单元5与废液单元4通过微通路的连接方式及位置进行的介绍，但对于下文中提及的微阀门均适用。在没有相反说明的情况下，下文中提及的微阀门的作用和选择以及其他结构单元通过微通路与废液单元4连接的方式和位置均可参照上文。
根据本发明，优选情况下，为了保证检测能够顺利进行，本发明的微流控芯片还包括设置在第一定量单元5和废液单元4之间的第一报错单元6，所述第一报错单元6具有腔室结构，该腔室用于接收来自第一定量单元5的第二样本腔室53的待检样本。在待检样本经过第一定量单元5并进行定量之后，多余的待检样本会在外力作用下被抽提进入到第一报错单元6的腔室结构中，并根据所述腔室结构中液体的充盈程度来判断检测是否可顺利进行。如果腔室结构中充满液体，可以认为第一定量单元5中第一样本腔室52 处也充满液体，此时可认为芯片工作正常而不报错，如果第一报错单元6的腔室结构内部没有液体或液体量不够，则认为第一定量单元5中第一样本腔室52的液体体积也不足，此时需要报错并终止芯片的检测。这样芯片内部自检机制可以保证只有液体定量完全准确的情况下芯片才会继续进行后续的检测，从而保证检测结果的准确性。
其中，优选的，所述第一报错单元6与光学检测设备相连，所述光学检测设备可用于对所述腔室进行光学检测，从而判断腔室中的液体量。
根据本发明，所述待检样本可以不通过任何处理而直接进行多指标的生化检测，也可以根据情况进行适当的处理，例如，稀释等。在该情况下，本发明提供的芯片还包括储液单元2(由试剂囊袋21和微通道构成)，用于储存对待检样本进行处理的试剂，例如，稀释液。
根据本发明，所述储液单元2至少为一个，图1显示了1个储液单元2，但个数并不是限制条件，根据其他应用场景，可以增加或减少储液单元2的个数。该储液单元2可以将样本处理试剂、参与生化反应的各种反应试剂等预先装填到本发明的芯片内部，在本发明芯片进行待检样本的测试时，再通过外力将该储液单元2内部的试剂按照顺序释放出来。此处需要说明的是，芯片内部的各个储液单元2的大小和形状可以相同，也可以不同，其形状也并不局限于图中所示的圆形，其他形状比如矩形，菱形，多边形或不规则形状也同样适用。同时各储液单元2的大小会根据所要预装的试剂的体积大小而发生改变，此时储液单元2的体积并不相同。
如图6A所示的，本发明提供了一种储液单元2的基本结构，预装反应试剂被预先装填到试剂囊袋21中，该试剂囊袋21优选为柔性材质，该材质包括但不限于：硝酸纤维素薄膜、塑料薄膜或金属铝箔，所述塑料薄膜可以为但不限于聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种。其共同特点是可以通过挤压或针刺的方式释放内部的预装反应试剂。在预装反应试剂装填到试剂囊袋21中后，通过热塑封的方式将出口进行密封形成密封口211。此处的密封口211的密封程度要比较浅，使得在外力加压试剂囊袋21时，密封口211 会破裂。定位孔212用于辅助将试剂囊袋21安装固定在芯片中的储液单元2 处。在需要将储液单元2内部反应试剂释放时，可以通过图6B中的方式，通过挤压试剂囊袋21上的挤压区域213，从而使得密封口211破裂而释放液体，也可以采用图6C中的方式，通过刺针来刺破试剂囊袋21的底部区域如针刺结构214处，使得内部预装反应试剂释放出来。
根据本发明一种优选的实施方式，所述芯片还包括对所述反应试剂进行定量的第二定量单元10，以用于对反应试剂的精准定量。例如，当需要对待检样本进行稀释时，可以获得预定稀释倍数的稀释样本。如图5所示的，所述第二定量单元10包括第二狭缝101、以及由所述第二狭缝101隔开的第一试剂腔室102和第二试剂腔室103；所述第一试剂腔室102与所述储液单元 2相通，所述第二试剂腔室103与所述废液单元4相通。优选的，所述第二定量单元10还包括第二挡板104，所述第二挡板104与所述第二狭缝101 相对但不相接，所述第一试剂腔室102和第二试剂腔室103通过所述第二挡板104与所述第二狭缝101界定的空间相通。其中，所述第二定量单元10 的定量原理与第一定量单元5的定量原理相同，此处不再重复赘述。
进一步优选的，为了进一步确保能够获得预定量的反应试剂，该微流控芯片还包括在废液单元4和第二试剂腔室103之间设置的第二报错单元11，所述第二报错单元11具有腔室，该腔室用于接收来自第二定量单元10的第二试剂腔室103的液体。其中，所述第二报错单元11的报错原理与第一报错单元6的报错原理相同，此处不再重复赘述。
其中，更为优选的，所述第二报错单元11与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量。
此处需要说明的是，虽然如图1所示的，只限定了一个储液单元2以及与其相同的第二定量单元10。但本领域技术人员应该能够理解的是，第二定量单元10可以通过数量以及连接方式的设定，对不同的反应试剂进行定量。这些均应该视为在本发明的保护范围之内。
根据本发明，在生化反应前，需要对待检样本进行预先处理(例如，稀释)的情况下，所述微流控芯片还包括混合单元12，以用于将待检样本和反应试剂混合，以及可能发生的预反应。
为了使得待检样本和反应试剂充分混合，优选的情况下，所述混合单元 12中设置有混合装置121，其主要作用是辅助反应试剂和待检样本进行混合。作为一种优选的实施方式，所述混合装置121由多个竖立小柱构成，该竖立小柱可以位于混合单元12内部两侧，在混合单元12内部被挤压时，会促使内部的液体发生混合，同时液体在经过竖立小柱时，会在小柱周围形成微小涡流，该微小涡流的扰动会加速液体之间的混合，从而加速各组分间的反应 (如果需要反应)。虽然此处所示的混合装置121采用竖立小柱的形式来实现，但作为备选的其他微结构，比如Z型微通道，W型混合器，三角形微结构等其他结构形式也能辅助并加速试剂之间混合。
根据本发明，在待检样本可选的与反应试剂结合后便可进入到反应单元 3中进行多指标的生化反应。为了获得准确的结果，根据本发明一种优选的实施方式，在所述反应单元3和所述废液单元4之间还设置有第三报错单元 14，所述第三报错单元14具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元3的来自混合单元12的混合液(当不需要对待检样本进行预处理时，所述第三报错单元14接收的为由反应单元3的待检样本)。其中，所述第三报错单元14的报错原理与第一报错单元6的报错原理相同，此处不再重复赘述。
优选的，所述第三报错单元14与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量。
本发明提供的反应单元3是发生生化反应并进行光学检测的场所，虽然图1中只显示了8个反应单元，对应于8个检测指标，但具体个数并不是限制条件，根据不同的应用场景，可以增加或减少该反应单元3的个数以完成更多或更少数目的指标检测。在每个反应单元中，各个检测指标所需试剂均优选以冻干粉剂的形式保存在反应单元3内部(也可以预先封装于储液单元 2中，待需要时，释放至反应单元3中)，当需要检测时，打开上游微阀门，配合配套仪器9的抽提作用，进样单元1内(在需要对待检样本进行预处理时，是混合单元12)内部的待检样本(或是混合单元12中预处理液)便会流入到各个反应单元中，最后优选会进入到第三报错单元14中，多余的待检样本(或是混合单元12中预处理液)会被吸取到废液单元4中。进入各反应单元的待检样本(或是混合单元12中预处理液)会溶解内部预存的干粉试剂，并发生生化反应，产生一定的显色结果，通过配套仪器9的光学检测模块，可以对各个反应单元进行光学检测，从而得出各个指标的检测结果。
根据本发明，所述废液单元4优选位于芯片内液体流路系统的末端，以可收集各步生化反应的废液，防止废液流出芯片而污染外部环境。其中，该废液单元4在结构上并不局限于图1中所示的矩形，其他形状，比如圆柱形，圆锥形，或其他各种不规则形状的也同样适用。其中，所述废液单元4的体积应该要大于所有储液单元2(存在的情况下)内部试剂体积与待检样本的体积之和，从而可保证废液单元4可以对反应过程中可能产生的废液进行有效的收集。
根据本发明，所述进样单元1用于接收用户注入的待检样本。所述待检样本可以为人或动物的全血，血浆，尿液，唾液，精液，脊髓，羊水等体液中的一种或多种。另外，本发明芯片还可以用于食品安全检测领域，其检测样品可以是食品浸出液，提取液，洗脱液或其他液体，对食品中残留农药，食品中的细菌，病毒或其他病原菌，食品内部所含营养物质的含量进行检测。同样的，本发明芯片还可以应用于环境检测领域，此时检测样品可以是河水，海水，或取自欲检测环境中的任何液体，可以对环境中的有毒有害物质，有机或无机污染物进行快速检测等。
其中，所述进样单元1的结构可以是圆柱形、圆锥形(例如，图1中所示的结构)、梯形，或其他各种不规则形状。其主要功能是接收用户注入的待检样本，使得待检样本在被注入到芯片后不会发生待测样本的泄漏，样本只能按照特定的微通道结构进行运转。
作为一种可选的实施方式，所述进样单元1还可以做成毛细作用进样结构，此时注入的待检样本会通过毛细作用进入到下游的结构单元，并且毛细作用会将待检样本吸附在芯片中，防止待测样本的泄漏而污染环境。
根据本发明，当所述待检样本为需要过滤的待检样本(例如，全血样本) 时，所述生化检测微流控芯片还包括设置在所述进样单元1和所述第一定量单元5之间的过滤单元13(如图2所示)，也即，所述过滤单元13位于进样单元1的下游，第一定量单元5的上游。所述过滤单元13用于过滤待检样本中的颗粒杂质或血红细胞(例如，当待检样本为全血时)等，同时该过滤单元13还可以防止待检样品加样后提前进入到第一定量单元5中，影响最终反应结果。
根据本发明一种优选的实施方式，本发明通过对芯片体系的微通路之间进行加压或减压从而控制各液体的流动，以便从一个结构单元进入到另一个结构单元。因此，所述微流控芯片还包括与所述废液单元4连接的通气单元 7，用于为微流控芯片体系提供所需的外部气压，在外部气压的辅助下使得内部液体正常运转。同时通气单元7还可以防止废液单元4中的废液流出到芯片外部而污染外部环境。虽然如图1所示的通气单元7采用W型微通道设计，但其他设计，比如圆形，弧形，Z型等其他各种结构也同样能够起到通气并防止废液外流的作用，这些设计也均应视同在本发明的保护范围之内。
优选的，所述通气单元7内部还可以填充特定物质，起到通气但防止废液外流的作用，比如该物质可以是气溶胶，或透气但不透水的疏松孔状结构物质。
根据本发明一种优选的实施方式，本发明的微流控芯片优选通过外部的配套仪器9提供系统所需的气压。因此，优选的，该微流控芯片还包括与所述通气单元7连接的仪器接口8，所述仪器接口8用于连接流控芯片体系外的配套仪器9，所述配套仪器9提供的气压通过所述通气单元7提供至所述微流控芯片体系。其中，所述外部气压的大小可以比大气压大，也可以比大气压小，根据具体的使用情况不同可以方便的调节该气压的大小。同时，所述仪器接口8优选为气密性的，即芯片在和配套仪器9的气压调节装置进行对接时，该部位不漏气。该功能可以通过塑料密封环或其他组件来实现。配套仪器9的气压调节装置可以是气动泵，储气囊泡，气压泵，挤压泵等。
根据本发明一种优选的实施方式，如图3所示的，所述配套仪器9包括用于提供气压的推动气压泵91、导气管92以及与所述通气单元7连接的气密性接口93。当待测芯片被放入到配套仪器9中后，仪器内部的步进电机(图中未显示)会推动气压泵91，使得气密性接口93紧贴到待测芯片的仪器接口8处，该紧贴方式是气密性的，可以通过在所述气密性接口93上设置密封环或O型圈来完成。优选的，所述气密性接口93是喇叭形，在该优选的情况下，不需要将气密性接口93与仪器接口8精确对准，只需要仪器接口8 位于该气密性接口93内部即可。待紧贴完成后，与气压泵91连接的步进电机处于锁定状态，此时气压泵91的位置固定。通过与气压泵91内部活塞相连的另外一个步进电机(图中未显示)的转动，可以推动或抽提活塞，从而调节气压泵91内部的气压，进而操控芯片内部的气压。在需要给芯片内部加压时，通过步进电机来推动活塞来完成，相反，在需要给芯片内部减压时，通过步进电机来抽提活塞来实现。芯片内部液路网络会由于气压的增大或减少而驱动流体发生转移。在待测芯片的整个测试流程完成之后，通过与气压泵91连接的步进电机的转动来使得该气密性接口脱离芯片。
如图7所示的，根据本发明的第二方面，提供一种生化检测微流控芯片体系，该微流控芯片体系由上层、中层和下层组成；
其中，中层结构为如上所述的生化检测微流控芯片；
其中，上层结构和下层结构用于覆盖封闭所述中间层；上层结构中设置有与进样单元1连接的进样孔，以及优选的，与对应于储液单元2的让位孔，用于提供外部动力以释放储液单元2中的反应试剂。
如图8所示的，上层结构上面设置有进样孔(小孔)，用于待检样本的加样。所述进样孔与中层结构中的进样单元1相通，以保证待检样本通过进样孔能够进入到所述进样单元1中。此外，上层结构上还优选设置有至少一个让位孔(大孔)，所述让位孔对应于中层结构的储液单元2，用于配套仪器 9的推杆的进入，从而为储液单元2提供外部压力，以将储液单元2内部预先封闭存储的试剂释放出来，因此，本发明的配套仪器9还包括至少一个推拉杆。所述让位孔大小和形状由中层结构中储液单元的储液囊袋21的结构大小和形状来决定，优选的，该让位孔的直径大小可以是0.5mm-50mm，其形状可以是圆形，矩形，多边形，菱形，甚至不规则形状等各种形状。
优选的，上层、中层和下层的材质各自独立地选自如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、塑料薄膜、弹性乳胶、天然橡胶、塑料和硅胶。
优选的，上层结构的厚度为0.5-20mm，更优选为0.5-10mm，进一步优选为0.5mm-5mm；中层结构的厚度为0.5-50mm；更优选为2mm-20mm，进一步优选为3mm-15mm；下层结构的厚度为0.5-20mm，更优选为0.5-10mm，进一步优选为0.5mm-5mm。
本发明提供的一种优选的生化检测微流控芯片的制备方法优选包括如下步骤(以包括储液单元2的芯片为例)：
步骤1)将生化反应所需反应试剂预装到所述试剂囊袋21中，并通过热塑封的方式将所述试剂囊袋21的密封口212进行密封；并通过定位孔211 放置在芯片体系中层结构的特定储液结构处，进一步通过热塑封的方式将各储液的试剂囊袋21固定在芯片体系中层结构上。
步骤2)在该所述芯片的中层结构中各个不同反应单元3内部放置不同的冻干固体粉剂，每个反应单元3中放置的固体粉剂的重量是一定的。
步骤3)将下层结构贴合到如上中层结构的下面，其贴合方式包括但不仅限于超声热熔、胶粘、紫外光固化、热塑封等方式。
步骤4)将上层结构贴合到如上中层结构的上面，其贴合方式包括但不仅限于超声热熔、胶粘、紫外光固化、热塑封等方式。
采用本发明提供的一种优选的生化检测微流控芯片体系进行生化检测的流程如下：
步骤1)通过移液器吸取一定量的待检样本，将待检样本加入到加样孔，再将微流控芯片体系放置在配套仪器9内开始测试。
步骤2)配套仪器9通过内部步进电机将气压泵91，气密性接口93移动到仪器接口8处后固定。通过配套仪器9的推拉杆关闭第一报错单元5与混合单元12之间的微阀门，然后通过步进电机对气压泵91中的活塞进行抽提，在抽力的作用下，待检样本进入进样单元1中，然后再进入过滤单元13 中进行过滤，过滤后的待检样本被吸入至第一定量单元5，多余的待检样本进入第一报错单元6中，通过配套仪器9的光检测单元来探测第一报错单元 6的光信号(配套仪器9还包括光检测单元)，如果第一报错单元6的腔室为空或液体没有充满，则停止该芯片检测，并进行报错，如果此处液体充满，则继续进行后续的检测步骤。
步骤3)同样的，通过配套仪器9的推拉杆关闭第二定量单元10和混合单元12之间的微阀门以及关闭第二定量单元10内的反应试剂除了流向废液单元4以外的任何可流向其他结构单元或通路的通路上的微阀门，然后通过配套仪器9的推拉杆依次释放储液单元2中的各反应试剂，并进入到第二定量单元10，同时多余的反应试剂会进入到第二报错单元11，通过配套仪器9 的光学检测模块测量第二报错单元11中液体量，如果充满液体则不报错进行下一步操作，否则仪器报错终止芯片检测。
步骤4)关闭混合单元12与反应单元3之间的微阀门，打开第一定量单元5与混合单元12之间的微阀门以及第二定量单元10与混合单元12之间的微阀门，以便于样本和反应试剂进入混合单元12中，通过仪器中推拉杆的运动促使样本和反应试剂充分混合。
步骤5)混合完成后，打开混合单元12与反应单元3之间的微阀门，混合单元中的混合液会流入到反应单元3和第三报错单元14中，多余的混合液被仪器中的活塞泵抽提到废液单元4中，在反应单元内3部，混合液会溶解预装的固体粉剂，溶解液会和待检样本发生生化反应。
步骤6)配套仪器通过内部的光检测模块分别检测该反应单元3和第三报错单元14，并对检测结果进行分析，如果第三报错单元14填满液体则表示检测正常给检测结果，否则丢弃此次检测结果，报告检测异常。
本发明提供的生化检测微流控芯片体系检测的样本体积为10-200μL。
本发明中，配套仪器9为小型便携式设备，配套仪器9除了包括气压泵 91、导气管92以及气密性接口93之外，还优选包括有推拉杆单元，步进电机模块，光检测模块等。
本发明的第三方面还提供了如上所述的生化检测微流控芯片和/或所述的生化检测微流控芯片体系在生化检测中的应用。进一步优选的，所述配套仪器9还包括温控模块，以对芯片内的温度进行按需控制。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明使用本发明提供的芯片及芯片体系的制备以及使用所述芯片体系对全血进行多指标检测
本实施例要检测的全血中生化指标分别为：丙氨酸氨基转移酶(ALT)，天冬氨酸氨基转移酶(AST)，γ-谷氨酞基转移酶(γ-GT)，碱性磷酸酶(ALP)，总蛋白(TP)，白蛋白(Alb)，总胆固醇(TC)，甘油三酯(TG)。
本实施例中所要使用的各种检测试剂和样品稀释液均购自于北京某利德曼生化试剂公司。对各检测试剂的处理方式为，将各液体状试剂经过冻干处理后得到各自的固体粉剂。
(1)芯片体系的组装
将上述300μL稀释液试剂预装在试剂预装在试剂囊袋21中，并通过热塑封的方式(加热时间30s)将所述试剂囊袋21的密封口212进行密封；并通过定位孔211放置在芯片体系中层结构的特定储液结构处，进一步通过热塑封的方式将各储液的试剂囊袋21固定在芯片体系中层结构上。
通过光敏胶固化的方式(紫外光固化时间10min)将下层结构贴合到中层结构上，通过同样的光敏胶固化方式(紫外光固化时间10min)将上层结构贴合到中层结构上，如此制备出完整可用的芯片体系。
(2)样本检测
步骤1)通过移液器吸取50μL的待测全血样本，将待检样本加入到加样孔，再将微流控芯片体系放置在配套仪器9内开始测试。
步骤2)配套仪器9通过内部步进电机将气压泵91，气密性接口93移动到仪器接口8处后固定。通过配套仪器9的推拉杆关闭第一报错单元5与混合单元12之间的微阀门，然后通过步进电机对气压泵91中的活塞进行抽提，在抽力的作用下，全血样本进入进样单元1中，然后再进入过滤单元13 中进行过滤，过滤后的全血样本被吸入至第一定量单元5，多余的全血样本进入第一报错单元6中，通过配套仪器9的光检测单元来探测第一报错单元 6的光信号，如果第一报错单元6的腔室为空或液体没有充满，则停止该芯片检测，并进行报错，如果此处液体充满，则继续进行后续的检测步骤。
步骤3)同样的，通过配套仪器9的推拉杆关闭第二定量单元10和混合单元12之间的微阀门以及关闭第二定量单元10内的反应试剂除了流向废液单元4以外的任何可流向其他结构单元或通路的通路上的微阀门，然后通过配套仪器9的推拉杆依次释放储液单元2中的稀释液，并进入到第二定量单元10，同时多余的稀释液会进入到第二报错单元11，通过配套仪器9的光学检测模块测量第二报错单元11中稀释液量，如果充满液体则不报错进行下一步操作，否则仪器报错终止芯片检测。
步骤4)关闭混合单元12与反应单元3之间的微阀门，打开第一定量单元5与混合单元12之间的微阀门以及第二定量单元10余混合单元12之间的微阀门，以便于全血样本和稀释液进入混合单元12中，通过仪器中推拉杆的运动促使全血样本和稀释液充分混合。
步骤5)混合完成后，打开混合单元12与反应单元3之间的微阀门，混合单元12中的混合液会流入到反应单元3和第三报错单元14中，多余的混合液被仪器中的活塞泵抽提到废液单元4中，在反应单元内3部，混合液会溶解预装的固体粉剂，溶解液会和待检样本发生生化反应。
步骤6)配套仪器通过内部的光检测模块分别检测该反应单元3和第三报错单元14，并对检测结果进行分析，如果第三报错单元14填满液体则表示检测正常给检测结果，否则丢弃此次检测结果，报告检测异常。
检测结果表明：针对全血中各生化指标的检测结果分别为：丙氨酸氨基转移酶(ALT)：32IU/L，天冬氨酸氨基转移酶(AST)：28I/L，γ-谷氨酞基转移酶(γ-GT)：25IU/L，碱性磷酸酶(ALP)：98IU/L，总蛋白(TP)：73.25g/L，白蛋白(Alb)：46.3g/L，总胆固醇(TC)：5.7mmol/L，甘油三酯 (TG):1.3mmol/L。将该检测结果和标准生化分析仪的检测结果进行比对，发现数值之间的相关性高，表明本微流控芯片效果较好。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生化检测微流控芯片，其特征在于，该微流控芯片包括：用于接收待检样本的进样单元(1)、为所述待检样本和所述反应试剂提供反应场所的反应单元(3)以及用于收集废液的废液单元(4)；该微流控芯片还包括用于对所述待检样本进行定量的第一定量单元(5)；
其中，所述第一定量单元(5)包括第一狭缝(51)、以及由所述第一狭缝(51)隔开的第一样本腔室(52)和第二样本腔室(53)；所述第一样本腔室(52)与所述进样单元(1)相通，所述第二样本腔室(53)与所述废液单元(4)相通；
其中，在所述反应单元(3)和所述废液单元(4)之间还设置有第三报错单元(14)，所述第三报错单元(14)具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元(3)的待检样本。
2.根据权利要求1所述的生化检测微流控芯片，其中，该微流控芯片还包括在废液单元(4)和第二样本腔室(53)之间设置的第一报错单元(6)，所述第一报错单元(6)具有腔室，该腔室用于接收来自第二样本腔室(53)的待检样本；
优选的，所述第一报错单元(6)与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量。
3.根据权利要求1或2所述的生化检测微流控芯片，其中，该微流控芯片还包括用于存储反应试剂的储液单元(2)；
优选的，该微流控芯片还包括用于对所述反应试剂进行定量的第二定量单元(10)；
其中，所述第二定量单元(10)包括第二狭缝(101)、以及由所述第二狭缝(101)隔开的第一试剂腔室(102)和第二试剂腔室(103)；所述第一试剂腔室(102)与所述储液单元(2)相通，所述第二试剂腔室(103)与所述废液单元(4)相通；
优选的，该微流控芯片还包括在废液单元(4)和第二试剂腔室(103)之间设置的第二报错单元(11)，所述第二报错单元(11)具有腔室，该腔室用于接收来自第二试剂腔室(103)的反应试剂；
优选的，所述第二报错单元(11)与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量。
4.根据权利要求3所述的生化检测微流控芯片，其中，该微流控芯片还包括混合单元(12)，以用于将待检样本和反应试剂混合；
优选的，所述混合单元(12)中设置有混合装置(121)，用于将待检样本与反应试剂进行混合；
优选的，所述混合装置(121)选自竖立小柱、Z形微通道、W型混合器和三角形微结构中的至少一种；
优选的，所述第三报错单元(14)具有腔室，该腔室用于接收经由反应单元(3)的来自混合单元(12)的混合液；
优选的，所述第三报错单元(14)与光学检测设备相连，所述光学检测设备用于对所述腔室进行光学检测，以判断腔室中的液体量。
5.根据权利要求1或2所述的生化检测微流控芯片，其中，该微流控芯片还包括与所述废液单元(4)连接的通气单元(7)，用于为微流控芯片体系提供所需的外部气压；
优选的，该微流控芯片还包括与所述通气单元(7)连接的仪器接口(8)，所述仪器接口(8)用于连接流控芯片体系外的配套仪器(9)，所述配套仪器(9)提供的气压通过所述通气单元(7)提供至所述微流控芯片体系；
优选的，所述配套仪器(9)包括用于提供气压的气压泵(91)、导气管(92)以及与所述通气单元(7)连接的气密性接口(93)；所述气密性接口(93)优选为喇叭形；
优选的，所述通气单元(7)中还填充有透气但不透水的物质；优选的，所述透气但不透水的物质为气溶胶。
6.根据权利要求3所述的生化检测微流控芯片，其中，所述反应试剂通过试剂囊袋(21)装填到所述储液单元(2)中；所述试剂囊袋(21)包括用于将其固定到所述储液单元(2)上的定位孔(211)，密封口(212)以及用于将所述密封口(212)打开并释放所述反应试剂的挤压区域(213)或针刺结构(214)；
优选的，所述试剂囊袋(21)的材质选自硝酸纤维素薄膜、塑料薄膜和金属铝箔中的至少一种；
优选的，所述塑料薄膜的材质选自聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的生化检测微流控芯片，其中，所述进样单元(1)和所述第一定量单元(5)之间还设置有过滤单元(13)以对待检样本进行过滤。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的生化检测微流控芯片，其中，所述待检样本为机体体液、机体分泌物、食品、果蔬、水体或土壤。
9.一种生化检测微流控芯片体系，其特征在于，该微流控芯片体系由上层、中层和下层组成；
其中，中层结构为权利要求1-8中任意一项所述的生化检测微流控芯片；
其中，上层结构和下层结构用于覆盖封闭所述中层；上层结构中设置有与进样单元(1)连接的进样孔，还优选设置有与对应于储液单元(2)的让位孔，用于提供外部动力以释放储液单元(2)中的反应试剂；
优选的，上层、中层和下层的材质各自独立地选自如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、塑料薄膜、弹性乳胶、天然橡胶、塑料和硅胶；
优选的，上层结构的厚度为0.5-20mm；中层结构的厚度为0.5-50mm；下层结构的厚度为0.5-20mm。
10.权利要求1-8中任意一项所述的生化检测微流控芯片和/或权利要求9所述的生化检测微流控芯片体系在生化检测中的应用。
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