CN108300640B - 一种用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，包括微流控芯片主体(1)和微流控芯片基底(2)；微流控芯片基底(2)位于微流控芯片主体(1)的底端，与微流控芯片主体(1)共同组成封闭结构；微流控芯片主体(1)上设计有多个独立腔体以及相应的微流控管道，独立腔体与相应微流控管道连通形成U‑型管结构，并与中间腔体(31)相互连接，可有效避免原始样品在核酸提取过程中的交叉污染，从而实现核酸自动化提取和检测的操作。
Description
技术领域
本发明涉及核酸检测领域，尤其涉及一种用于自动化核酸提取、纯化和扩增检测的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片把化学或生物等领域中所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测，以及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元移植到在一块很小的芯片上，并构建贯穿整个芯片的微通道网络。微流控芯片可以作为生物、化学微反应器或微系统。
核酸检测具有灵敏度高、特异性好的特点，在生命科学、医学检验中，占据了极其重要的位置。实现核酸检测，需要经历一系列繁琐的核酸纯化步骤，以获取高纯度核酸模板。常规手工提取核酸存在效率较低，容易出错等不足。大型自动化设备则存在昂贵，试剂消耗量大等缺陷。
微流控芯片通过微阀、微泵、微通道构成的可控性微流体网络，为样品处理及核酸自动提取所涉及的样品流动、样品混合、核酸纯化、废液移除等多个步骤提供了一个理想的自动化平台。
基于微流控芯片技术实现核酸提取的自动化，一方面可以提高核酸检测的效率，另一方面也为构建一体化核酸自动检测系统打下坚实的基础。
发明内容
本发明目的在于设计一种用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，该微流控芯片可以对原始样品，如血液核酸进行裂解，漂洗以纯化核酸，最后洗脱得到高纯度的核酸模板，进一步进行聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR），并结合荧光检测技术对扩增产物进行分析。
本发明采用的技术方案为微流控芯片主体设计有多个独立腔体以及相应的微流控管道，独立腔体与相应微流控管道连通形成U-型管结构，实现病原体核酸的自动化提取及检测的操作。
本发明提供的用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片包括微流控芯片主体1和微流控芯片基底2；微流控芯片基底2位于微流控芯片主体1的底端，与微流控芯片主体1共同组成封闭结构。所述微流控芯片主体1的材料为聚二甲基硅氧烷等硅氧键为主链的聚合物材料，或者是聚碳酸酯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物等以碳碳键为主链的透明聚合物材料；所述微流控芯片基底2的材料为能够与微流控芯片主体1的材料键合或粘合的材料，包括玻璃、石英、硅片及热塑性塑料。
所述微流控芯片主体1和所述微流控芯片基底2通过物理键合或化学粘结进行封闭，构成一个无流体泄露的密闭微流控芯片。
微流控芯片主体1顶部设有多个试剂注入接口，包括有机溶剂注入口4、数个清洗液注入口、洗脱液注入口8、反应液mix注入口9、混合腔接口10、废液腔接口11。
微流控芯片主体1中设有多个独立腔体，包括有机溶剂存储腔41、数个清洗液存储腔、洗脱液存储腔81、反应液mix存储腔91、混合腔101、废液腔111。
微流控芯片主体1中设有多条独立的微流管道，包括有机溶剂微流通道42、数个清洗液微流通道、洗脱液微流通道82、反应液mix微流通道92、混合微流通道102、废液微流管道112。
微流控芯片主体1中设有PCR反应腔17，其两端设置有气动微阀接口一12，气动隔膜阀一121，气动微阀接口二13和气动隔膜阀二131。
微流控芯片主体1中设有磁铁放置区15，用于放置吸附磁珠的磁铁16，所述磁铁16在整个核酸提取扩增中起到吸附磁珠在中间腔体31边缘的作用，以利于清洗磁珠并防止磁珠流失。
微流控芯片主体1顶部还设有中间腔体接口3，作为核酸提纯前样本进入的接口，以及作为核酸提纯后正压推动反应液mix和洗脱液的混合溶液进入PCR反应腔17的接口。
微流控芯片主体1中还设有中间腔体31；中间腔体31位于微流控芯片主体1的中间位置，独立腔体分别通过微流通道与中间腔体31相互连通；每个独立微流管道与其对应的独立腔体形成U-型管结构，并和中间腔体31相互连通。
微流控芯片主体1中还设有转移微流通道32，转移微流通道32连通所述中间腔体31和PCR反应腔17。
气动隔膜阀一121用于连接PCR反应腔17入口和转移微流通道32；气动微阀接口一12作为正压和负压源接口，实现气动隔膜阀一121开启和关闭。
气动隔膜阀二131用于连接PCR反应腔17入口和芯片出口14；气动微阀接口二13作为正压和负压源接口，实现气动隔膜阀二131开启和关闭。
特别地，当微流控芯片中采用三种清洗液时，所述数个清洗液注入口包括：清洗液A注入口5、清洗液B注入口6、清洗液C注入口7；所述数个清洗液存储腔包括：清洗液A存储腔51、清洗液B存储腔61、清洗液C存储腔71；所述数个清洗液微流通道包括：清洗液A微流通道52、清洗液B微流通道62、清洗液C微流通道72。
特别地，每个独立微流管道与其对应的独立腔体和中间腔体31之间通过U-型管结构连通；所述有机溶剂微流通道42用于连通所述有机溶剂存储腔41和所述中间腔体31，所述清洗液A微流通道52用于连通所述清洗液A存储腔51和所述中间腔体31，所述清洗液B微流通道62用于连通所述清洗液B存储腔61和所述中间腔体31，所述清洗液C微流通道72用于连通所述清洗液C存储腔71和所述中间腔体31，所述洗脱液微流通道82用于连通所述洗脱液存储腔81和所述中间腔体31，所述反应液mix微流通道92用于连通所述反应液mix存储腔91和所述中间腔体31，所述混合微流通道102用于连通所述混合腔101和所述中间腔体31，所述废液微流管道112用于连通所述废液腔111和所述中间腔体31，所述转移微流通道32用于连通所述中间腔体31和PCR反应腔17。
所述有机溶剂存储腔41上的有机溶剂注入口4将作为正压推动样本进入中间腔体31的接口。
所述清洗液A存储腔51上的清洗液A注入口5将作为正压推动清洗液A进入中间腔体31的接口。
所述清洗液B存储腔61上的清洗液B注入口6将作为正压推动清洗液B进入中间腔体31的接口。
所述清洗液C存储腔71上的清洗液C注入口7将作为正压推动清洗液C进入中间腔体31的接口。
所述洗脱液存储腔81上的洗脱液注入口8将作为正压推动洗脱液进入中间腔体31的接口。
所述反应液mix存储腔91上的反应液mix注入口9将作为正压推动反应液mix进入中间腔体31的接口。
与现有技术相比，本发明所述微流控芯片具有如下有益效果：
所述微流控芯片各个腔体独立分布，与各自的微流管道形成U-型管结构，并与中间腔体31相互连接，可有效避免原始样品在核酸提取过程中的交叉污染。
所述微流控芯片高度集成化和自动化，可自动完成样品裂解、洗涤、核酸纯化洗脱及PCR扩增反应等多个反应步骤，得到病原体核酸的扩增模板。
所述微流控芯片体积小、自动化程度高、操作简便、提取效率高等优点，并能在微流控芯片上直接进行核酸的扩增，结合荧光检测装置可直接构成一体化的微流控检测系统，在核酸检测领域有很大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为本微流控芯片主体侧视结构图；
图2为本微流控芯片主体内部剖视图；
图3为本微流控芯片主体各试剂腔体分布图；
图4为本微流控芯片主体各试剂腔体与各微流管道连接结构图；
图5为本微流控芯片主体各微流管道与中间腔体连接结构图；
图6为本微流控芯片主体底面结构图；
图7为本微流控芯片主体顶面结构图。
附图标记：
1、微流控芯片主体，2、微流控芯片基底，3、中间腔体接口，4、有机溶剂注入口，5、清洗液A注入口，6、清洗液B注入口，7、清洗液C注入口，8、洗脱液注入口，9、反应液 mix注入口，10、混合腔接口，11、废液腔接口，12、气动微阀接口一，13、气动微阀接口二，14、芯片出口，15、磁铁放置区，16、磁铁，17、PCR反应腔。
31、中间腔体，32、转移微流通道，41、有机溶剂存储腔，42、有机溶剂微流通道，51、清洗液A存储腔，52、清洗液A微流通道，61、清洗液B存储腔，62、清洗液B微流通道，71、清洗液C存储腔，72、清洗液C微流通道，81、洗脱液储液腔，82、洗脱液微流通道，91、反应液 mix存储腔，92、反应液mix微流通道，101、混合腔，102、混合微流通道，111、废液腔，112、废液微流管道，121、气动隔膜阀一，131、气动隔膜阀二。
具体实施方式
下面将结合说明书附图1-7，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
试剂预装载：
如附图所示，通过中间腔体31上的中间腔体接口3，将待测样本注入到微流控芯片上的中间腔体31。
通过有机溶剂存储腔41上的有机溶剂注入口4，将有机溶剂注入到微流控芯片上的有机溶剂存储腔41。
通过清洗液A存储腔51上的清洗液A注入口5，将清洗液A注入到微流控芯片上的清洗液A存储腔51。
通过清洗液B存储腔61上的清洗液B注入口6，将清洗液B注入到微流控芯片上的清洗液B存储腔61。
通过清洗液C存储腔71上的清洗液C注入口7，将清洗液C注入到微流控芯片上的清洗液C存储腔71。
通过洗脱液存储腔81上的洗脱液注入口8，将洗脱液注入到微流控芯片上的洗脱液存储腔81。
通过反应液 mix存储腔91上的反应液 mix注入口9，将反应液 mix注入到微流控芯片上的反应液 mix存储腔91。
核酸提取操作：
向有机溶剂存储腔41上的有机溶剂注入口4施加正向推力，促使有机溶剂进入中间腔体31。
通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使有机溶剂与待测样本混合后，加热微流控芯片一段时间。
将磁铁16至于磁铁放置区15，利用磁铁16吸附有机溶剂与待测样本混合液中的磁珠颗粒。
向中间腔体31上的中间腔体接口3施加正向推力，转移废液进入废液腔111。
向清洗液A存储腔51上的清洗液A注入口5施加正向推力，促使清洗液A进入中间腔体31。
将磁铁16从磁铁放置区15移除，通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使清洗液A与磁珠混合后，加热微流控芯片一段时间。
将磁铁16至于磁铁放置区15，利用磁铁16吸附清洗液A中的磁珠颗粒。
向中间腔体31上的中间腔体接口3施加正向推力，转移废液进入废液腔111。
向清洗液B存储腔61上的清洗液B注入口6施加正向推力，促使清洗液B进入中间腔体31。
将磁铁16从磁铁放置区15移除，通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使清洗液B与磁珠混合后，加热微流控芯片一段时间。
将磁铁16至于磁铁放置区15，利用磁铁16吸附清洗液B中的磁珠颗粒。
向中间腔体31上的中间腔体接口3施加正向推力，转移废液进入废液腔111。
向清洗液C存储腔71上的清洗液C注入口7施加正向推力，促使清洗液C进入中间腔体31。
将磁铁16从磁铁放置区15移除，通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使清洗液C与磁珠混合后，加热微流控芯片一段时间。
将磁铁16至于磁铁放置区15，利用磁铁16吸附清洗液C中的磁珠颗粒。
向中间腔体31上的中间腔体接口3施加正向推力，转移废液进入废液腔111。
向洗脱液存储腔81上的洗脱液注入口8施加正向推力，促使洗脱液进入中间腔体31。
将磁铁16从磁铁放置区15移除，通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使洗脱液与磁珠混合。
向反应液 mix存储腔91上的反应液 mix注入口9施加正向推力，促使反应液 mix进入中间腔体31。
通过混合腔101上的混合腔接口10施加正向推力和反向拉力，促使反应液 mix与洗脱液混合。
通过气动微阀接口一12和气动微阀接口二13向气动隔膜阀一121和气动隔膜阀二131施加负压，开启气动隔膜阀一121和气动隔膜阀二131。
通过中间腔体31上的中间腔体接口3施加正向推力，转移反应液 mix与洗脱液的混合溶液进入并充满PCR反应腔17。
通过气动微阀接口一12和气动微阀接口二13向气动隔膜阀一121和气动隔膜阀二131施加负正压，关闭气动隔膜阀一121和气动隔膜阀二131。
加热微流控芯片使PCR反应腔17内温度达到核酸扩增所需的条件，进而完成核酸扩增。
本发明提出了一种用于自动提取扩增核酸的微流控芯片，采用了一种自动化、流水式的操作模式，实现了微流控芯片上细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个步骤的自动化操作，进而获取适合于PCR扩增反应的目标核酸。
具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。如微流控芯片的材质、形状及尺寸，裂解腔、洗涤腔、洗脱腔的形状、尺寸，各类功能性及连接性通道的形状、尺寸，以及芯片托盘的形状等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤，并可以设计相关的软硬件程序指令来完成。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域普通技术人员依然可以对其进行技术方案进行修改，而这些修改并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，其特征在于：包括微流控芯片主体（1）和微流控芯片基底（2）；微流控芯片基底（2）位于微流控芯片主体（1）的底端，与微流控芯片主体（1）共同组成封闭结构；
微流控芯片主体（1）顶部设有多个试剂注入接口，有机溶剂注入口（4）、数个清洗液注入口、洗脱液注入口（8）、反应液mix注入口（9）、混合腔接口（10）、废液腔接口（11）；
微流控芯片主体（1）中设有多个独立腔体，包括有机溶剂存储腔（41）、数个清洗液存储腔、洗脱液存储腔（81）、反应液mix存储腔（91）、混合腔（101）、废液腔（111）；
微流控芯片主体（1）中设有多条与独立腔体对应的独立微流管道，包括有机溶剂微流通道（42）、数个清洗液微流通道、洗脱液微流通道（82）、反应液mix微流通道（92）、混合微流通道（102）、废液微流管道（112）；
微流控芯片主体（1）中设有PCR反应腔（17），其两端设置有气动微阀接口一（12），气动隔膜阀一（121），气动微阀接口二（13）和气动隔膜阀二（131）； 加热微流控芯片使PCR反应腔17内温度达到核酸扩增所需的条件，进而完成核酸扩增；
微流控芯片主体（1）中设有磁铁放置区（15），用于放置吸附磁珠的磁铁（16）；
微流控芯片主体（1）顶部还设有中间腔体接口（3），作为核酸提纯前样本进入的接口，以及作为核酸提纯后正压推动反应液mix和洗脱液的混合溶液进入PCR反应腔（17）的接口；
微流控芯片主体（1）中还设有中间腔体（31）；中间腔体（31）位于微流控芯片主体（1）的中间位置，独立腔体分别通过微流通道与中间腔体（31）相互连通；每个独立微流管道与其对应的独立腔体形成U-型管结构，并和中间腔体（31）相互连通；
微流控芯片主体（1）中还设有转移微流通道（32），转移微流通道（32）连通所述中间腔体（31）和PCR反应腔（17）；
气动隔膜阀一（121）用于连接PCR反应腔（17）入口和转移微流通道（32）；气动微阀接口一（12）作为正压和负压源接口，实现气动隔膜阀一（121）开启和关闭；
气动隔膜阀二（131）用于连接PCR反应腔（17）入口和芯片出口（14）；气动微阀接口二（13）作为正压和负压源接口，实现气动隔膜阀二（131）开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，其特征在于：当微流控芯片中采用三种清洗液时，所述数个清洗液注入口包括：清洗液A注入口（5）、清洗液B注入口（6）、清洗液C注入口（7）；所述数个清洗液存储腔包括：清洗液A存储腔（51）、清洗液B存储腔（61）、清洗液C存储腔（71）；所述数个清洗液微流通道包括：清洗液A微流通道（52）、清洗液B微流通道（62）、清洗液C微流通道（72）。
3.根据权利要求1所述的用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片主体（1）的材料为聚二甲基硅氧烷等硅氧键为主链的聚合物材料，或者是聚碳酸酯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物等以碳碳键为主链的透明聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片基底（2）的材料为能够与微流控芯片主体（1）的材料键合或粘合的材料，包括玻璃、石英、硅片及热塑性塑料。
5.根据权利要求1所述的用于核酸自动化提取和检测的微流控芯片，其特征在于：微流控芯片主体（1）和所述微流控芯片基底（2）通过物理键合或化学粘结进行封闭，构成一个无流体泄露的密闭微流控芯片。
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