CN108300654B - 评估可移动生物活体药代动力学的芯片及实时检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了评估可移动生物活体药代动力学的芯片及实时检测系统。所述芯片包括芯片主体和设置在所述芯片主体中的至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有开口于芯片主体上的流体入口；开口于芯片主体上的流体出口；和连接所述流体入口和流体出口的流道主体，其中设置有至少一个参比腔室，和至少一个样品腔室，所述样品腔室具有竖直设置在流道主体中的透液屏障，并且通过所述透液屏障流体联通地设置在所述流道主体中，其中各所述参比腔室和所述样品腔室彼此之间在空间上间隔一定距离，且其中所述参比腔室具有与所述样品腔室相同的形状和尺寸。本发明的芯片可用于固定样品及诸如非贴壁细胞、微生物及微小生物等非固定样品的药代动力学检测。

Description

评估可移动生物活体药代动力学的芯片及实时检测系统

技术领域

本发明涉及生物检测芯片技术领域，具体地，涉及一种能够用于实时动态检测的芯片，尤其是用于非固定的细胞、组织，微生物或微小生物体等的药代动力学研究中。

背景技术

药物代谢动力学研究药物在机体的影响下所发生的变化及其规律。药代动力学研究药物的体内过程(包括吸收、分布、代谢和排泄)，并运用数学原理和方法阐释药物在机体内的动态规律。然而细胞对特定药物分子的实时吸收及代谢动力学对了解细胞的代谢、相关蛋白质及酶的生理状态、药物(如激动剂/抑制剂)的影响、分子影像结果的阐释及医学影像探针的开发等同样具有重要的意义。

以核医学领域为例，常规的细胞吸收实验，借助于细胞培养板培养细胞，测量时再将细胞转移到放射性检测器中进行。这种方法只能测量间隔较宽时间点的细胞吸收，比如15分钟、30分钟、60分钟等时间点的细胞吸收值。而且，每次检测需进行诸如洗涤、脱细胞和检测的步骤，因此取决于实验操作者，测量时间点的重复性和精确性都难以保证。因此一直以来都期望能够实现高自动化且实时监测细胞的吸收过程。

近五年来，有一种技术叫做Ligand Tracer，实现了对细胞吸收进行短时段连续测量的目的。这种技术，在培养皿中特定的区域培养细胞，然后通过对旋转的倾斜培养皿进行规律信号检测而实现对细胞动态吸收进行连续短间隔时段检测的目的。

另外有一种技术叫做持续注入的微流控放射影像分析系统，可以实现对微流控芯片中贴壁细胞进行实时动态吸收检测的目的。这种技术通过将贴壁细胞培养在微流控芯片的细胞培养区域，然后通过在流体持续注入的情况下进行检测从而实现动态吸收检测的目的。

然而，这两种技术的核心，都是通过把细胞固定在特定区域，从而实现分离检测信号的目，因而局限于某些特定的检测对象，例如贴壁细胞，而不能对非固定的检测对象(例如非贴壁生长的细胞、微生物、分离的组织块、微小生物体等)进行检测。

因此，存在进一步扩大实时动态检测的应用范围，增强检测的灵活性的需求。

发明内容

针对现有的药代动力学实时检测方法的缺陷，本发明的目的是提供一种芯片，所述芯片能够实现对包括固定的及非固定的检测对象的实时检测；以及一种利用该芯片的实时检测系统。

本发明的第一方面，提供了一种芯片，所述芯片包括芯片主体和设置在所述芯片主体中的至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有：

开口于芯片主体上的流体入口，用于向所述流体通道中引入流体；

开口于芯片主体上的流体出口，用于将所述流体导出所述流体通道；和

流道主体，所述流道主体连接所述流体入口和流体出口，其中设置有：

至少一个参比腔室，所述参比腔室流体联通地设置在所述流道主体中，

和

至少一个样品腔室，所述样品腔室具有竖直设置在流道主体中的透液屏障，并且通过所述透液屏障流体联通地设置在所述流道主体中，

其中各所述参比腔室和所述样品腔室彼此之间在空间上间隔一定距离，且其中所述参比腔室具有与所述样品腔室相同的形状和尺寸。

本发明的芯片适用于细胞、微生物、分离的组织块、微小生物体等样品的药代动力学检测。因样品微小，检测结果容易受到干扰因素影响，因此流道主体及各个腔室的尺寸参数应保持稳定一致。此外，各个腔室在空间上相互间隔，以避免检测中相互影响。

所述透液屏障允许流体通过而将样品保留在所述样品腔室中。透液屏障可根据样品的不同而选择不同材料，例如但不限于物理栅格、滤网、滤膜、半透膜等。

在优选实施方式中，所述参比腔室具有竖直设置在流道主体中的透液屏障，且所述参比腔室的透液屏障与所述样品腔室的透液屏障相同。在该实施方式中，参比腔室和样品腔室的检测条件，例如流体的流速等都尽可能的接近，从而使检测结果更加准确。

根据一种实施方式，所述至少一个样品腔室为两个或更多个并联布置的样品腔室。这样，针对同一种流体可以同时检测多种样品。

在一种实施方式中，所述至少一个参比腔室包括一个前参比腔室，所述前参比腔室串联设置在所述样品腔室上游，或者与所述样品腔室并联设置；和可选的，后参比腔室，所述后参比腔室串联设置在对应的样品腔室的下游。前参比腔室用于提供空白对照参数，因而多个并联的样品腔室可共享同一个前参比腔室。后参比腔室用于提供经样品吸收或代谢后流出样品腔室的流体的参数，因此，可分别设置在相应的样品腔室下游。

根据一种优选的实施方式，所述前参比腔室与所述样品腔室并联设置，且所述前参比腔室和所述样品腔室分别设置各自的流体出口。各腔室具有各自的流体出口对检测来说更简洁、更方便，因此可以收集各个腔室的流出液，并进而分别进行进一步分析、鉴定和比较。

根据又一种实施方式，所述流道主体水平布置，所述流道主体中串联设置的相邻参比腔室和样品腔室之间的流道主体底面处于第一高度，该第一高度高于所述相邻参比腔室和样品腔室的底面，且与所述流道主体的顶面间隔一定距离。该实施方式中，在相邻的参比腔室和样品腔室之间形成凸出体，这样可以减少相邻腔室之间对检测产生干扰。

根据另一实施方式，所述参比腔室和所述样品腔室的底面的最低位置处于第二高度，所述第二高度低于与所述参比腔室和所述样品腔室相邻的流道主体的底面，从而形成向下的凹槽。该实施方式可以避免气泡的产生，在该实施方式中，基本不产生气泡。该实施方式中，各腔室形成各自的凹槽，因而不必须将流道主体水平设置，各腔室可以在垂直方向上分布，但优选水平布置在同一高度上。

在本发明的芯片中，所述流道主体可为直线型、折线形或曲线形，其中两个相邻腔室中的流体的流动方向可具有0°～180°的之间的夹角。

根据本发明的优选实施方式，所述芯片主体进一步包括盖，当所述盖打开时暴露出至少包括所述样品腔室的所述流道主体的部分区域，在关闭时借助密封件密闭所暴露的区域。

所述盖可以是单独的部件，也可以通过枢接装置可枢转地连接在所述芯片主体上。

在该实施方式中，可方便地在样品腔室中引入样品。

根据本发明的另一优选实施方式，所述流道主体水平布置，所述芯片主体可由上部芯片主体、下部芯片主体和密封件构成，其中，所述上部芯片主体中设置有所述至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有所述流体入口、所述流体出口和所述流道主体，所述流道主体连接所述流体入口和流体出口，其中设置有上部参比腔室和上部样品腔室，以及竖直设置在流道主体中的所述透液屏障；以及所述下部芯片主体中相应于所述上部芯片主体中所述上部参比腔室和所述上部样品腔室设置有所述凹槽，所述上部芯片主体和所述下部芯片主体通过所述密封件密封附接后形成所述芯片。

该实施方式是将具有凹槽的腔室的芯片设置为两个部分，其中上部包括流体通道的大部分结构，而下部仅对应设置有凹槽。在该实施方式中，凹槽部分可单独使用，不仅方便加入样品，还可进行诸如孵育、标记、配置微型检测传感器、放置传感材料、放置闪烁体板等等操作。

所述上部芯片主体和所述下部芯片主体可以是单独的部件，或者可以通过枢接装置可枢转地连接在一起。优选上部和下部芯片主体是单独的部件。

在进一步优选的实施方式中，所述上部芯片主体由透液屏障插件和具有相应透液屏障插槽的上部芯片主体构成，其中所述透液屏障插件具有插件柄、楔形部和透液屏障，或者所述透液屏障插件仅具有插件柄、楔形部，所述楔形部具有上端部和下端部，并通过所述上端部连接所述插件柄和通过所述下端部连接所述透液屏障，所述上端部比所述下端部宽，从而当所述透液屏障插件插入相应的透液屏障插槽中时起到密封作用。

在该实施方式中，针对不同的样品可以选择相应的透液屏障，因此通过透液屏障插件的方式进一步拓宽了本发明芯片的使用范围和灵活性。这样，在同一芯片的中的不同流体通道之间，甚至在同一流体通道的不同样品腔室之间，可以同时检测不同类型的样品，因为可以根据具体样品的不同选择插入不同的透液屏障插件。

在一种变形的实施方式中，所述透液屏障插件的透液屏障缺失，而仅包含插件柄和楔形部，使得当插入该插件时，仅仅是密封住相应流道主体上部的插槽。这样的插件可用于放置贴壁细胞等可固定的样品的样品腔室及相应的参比腔室，从而在同一个芯片中可以实现同时检测可固定的样品和非固定的样品。进一步拓宽本发明芯片的使用范围。

本发明中，所述密封件优选为涂覆在将要附接的任一表面的粘结剂涂层及可选的覆盖所述涂层的离型纸。所述密封件也可以是能够对所述盖或所述上部和下部芯片主体施加一定压力，以使其相互紧密压接的构件，诸如(有弹簧的)锁扣、卡槽等。其他适宜的可密封附接的方式也同样可用于本发明。

本发明的第二方面，提供一种实时检测系统，该实时检测系统包括以上定义的芯片。

本发明的芯片通过在样品腔室(以及优选的参比腔室)与流体通道连接的部位设置有透液屏障，从而拓展了此类芯片的应用范围，可以用于实时检测非固定样品(如非贴壁细胞、分离的组织块、3D细胞培养物、微生物以及微小的生物等)的药代动力学参数。

此外本发明的芯片通过设置盖组件，或设置为上下两个部分，方便了使用和操作，也降低了制造难度。

此外，透液屏障插槽的使用进一步扩展了本发明芯片的应用范围，增加了本发明芯片使用灵活性和方便性。

附图说明

图1为根据本发明第一实施方式的芯片结构的立体透视图；

图2为根据本发明第二实施方式的芯片结构的立体透视图；

图3为根据本发明第三实施方式的芯片结构的立体透视图；

图4为本发明第三实施方式的具有曲线形流道的芯片结构的立体透视图，其中A示出了U形流道，B示出的是S形流道；

图5为本发明第三实施方式的具有两个流体出口的流道布置的芯片结构的俯视图；

图6为根据本发明第四实施方式的芯片结构的立体透视图；

图7为根据本发明第五实施方式的芯片结构的侧视图，其中参考腔室和样品腔室垂直布置，A中参考腔室和样品腔室并联连接，共用相同的流体出口，B中参考腔室和样品腔室并联连接，分别具有各自的流体出口，C中参考腔室和样品腔室串联连接，流体入口和流体出口开口于芯片的同一侧；

图8为根据本发明第三实施方式的一种芯片组件的分解图；

图9为根据本发明第三实施方式的另一种芯片组件的分解图(芯片上部(A)，芯片下部(B))；

图10为根据图9所示实施方式的进一步变形的芯片组件的分解图(半组装芯片主体(A)、栅格插件(B)、最终组装完成后的芯片(C))；

图11为采用本发明第三实施方式的芯片用PET对高放射活度的核素进行实时检测时第35分钟时的实时影像(上)和图像分割结果(下)；和

图12为采用本发明第三实施方式的芯片用PET对高放射活度的核素进行实时最终得到的参考腔室和样品腔室中时间-活度变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

芯片

本发明的第一方面提供了一种能够实现对包括固定的及非固定的检测对象的实时检测的芯片。

本发明的芯片包括芯片主体和设置在所述芯片主体中的至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有开口于芯片主体上的流体入口；开口于芯片主体上的流体出口；和连接所述流体入口和流体出口的流道主体，其中设置有至少一个参比腔室，和至少一个样品腔室，所述样品腔室具有竖直设置在流道主体中的透液屏障，并且通过所述透液屏障流体联通地设置在所述流道主体中，其中各所述参比腔室和所述样品腔室彼此之间在空间上间隔一定距离，且其中所述参比腔室具有与所述样品腔室相同的形状和尺寸。

流体通道

本发明的芯片中可以设置多个流体通道。根据测试的需要，这些流体通道中可以同时检测同一种药物在不同浓度下的药代动力学特征，也可用于检测同一药物对不同样品的作用，还可以用于检测不同药物对同一样品或不同样品的作用。流体通道的数目并没有特别限制，取决于检测的需要，以及检测设备的性能。例如，一个芯片中可设置1个、2个、3个、4个、5个、10个、15个、20个、30个、40个、50个等等的流体通道。例如，流体通道的数目可为1-50个，1-20个，1-10个或1-5个，但不限于此。

流体入口和流体出口

所述流体入口和流体出口为所述流体通道在芯片上的开口，以便由芯片外部引入流体以及将流体从流体通道导出到芯片外部。开口的方向没有特别限制，例如可以开口在芯片主体的各侧壁上，也可开口在芯片主体的顶表面上或底表面上。开口的形状及尺寸可设置为适于外接管道。

根据优选的实施方式，在具有并联结构的流体通道的情况下，流体出口可为多个，分别对应于每个并联的子流道。在这种实施方式中，可收集各子流道的流出液体，以便对流出液进行进一步的检测、分析和比较。

流道主体

所述流道主体可以为直线型，也可以为折线型、曲线形等，如U形、S形、回形等。同一流道主体中两个相邻腔室中的流体的流动方向可具有0°～180°的之间的任何夹角。

流道主体优选地可以水平布置，但不限于此。例如，流道主体可以水平布置、垂直布置、或水平和垂直结合布置。

腔室

根据一种实施方式，所述腔室布置在不同高度上。例如参比腔室可以布置得低于样品腔室，或在其下方。

流道主体以及各个腔室的空间布置取决于芯片的整体布置和检测的需要。举例来说，如果以正电子扫描仪进行检测，因为扫描仪需布置在被测腔室的正下方，因此各个腔室最好水平布置；而PET检测仪可进行三维检测，则不同的腔室可以在不同高度上分布。

根据一种实施方式，当芯片具有多个流体通道时，对于流道主体均为直线型的情况，这些流体通道可以平行布置。当然，一个芯片中多个流体通道的流道主体的形状不必相同。

本发明所述的参比腔室允许流体通过并提供检测的参比信号。

根据一个实施方式，参比腔室包括透液屏障，并通过所述透液屏障与所述流体通道流体联通。优选地，所述参比腔室的透液屏障与其相应的样品腔室的透液屏障相同，以保证参比腔室与相应的样品腔室的检测条件相同或接近。

所述至少一个参比腔室包括用于提供前参比信号的前参比腔室。所述前参比腔室可设置在所述样品腔室上游或者与样品腔室并联设置。每个流体通道的流道主体中可以仅设置一个前参比腔室。

根据一个实施方式，所述至少一个参比腔室进一步包括对应布置在所述样品腔室下游的后参比腔室，以提供经过所述样品腔室中的待测对象的诸如吸收或代谢后的后参比信号。

本发明所述的样品腔室用于容纳待测样品/对象。

根据一个实施方式，所述至少一个样品腔室为两个或更多个并联布置的样品腔室。样品腔室的数目没有特别的限制，例如可以有2个、3个、4个、5个、10个、15个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、150个、200个等，例如，每个主题流道可以布置1个或并联布置2～100个样品腔室，但并不限于以上列举的数目。每个样品腔室都通过各自的透液屏障与所述流体通道流体联通。

各样品腔室中可以容纳相同的待测对象，也可容纳不同的待测对象。本发明中所提及的对象、样品具有相同的含义，可互换使用，均指用于研究药物代谢特性的生物、生物组织或细胞等。本发明的芯片适用于多种类型的待测对象，可以是能够固定在特定位置的对象，例如贴壁细胞；也可为非固定的对象，例如非贴壁细胞、微生物(如细菌)、生物体分离的组织块、3D细胞培养组织(如组织工程凝胶)、微小的生物(如线虫、水生生物幼虫等)、精子、卵子等等。本发明的芯片特别适合于非固定对象的检测。

优选地，本发明的芯片中同一流体通道中的参比腔室与样品腔室具有相同的尺寸，以获得可比的参比信号和检测信号。

所述腔室的形状没有特别限定，可以为立方体、圆柱体、椭圆柱体等，上述形状还可具有曲面的底部，如可具有部分球体的底部，或者所述腔室为半球体。

凸出体

根据一种实施方式，相邻且串联布置的参比腔室和样品腔室之间还可设置有高于流道主体底面的凸出体，所述凸出体的两侧面与所述流道主体的两侧壁分别连接成为一体，所述凸出体的上表面与流体通道的顶面相间隔。凸出体的上表面高于与其相邻的腔室的底面，也高于流道的其他底面。通过所述凸出体，相邻的参比腔室和样品腔室被间隔开一定距离但保持流体联通。

凸出体的设置能够尽可能减少相邻的上游腔室对下游腔室的检测产生干扰。

根据一种实施方式，所述参比腔室和所述样品腔室均由主体流道的一部分形成，通过竖直布置在主体流道横截面中的一对透液屏障限定出所述腔室的空间。

凹槽

根据一种优选的实施方式，上述每个参比腔室和样品腔室设置为由所述流道主体的一部分以及由该部分的底面向下形成的凹槽构成。透液屏障沿所述凹槽的侧壁延伸竖直设置在流道主体的横截面中，以限定出所述腔室的空间。

根据该优选的实施方式，非固定待测对象在样品腔室中由于重力作用会沉积在凹槽部分中，从而避免样品中的诸如细胞、微生物等堵塞透液屏障，造成流体流动阻力，并由此影响检测结果的准确性。此外，凹槽的设置与前述凸出体的设置类似，可以避免气泡的产生。另外，该结构中流道主体相对平直，无障碍，从而使流体的流动更为稳定。

透液屏障

本发明中提及的透液屏障是用于将样品限制在样品腔室中，但允许流体自由通过的部件。所述透液屏障根据样品腔室中容纳的待测对象不同而不同。例如可以是物理格栅、滤膜、滤网、半透膜等，但不限于此。本领域技术人员可以根据待测对象进行具体选择。透液屏障能够使流体通道中的流体自由通过，但是能阻止样品腔室中的待测对象透过屏障进入流体通道的其他部分。

芯片组件

根据一种实施方式，所述芯片为芯片组件，包括芯片主体和盖，其中，至少所述样品腔室在所述盖打开的状态下暴露在外，且所述盖可密封地附接在所述芯片主体上以封闭暴露在外的所述样品腔室。

在该实施方式中，所述盖在打开时可暴露出样品腔室，以方便加入样品；在关闭时可与芯片主体的其他部分密封接附，以便在检测过程中使流体通道中的流体仅通过流体入口和流体出口与外界联通。所述盖与芯片主体的密封接附可通过任何可行的方式实现，例如但不限于：粘结、压接等。

根据一个具体的实例，所述盖将与所述芯片主体接附的区域上预先涂覆有胶粘剂，并覆有离形纸。

根据另一个具体的实例，所述密封件也可以是能够对所述盖或所述上部和下部芯片主体施加一定压力，以使其相互紧密压接的构件，诸如(有弹簧的)锁扣、卡槽等。

此外，根据上述设置有凹槽的特定实施方式，提供另一种芯片组件，包括上部芯片主体和下部芯片主体。其中，上部芯片主体中设置所述流体入口、流体出口和流道主体，流道主体中设置包括有透液屏障的参比腔室和样品腔室的上部；下部芯片主体中对应于所述参比腔室和样品腔室设置所述凹槽。所述上部和下部在检测时密封地接附在一起，形成本发明的芯片。同样的，可通过例如但不限于上述的粘结、压接等方式将上、下两个部分接附。在该实施方式中，芯片主体的下部可在检测之前单独使用，方便加样、孵育等操作。如果出现误操作或者在可重复使用芯片的情况下也方便清除和清洗。

本发明芯片的各组件可以单独存在，也可以通过枢转装置可枢转地连接在一起。

在进一步优选的实施方式中，上部芯片主体的透液屏障单独设置为多个透液屏障插件，而上部芯片主体中相应透液屏障的位置设置为能插入所述透液屏障插件的插槽。所述透液屏障插件具有插件柄，以方便拿取；和插件体，所述插件体下部对应于流道主体截面的位置设置有透液屏障，如栅格、滤膜、滤网、半透膜等。根据一种优选的实施方式，所述插件体透液屏障上部的形状为楔形部，其横截面为诸如倒梯形的形状。这种形状可使插件体更紧密地与上部芯片主体附接，从而防止漏液。所述插件也可采用其他可与上部芯片主体密封附接的任何形状或附接方式，例如粘接等。

透液屏障插件可以灵活地使本发明的芯片中的样品腔室根据检测需要加入不同的样品，并根据样品的不同选择相应的透液屏障插件，因而进一步扩大了本发明的应用范围以及应用的灵活性。例如，在一个实例中，所述插件的透液屏障部分也可缺失，当使用这样的插件时，流道主体中不再存在透液屏障，因而这样的插件可用于参比腔室或者用于检测可附着在器壁上的样品的样品腔室。芯片材料及制备方法

可用于本发明芯片的材料是本领域公知的，例如但不限于塑料(如PVDF)、硅树脂(如PDMS)、玻璃等。

芯片制备方法本发明的芯片的制备可采用任何现有的方法。首先制备本发明芯片的各个组件，例如但不限于采用3D打印等方法，然后在检测之前将各组件组装成本发明的芯片。

实时检测系统

本发明第二方面还提供一种用于诸如细胞药代动力学的实时检测系统。所述系统包括本发明的芯片。所述系统还包括与本发明芯片的流体入口和流体出口连接的管道，分别与管道连接的流体储存容器及废液储存容器，以及检测设备。所述检测设备根据检测方法的不同而不同。例如，对于放射性物质的检测可以是诸如正电子断层扫描仪、单光子发射计算体层摄影仪、正电子相机、γ检测仪等；还可以利用光学信号例如利用折射率、化学发光、生物发光、荧光、拉曼光谱等检测，以及热透显微镜、表面等离子激元共振检测等，可使用诸如荧光分子断层扫描成像仪、契仑柯夫辐射断层扫描成像仪(Cerenkov luminescencetomography)、放射发光显微成像(Radioluminescence microscopy)等检测设备；还可利用电阻抗、电势能等电学性质采用电阻抗仪、电势能检测仪等检测设备进行检测；此外，还包括三维超声成像、光声断层扫描成像、核磁共振成像等等。

可选地，所述实时检测系统还可进一步包括诸如流体泵(如蠕动泵、注射泵、空气泵等)、控温控气系统、流量计等推动、控制、检测流体流动的设备。实时检测方法

利用本发明系统实时检测样品的药代动力学参数的方法可包括以下步骤：

提供本发明的芯片；

在所述芯片的样品腔室中加入待测样品并密闭样品腔室；

将所述芯片连接到上述检测系统中；

使含有药物的液体稳定流过芯片中的流体通道；

利用检测系统中的检测设备实时检测样品动态吸收和/或代谢药物的情况。

本发明的检测方法可参考Zhen Liu et al.,A Continuously InfusedMicrofluidic Radioassay System for the Characterization of CellularPharmacokinetics,The Journal of Nuclear Medicine,Vol.57:10,1548-1555。该文献全文通过引用并入本文。

本发明的方法可适合任何微量检测的样品。例如但不限于：(贴壁或非贴壁的)细胞、3D培养物(如组织工程凝胶)、体内分离的组织块、精子、卵子、细菌、单细胞或多细胞动物、微小的水生生物(如线虫、水生生物幼虫)等。虽然如上所述，本发明的芯片更适合于非固定在器壁上的样品，但是固定在器壁上的样品可同样用于本发明。例如，在本发明的具有凹槽的样品腔室的实施方式中，可将细胞预先培养在所述芯片主体的下部的凹槽中，这对于贴壁细胞来说也是特别方便的。因为所述芯片主体的下部可布置为类似常规的96孔培养板的阵列形式，因此方便进行大通量操作。

本发明中待检测的药物没有特别限制，可以是钙离子、放射核素标记的葡萄糖分子、核素标记的氨基酸分子等。

以下参考附图所示的示意性的示例，进一步说明本发明。通过以下说明，本发明的各方面优点将更加明显。参考图1，其中示出了本发明的第一实施方式的芯片100的示意性透视图。芯片100具有芯片主体110和设置在芯片中的流体通道120。流体通道120包括竖直向上开口于芯片主体110顶面的流体入口131和流体出口132，以及水平直线布置在流体入口131和流体出口132之间的流道主体140。流道主体140与流体入口131和流体出口132形成了供流体在其中流动的通道。在靠近流体入口131一侧的流道主体中布置有一个前参比腔室150，其包括垂直于流道主体140布置的一对透液屏障151。在靠近流体出口132一侧的流道主体中布置有一个样品腔室160，其包括垂直于流道主体140布置的一对透液屏障161。在该实施方式中，前参比腔室和样品腔室的底面、侧壁和顶壁分别由流道主体的一部分构成。

在该具体实施方式中前参比腔室和样品腔室均由一对透液屏障在流道主体中限定出具有相同尺寸的区域用于检测。

图1所示例的腔室均为立方体型，特别是直线型流道的一部分，然而腔室的形状不限于此，例如，常见的可以是圆柱形的、椭圆柱形的等等。应理解，不同的腔室形状可应用于本发明的各实施方式中。

现在参考图2，其中示出了本发明的第二实施方式的芯片200的透视图。芯片200具有芯片主体210和设置在芯片中的两个平行布置的流体通道220和220’。流体通道220和220’分别包括竖直向上开口于芯片主体210顶面的流体入口231和231’和流体出口232和232’，以及水平直线布置在流体入口231和流体出口232之间的流道主体240，以及水平直线布置在流体入口231’和流体出口232’之间的流道主体240’。与第一实施方式类似，流道主体240(240’)中布置有一个前参比腔室250(250’)，其包括一对透液屏障251(251’)和一个样品腔室260(260’)，其包括一对透液屏障261(261’)。区别在于，在前参比腔室250(250’)和样品腔室260(260’)之间还布置有凸出体270(270’)。

在该实施方式中，示例了两个直线型流道主体平行布置的情况。在具体应用中，可以有两个以上的流体通道设置在同一芯片中，而并不仅限于两个。此外，该实施方式中还在两个相邻的串联腔室之间设置了凸出体。凸出体270和270’进一步起到间隔参比腔室和样品腔室的作用。

本发明的第三实施方式示出了具有凹槽的参比腔室和样品腔室的情况。参考图4，其中示出了该实施方式的芯片300的透视图。芯片300具有芯片主体310和设置在芯片中的流体通道320。与前述具体实施方式类似，流体通道320包括竖直向上开口于芯片主体310顶面的流体入口331和流体出口332，以及水平直线布置的流道主体340。在靠近流体入口331一侧的流道主体中布置有一个前参比腔室350。前参比腔室350的上部为流道主体340的一部分，下部由一个凹槽353构成。凹槽353由流道主体的部分底面竖直向下凹陷延伸而形成。一对透液屏障351垂直于流道主体340布置在前参比腔室与流道主体邻接的部分。样品腔室360，具有与前参比腔室350相同的结构。前参比腔室350和样品腔室360具有相同的结构和尺寸，分别通过透液屏障351和361与流道主体流通联通。

在该实施方式中，样品380可沉积在样品腔室360的凹槽363中，从而避免了堵塞透液屏障361。而且，腔室的下沉结构(即，凹槽)在注入流体的过程中液面逐渐由凹槽底部升高，可逐渐将气泡赶出流体通道，因而避免了气泡的形成。

图3所示的具体示例中，凹槽是立方体型，实际上，凹槽的形状并不限于此，例如凹槽的底面可以是下凹的曲面，如球体的一部分等。具有曲面形状底面的凹槽甚至是更优选的，因为曲面更利于流体的流动。

图4中的A、B分别示出了本发明第三实施方式的变形，即分别具有U形和S形的流道主体的芯片401和402。

其中芯片401的结构除了流道主体441为U形外，其他结构与图3所示的芯片300类似。芯片402具有S形流道主体442。由于流道主体不存在直线型部分，因而前参比腔室452和样品腔室462按照流道主体的形状，其水平截面呈面积相等、形状相同的扇形。

图5则示出了本发明第三实施方式的另一种变形，为具有两个流体出口的流体通道的芯片结构的图。该图为水平并联设置流道的芯片500的俯视图。芯片500中设置有一个流体入口531和分别对应参比腔室550的流体出口532-1和对应样品腔室560的流体出口532-2。

图5仅示出了具有一个样品腔室560的情况，本领域技术人员应理解，可以设置多个并联的样品腔室(如以下参考图6所详述)。并联的流道也可以是水平和垂直混合排布的，例如参比腔室的流道如以下详述的图7B那样布置于芯片下部，而多个样品腔室可在芯片上部水平并联布置。

现在参考图6，其中示出了具有多个并联样品腔室的本发明的第四实施方式的芯片600的透视图。芯片600具有芯片主体610和设置在芯片中的一个流体通道620。本实施方式中的流体通道620具有一个前参比腔室650。在前参比腔室650下游，流道形成三个分支，分别形成三个并联子流道。每个子流道中设置有串联连接样品腔室(660、660’和660”)和后参比腔室(670、670’和670”)。

图6虽然仅示出了三个样品腔室并联的情况，但本领域技术人员应理解，多于三个样品腔室的情况也是可行的。后参比腔室根据需要可以选择性缺省。例如后参比腔室670保留，而后参比腔室670’和670”缺省。在该示例性实施方式中，示出了具有凹槽的腔室的情况，然而这种并联结构可同样地应用于本发明的其他实施方式中。

图7示出了一种具有垂直布置的流道主体的第五实施方式的芯片700的侧视图,图中箭头示出了流体的流动方向。

如图7A所示芯片700具有芯片主体710和流体通道720。流体通道720包括水平开口于芯片主体710左侧的流体入口731和水平开口与对侧的流体出口732，以及在芯片主体710的垂直方向上并联布置在流体入口731和流体出口732之间的第一子流道741和第二子流道742，它们共同构成了流道主体。在第一子流道741中布置有前参比腔室750，其包括垂直于第一子流道741布置的一对透液屏障751；在第二子流道742中布置有样品腔室760，其包括垂直于第二子流道742布置的一对透液屏障761。

图7B所示的芯片700’中，参考腔室750’和样品腔室760’仍为并联连接，但是与图5所示实施方式类似，参考腔室750’和样品腔室760’分别具有各自的流体出口732-1’和732-2’。此外，该实例示出了流道为斜角(而非直角)布置的倾斜。图中所示角度α为锐角，但是不限于此。

图7C所示的芯片700”中，参考腔室750”和样品腔室760”为串联连接，并且流体入口731’和流体出口732”开口于芯片的同一侧。该流道的布置有利于芯片的流体通道与外部管道的连接。

该实施方式的腔室布置方式适于包括三维检测设备(诸如PET)的检测系统。

图8示出的是图3的第三实施方式的芯片的具有盖的芯片组件的分解图。其中图8A为盖890，图8B为芯片主体810。芯片主体810的结构与图3所示的芯片主体310的结构大体相同，区别仅在于在参比腔室850和样品腔室860的顶面及其周围紧邻的部分流道主体的顶面暴露在外，对应缺失的部分形成为盖890。

盖890的覆盖面积可以更小，比如仅暴露出样品腔室860及其紧邻的部分。

盖的设置方便了样品的加入。加入样品后，可将盖以粘贴或压紧的方式盖在芯片主体上，以形成如图3所示的芯片300，进而进行检测。为了粘贴，可在盖890的下表面891的适当区域涂覆粘合剂并附上离型纸(未示出)，或者在芯片主体810对应盖的区域涂覆粘合剂并附上离型纸(未示出)。

图9示出的是图3的第三实施方式的芯片的另一种芯片组件的分解图。如图9所示，该实施方式的芯片组件由上部芯片主体911(图9A)和下部芯片主体912(图9B)构成。上部芯片主体和下部芯片主体可以视为是将图3中的芯片300延虚线A-A水平切割得到的上下两个不同部分。

参考图9A，上部芯片主体911包括竖直向上开口于其顶面的流体入口931和流体出口932，以及水平直线布置的流道主体940。流道主体940中设置有前参比腔室的上部952，其中包括一对透液屏障951；以及样品腔室的上部962，其中包括一对透液屏障961。

参考图9B，下部芯片主体912包括对应于上部芯片主体的前参比腔室的上部952和样品腔室的上部962设置的前参比腔室凹槽953和样品腔室凹槽963。

与图8所示的分解图类似，在最终组装之前，可将待测样品(如细胞等)加入到下部芯片主体的样品凹槽963中，然后将上部芯片主体911密封地附接在下部芯片主体912之上，从而形成图3所示的完整芯片300的结构。

同样的，可在上部芯片主体911的下表面上，或在下部芯片主体912的上表面上的适当区域涂覆粘合剂，并覆上离型纸。

现在进一步参考图10。在图9所示的上部和下部芯片主体的实施方式的基础上，图10进一步示例了将透液屏障设置为透液屏障插件的实施方式。

首先参考图10B，其中示出了一种具体的栅格插件1001。该栅格插件具有插件柄10011、楔形部10012和栅格部10013。虽然图10B示出了具体的栅格插件，本领域技术人员应理解，其中栅格部10013可设置为任何适当的透液屏障，例如但不限于滤膜、滤网、半透膜等。在特殊实例中，栅格部10013还可缺失，从而在插入后仅构成流道主体的一部分。

现在参考图10A，其中上部芯片主体和下部芯片主体已经组装在一起构成了半组装的芯片主体1010。其中下部芯片主体与图9B所示的下部芯片主体一样；而上部芯片主体中相应于透液屏障的位置形成为适合插入图10B所示的栅格插件1001的插槽1002。透液屏障(此处为栅格)的插槽1002由横截面为倒梯形的楔形空间以及其下部横截面为矩形的栅格空间构成。

在检测前，可将图10B所示的栅格插件1001逐一插入图10A所示的半组装的芯片主体1010的插槽1002中，以完成芯片1000的最终组装(参见图7C)。

以上通过具体的实施方式详述了本发明的芯片结构及其构成组件和组装方法，然而本发明的芯片显然不限于上述具体的实施方式。本领域技术人员通过阅读上述实例将理解，构成本发明芯片的各要素在一定情况下可任意组合或缺省，以适用于更广泛和灵活的情况。这些未以实例示出的芯片，在不背离本发明精神的前提下同样在本发明的范围内。

实时检测系统及方法

下面通过一个具体实例来说明包括本发明的芯片的实时检测系统以及采用该系统进行检测的方法。

本实例中的芯片为图8所示的带有盖的芯片(材质为聚甲基丙烯酸甲酯和5000目的筛网)；检测设备为PET(苏州瑞派宁(RAYCAN)科技有限公司，动物全数字Trans-PET)；检测样品为三阴乳腺癌细胞细胞系MDA-MB-231细胞悬浮液；信号源为高放射活度的核素探针(¹⁸F-FDG)。

检测按如下步骤进行：

提供芯片：首先将芯片的底座(即，芯片主体)、上盖和用于与芯片连接的管路在伽马射线下过夜消毒。

提供样品：在实验之前，将细胞沉淀用510μl PBS悬浮，取10μl悬浮液用于细胞计数，剩余作为待测样品，500μl样品中含有3×10⁴个细胞。

加样：取出经消毒的芯片底座，在参考腔室的凹槽中加入500μl PBS，然后在检测腔室的凹槽中加入上述含有悬浮细胞的PBS溶液500μl。撕掉上盖底面的离型纸，将上盖与底座对齐粘接。

将芯片连接到PCT检测系统中：用消毒好的管路连接好流体入口和流体出口。与流体入口连接的入口管路另一端与流体控制系统连接，与流体出口连接的出口管路的另一端与废液瓶连接。用流体控制系统慢速将PBS溶液对整个管路和单元进行灌注，保证PBS充满整个芯片的内部流道。将整个芯片及管路放置到PET的环状检测单元中，将芯片固定在支架上。

引入待测药物(信号源)：用PBS稀释小体积的高放射活度的核素探针。作为信号源将其置于流体控制系统中。

进行实时检测：设置PET检测的操作方式、动态成像、设定检测时间。同时启动PET的成像检测和流体泵的传输。45分钟后，按照流体的程序输入PBS，传输25分钟。完成检测。

取出细胞悬浮液，再次对细胞计数。

将废液收集装置中的液体放置到实验室的废液收集和屏蔽装置中进行衰变处置。

数据处理：对PET成像数据实时进行图像重建，然后进行图像分割。参见图11，其中示出了检测第35分钟时的实时影像(上图)和图像分割结果(下)，其中左侧为样品腔室获得的影像，右侧为参比腔室获得的影像。计算分割出感兴趣区域(Region of interest)随时间增长的定量检测值。

事先通过至少三次空白系统(仅加载核素探针而不加载样品)获得空白的实测数据，作为空白模型，计算延迟和分散方程在这套系统中有效的参数，得到修正的延迟和分散方程式。通过修正的延迟和分散方程预测样品腔室中核素探针的的动态输入值。

通过从样品腔室的整体动态数据中去除由以上空白模型预测的核素探针的动态输入值，可以从样品腔室的整体动态数据中提取出样品本体(自身)对核素探针的动态吸收曲线。

进一步的，根据所得的参考腔室的时间变化曲线和样品腔室中生物本体对核素探针的时间变化曲线数据，可以运用动力学模型对数据进行拟合，得到所测核素探针的药物代谢动力学的相关动力学参数。

参考腔室和样品腔室中时间-活度变化曲线如图12所示。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于实时动态检测的芯片，所述芯片包括芯片主体和设置在所述芯片主体中的至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有：

开口于芯片主体上的流体入口，用于向所述流体通道中引入流体；

开口于芯片主体上的流体出口，用于将所述流体导出所述流体通道；和

流道主体，所述流道主体连接所述流体入口和流体出口，其中设置有：

至少一个参比腔室，所述参比腔室流体联通地设置在所述流道主体中，和

至少一个样品腔室，所述样品腔室具有竖直设置在流道主体中的透液屏障，并且通过所述透液屏障流体联通地设置在所述流道主体中，

其中各所述参比腔室和所述样品腔室彼此之间在空间上间隔一定距离，且其中所述参比腔室具有与所述样品腔室相同的形状和尺寸；

其中，所述流道主体中，所述至少一个参比腔室和所述至少一个样品腔室串联设置或并联设置，参比腔室和样品腔室的底面的最低位置处于第二高度，所述第二高度低于与所述参比腔室和所述样品腔室相邻的流道主体的底面，从而形成向下的凹槽；且

所述流道主体水平布置，所述芯片主体由上部芯片主体、下部芯片主体和密封件构成，其中：

所述上部芯片主体中设置有所述至少一个流体通道，其中各所述流体通道设置有所述流体入口、所述流体出口和所述流道主体，所述流道主体连接所述流体入口和流体出口，其中设置有上部参比腔室和上部样品腔室，以及竖直设置在流道主体中的所述透液屏障；和

所述下部芯片主体中相应于所述上部芯片主体中所述上部参比腔室和所述上部样品腔室设置有所述凹槽，

所述上部芯片主体和所述下部芯片主体通过所述密封件密封附接后形成所述芯片；

其中所述上部芯片主体由透液屏障插件和具有相应透液屏障插槽的上部芯片主体构成。

2.根据权利要求1所述的芯片，其中所述参比腔室的透液屏障与所述样品腔室的透液屏障相同。

3.根据权利要求1所述的芯片，其中所述至少一个样品腔室为两个或更多个并联布置的样品腔室。

4.根据权利要求1所述的芯片，其中所述至少一个参比腔室包括：

一个前参比腔室，所述前参比腔室串联设置在所述样品腔室上游，或者与所述样品腔室并联设置；和

可选的，后参比腔室，所述后参比腔室串联设置在对应的样品腔室的下游。

5.根据权利要求4所述的芯片，其中所述前参比腔室与所述样品腔室并联设置，且所述前参比腔室和所述样品腔室分别设置有各自的流体出口。

6.根据权利要求1所述的芯片，其中所述流道主体为直线型、折线形或曲线形，其中两个相邻腔室中的流体的流动方向具有0°~180°的之间的夹角。

7.根据权利要求1所述的芯片，其中所述芯片主体进一步包括盖，当所述盖打开时暴露出至少包括所述样品腔室的所述流道主体的部分区域，在关闭时借助密封件密闭所暴露的区域。

8.根据权利要求7所述的芯片，其中所述盖是单独的部件或者通过枢接装置可枢转地连接在所述芯片主体上。

9.根据权利要求1所述的芯片，其中所述上部芯片主体和所述下部芯片主体是单独的部件或者通过枢接装置可枢转地连接在一起。

10.根据权利要求9所述的芯片，其中所述透液屏障插件具有插件柄、楔形部和透液屏障部，或者所述透液屏障插件仅具有插件柄、楔形部，所述楔形部具有上端部和下端部，并通过所述上端部连接所述插件柄和通过所述下端部连接所述透液屏障，所述上端部比所述下端部宽，从而当所述透液屏障插件插入相应的透液屏障插槽中时起到密封作用。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的芯片，其中所述密封件为涂覆在将要附接的任一表面的粘结剂涂层；及可选地覆盖所述涂层的离型纸。

12.一种实时检测系统，包括权利要求1-11中任一项所述的芯片。

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