CN108519373A - 一种化学发光微流控芯片及含其的分析仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学发光微流控芯片，其包括芯片主体、以及设置在所述芯片主体上的进样口、液体驱动力入口、底物发光液入口、清洗液入口、底物发光液支通道、清洗液支通道、主流体通道和多个功能区；所述主流体通道连通所述多个功能区。本发明还公开了具有化学发光微流控芯片的分析仪器。本发明的化学发光微流控芯片通过特定的液体定量区来实现液体样品的识别定位和定量，降低了芯片的制作工艺难度，提高了检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种化学发光微流控芯片及含其的分析仪器。
背景技术
体外诊断(In Vitro Diagnosis,IVD)是指从人体中取出样本(血液、体液、组织等)进行检测分析从而对疾病进行诊断，检测过程中需要相应的仪器和试剂，而这些仪器和试剂就组成了体外诊断系统。体外诊断的系统大致分为两种；一种是以检测中心实验室为代表，它具有系统模块化、自动化，流水线式的进行样本检验，从而也具有高通量、高效率、高敏感度的优势，但是整套系统也有费用昂贵，所占体积大，需要专业人员操作的缺陷，它主要应用于大型医院。另外一种是以即时检测(point-of-care testing，POCT)为代表，它的系统具有集成化、小型化、随时随地进行样本检验，从而也具有价格实惠、操作简单，结果报告及时的优势，但是它的测试结果和中心实验室相比还存在灵敏度，稳定性不高的缺点。
对于POCT，国内外都有把微流控技术运用到体外诊断的产品中。微流控(microfluidics)是在一块具有微管道的芯片上对微流体进行控制操作的一门交叉学科，涉及到生物、化学、流体物理、电子、光学、机械工程等领域。微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)。通常把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作集中在一块芯片上，完成一个系统功能。现有的微流控芯片主要以定性检测为主，定量检测的微流控芯片较少，且现有的定量微流控芯片制备复杂，生产效率低，如公开号为“CN105214744”的中国专利申请公开了“一种磁微粒化学发光微流控芯片”，所述微流控芯片包括顶板和底板，其中，所述顶板包含气泵、加样口、样本填充区、标记配体存储池和样本混合区；所述底板包含过滤区、磁微粒包被区、清洗区、检测区、清洗液存储池、发光基底液存储池和液体释放通道；所述顶板和底板都包含液体传感装置，用来确定微流控芯片内液体的流动状态以及是否混入气泡等，此专利中的芯片采用多层结构，且其采用特定容积的容纳袋来实现液体的定量，此种定量结构虽然简单，但容纳袋表面极易出现液体挂袋现象(即将液体从容纳袋中压出时，部分液体挂留在袋中，无法保证将液体全部压出)，且容纳袋每次受到挤压的变形量都不一样，所以每次残留在容纳袋中的液体量不一致，进而液体被挤出的液体量不一样，特别是需要小量液体的时候，容纳袋的误差更加大，相对于微流控芯片，需要的都是几十微升的量，所以容纳袋的定量精准度无法达到要求，定量准确性较差，从而影响检测结果，同时容纳袋需要内置到芯片中，增加了芯片的生产难度。
发明内容
为解决上述问题，一方面本发明提供了一种化学发光微流控芯片，其可以实现精确的定量检测，且结构简单，降低了芯片的制作工艺难度。
本发明采用的技术方案为：一种化学发光微流控芯片，其包括芯片主体、以及设置在所述芯片主体上的进样口、液体驱动力入口、底物发光液入口、清洗液入口、底物发光液支通道、清洗液支通道、主流体通道和多个功能区；所述主流体通道连通所述多个功能区；
所述多个功能区包括通过所述主流体通道依次连通的酶标一抗包埋区、磁标二抗包埋区和化学发光检测区；其中，所述酶标一抗包埋区包埋有酶标一抗；所述磁标二抗包埋区包埋有磁标二抗；同时，所述磁标二抗包埋区为液体定量区；
所述进样口与所述液体驱动力入口分别与所述主流体通道连通，所述驱动力入口用于连接液体驱动装置以驱动液体流入或流出所述功能区；所述底物发光液支通道的一端与所述底物发光液入口连通，其另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口连通，底物发光液经所述底物发光液入口、底物发光液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行定量；所述清洗液支通道的一端与所述清洗液入口连通，其另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口连通，清洗液经所述清洗液入口、清洗液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行磁珠清洗。
在其中一个实施例中，所述液体驱动装置为柱塞泵。
在其中一个实施例中，所述酶标一抗包埋区也为液体定量区；芯片主体上还设有稀释液入口和稀释液支通道；所述稀释液支通道的一端与所述稀释液入口连通，其另一端与所述酶标一抗包埋区的进液口连通，样品稀释液经所述稀释液入口、稀释液支通道进入所述酶标一抗包埋区进行定量。
在其中一个实施例中，所述功能区还包括样品定量区，所述样品定量区也为液体定量区，液体样品经进样口流入所述样品定量区进行定量；所述样品定量区位于所述酶标一抗包埋区的上游；
所述化学发光微流控芯片上还设有空气入口及与其连通的空气支通道，所述空气支通道的一端与所述空气入口连通，其另一端与所述样品定量区和所述进样口之间的主流体通道连通，空气支通道的另一端与主流体通道的连通处邻近样品定量区。
在其中一个实施例中，所述液体定量区具有预定的容积，且在液体定量区的出液口处设置有液体识别位点，需定量的液体从所述液体定量区的进液口流入所述液体定量区，充满所述液体定量区后到达所述出液口。
在其中一个实施例中，液体定量区的进液口处也设置有液体识别位点。
在其中一个实施例中，所述化学发光检测区具有预定的容积，且在所述化学发光检测区的出液口处设置有液体识别位点，待检测的液体经所述化学发光检测区的进液口流入所述化学发光检测区，充满所述化学发光检测区后到达出液口，所述化学发光检测区的容积小于等于所述磁标二抗包埋区的容积。
在其中一个实施例中，所述化学发光检测区的进液口处也设置有液体识别位点；所述化学发光检测区的容积等于所述磁标二抗包埋区的容积。
在其中一个实施例中，所述液体识别位点用于定位设于所述化学发光微流控芯片外部的液体识别装置；所述液体识别装置包括光源生成模块和光电感应器；
所述液体识别位点包括用于定位所述光源生成模块的上位点和用于定位所述光电感应器的下位点，所述上位点和所述下位点分别设于所述芯片主体的外侧，所述上位点和所述下位点的位置与相应的出液口或进液口对应，以使得定位后的所述光源生成模块、相应的出液口或进液口、所述光电感应器呈垂直线依次布设。
在其中一个实施例中，所述液体定量区为六边形结构。
在其中一个实施例中，所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-3mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-3mm，高度为0.3-3mm；或
所述液体定量区的表面为经亲水性表面修饰后而形成的表面；所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm；或
所述液体定量区的表面为经疏水性表面修饰后而形成的表面，所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm。
在其中一个实施例中，所述芯片主体包括顶板和底板；所述顶板与所述底板层叠连接；所述底板为光滑的平板，所述顶板上设置有微孔、微通道或微腔体以与所述底板形成所述进样口、液体驱动力入口、底物发光液入口、清洗液入口、底物发光液支通道、清洗液支通道、主流体通道或功能区。
在其中一个实施例中，所述进样口与所述样品定量区之间设有全血过滤区，所述全血过滤区中设有全血滤膜。
在其中一个实施例中，所述磁标二抗包埋区的上方和下方各布设一个用于定位磁铁的磁铁固定位点，两个磁铁固定位点对应于所述磁标二抗包埋区的斜对角布设。
在其中一个实施例中，所述酶标一抗包埋区和所述磁标二抗包埋区之间设有第一混匀通道；所述磁标二抗包埋区和所述化学发光检测区之间设有第二混匀通道。
在其中一个实施例中，所述进样口与所述液体驱动力入口分别设置在所述主流体通道的两端。
在其中一个实施例中，所述底物发光液支通道的另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口的连通处位于与所述进液口邻近的主流体通道上。
在其中一个实施例中，所述清洗液经所述清洗液入口、清洗液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行定量；所述清洗液支通道的另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口的连通处位于与所述进液口邻近的主流体通道上。
在其中一个实施例中，所述进样口的体积为10ul-300ul；所述酶标一抗包埋区的体积为5-50ul；所述磁标二抗包埋区的体积为10-200ul；所述化学发光检测区的体积为10-200ul。
另一方面，本发明还提供了一种具有化学发光微流控芯片的分析仪器，其包括仪器框架、底物发光液存储池、清洗液存储池、液体驱动装置、磁铁、液体识别装置、检测装置和以上所述的化学发光微流控芯片；其中，所述化学发光微流控芯片安装在所述仪器框架中；所述液体驱动装置与所述化学发光微流控芯片的液体驱动力入口相连，所述底物发光液存储池与所述底物发光液入口可通断地连通，所述清洗液存储池与所述清洗液入口可通断地连通；所述检测装置用于接收处理所述化学发光检测区的化学发光信号；所述液体识别装置定位在所述液体识别位点处，所述磁铁的位置与所述磁标二抗包埋区相对应。
在其中一个实施例中，所述液体驱动装置为柱塞泵；所述底物发光液存储池、清洗液存储池上分别设有与外界空气连通的开口。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明的化学发光微流控芯片结构紧凑，例如磁标二抗包埋区不仅用于包埋磁标二抗，其作为液体定量区还可用于定量底物发光液，而无须再另行设置液体定量区，所述磁标二抗包埋区还可进一步作为用于磁珠清洗的区域，而无须再另行设置磁珠清洗区，大大节省了芯片的体积；同时，试剂存储池(如底物发光液存储池、清洗液存储池等)可外置于芯片，相对于现有技术试剂包镶嵌于芯片中，降低了芯片的制作工艺难度，提高了检测的准确性。
本发明的化学发光微流控芯片的芯片主体可包括层叠设置的顶板和底板，需要加工完成的结构均可设置的顶板上，底板仅为光滑的平板，这样可进一步降低芯片的制作工艺难度，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明提供的化学发光微流控芯片的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的液体识别装置的截面示意图；
图3是本发明提供的化学发光微流控芯片的一种实施例的传感器设置结构图；
图4是本发明提供的化学发光微流控芯片使用时磁铁设置位置的截面示意图；
图5是本发明提供的液体驱动装置的一种实施例的结构示意图；
其中，1、顶板；2、进样口、3、全血过滤区；4、样品定量区；5、酶标一抗包埋区；6、第一混匀通道；7、磁标二抗包埋区；8、第二混匀通道；9、化学发光检测区；10、稀释液入口；11、底物发光液入口；12、清洗液入口；13、液体驱动力入口；14、空气入口；15、密封垫；16、稀释液支通道；17、底物发光液支通道；18、清洗液支通道；19、柱塞泵；20、底板；21、稀释液存储池；22、底物发光液存储池；23、清洗液存储池；24、废液池；25a/25b、磁铁；26、磁珠；27、空气支通道；28、光源生成模块；29、光电感应器；191、柱塞泵的进液口；192、柱塞泵的出液口；193、柱塞；194、泵室。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参照图1～图5，本实施例提供了一种化学发光微流控芯片，其包括芯片主体、以及设置在芯片主体上的进样口2、液体驱动力入口13、底物发光液入口11、清洗液入口12、底物发光液支通道17、清洗液支通道18、主流体通道和多个功能区；下面进行详细说明。
在本实施例中，主流体通道连通多个功能区，以引导流体在功能区之间的流动。
功能区包括通过主流体通道依次连通的酶标一抗包埋区5、磁标二抗包埋区7和化学发光检测区9。
其中，酶标一抗包埋区5包埋有酶标一抗；磁标二抗包埋区7包埋有磁标二抗；磁标二抗包埋区7为液体定量区；液体定量区用于定量液体，待定量的液体(例如底物发光液)进入液体定量区后，可在液体定量区内实现定量(即得到所需用量的液体)，以与定量的液体样品或其他反应试剂反应，从而实现定量检测。
化学发光检测区9用于容置化学发光反应产物，以与外部检测装置结合完成检测过程。
在本实施例中，进样口2与液体驱动力入口13分别与主流体通道连通，驱动力入口13用于连接液体驱动装置以驱动液体流入或流出功能区；进样口2用于将液体样品引入主流体通道中，液体样品经主流体通道进入各功能区。
在本实施例中，底物发光液支通道17的一端与底物发光液入口11连通，其另一端与磁标二抗包埋区7的进液口连通，底物发光液经底物发光液入口11、底物发光液支通道17进入磁标二抗包埋区7进行定量。
清洗液支通道18的一端与清洗液入口12连通，其另一端与磁标二抗包埋区7的进液口连通，清洗液经清洗液入口12、清洗液支通道18进入磁标二抗包埋区7进行磁珠清洗。
本实施例的微流控芯片使用时，底物发光液入口11、清洗液入口12分别与底物发光液储存池22、清洗液储存池23通过阀门V2、V3可通断地连接，底物发光液储存池22、清洗液储存池23上分别设有与外界空气连通的开口；液体驱动装置安装在液体驱动力入口13处，用以驱动芯片内液体流动；磁标二抗包埋区7的外侧固定有磁铁(例如磁铁25a，25b)，以便固定磁珠26。磁标二抗包埋区为液体定量区，其可用于定量底物发光液，可选地，还可进一步用于定量清洗液。
本实施例的微流控芯片的一工作方式如下：预定量的液体样品(如经稀释液稀释后的血清或血浆)在液体驱动装置的作用下从进样口2处经主流体通道流至酶标一抗包埋区5，与其中包埋的酶标一抗混合反应，其后反应液到达磁标二抗包埋区7，与其中包埋的磁标二抗继续混合反应，在磁珠上形成双抗夹心结构的反应物，磁珠被磁铁吸附，反应物在磁珠的作用下稳定在磁标二抗包埋区7内，而其余的反应液在液体驱动装置的作用下经液体驱动力入口13排出芯片；然后，关闭芯片上的空气流入端口(如样品进口)，打开清洗液储存池23与清洗液入口12之间的阀门V3，清洗液在液体驱动装置的作用下经清洗液支通道18进入磁标二抗包埋区7以对其中的磁珠进行清洗，当磁标二抗包埋区7完成对清洗液的定量时，即可关闭清洗液储存池23与清洗液入口12之间的阀门V3，打开空气流入端口，清洗后的液体在液体驱动装置的作用下经液体驱动力入口13排出芯片，为了保证清洗效果，可反复清洗数次(磁珠清洗方式不限于此处描述的方式，也可以通过例如在清洗液中移动磁铁的方式实现磁珠的清洗)；接着关闭芯片上的空气流入端口(如样品进口)，打开底物发光液储存池22与底物发光液入口11之间的阀门V2，底物发光液在液体驱动装置的作用下经底物发光液支通道19进入磁标二抗包埋区7，当磁标二抗包埋区7完成对底物发光液的定量时，关闭底物发光液储存池22与底物发光液入口11之间的阀门V2，液体驱动装置停止驱动作用，底物发光液不再流入磁标二抗包埋区7，打开芯片上的空气流入端口(如样品进口)，定量后的底物发光液与磁珠捕获的反应物进行发光反应，之后移除磁铁，磁标二抗包埋区7中的反应液在液体驱动装置的作用下流入化学发光检测区9进行检测。
上述化学发光微流控芯片结构紧凑，例如磁标二抗包埋区不仅用于包埋磁标二抗，其作为液体定量区还可用于定量底物发光液，而无须再另行设置液体定量区，磁标二抗包埋区还可进一步作为用于磁珠清洗的区，而无须再另行设置磁珠清洗区，大大节省了芯片的体积；同时，试剂存储池(如底物发光液存储池、清洗液存储池等)可外置于芯片，相对于现有技术试剂包镶嵌于芯片中，降低了芯片的制作工艺难度，提高了检测的准确性。
应当说明的是，主流体通道和多个功能区可以通过激光加工、模型注塑加工等多种方式在芯片主体内部成形，也可通过设置为分离式的顶板和底板，在顶板或底板上加工出特定形状，然后相互封装在一起；由于前一种加工方式较为繁琐，在一个优选的实施例中，芯片主体包括顶板1和底板20；顶板1与底板20层叠连接；顶板1与底板20的连接处设置有主流体通道和多个功能区；更优选地，底板20为光滑的平板，顶板20设置微孔、微通道或微腔体以与底板配合形成进样口2、液体驱动力入口13、底物发光液入口11、清洗液入口12、底物发光液支通道17、清洗液支通道18、主流体通道或多个功能区，这样的微流控芯片制备起来更为方便，进一步降低了生产工艺难度，只需在顶板上加工所需的特定结构即可，进一步提高了生产效率。在一个实施例中，底板20为光滑的平板，顶板1上设有多个微通道以与底板20结合形成主流体通道，顶板1上设有多个微腔以与底板20结合形成多个功能区，顶板1上设有多个孔以与底板20结合形成进样口2、液体驱动力入口13、底物发光液入口11和清洗液入口12；为了便于进样，进样口2的尺寸通常大于其他入口的尺寸。
因此，上述化学发光微流控芯片的芯片主体可包括层叠设置的顶板和底板，需要加工完成的结构均可设置的顶板上，底板仅为光滑的平板，这样可进一步降低芯片的制作工艺难度，提高生产效率。
优选地，液体定量区具有预定的容积，且在液体定量区的出液口处设置有液体识别位点，需定量的液体从液体定量区的进液口流入液体定量区，充满液体定量区后到达出液口；液体识别位点用于定位或固定液体识别装置，液体识别装置用于识别液体。当液体到达出液口处时，液体识别装置可提供液体到达信号，指示液体已将液体定量区充满，此时控制液体驱动装置停止驱动液体，即可实现液体在液体定量区中的定量。化学发光微流控芯片通过特定的液体定量区结合液体驱动装置来实现液体的定量，可提高了定量的准确性。
可选地，液体定量区的进液口处也设置有液体识别位点。此液体识别位点的设置可便于对芯片内液体的流动及可能存在的气泡进行监控、控制，其还可实现两种定量液体之间的混合，比如液体样品与试剂(如反应试剂、样品处理试剂等)之间的混合。在芯片内部，若要实现两种液体的混合，需要两种液体接触，中间不存在空隙，而本发明的微流控芯片若要同时实现液体的定量以及两种液体的接触，这就要求其中一种定量后的液体停留在预定位置处，另一种液体最好从此预定位置开始流入液体定量区，在液体定量区内实现定量，而此预定位置的最佳选择即液体定量区的进液口处；在进液口处设置液体识别位点以定位液体识别装置，此液体识别装置即可提供其中一种液体的停留指示信号及另一种液体的进液信号，在液体定量区的出液口处的液体识别装置的配合下，即可实现液体的定量以及两种液体的接触。
进一步地，酶标一抗包埋区5也为液体定量区，芯片主体上还设有稀释液入口10和稀释液支通道16；稀释液支通道16的一端与稀释液入口10连通，另一端与酶标一抗包埋区5的进液口连通，样品稀释液经稀释液入口、稀释液支通道进入酶标一抗包埋区5进行定量。更进一步地，酶标一抗包埋区5的进液口和出液口处分别设置有液体识别位点，需定量的液体从其进液口流入酶标一抗包埋区5，充满酶标一抗包埋区5后到达出液口。样品稀释液不仅能够稀释液体样品(如血清、血浆等)，降低其浓度及粘稠度，其中含有的物质还可降低液体样品的本底值，使得检测更为精确，同时样品稀释液可以更好的复溶酶标一抗；在此技术方案中，酶标一抗包埋区可用于定量样品稀释液，而无需在芯片外部实现样品稀释液的定量，定量的样品稀释液可在酶标一抗包埋区与定量的液体样品进行混合，可节省人力，操作更加便捷。使用时，将稀释液入口10与稀释液储存池21通过阀门V1可通断地连接，稀释液储存池21上设有与外界空气连通的开口；预定量的液体样品(如经稀释液稀释后的血清或血浆)在液体驱动装置的作用下从进样口2处经主流体通道流至酶标一抗包埋区5的进液口处，关闭芯片上的空气入口(如样品进口)，打开稀释液储存池21与稀释液入口10之间的阀门V1，样品稀释液在液体驱动装置的作用下经稀释液支通道16进入酶标一抗包埋区5，当其充满酶标一抗包埋区5，到达酶标一抗包埋区5的出液口处时，关闭稀释液储存池21与稀释液入口10之间的阀门V1，打开空气流入端口(如样品进口)，液体样品和样品稀释液即可在液体驱动装置的负压作用下继续流动，并可在液体驱动装置的正压、负压交替作用在主流体通道、酶标一抗包埋区5中实现混合，当然也可通过设置的混合通道实现更好的混合。
可选地，化学发光检测区9具有预定的容积，且在化学发光检测区9的出液口处设置有液体识别位点，待检测的液体经化学发光检测区9的进液口流入化学发光检测区9，充满化学发光检测区9后到达出液口，化学发光检测区9的容积小于等于磁标二抗包埋区7的容积。化学发光检测区9的出液口处设置的液体识别位点可用于定位或固定液体识别装置，当底物发光液与磁珠捕获的反应物进行反应后的反应液到达化学发光检测区的出液口处时，液体识别装置发出信号，液体驱动装置控制反应液停止流动，此时即可进行检测。进一步地，化学发光检测区9的进液口处也设有液体识别位点，化学发光检测区9的容积等于磁标二抗包埋区7的容积。
可选地，为了便于液体样品、试剂(样品稀释液、底物发光液等)之间的混合，主流体通道包括第一混匀通道6和第二混匀通道8；第一混匀通道6设于酶标一抗包埋区5和磁标二抗包埋区7之间；第二混匀通道8设于磁标二抗包埋区7和化学发光检测区9之间。
可选地，进样口2与液体驱动力入口13分别设置在主流体通道的两端。
如图4所示，可选地，为了便于固定磁珠，芯片主体与磁标二抗包埋区7对应的位置处设置有磁铁固定位点；进一步地，由于磁珠的清洗可在磁标二抗包埋区7进行，为了更好地实现磁珠清洗，磁标二抗包埋区7的上方和下方各布设一个用于定位磁铁25a，25b的磁铁固定位点，两个磁铁25a，25b对应于磁标二抗包埋区7的斜对角布设。
可选地，液体驱动装置为柱塞泵19，实施例2中关于柱塞泵的描述适用于本实施例。
可选地，功能区还包括样品定量区4，样品定量区4也为液体定量区，液体样品经进样口流入样品定量区4进行定量；样品定量区4位于酶标一抗包埋区5的上游；微流控芯片上还设有空气入口14及与其连通的空气支通道27，空气支通道27的一端与空气入口14连通，另一端与样品定量区4和进样口2之间的主流体通道连通，空气支通道27的另一端与主流体通道的连通处邻近样品定量区4。在一个实施例中，此处“邻近”通常可理解为“距离样品定量区4的进液口0.5～10mm(优选为0.5～2mm)”。通过设置了样品定量区，可便于液体样品的定量，而无需在芯片外另行定量，使得芯片使用更为方便。进一步地，样品定量区4的出液口处设置有液体识别位点，需定量的液体从其进液口流入样品定量区4，充满样品定量区4后到达出液口。更进一步地，样品定量区4的进液口处也设置有液体识别位点。
微流控芯片使用时，将空气入口与芯片外部的空气管道通过阀门可通断地连接，以控制空气进入芯片内部。液体样品在液体驱动装置的作用下经进样口从样品定量区的进液口流入样品定量区内，当液体样品流至样品定量区的出液口处时，即充满样品定量区，此时位于出液口的液体识别位点上定位的液体识别装置发出指示信号，控制空气入口打开，由于空气支通道中空气的流动所需驱动力小，而液体样品的流动所需驱动力更大，因此液体样品停留在空气支通道与主流体通道的连通处不再继续流入样品定量区，即可完成液体样品在样品定量区中的定量。定量后的液体样品可在液体驱动装置的作用下继续流至酶标一抗包埋区。
可选地，液体样品为全血，进样口7与样品定量区4之间设有全血过滤区3，全血过滤区3中设有全血滤膜；当微流控芯片用于临床诊断时，全血是常见的检测样品，检测时通常需要进行全血分离以将全血中的血清或血浆分离出来，再与试剂进行反应；芯片中设置全血过滤区，便于检测使用，同时相较于先定量全血，再进行全血分离的方式，在进样口与样品定量区之间设有全血过滤区，可通过样品定量区直接定量血清或血浆的用量，测量结果更为精确。全血滤膜的材质可为玻璃纤维、棉短绒纤维、聚酯纤维、纤维或混纺纤维；可选地，全血过滤滤垫的厚度为0.2-2.5mm；全血过滤滤垫的吸附速度为4-150s/4cm，吸水性为30-250mg/cm2。
实施例3中关于液体定量区的描述适用于本实施例中的液体定量区(包括磁标二抗包埋区7、酶标一抗包埋区5和样品定量区4)的描述，在此不再赘述。
实施例4中关于液体识别位点及液体识别装置的描述适用于本实施例中液体识别位点及液体识别装置的描述，在此不再赘述。
可选地，底物发光液支通道17的另一端与磁标二抗包埋区7的进液口的连通处位于磁标二抗包埋区7的进液口的主流体通道上；在一个实施例中，此处“邻近”通常可理解为“距离磁标二抗包埋区7的进液口0.5～10mm(优选为0.5～2mm)”。
可选地，清洗液经清洗液入口12、清洗液支通道18进入磁标二抗包埋区7进行定量；清洗液支通道18的另一端与磁标二抗包埋区7的进液口的连通处位于与进液口邻近的主流体通道上；在一个实施例中，此处“邻近”理解为“距离磁标二抗包埋区7的进液口0.5～10mm(优选为0.5～2mm)”。优选地，清洗液支通道18的另一端与磁标二抗包埋区7的进液口的连通处在底物发光液支通道17的另一端与磁标二抗包埋区7的进液口的连通处的下游，这样可避免底物发光液被清洗液稀释。
可选地，稀释液支通道16的另一端与酶标一抗包埋区5的进液口的连通处位于与酶标一抗包埋区5的进液口邻近的主流体通道上；在一个实施例中，此处“邻近”理解为“距离酶标一抗包埋区5的进液口0.5～10mm(优选为0.5～2mm)”。
可选地，进样口2的体积为10ul-300ul。
可选地，全血过滤区3的出液口为三角形出液口；全血过滤区3面积为30-300mm2，宽为2-20mm，长为5-25mm，深为0.3-3mm，前端三角形的角度为15-160℃。
可选地，样品定量区4的体积为1-50ul。
可选地，酶标一抗包埋区5的体积为5-50ul。
可选地，第一混匀管道6和第二混匀管道8的宽为200-2000um，长为5mm-40mm，深为0.2-3mm。
可选地，磁标二抗包埋区7的体积为10-200ul。
可选地，化学发光检测区9的体积为10-200ul。
接下来，结合图1～图5，描述根据本发明的一种实施方式的微流控芯片的检测方法。该方法包括步骤101至步骤110，各步骤具体如下：
步骤101：将全血样本加入到进样口2，将分别与稀释液存储池21、底物发光液存储池22、清洗液存储池23、柱塞泵19、空气连通的钢针插入芯片中的密闭垫15，其中钢针分别与稀释液入口10、底物发光液入口11、清洗液入口12、液体驱动力入口13、空气入口14连接；打开电磁阀V4并由柱塞泵19产生负压吸力，将全血样品吸入全血过滤区3。
步骤102：全血样品完成过滤后的血清被吸入到样品定量区4，并由样品定量区4进液口和出液口上设置的光电感应器(a1、a2)完成血清的定量测量。
当全血样品经过光电传感器a1上方是，感应器输出电压值发生变化，给系统一个识别信号，判断液体在芯片中的流动位置。当样品经过光电传感器a2时，判断样品把样品定量区4充满，该区域的固有体积即为样品的定量值。
步骤103：封堵进样口2并打开电磁阀V5，使得血清被吸入到酶标一抗包埋区5。
步骤104：当酶标一抗包埋区5的进液口上设置的光电感应器(b1)检测到血清时，关闭电磁阀V5，打开电磁阀V1，使得外部样品稀释液从电磁阀V1进入到酶标一抗包埋区5。
步骤105：当酶标一抗包埋区5出液口上设置的光电感应器(b2)检测到外部样品稀释液时，关闭电磁阀V1，打开电磁阀V5，并通过柱塞泵19依次产生正压和负压吸力，使得血清、外部稀释液、预先包埋的酶标一抗在酶标一抗包埋区5和第一混匀管道6之间来回流动复溶，获得第一混合液。
步骤106：第一混合液被吸入到磁标二抗包埋区7，并通过第二混匀管道8使第一混合液与抗原抗体结合，形成的反应物被磁珠捕捉，磁珠被磁标二抗包埋区7外侧的磁铁吸附而稳定在磁标二抗包埋区7内，其余的反应液在柱塞泵19的负压吸力下经液体驱动力入口排出芯片，接着进行下一清洗步骤。
步骤107：关闭电磁阀V5，并打开电磁阀V3，使外部清洗液进入到磁标二抗包埋区7，并通过磁标二抗包埋区7进液口和出液口上设置的光电感应器(c1、c2)控制清洗液的注入量。
步骤108：在外部清洗液与磁珠反复清洗后，磁铁25a、25b吸附磁珠，通过柱塞泵产生负压吸力，将清洗过后的液体吸出排到外部废液池24中。
步骤109：关闭电磁阀V3，打开电磁阀V2，使外部底物发光液进入到磁标二抗包埋区7，并通过光电感应器(c1、c2)控制底物发光液的注入量。
步骤110：在底物发光液与磁珠上的抗原抗体充分反应后，获得反应液，反应液被运输到化学发光检测区9，以完成化学发光检测；其中，化学发光检测区9进液口和出液口上设置的光电感应器(d1、d2)用于检测反应液的容量及位置。
本实施例的化学发光微流控芯片中物质之间的反应原理同磁微粒免疫化学发光反应原理，即样品中的抗原通过和酶标一抗(一抗标记有HRP、AP等催化基团)结合，接着与磁标二抗(二抗被固定在磁珠上)结合形成双抗夹心复合物，磁铁吸附磁珠，清洗掉未结合的抗原和酶标一抗，加入底物反应液，一抗上标记的HRP、AP等酶基团催化底物反应液发光。发光强度和抗原的量成正比。
实施例2
请参考图5，本发明提供了可实现实施例1中所述功能的液体驱动装置。在本实施例中，液体驱动装置为柱塞泵19。
就结构而言，液体驱动装置可设置为多种，如现有的注射泵、隔膜泵、蠕动泵等，凡是能够实现将液体在压力作用下驱动至芯片内的预定区域，均应落入本发明的保护范围。注射泵、隔膜泵、蠕动泵虽然能够驱动液体流动，但它们不能很好地控制液体在特定位置停留，而柱塞泵能够较好地解决这个问题。适用于本发明的柱塞泵可为本领域技术人员所熟知的柱塞泵，其通常包括泵室194和柱塞193，泵室194上设有进液口191和出液口192，柱塞193的顶端插入泵室内，柱塞193沿着泵室194的内壁在其轴向上作往复运动；进液口191、出液口192处分别设有阀门V4、V6。由于柱塞泵被较多的应用于吸液、排液，泵室上设置的两个口通常被称为“进液口和出液口”，但需要说明的是，此处的“进液口和出液口”并不限于用于进液和出液，在本实施例中，柱塞泵工作时，进液口191处的阀门V4打开后，柱塞向下运动，此时液体临近柱塞泵进液口191的一端的压力变小，造成液体两端产生压力差，液体在压力差的作用下向进液口191方向运动，当液体到达预定位置处时，打开出液口处的阀门V6，使得芯片内部与外部大气连通，液体两侧分别在两侧空气(其中一侧的空气经出液口、进液口进入芯片内部，另一侧的空气可从空气流入端口(如进样口或另行设置的空气支通道)进入芯片内部)的作用下，压力保持平衡，液体即可停留在预定位置处。
实施例3
请参考图1和图3，本发明提供了可实现实施例1中所述功能的液体定量区。
需要说明的是，本发明的液体定量区能够实现“需定量的液体从液体定量区的进液口流入液体定量区，充满液体定量区后到达出液口”即可，其形状结构可根据需要进行选择，本发明不对此作任何限制，例如其可为管道形状、多边形形状等。
在本实施例中，液体定量区为六边形结构。具体地，液体定量区的进液口和出液口分别为六边形结构的两个对角；两个对角的角度小于120°。
可选地，液体定量区的进液口的宽度为0.3-3mm(优选为0.8-1.5mm)，高度为0.3-3mm；液体定量区的出液口的宽度为0.3-3mm(优选为0.8-1.5mm)，高度为0.3-3mm。进液口宽度过宽或过窄、高度过高或过低均不利于定量的进行，当进液口宽度过宽或高度过高时，容易造成液体无法充满液体定量区即流至其出液口，这样无法实现准确的液体定量，而当进液口宽度过窄或高度过低时，则需要相应增加长度来满足容积的要求，这样可能会导致芯片长度的增加及芯片体积的增大。
可选地，液体定量区的表面为经亲水性表面修饰后而形成的表面；液体定量区的进液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm；液体定量区的出液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm。亲水性表面修饰包括但不限于等离子、羟基化、羧基化修饰。液体定量区的表面进行亲水性修饰后，更有利于液体在腔体内的填充，此时可适当的加大液体定量区的进液口、出液口的宽度，从而可缩小液体定量区及芯片的长度。
可选地，液体定量区的表面为经疏水性表面修饰后而形成的表面，液体定量区的进液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm；液体定量区的出液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm。疏水性修饰包括但不限于疏水性物理修饰、疏水性化学修饰(如纳米粒子涂层、加长链的烷基等)。液体定量区的表面经疏水性表面修饰后，可防止液体挂壁，而且可保证液体在液体定量区内充满后到达出液口。
以上关于液体定量区的结构的描述适用于实施例1中的三个液体定量区，即磁标二抗包埋区、酶标一抗包埋区和样品定量区样品。
实施例4
请参见图2，本发明提供了可实现实施例1中所述功能的液体识别位点及液体识别装置。
需要说明的是，液体识别位点用于定位或固定液体识别装置，本发明对于液体识别装置的结构不作限制，只要能实现液体的识别即可。如公开号为“105214744A”的专利申请中公开的液体传感装置即可作为本发明的液体识别装置，但这样的液体传感装置结构较为复杂，导电针需要内置入芯片内部，并且导电针与反应液体接触，在一定情况下会影响实验结果，且芯片制备难度较大，在本实施例中提供了一种更优选的液体识别装置。
在本实施例中，液体识别位点用于定位液体识别装置，液体识别装置包括光源生成模块28和光电感应器29；液体识别位点包括用于定位光源生成模块28的上位点和用于定位光电感应器29的下位点，上位点和下位点分别设于芯片主体的外侧，上位点、相应的进液口或出液口、下位点区呈垂直线依次布设。相应地，光源生成模块28、相应的进液口或出液口、光电感应器29呈垂直线依次布设。由于液体识别装置可设于液体定量区或化学发光检测区的进液口或出液口处，因此此处的“相应的进液口或出液口”对应于液体定量区或化学发光检测区的进液口或出液口；例如，当磁标二抗包埋区的出液口设置液体识别装置时，光源生成模块、磁标二抗包埋区的出液口、光电感应器呈垂直线依次布设；当磁标二抗包埋区的进液口设置液体识别装置时，光源生成模块、磁标二抗包埋区的进液口、光电感应器呈垂直线依次布设；当样品定量区的出液口设置液体识别装置时，光源生成模块、样品定量区的出液口、光电感应器呈垂直线依次布设。
采用光学传感来对液体识别、定量和控制，相对于导电式的接触方式，此方法减少了金属对芯片内反应体系的干预，可提高检测效率，进而提高定量的准确性，同时这样的液体识别装置可设于微流控芯片外部，便于固定在仪器中，而无需设置在芯片上，降低了芯片的加工难度。使用时，只需将光源生成模块和光电感应器对准液体识别位点放置即可。具体地，芯片主体包括顶板1和底板20；顶板1与底板20层叠连接；顶板1与底板20的连接处设置有主流体通道和多个功能区；光源生成模块28设置定位在与液体定量区的进液口或出液口对应的顶板1的相应位置的正上方，光电感应器29定位在与液体定量区的进液口或出液口对应的底板20的相应位置的正下方。
光源生成模块即能够提供光源的模块，其可为LED、卤素灯、激光灯等。在光源的照射下，由于气体、液体对光的的透射率和折射率不同，照射到光电感应器的光强不同，光电感应器便可以识别气体和液体，从而辨别液体是否到感应的点位。，当液体流至进液口或出液口时，液体识别装置可进行快速识别，从而控制液体驱动装置。
实施例5
本发明的实施例还提供了一种具有微流控芯片的分析仪器，其包括仪器框架、底物发光液存储池、清洗液存储池、液体驱动装置、磁铁、液体识别装置、检测装置和以上任一实施例的化学发光微流控芯片；其中，化学发光微流控芯片安装在仪器框架中；液体驱动装置与化学发光微流控芯片的液体驱动力入口相连，底物发光液存储池与底物发光液入口可通断地连通，清洗液存储池与清洗液入口可通断地连通；检测装置用于接收处理化学发光检测区的化学发光信号；液体识别装置定位在液体识别位点处，磁铁的位置与磁标二抗包埋区相对应。
可选地，液体驱动装置为柱塞泵；底物发光液存储池、清洗液存储池上分别设有与外界空气连通的开口。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (21)
1.一种化学发光微流控芯片，其特征在于，包括芯片主体、以及设置在所述芯片主体上的进样口、液体驱动力入口、底物发光液入口、清洗液入口、底物发光液支通道、清洗液支通道、主流体通道和多个功能区；所述主流体通道连通所述多个功能区；
所述多个功能区包括通过所述主流体通道依次连通的酶标一抗包埋区、磁标二抗包埋区和化学发光检测区；其中，所述酶标一抗包埋区包埋有酶标一抗；所述磁标二抗包埋区包埋有磁标二抗；同时，所述磁标二抗包埋区为液体定量区；
所述进样口与所述液体驱动力入口分别与所述主流体通道连通，所述驱动力入口用于连接液体驱动装置以驱动液体流入或流出所述功能区；所述底物发光液支通道的一端与所述底物发光液入口连通，其另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口连通，底物发光液经所述底物发光液入口、底物发光液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行定量；所述清洗液支通道的一端与所述清洗液入口连通，其另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口连通，清洗液经所述清洗液入口、清洗液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行磁珠清洗。
2.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述液体驱动装置为柱塞泵。
3.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述酶标一抗包埋区也为液体定量区；所述芯片主体上还设有稀释液入口和稀释液支通道；所述稀释液支通道的一端与所述稀释液入口连通，其另一端与所述酶标一抗包埋区的进液口连通，样品稀释液经所述稀释液入口、稀释液支通道进入所述酶标一抗包埋区进行定量。
4.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述功能区还包括样品定量区，所述样品定量区也为液体定量区，液体样品经进样口流入所述样品定量区进行定量；所述样品定量区位于所述酶标一抗包埋区的上游；
所述化学发光微流控芯片上还设有空气入口及与其连通的空气支通道，所述空气支通道的一端与所述空气入口连通，其另一端与所述样品定量区和所述进样口之间的主流体通道连通，空气支通道的另一端与主流体通道的连通处邻近样品定量区。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述液体定量区具有预定的容积，且在液体定量区的出液口处设置有液体识别位点，需定量的液体从所述液体定量区的进液口流入所述液体定量区，充满所述液体定量区后到达所述出液口。
6.根据权利要求5所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，液体定量区的进液口处也设置有液体识别位点。
7.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述化学发光检测区具有预定的容积，且在所述化学发光检测区的出液口处设置有液体识别位点，待检测的液体经所述化学发光检测区的进液口流入所述化学发光检测区，充满所述化学发光检测区后到达出液口，所述化学发光检测区的容积小于等于所述磁标二抗包埋区的容积。
8.根据权利要求7所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述化学发光检测区的进液口处也设置有液体识别位点；所述化学发光检测区的容积等于所述磁标二抗包埋区的容积。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述液体识别位点用于定位设于所述化学发光微流控芯片外部的液体识别装置；所述液体识别装置包括光源生成模块和光电感应器；
所述液体识别位点包括用于定位所述光源生成模块的上位点和用于定位所述光电感应器的下位点，所述上位点和所述下位点分别设于所述芯片主体的外侧，所述上位点和所述下位点的位置与相应的出液口或进液口对应，以使得定位后的所述光源生成模块、相应的出液口或进液口、所述光电感应器呈垂直线依次布设。
10.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述液体定量区为六边形结构。
11.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-3mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-3mm，高度为0.3-3mm；或
所述液体定量区的表面为经亲水性表面修饰后而形成的表面；所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-5mm，高度为0.3-3mm；或
所述液体定量区的表面为经疏水性表面修饰后而形成的表面，所述液体定量区的进液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm；所述液体定量区的出液口的宽度为0.3-2mm，高度为0.3-3mm。
12.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述芯片主体包括顶板和底板；所述顶板与所述底板层叠连接；所述底板为光滑的平板，所述顶板上设置有微孔、微通道或微腔体以与所述底板形成所述进样口、液体驱动力入口、底物发光液入口、清洗液入口、底物发光液支通道、清洗液支通道、主流体通道或功能区。
13.根据权利要求4所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述进样口与所述样品定量区之间设有全血过滤区，所述全血过滤区中设有全血滤膜。
14.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述磁标二抗包埋区的上方和下方各布设一个用于定位磁铁的磁铁固定位点，两个磁铁固定位点对应于所述磁标二抗包埋区的斜对角布设。
15.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述酶标一抗包埋区和所述磁标二抗包埋区之间设有第一混匀通道；所述磁标二抗包埋区和所述化学发光检测区之间设有第二混匀通道。
16.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述进样口与所述液体驱动力入口分别设置在所述主流体通道的两端。
17.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述底物发光液支通道的另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口的连通处位于与所述进液口邻近的主流体通道上。
18.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述清洗液经所述清洗液入口、清洗液支通道进入所述磁标二抗包埋区进行定量；所述清洗液支通道的另一端与所述磁标二抗包埋区的进液口的连通处位于与所述进液口邻近的主流体通道上。
19.根据权利要求1所述的化学发光微流控芯片，其特征在于，所述进样口的体积为10ul-300ul；所述酶标一抗包埋区的体积为5-50ul；所述磁标二抗包埋区的体积为10-200ul；所述化学发光检测区的体积为10-200ul。
20.一种具有化学发光微流控芯片的分析仪器，其特征在于，包括仪器框架、底物发光液存储池、清洗液存储池、液体驱动装置、磁铁、液体识别装置、检测装置和权利要求1～19中任一项所述的化学发光微流控芯片；其中，所述化学发光微流控芯片安装在所述仪器框架中；所述液体驱动装置与所述化学发光微流控芯片的液体驱动力入口相连，所述底物发光液存储池与所述底物发光液入口可通断地连通，所述清洗液存储池与所述清洗液入口可通断地连通；所述检测装置用于接收处理所述化学发光检测区的化学发光信号；所述液体识别装置定位在所述液体识别位点处，所述磁铁的位置与所述磁标二抗包埋区相对应。
21.根据权利要求20所述的具有化学发光微流控芯片的分析仪器，其特征在于，所述液体驱动装置为柱塞泵；所述底物发光液存储池、清洗液存储池上分别设有与外界空气连通的开口。
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