CN109238777A - 生物芯片微量定量取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物芯片微量定量取样系统，包括定量管，定量管的底部开设样本出口；还包括外壳、吹气单元、摄像单元和控制器，外壳上设有安装通孔，定量管下段伸入安装通孔内，外壳侧壁上开设连通吹气单元出气口与定量管下段的吹气通孔，定量管下段与安装通孔之间形成连通吹气通孔与样本出口外壁的过气通道；样本出口位于摄像单元视场范围内，摄像单元与吹气单元均与控制器电连接；控制器用于根据液滴图像计算液滴体积并根据液滴体积控制吹气单元的输出量。本发明使用非接触液滴的方式将粘附悬挂在定量管末端样本出口的定量样本液滴吹落入生物芯片反应器内，不会污染样本，样本定量精度高；同时结构简单、成本低廉，恒定性好。

Description

生物芯片微量定量取样系统

技术领域

本发明属于生物芯片检测技术领域，特别涉及一种生物芯片微量定量取样系统。

背景技术

现有的微量液体取样结构包括定量管，使用时，首先将定量管内的空气排除，在利用负压原理从某种容器中定量吸取微量的液体至定量管，然后将定量管移位（移动或是旋转）至指定位置，再利用空气将液体推出定量管，达到取样的目的。

生物芯片技术在近20年得到了快速发展，尤其是微流控技术、新材料技术以及人工智能技术的快速发展，使得生物芯片技术逐渐走向产业化。

在微小的生物芯片中，不能从下往上抽取液体，因而只能将液体样本从芯片上方定量加入，即将样本加入定量管后，再将样本定量从定量管底部开设的样本出口推出定量管，最终样本落入定量管下方的反应器内。

为提高取样效率，往定量管内加样时可以一次性加入满足一次或多次测试用样本量，测试时可以根据每次测试时的需求定量将样本从定量管中推出，在这种情形下，由于定量管内存在较多液体，因而无法利用空气推出液体。因为生物芯片每次检测时所需要的样本量为微量（50微升以下），微量液体从定量管内推出后，经过定量的微量样本液滴会粘附悬挂在样本出口处，由于微量定量样本液滴自重非常小，因而不能依靠自重自动落到反应器中，若使用接触液滴的方式使残存的液滴落入反应器内，由于液体粘连并不可避免会粘附在接触式取样辅助结构上，因而使用接触式取样辅助结构不仅会污染样本，还会影响样本的定量精度。

此外，现有的这种微量液体取样结构在取样过程中需要移位，因而很难或无法集成在微小的生物芯片中。同时这种方式容易将空气吸入定量管，从而难免会将空气混合在液体中推出，将空气带入生物芯片的反应器内，影响生物芯片对样本的检测结果。

此外，在现有技术中，生物芯片检测用到的血浆样本制备都是采用垂直滤血形式的滤血结构，滤血结构包括外壳，外壳内设有水平放置的过滤膜，外壳顶部设有开口朝上的第一腔体，外壳内设有位于第一腔体正下方的第二腔体，第一腔体与第二腔体之间通过过滤膜连通。滤血时，首先将全血加入第一腔体，然后对第一腔体密闭加压，分子小的血浆将穿过第一腔体下方的过滤膜进入第二腔体，分子大的红细胞将滞留在第一腔体内，从而达到滤血的目的。

上述这种垂直滤血结构中，由于红细胞滞留在第一腔体内并会沉积在第一腔体的底部的过滤膜上，随着滤血的进行，第一腔体内红细胞的浓度越来越高，从而容易堵塞过滤膜造成滤血不充分，过滤单位量的样本需要的时间变长，效率降低，甚至有可能压破红细胞，造成样本失效。

发明内容

现有技术中，使用接触液滴的方式使粘附悬挂在定量管末端样本出口的定量微量样本液滴落入生物芯片反应器内，不仅会污染样本，还会影响样本的定量精度。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种生物芯片微量定量取样系统，使用非接触液滴的方式将粘附悬挂在定量管末端样本出口的定量微量样本液滴吹落入生物芯片反应器内，不会污染样本，样本定量精度高；同时结构简单、成本低廉，恒定性好；此外，不需要排出空气形成负压吸取样本，容易直接集成在微小的生物芯片中；在进样时能够在定量管内形成一段不含空气的液柱，避免将空气夹杂在样本中带入生物芯片的反应器内，对样本的检测结果无任何不良影响；同时，血浆样本制备时红细胞不易堵塞过滤膜，滤血充分，滤血时间短、效率高，红细胞被压迫风险低。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种生物芯片微量定量取样系统，包括定量管，定量管的底部开设样本出口；其结构特点是还包括外壳、吹气单元、摄像单元和控制器，外壳上设有安装通孔，定量管下段伸入该安装通孔内，外壳侧壁上开设连通吹气单元出气口与定量管下段的吹气通孔，定量管下段与安装通孔之间形成连通吹气通孔与样本出口外壁的过气通道；样本出口位于摄像单元视场范围内，摄像单元与吹气单元均与控制器电连接；摄像单元用于采集样本出口处的液滴图像，控制器用于根据液滴图像计算液滴体积并根据液滴体积大小控制吹气单元的输出量，以使得样本出口处不同大小的定量样本液滴均能被竖直吹落。

在每次定量管定量推出样本液体后，定量微量样本液滴粘附悬挂在样本出口处。此时，利用吹气单元依次通过吹气通孔和过气通道向样本出口方向吹气，从而可以将粘附在样本出口处的定量微量样本液滴吹落，既不污染样本，又保证了样本定量精度。

摄像单元能够拍摄样本出口处的液滴图像，同时摄像单元将采集的数据发送至控制器，控制器根据图像处理方法计算出液滴的体积，控制器根据液滴的体积控制吹气单元的输出量。液滴体积大，则吹气单元吹气量大、气压大、时间长；液滴体积小，则吹气单元吹气量小、气压小、时间短。利用控制器根据液滴体积自动控制吹气，可以保证不同大小的样本液滴均能被精准竖直吹落。

本发明的微量定量指的是，每次从定量管样本出口中推出的取样样本量为3 ul到100ul。

作为一种优选方式，所述安装通孔为上大下小的圆锥孔。

上述结构形成的过气通道能够改变空气的流动方向，有效地收拢气流，使得空气集中气流吹向样本出口处粘附的液滴上部，使得液滴能够垂直落至样本出口下方指定区域内，不会被吹散，进一步保证样本定量精度。

作为一种优选方式，定量管外侧壁中段与外壳相贴合。

作为一种优选方式，定量管中段还设有用于防止空气向上流动的台阶部。

上述结构的定量管一方面能够防止空气向上方流动，另一方面还能够保证定量管在外壳内的定位。

作为一种优选方式，所述吹气单元包括气泵、与气泵出气口相连的气管，气泵的控制端与控制器的输出端电连接，气管的出气口与吹气通孔相对。

进一步地，还包括滤血结构，所述定量管顶部设有对定量管内腔密封封口的定量柱塞，所述定量管侧壁上部开设与定量管内腔相通的样本注入口；滤血结构的血浆出口与样本注入口相连通。

借由上述结构，滤血结构将全血过滤得到血浆样本后，血浆样本从滤血结构的血浆出口通过样本注入口注入到定量管内腔，由于定量管上端密封、下端开口，样本自动进入定量管内腔，样本注入过程中，定量管内的空气被样本持续从样本出口推出，控制注入定量管内腔的样本量，最终在定量管内形成一段不含空气的样本液柱，为精准定量取样提供可能。最后，向下按压定量柱塞，即可按需将定量管内的样本推出。本发明由于不需要排出空气形成负压吸取样本，因而容易直接集成在微小的生物芯片中；由于能够在定量管内形成不含空气的液柱，因而避免将带有空气的样本加入生物芯片的反应器内，对样本的检测结果无任何不良影响。

作为一种优选方式，在初始进样状态下，定量柱塞底面与样本注入口最高点共面；或者定量柱塞底面位于样本注入口最高点与最低点之间。

当定量柱塞底面位于样本注入口最高点与最低点之间时，更有利于形成不含空气的样本液柱。

作为一种优选方式，样本注入口开口高度为1mm~2.5mm，定量管的中段和上段的管径为0.5mm~3.5mm。定量管的管径根据流体（血浆）的粘度设计，便于样本注入时空气排出。

进一步地，所述滤血结构包括设于外壳内的过滤膜、开口朝上的第一腔体、第二腔体，第一腔体与第二腔体之间通过过滤膜连通，过滤膜与水平面之间垂直；第二腔体与样本注入口相连通。

借由上述结构，由于过滤膜与水平面之间垂直，相对于现有技术中的过滤膜水平放置，本发明中的过滤膜竖直设置在第一腔体侧边。在滤血过程中，即使红细胞滞留在第一腔体内，由于过滤膜竖直设置，由于红细胞沉积在第一腔体底部，因而红细胞不易堵塞设置在第一腔体侧边的过滤膜，因而血浆通过过滤膜比较通畅，滤血充分，滤血时间短、效率高，同时红细胞被压迫风险低。

进一步地，外壳内还设有压积腔，压积腔与第一腔体底部相连通，压积腔的体积小于第一腔体的体积，压积腔通过过滤膜与第二腔体相连通，压积腔的体积大于或等于待过滤全血中红细胞的总体积。

借由上述结构，第一腔体底部与压积腔相连通，第一腔体内的待过滤全血持续往压积腔内输送，然后血浆穿过过滤膜进入第二腔体，红细胞滞留在压积腔内，达到滤血目的。由于压积腔的体积大于或等于待过滤全血中红细胞的总体积，因而在滤血过程中，红细胞沉积在压积腔底部，压积腔上部空间留出用于接纳新注入的全血，过滤膜更加不易被红细胞堵塞，滤血更通畅。

进一步地，还包括可对第一腔体顶部开口密封封口的滤血柱塞。

滤血时，利用驱动机构对滤血柱塞施加驱动力，从而滤血柱塞对第一腔体密闭加压，促使全血往过滤膜方向流动，达到滤血目的。工作时，滤血柱塞压不到压积腔中，因为多余的样本血浆从过滤膜过滤至第二腔体了，全血体积减小，所以压积腔处于无压力状态，不存在压迫红细胞的风险。

作为一种优选方式，所述压积腔与过滤膜相接侧面的最高点与其相对侧面的最高点在同一水平面上；或者，所述压积腔与过滤膜相接侧面的最高点高于其相对侧面的最高点。

压积腔与过滤膜相接侧面的最高点高于其相对侧面的最高点情况下，过滤膜更不易被堵塞。

与现有技术相比，本发明使用非接触液滴的方式将粘附悬挂在定量管末端样本出口的定量微量样本液滴吹落入生物芯片反应器内，不会污染样本，样本定量精度高；同时结构简单、成本低廉，恒定性好；不需要排出空气形成负压吸取样本，容易直接集成在微小的生物芯片中；在进样时能够在定量管内形成一段不含空气的液柱，避免将空气夹杂在样本中带入生物芯片的反应器内，对样本的检测结果无任何不良影响；同时，血浆样本制备时红细胞不易堵塞过滤膜，滤血充分，滤血时间短、效率高，红细胞被压迫风险低，样本不易被污染，尤其适用于生物芯片血浆测试样本的制备，大大降低了测试成本，提高了测试效率。

附图说明

图1为生物芯片微量定量取样系统一实施例结构示意图。

其中，1为外壳，101为第一腔体，102为第二腔体，103为压积腔，105为安装通孔，106为吹气通孔，2为过滤膜，3为滤血柱塞，4为定量管，401为样本注入口，402为样本出口，403为台阶部，5为定量柱塞，6为吹气单元，7为过气通道，8为摄像单元，9为控制器，10为反应器，11为加样通道。

具体实施方式

如图1所示，生物芯片微量定量取样系统包括定量管4，定量管4的底部开设样本出口402；还包括外壳1、吹气单元6、摄像单元8和控制器9，外壳1上设有安装通孔105，定量管4下段伸入该安装通孔105内，外壳1侧壁上开设连通吹气单元6出气口与定量管4下段的吹气通孔106，定量管4下段与安装通孔105之间形成连通吹气通孔106与样本出口402外壁的过气通道7；样本出口402位于摄像单元8视场范围内，摄像单元8与吹气单元6均与控制器9电连接；摄像单元8用于采集样本出口402处的液滴图像，控制器9用于根据液滴图像计算液滴体积并根据液滴体积大小控制吹气单元6的输出量，以使得样本出口402处不同大小的定量样本液滴均能被竖直吹落。

在附图1中，吹气单元6的出气口设置于吹气通孔106侧面，实际上，吹气单元6的出气口可以根据实际情况设定，即，可以根据实际情况调节吹气单元6出气口与外壳1之间的距离，可以根据实际情况设定吹气单元6的出气口是否需要伸入外壳1内部。同时，吹气单元6出气口的吹气方向也可以根据需要设置，吹气方向可以为吹气通孔上下左右的各个方向，可以横向吹气，也可以竖向吹气，也可以倾斜吹气。

在每次定量管4定量推出样本液体后，定量微量样本液滴粘附悬挂在样本出口402处。此时，利用吹气单元6依次通过吹气通孔106和过气通道7向样本出口402方向吹气，从而可以将粘附在样本出口402处的定量样本液滴吹落，既不污染样本，又保证了样本定量精度。

摄像单元8能够拍摄样本出口402处的液滴图像，同时摄像单元8将采集的数据发送至控制器9，控制器9根据图像处理方法计算出液滴的体积，控制器9根据液滴的体积控制吹气单元6的输出量，可以保证不同大小的样本液滴均能被精准竖直吹落。液滴体积大，则吹气单元6吹气量大、气压大、时间长；液滴体积小，则吹气单元6吹气量小、气压小、时间短。

液滴被吹落后，会有一小部分残留在定量管4的末端（空气不能完全吹走所有的液体），但是这一部分残留每次都是稳定的，在定量管4定量排出样本的时候包含了这一部分残留，从而不影响定量精度。

所述安装通孔105为上大下小的圆锥孔。

上述结构形成的过气通道能够改变空气的流动方向，有效地收拢气流，使得空气集中气流吹向样本出口处粘附的液滴上部，使得液滴能够垂直落至样本出口下方指定区域内，不会被吹散，进一步保证样本定量精度。

定量管4外侧壁中段与外壳1相贴合。

定量管4中段还设有用于防止空气向上流动的台阶部403。

上述结构的定量管一方面能够防止空气向上方流动，另一方面还能够保证定量管在外壳内的定位。

生物芯片微量定量取样系统还包括摄像单元8和控制器9，样本出口402位于摄像单元8视场范围内，摄像单元8与吹气单元6均与控制器9电连接。

所述吹气单元6包括气泵、与气泵出气口相连的气管，气泵的控制端与控制器9的输出端电连接，气管的出气口与吹气通孔106相对。

本发明还包括滤血结构，所述定量管4顶部设有对定量管4内腔密封封口的定量柱塞5，所述定量管4侧壁上部开设与定量管4内腔相通的样本注入口401；滤血结构的血浆出口与样本注入口401相连通。定量柱塞5可根据需要选用不同的材料及厚度。

滤血结构将全血过滤得到血浆样本后，血浆样本从滤血结构的血浆出口通过样本注入口401注入到定量管4内腔，由于定量管4上端密封、下端开口，样本自动进入定量管4内腔，样本注入过程中，定量管4内的空气被样本持续从样本出口402推出，控制注入定量管4内腔的样本量，最终在定量管4内形成一段不含空气的样本液柱，为精准定量取样提供可能。最后，向下按压定量柱塞5，即可按需将定量管4内的样本推出。本发明由于不需要排出空气形成负压吸取样本，因而容易直接集成在微小的生物芯片中；由于能够在定量管4内形成不含空气的液柱，因而避免进样时样本夹杂空气进入生物芯片的反应器内，对样本的检测结果无任何不良影响。

在初始进样状态下，定量柱塞5底面与样本注入口401最高点共面；或者定量柱塞5底面位于样本注入口401最高点与最低点之间。当定量柱塞5底面位于样本注入口401最高点与最低点之间时，更有利于形成不含空气的样本液柱。

样本注入口401开口高度为1mm~2.5mm，定量管4的中段和上段的管径为0.5mm~3.5mm。定量管的管径根据流体（血浆）的粘度设计，便于样本注入时空气排出。除实施例中所述的结构外，定量管5还可以采用其它结构，如长方体结构。

所述定量管4由疏水材料制作而成，或者定量管4内壁设有疏水涂层。

所述定量管4的内表面为光滑面。

所述滤血结构包括设于外壳1内的过滤膜2、开口朝上的第一腔体101、第二腔体102，第一腔体101与第二腔体102之间通过过滤膜2连通，过滤膜2与水平面之间垂直；第二腔体102与样本注入口401相连通。

外壳1内还设有压积腔103，压积腔103与第一腔体101底部相连通，压积腔103的体积小于第一腔体101的体积，压积腔103通过过滤膜2与第二腔体102相连通，压积腔103的体积大于或等于待过滤全血中红细胞的总体积。

通过对过滤得到血浆量的需求，可以计算待过滤全血的体积，进而得到全血中红细胞的总体积。例如：若需要20微升的血浆，由于人的全血中大概只有40~50%的血浆，那么至少需要50微升的全血，50微升的全血中有25~30微升的红细胞，因而压积腔103的体积为25~30微升或稍大于此值。

压积腔103可以为正方体、长方体等规则形状，也可以为不规则形体。

由于过滤膜2与水平面之间垂直，相对于现有技术中的过滤膜2水平放置，本发明中的过滤膜2竖直设置在压积腔103侧边。第一腔体101底部与压积腔103相连通，第一腔体101内的待过滤全血持续往压积腔103内输送，然后血浆穿过过滤膜2进入第二腔体102，红细胞滞留在压积腔103内，达到滤血目的。

由于压积腔103的体积大于或等于待过滤全血中红细胞的总体积，因而在滤血过程中，红细胞沉积在压积腔103底部，压积腔103上部空间留出用于接纳新注入的全血，由于过滤膜2竖直设置在压积腔103侧边，过滤膜2不易被红细胞堵塞，滤血更通畅，滤血充分，滤血时间短、效率高，同时红细胞被压迫风险低。

滤血结构还包括可对第一腔体101顶部开口密封封口的滤血柱塞3。

滤血时，首先从加样通道11将全血注入第一腔体101，然后利用驱动机构对滤血柱塞3施加驱动力，从而滤血柱塞3对第一腔体101密闭加压，促使全血往过滤膜2方向流动，达到滤血目的。工作时，滤血柱塞3压不到压积腔103中，因为多余的样本血浆从过滤膜2过滤至第二腔体102了，全血体积减小，所以压积腔103处于无压力状态，不存在压迫红细胞的风险。

压积腔103上与过滤膜2相接侧面的最高点相对水平面的高程为a，压积腔103上与过滤膜2相对侧面的最高点相对水平面的高程为b，在本实施例中，a=b。

a还可以大于b，此种情况在附图中未示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。在a＞b时，过滤膜2更不易被堵塞。

所述外壳1上开设用于插装所述过滤膜2的插入口。所述插入口开设于外壳1侧壁，插入口还可以开设于外壳1顶部或底部。过滤膜2周边用软胶包边处理，安装的时候，过滤膜2与插入口侧壁过盈配合，起到密封作用，防止样本侧漏外溢。

当本发明应用在生物芯片中时，生物芯片包括开口朝上的反应器10，还包括所述的生物芯片微量定量取样系统，所述样本出口402位于反应器10上方。

本发明的工作过程如下：

当定量管4内进样完成后，首先将单次测试所需样本从定量管4内定量排出，定量管4的样本出口402处粘附形成微量定量（小于50微升）的样本液滴，液滴悬挂在样本出口402处。控制气泵出气口吹出空气，吹出的空气经过吹气通孔106后，由于有台阶部403的阻挡，只能向下方流动。向下方流动的空气经过过气通道7的收拢作用后，集中吹向液滴上部，从而使得液滴垂直向下落入反应器10内，液滴不会被吹散飞溅出反应器10或吹向反应器10侧壁，保证样本定量精度。

其中，气泵的输出量由控制器9根据摄像单元8采集的液滴图像计算出的液滴体积控制。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物芯片微量定量取样系统，包括定量管（4），定量管（4）的底部开设样本出口（402）；其特征在于，还包括外壳（1）、吹气单元（6）、摄像单元（8）和控制器（9），外壳（1）上设有安装通孔（105），定量管（4）下段伸入该安装通孔（105）内，外壳（1）侧壁上开设连通吹气单元（6）出气口与定量管（4）下段的吹气通孔（106），定量管（4）下段与安装通孔（105）之间形成连通吹气通孔（106）与样本出口（402）外壁的过气通道（7）；样本出口（402）位于摄像单元（8）视场范围内，摄像单元（8）与吹气单元（6）均与控制器（9）电连接；摄像单元（8）用于采集样本出口（402）处的液滴图像，控制器（9）用于根据液滴图像计算液滴体积并根据液滴体积大小控制吹气单元（6）的输出量，以使得样本出口（402）处不同大小的定量样本液滴均能被竖直吹落。

2.如权利要求1所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，所述安装通孔（105）为上大下小的圆锥孔。

3.如权利要求1所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，定量管（4）外侧壁中段与外壳（1）相贴合。

4.如权利要求1所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，定量管（4）中段还设有用于防止空气向上流动的台阶部（403）。

5.如权利要求1至4任一项所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，所述吹气单元（6）包括气泵、与气泵出气口相连的气管，气泵的控制端与控制器（9）的输出端电连接，气管的出气口与吹气通孔（106）相对。

6.如权利要求1所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，还包括滤血结构，所述定量管（4）顶部设有对定量管（4）内腔密封封口的定量柱塞（5），所述定量管（4）侧壁上部开设与定量管（4）内腔相通的样本注入口（401）；滤血结构的血浆出口与样本注入口（401）相连通。

7.如权利要求6所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，在初始进样状态下，定量柱塞（5）底面与样本注入口（401）最高点共面；或者定量柱塞（5）底面位于样本注入口（401）最高点与最低点之间。

8.如权利要求6所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，样本注入口（401）开口高度为1mm~2.5mm，定量管（4）的中段和上段的管径为0.5mm~3.5mm。

9.如权利要求6至8任一项所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，所述滤血结构包括设于外壳（1）内的过滤膜（2）、开口朝上的第一腔体（101）、第二腔体（102），第一腔体（101）与第二腔体（102）之间通过过滤膜（2）连通，过滤膜（2）与水平面之间垂直；第二腔体（102）与样本注入口（401）相连通。

10.如权利要求9所述的生物芯片微量定量取样系统，其特征在于，外壳（1）内还设有压积腔（103），压积腔（103）与第一腔体（101）底部相连通，压积腔（103）的体积小于第一腔体（101）的体积，压积腔（103）通过过滤膜（2）与第二腔体（102）相连通，压积腔（103）的体积大于或等于待过滤全血中红细胞的总体积。