CN109358189B - 一种生物芯片及其微量定量取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物芯片及其微量定量取样方法，生物芯片包括芯片基片和反应器，芯片基片内设有定量管，定量管的底部开设位于反应器上方的样本出口；定量管顶部设有定量柱塞，定量管侧壁上部开设样本注入口，还包括控制器、可驱动定量柱塞沿定量管轴向移动的驱动机构，控制器与驱动机构电连接，驱动机构与定量柱塞驱动相连。本发明将定量和取样在同一个环节完成，不需要排出空气形成负压吸取样本，直接集成在微小的生物芯片中；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；使用非接触液滴的方式将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；结构简单、成本低廉，恒定性好。

Description

一种生物芯片及其微量定量取样方法

技术领域

本发明属于生物芯片检测领域，特别涉及一种生物芯片及其微量定量取样方法。

背景技术

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。但是，现在生物芯片中的微量定量取样是一个普遍性的难题。

现有的微量定量取样结构包括定量管，使用时，首先将定量管内的空气排除，再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。

现有的这种微量定量取样结构中，定量和取样为两个独立的环节，定量之后再取样需要移位，因而很难或无法集成在微小的生物芯片中。同时这种利用空气将液体推出的方式，难免会将空气混合在液体中推出，从而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。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种生物芯片及其微量定量取样方法，将定量和取样在同一个环节完成，不需要排出空气形成负压吸取样本，微量定量取样结构直接集成在微小的生物芯片中；在取样时能够在定量管内形成不含空气的液柱，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；同时，定量精确。

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，包括芯片基片，芯片基片内设有反应器，其特点是芯片基片内还设有定量管，定量管的底部开设样本出口；所述样本出口位于反应器上方；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，还包括控制器、可驱动定量柱塞沿定量管轴向移动的驱动机构，控制器与驱动机构电连接，驱动机构与定量柱塞驱动相连。

借由上述结构，样本液体从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，由于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，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。随后，利用驱动机构驱动定量柱塞向下运动，控制定量柱塞的行程，即可按需将定量管内的样本定量推出。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；通过控制定量柱塞的行程，可在同一环节完成定量和取样过程，操作简单方便。

本发明中的微量定量指的是，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，定量管的底部为圆锥状，样本出口设于定量管底部最低点。此种形式便于样本自动进入定量管内腔并从底部样本出口排出空气，更有利于形成不含空气的样本液柱。

进一步地，还包括摄像单元，定量管由透明材料制成且定量管位于摄像单元视场范围内，摄像单元与控制器电连接。

摄像单元能够拍摄定量管内的样本图像，控制器通过拍摄的样本图像可以计算出样本的注入及推出情况，从而实现精确控制。

进一步地，还包括吹气单元，芯片基片内设有外壳，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。

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。

进一步地，外壳内设有滤血结构，滤血结构包括设于外壳内的过滤膜，外壳顶部设有开口朝上的第一腔体，外壳内设有第二腔体，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，压积腔通过过滤膜与第二腔体相连通，压积腔的体积小于第一腔体的体积，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，滤血结构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。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种生物芯片微量定量取样方法，包括以下步骤：

步骤A.将血浆样本从样本注入口注入定量管内腔；

步骤B.血浆样本达到定量管底部；

步骤C.定量柱塞沿定量管轴向向下移动，将一定量的血浆样本从定量管内推出；

步骤D.血浆样本进入反应器。

进一步地，所述步骤B中，当血浆样本到达定量管上的第一刻线时，停止向定量管内注入血浆样本，同时，定量柱塞沿定量管轴向向下移动并将血浆样本向下推动，当定量管内的血浆样本到达定量管上位于第一刻线之下的第二刻线时，即为血浆样本达到定量管底部。

进一步地，利用控制器计算将一定量血浆样本推出定量管时定量柱塞的行程，同时控制器通过驱动机构驱动定量柱塞按照计算的行程移动。

与现有技术相比，本发明将定量和取样在同一个环节完成，不需要排出空气形成负压吸取样本，微量定量取样结构直接集成在微小的生物芯片中；在取样时能够在定量管内形成不含空气的液柱，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；同时，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。

附图说明

图1为生物芯片一实施例结构示意图。

图2为图1的侧剖视图。

图3为本发明的电路模块图。

图4为微量定量取样方法流程图。

图5为微量定量取样方法的软件动作时序图。

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，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为驱动机构，12为芯片基片，13为第一刻线，14为第二刻线，15为进料口。

具体实施方式

如图1至图3所示，生物芯片包括芯片基片12，芯片基片12内设有反应器10，芯片基片12内还设有定量管4，定量管4的底部开设样本出口402；所述样本出口402位于反应器10上方；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，还包括控制器9、可驱动定量柱塞5沿定量管4轴向移动的驱动机构11，控制器9与驱动机构11电连接，驱动机构11与定量柱塞5驱动相连。定量柱塞5可根据需要选用不同的材料及厚度。

微量定量取样结构可以与反应器10联通为一个整体，也可以为两个不互联的独立部件。

定量管4外侧壁上设有第一刻线13与第二刻线14，第一刻线13位于第二刻线14上方。

定量管4的底部为圆锥状，样本出口402设于定量管4底部最低点。此种形式便于样本自动进入定量管4内腔并从底部样本出口402排出空气，更有利于形成不含空气的样本液柱。

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4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内壁具有疏水涂层。

所述定量管4的内表面为光滑面。

生物芯片还包括摄像单元8，定量管4由透明材料制成且定量管4位于摄像单元8视场范围内，摄像单元8与控制器9电连接。摄像单元8能够拍摄定量管4内的样本图像，控制器9通过接收到的样本图像可以计算出样本在定量管4内的注入及推出情况，从而实现精确控制。

生物芯片还包括吹气单元6，芯片基片12内设有外壳1，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。

在附图2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处的定量微量样本液滴吹落，既不污染样本，又保证了样本定量精度。

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7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402处粘附的液滴上部，使得液滴能够垂直落至样本出口402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。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4在外壳1内的定位。

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。

非接触式吹气辅助结构还包括摄像单元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。

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。

外壳1内设有滤血结构，滤血结构包括设于外壳1内的过滤膜2，外壳1顶部设有开口朝上的第一腔体101，外壳1内设有第二腔体102，第一腔体101与第二腔体102之间通过过滤膜2连通，其特征在于，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。

优选地，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通过过滤膜2与第二腔体102相连通。第一腔体101、压积腔103、过滤膜2、第二腔体102依次连通。压积腔103的体积小于第一腔体101的体积，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。

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。

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。驱动机构11与滤血柱塞3驱动相连。

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。随后，利用驱动机构11驱动定量柱塞5向下运动，控制定量柱塞5的行程，即可按需将定量管4内的样本定量推出。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，因而避免将带有空气的样本加入生物芯片的反应器10内，对样本的检测结果无任何不良影响；通过控制定量柱塞5的行程，可在同一环节完成定量和取样过程，操作简单方便。

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。

过滤膜2竖直设置，滤血效果最好、效率最高。

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。

驱动机构11为移动式电机。驱动机构11与滤血柱塞3、定量柱塞5的连接关系并未在附图中示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。

滤血时，利用驱动机构7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。

一种生物芯片微量定量取样方法，包括以下步骤：

步骤A.将血浆样本从样本注入口401注入定量管4内腔；

步骤B.血浆样本达到定量管4底部；

步骤C.定量柱塞5沿定量管4轴向向下移动，将一定量的血浆样本从定量管4内推出；

步骤D.血浆样本进入反应器10。

所述步骤B中，当血浆样本到达定量管4上的第一刻线13时，停止向定量管4内注入血浆样本，同时，定量柱塞5沿定量管4轴向向下移动并将血浆样本向下推动，当定量管4内的血浆样本到达定量管4上位于第一刻线13之下的第二刻线14时，即为血浆样本达到定量管4底部。

利用控制器9计算将一定量血浆样本推出定量管4时定量柱塞5的行程，同时控制器9通过驱动机构11驱动定量柱塞5按照计算的行程移动。

如图3和图4所示，本发明的具体微量定量取样方法如下：

第一，将全血样本通过进料口15注入至第一腔体101中。

第二，生物芯片送检后，由控制器9通过驱动机构11驱动滤血柱塞3向下移动。

第三，全血样本经过过滤膜2的过滤作用后，血浆样本通过第二腔体102、样本注入口401进入定量管4内腔。

第四，血浆样本到达定量管4上的第一刻线13，摄像单元8摄取到血浆样本图像并发送至控制器9，控制器9识别后，控制滤血柱塞3停止下压，过滤环节结束。

第五，控制器9通过驱动机构11驱动定量柱塞5向下移动，对血浆样本进行预压。

第六，血浆样本到达定量管4上的第二刻线14，摄像单元8摄取到血浆样本图像并发送至控制器9，控制器9识别后，控制定量柱塞5停止下压，过滤环节结束。

第七，控制器9计算取一定量血浆样本还需要定量柱塞5下压的行程，并发出指令通过驱动机构11驱动定量柱塞5按照计算出的行程值向下移动，推出需要的样本量。在本实施例中，驱动定量柱塞5的行程是根据取样量处以定量管4内腔截面积来计算的。

第八，定量血浆样本从定量管4内定量排出后，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，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 (9)

1.一种生物芯片，包括芯片基片（12），芯片基片（12）内设有反应器（10），其特征在于，芯片基片（12）内还设有定量管（4），定量管（4）的出口仅为设于定量管（4）底部的一样本出口（402）；所述样本出口（402）位于反应器（10）上方；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），还包括控制器（9）、可驱动定量柱塞（5）沿定量管（4）轴向移动的驱动机构（11），控制器（9）与驱动机构（11）电连接，驱动机构（11）与定量柱塞（5）驱动相连；

芯片基片（12）内设有外壳（1），外壳（1）内设有滤血结构，滤血结构包括设于外壳（1）内的过滤膜（2），外壳（1）顶部设有开口朝上的第一腔体（101），外壳（1）内设有第二腔体（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。

2.如权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，定量管（4）的底部为圆锥状，样本出口（402）设于定量管（4）底部最低点。

3.如权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，还包括摄像单元（8），定量管（4）由透明材料制成且定量管（4）位于摄像单元（8）视场范围内，摄像单元（8）与控制器（9）电连接。

4.如权利要求3所述的生物芯片，其特征在于，还包括吹气单元（6），芯片基片（12）内设有外壳（1），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）。

5.如权利要求1所述的生物芯片，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）通过过滤膜（2）与第二腔体（102）相连通，压积腔（103）的体积小于第一腔体（101）的体积，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。

6.如权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，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）。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的生物芯片微量定量取样方法，包括以下步骤：

步骤A.将血浆样本从样本注入口（401）注入定量管（4）内腔；

步骤B.血浆样本达到定量管（4）底部；

步骤C.定量柱塞（5）沿定量管（4）轴向向下移动，将一定量的血浆样本从定量管（4）内推出；

步骤D.血浆样本进入反应器（10）。

8.如权利要求7所述的生物芯片微量定量取样方法，其特征在于，

所述步骤B中，当血浆样本到达定量管（4）上的第一刻线（13）时，停止向定量管（4）内注入血浆样本，同时，定量柱塞（5）沿定量管（4）轴向向下移动并将血浆样本向下推动，当定量管（4）内的血浆样本到达定量管（4）上位于第一刻线（13）之下的第二刻线（14）时，即为血浆样本达到定量管（4）底部。

9.如权利要求7或8所述的生物芯片微量定量取样方法，其特征在于，利用控制器（9）计算将一定量血浆样本推出定量管（4）时定量柱塞（5）的行程，同时控制器（9）通过驱动机构（11）驱动定量柱塞（5）按照计算的行程移动。

Images