CN109603936B - 一种用于结核检测的弹性微流控芯片 - Google Patents

一种用于结核检测的弹性微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于结核检测的弹性微流控芯片，包括下底板、PDMS弹性反应腔和顶层芯片模块；顶层芯片模块由过滤层、下层双面胶、混合层、上层双面胶、上封闭片和橡胶塞六个部分组成。此微流控芯片能够实现：待测全血样品的血浆分离、血浆与样本稀释液同步混合及稀释样品的体积定量与检测。在顶层芯片模块中，将稀释样品驱动至芯片检测区域中的侧向流荧光纸条上，完成免疫层析反应，通过让多个样品培养液同时进行免疫层析反应，读取其对应的荧光纸条上的测试线与控制线的信号，由此可以实现结核检测结果的阴阳性判读。本发明具有体积小、结构简单、操作方便、成本低等优点，为实现一体化现场快速结核检测打下了良好的基础。

Description

一种用于结核检测的弹性微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控技术和结核检测领域，特别涉及一种用于结核检测的弹性微流控芯片及其应用。
背景技术
结核病一直都作为最主要危及人类健康的传染性疾病。长期以来，结核病的诊断主要沿用经典的痰涂片抗酸杆菌染色及胸部X线检查等手段，由于痰涂片检查阳性率较低，胸部X线的分辨率较低，无法诊断出早期结核病例。尤其是，针对早期的结核病人，由于结核感染区域较小，X线往往难以准确识别。因此，实现早期结核准确诊断的方法具有重要的临床应用价值。新型的结核检测方法涉及到样品培养、预处理、反应过程、信号读取、阴阳性判读等多个步骤，同时涉及到多个检测仪器的配合使用，反应过程繁琐，操作复杂，检测时间长，检测成本高，不利于结核检测方法的应用于推广。
微流控系统通过集成化的微流控芯片与配套仪器，能够实现检测过程的自动化与智能化，实现在封闭环境中，高效而准确的疾病监测，无交叉污染，且将对环境的影响降到最小。因此，将微流控技术应用于结核的自动化检测，对于进一步提升结核检测医疗设备的整体水平具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于结核检测的弹性微流控芯片，微流控芯片能够实现：待测全血样品的血浆分离、血浆与样本稀释液同步混合及稀释样品的体积定量与检测。本结核检测微流控芯片系统实现了从样品处理到结核检测的一体化、自动化、集成化和便携化，显著降低了结核检测复杂度。
实现上述目的的技术方案是，一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其组成包括：下底板、PDMS弹性反应腔和顶层芯片模块，其中，顶层芯片模块由过滤层、下层双面胶、混合层、上层双面胶、上封闭片和橡胶塞六个部分组成。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，下底板位于芯片底部，下底板上有多个圆柱体。PDMS弹性反应腔位于下底板的上方，结构为空心圆柱体。下底板上的圆柱体与PDMS弹性反应腔之间实现紧配合，用于固定PDMS弹性反应腔的位置。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，顶层芯片模块位于PDMS弹性反应腔的上方，加样孔是顶层芯片模块内的通孔，其圆心与PDMS弹性反应腔同心。下底板、多个PDMS弹性反应腔和顶层芯片模块通过氧离子键合方式键合为一体，形成一个完整的弹性微流控芯片。芯片中，PDMS弹性反应腔用于存储全血样品和样本稀释液，同时用于全血样品的预处理，包括但不限于全血样品的培养与温育。PDMS弹性反应腔通过顶层芯片模块上的加样孔与外界连通，同时，全血样品和样本稀释液通过顶层芯片模块上的加样孔加入至芯片内的PDMS弹性反应腔中。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，多个PDMS弹性反应腔可以是PDMS材料，或者其它类型的弹性材料。PDMS弹性反应腔的容积和弹性根据实际需求可进行调整。通过外力从上往下挤压芯片，外力从顶层芯片模块传至PDMS弹性反应腔，使芯片中的多个PDMS弹性反应腔在轴线方向上发生连续相同程度的形变，从而驱动多个PDMS弹性反应腔内的全血样品和样本稀释液按照1:1的比例泵出。通过调控PDMS弹性反应腔的变形量，可以实现PDMS弹性反应腔所泵出检测样品的准确体积定量。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，过滤层上有与PDMS弹性反应腔圆心同心的多个加样孔及与之相邻的微孔阵列。微孔阵列呈圆环状包围在加样孔周围，多个加样孔用于分别加入全血样品和样本稀释液。包围在加样孔周围的微孔阵列用于阻止全血样品中的红细胞通过，由此滤除红细胞，实现血浆分离。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，下层双面胶上切割有多个类似乒乓球拍的部分，“球拍拍面”为圆状，其圆心与PDMS弹性反应腔同心，其直径比过滤层上的微孔阵列对应的直径大，“球拍手柄”末端与混合层的Z字形混合通道入口相连。下层双面胶用于过滤层和混合层之间的键合，并由此形成血浆分离过渡腔。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，混合层上有与PDMS弹性反应腔圆心同心的多个加样孔和连续弯曲的Z字形混合通道，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液，Z字形混合通道入口与下层双面胶血浆分离过渡腔相连。Z字形混合通道中的流体交汇处呈T形，血浆和样本稀释液分别从混合层上的两个混合层Z字形混合通道入口进入Z字形混合通道，在Z字形混合通道中连续流动，实现相互混合。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，混合层检测槽与混合层Z字形混合通道末端相连，其长宽尺寸与侧向流荧光试纸条相当，用于存放侧向流荧光试纸条。血浆与样本稀释液在混合层Z字形混合通道完成混合后，混合液被驱动到混合层检测槽中的侧向流荧光试纸条上，在侧向流荧光试纸条上完成免疫层析反应。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，上层双面胶上有与PDMS弹性反应腔圆心同心的多个加样孔，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液。上封闭片上有与PDMS弹性反应腔圆心同心的多个加样孔，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液。上层双面胶用于混合层和上封闭片之间的键合。橡胶塞用于塞住上封闭片的加样孔，一方面用于在挤压芯片时，防止芯片里的全血样品和样本稀释液从加样孔流出，另一方面用于防止芯片在长期保存中受到污染。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，芯片里的PDMS弹性反应腔既是细胞培养腔，同时，也是流体驱动泵。通过从上往下挤压芯片，使芯片中的PDMS弹性反应腔在轴线方向上发生连续的形变来实现流体驱动，一方面可以驱动PDMS弹性反应腔中的全血样品和样本稀释液按照体积比为1:1的比例流至过滤层，在此过程中，红细胞会被过滤层上的微孔阵列所截留，从而实现血浆分离；另一方面，在PDMS弹性反应腔变形引发的持续流体驱动下，滤除红细胞的血浆与样本稀释液继续被驱动至混合层，在混合层Z字形混合通道中完成混合，最终，固定体积的混合液被驱动到混合层检测槽中的侧向流荧光试纸条上进行免疫层析反应，通过让多个样品培养液同时进行免疫层析反应，读取其对应的侧向流荧光试纸条上的测试线与控制线的信号，由此可以实现结核检测结果的阴阳性判读。
本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其有益效果有：
1.本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，能够实现：待测全血样品的血浆分离、血浆与样本稀释液同步混合及稀释样品的体积定量与检测。本结核检测微流控芯片系统实现了从样品处理到结核检测的一体化、自动化、集成化和便携化，显著降低了结核检测复杂度。
2.本发明的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，具有体积小、结构简单、操作方便、成本低等优点，能够与检测试剂相互配合，显著简化结核检测过程，降低系统复杂度，有效提高结核检测效率。
附图说明
图1是一种用于结核检测的弹性微流控芯片结构示意图。
图2是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的PDMS弹性反应腔结构示意图。
图3是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的过滤层结构示意图。
图4是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的下层双面胶结构示意图。
图5是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的混合层结构示意图。
图6是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的侧向流荧光试纸条结构示意图。
图7是一种用于结核检测的弹性微流控芯片中的上封闭片结构示意图。
图中：
1-下底板；11-下底板圆柱体；2-PDMS弹性反应腔；3-过滤层；
31-过滤层微孔阵列；4-下层双面胶；41-下层双面胶血浆分离过渡腔；
5-混合层；51-混合层检测槽；52-侧向流荧光试纸条；
53-混合层Z字形混合通道入口；54-混合层Z字形混合通道；6-上层双面胶；
7-上封闭片；71-上封闭片加样孔；8-橡胶塞。
具体实施方式
下面结合附图中的图1至图7，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明部分实施例，并非全部的实施例。以下对一个适宜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。同时，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。
一种用于结核检测的弹性微流控芯片，该芯片包括：下底板1、PDMS弹性反应腔2和顶层芯片模块，顶层芯片模块通过PDMS弹性反应腔2与下底板1连接，顶层芯片模块由PDMS弹性反应腔2支撑；其中，顶层芯片模块由过滤层3、下层双面胶4、混合层5、上层双面胶6、上封闭片7和橡胶塞8六个部分组成；过滤层3、下层双面胶4、混合层5、上层双面胶6和上封闭片7由上到下顺次连接；橡胶塞8用于塞住上封闭片7。
下底板1位于芯片底部，下底板1上有多个圆柱体11。PDMS弹性反应腔2位于下底板1的上方，结构为空心圆柱体。下底板1上的圆柱体11与PDMS弹性反应腔2之间实现紧配合，用于固定PDMS弹性反应腔2的位置。
顶层芯片模块位于PDMS弹性反应腔2的上方，下底板1、多个PDMS弹性反应腔2和顶层芯片模块通过氧离子键合方式键合为一体，形成一个完整的弹性微流控芯片。芯片中，PDMS弹性反应腔2用于存储全血样品和样本稀释液，同时用于全血样品的预处理，包括但不限于全血样品的培养与温育。PDMS弹性反应腔2通过顶层芯片模块上的加样孔71与外界连通，同时，全血样品和样本稀释液通过顶层芯片模块上的加样孔71加入至芯片内的PDMS弹性反应腔2中。
加样孔71是顶层芯片模块内的通孔，通孔圆心与PDMS弹性反应腔2同心。
多个PDMS弹性反应腔2是PDMS材料。PDMS弹性反应腔2的容积和弹性根据实际需求可进行调整。通过外力从上往下挤压芯片，外力从顶层芯片模块传至PDMS弹性反应腔2，使芯片中的多个PDMS弹性反应腔2在轴线方向上发生连续相同程度的形变，从而驱动多个PDMS弹性反应腔2内的全血样品和样本稀释液按照1:1的比例泵出。通过调控PDMS弹性反应腔2的变形量，可以实现PDMS弹性反应腔2所泵出检测样品的准确体积定量。
过滤层3上有与PDMS弹性反应腔2圆心同心的多个加样孔及与之相邻的微孔阵列31。微孔阵列31呈圆环状包围在加样孔周围，多个加样孔用于分别加入全血样品和样本稀释液。包围在加样孔周围的微孔阵列31用于阻止全血样品中的红细胞通过，由此滤除红细胞，实现血浆分离。
下层双面胶4上切割有多个由球拍拍面和球拍手柄组成的部分，球拍拍面为圆状，其圆心与PDMS弹性反应腔2同心，其直径比过滤层3上的微孔阵列31对应的直径大，球拍手柄末端与混合层Z字形混合通道入口53相连。下层双面胶4用于过滤层3和混合层5之间的键合，并由此形成血浆分离过渡腔41。
混合层5上有与PDMS弹性反应腔2圆心同心的多个加样孔和连续弯曲的Z字形混合通道54，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液，Z字形混合通道入口53与下层双面胶血浆分离过渡腔41相连。Z字形混合通道54中的流体交汇处呈T形，血浆和样本稀释液分别从混合层5上的两个混合层Z字形混合通道入口53进入Z字形混合通道54，在Z字形混合通道54中连续流动，实现相互混合。
混合层检测槽51与混合层Z字形混合通道54末端相连，其长宽尺寸与侧向流荧光试纸条52相当，用于存放侧向流荧光试纸条52。血浆与样本稀释液在混合层Z字形混合通道54完成混合后，混合液被驱动到混合层检测槽51中的侧向流荧光试纸条52上，在侧向流荧光纸试条52上完成免疫层析反应。
上层双面胶6上有与PDMS弹性反应腔2圆心同心的多个加样孔，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液。上封闭片7上有与PDMS弹性反应腔2圆心同心的多个加样孔71，多个加样孔71用于分别加入全血和样本稀释液。上层双面胶6用于混合层5和上封闭片7之间的键合。橡胶塞8用于塞住上封闭片7上的加样孔71，一方面用于在挤压芯片时，防止芯片里的全血样品和样本稀释液从加样孔71流出，另一方面用于防止芯片在长期保存中受到污染。
弹性微流控芯片里的PDMS弹性反应腔2既是细胞培养腔，同时，也是流体驱动泵。通过从上往下挤压芯片，使芯片中的PDMS弹性反应腔2在轴线方向上发生连续的形变来实现流体驱动，一方面可以驱动PDMS弹性反应腔2中的全血样品和样本稀释液按照体积比为1:1的比例流至过滤层3，在此过程中，红细胞会被过滤层3上的微孔阵列31所截留，从而实现血浆分离；另一方面，在PDMS弹性反应腔2变形引发的持续流体驱动下，滤除红细胞的血浆与样本稀释液继续被驱动至混合层5，在混合层Z字形混合通道54中完成混合，最终，固定体积的混合液被驱动到混合层检测槽51中的侧向流荧光试纸条52上进行免疫层析反应，通过让多个样品培养液同时进行免疫层析反应，读取其对应的侧向流荧光试纸条52上的测试线与控制线的信号，由此可以实现结核检测结果的阴阳性判读。
本发明的一个实施例操作过程为：将微流控芯片平放在桌面上，取下上封闭片7上的多个橡胶塞8，使用移液枪分别将定量的全血样品和样本稀释液通过上封闭片7上的加样孔71加入到微流控芯片中的多个PDMS弹性反应腔2中，加样完成后，用橡胶塞8塞住加样孔71。将芯片放置于空气加热箱中加热以完成对全血样品的温育。取出完成全血样品温育后的微流控芯片，将其平放在桌面上，通过外力从上往下挤压芯片，外力从顶层芯片模块传至PDMS弹性反应腔2，使芯片中的多个PDMS弹性反应腔2在轴线方向上发生连续相同程度的形变，从而驱动芯片中的多个PDMS弹性反应腔2内的全血样品和样本稀释液按照1:1的比例流至过滤层3。过滤层3上的微孔阵列31阻止全血样品中的红细胞通过，实现红细胞的滤除，从而实现血浆分离，血浆和样本稀释液继续被驱动至下层双面胶4与过滤层3和混合层5之间形成的血浆分离过渡腔41中。继续挤压芯片，PDMS弹性反应腔2继续驱动血浆和样本稀释液分别通过混合层5上的两个混合通道入口53流入混合层Z字形混合通道54中，血浆和样本稀释液在连续弯曲的Z字形混合通道54中连续流动，实现相互混合。血浆与样本稀释液混合完成后，混合液被驱动到混合层检测槽51中的侧向流荧光试纸条52上，在侧向流荧光试纸条52上进行免疫层析反应，通过让多个样品培养液同时进行免疫层析反应，读取其对应的侧向流荧光试纸条52上的测试线与控制线的信号，由此可以实现结核检测结果的阴阳性判读。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。描述该实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的技术人员能够更好的理解本发明，凡是依据本实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，包括下底板(1)、PDMS弹性反应腔(2)和顶层芯片模块，顶层芯片模块通过PDMS弹性反应腔(2)与下底板(1)连接，顶层芯片模块由PDMS弹性反应腔(2)支撑；其中，顶层芯片模块由过滤层(3)、下层双面胶(4)、混合层(5)、上层双面胶(6)、上封闭片(7)和橡胶塞(8)六个部分组成；过滤层(3)、下层双面胶(4)、混合层(5)、上层双面胶(6)和上封闭片(7)由下到上顺次连接；顶层芯片模块位于PDMS弹性反应腔(2)的上方，下底板(1)、多个PDMS弹性反应腔(2)和顶层芯片模块通过氧离子键合方式键合为一体，形成一个完整的弹性微流控芯片；芯片中，PDMS弹性反应腔(2)用于存储全血样品和样本稀释液，同时用于全血样品的预处理，包括全血样品的培养与温育；PDMS弹性反应腔(2)通过顶层芯片模块上的加样孔(71)与外界连通，同时，全血样品和样本稀释液通过顶层芯片模块上的加样孔(71)加入至芯片内的PDMS弹性反应腔(2)中；橡胶塞(8)用于塞住上封闭片(7)；
加样孔(71)是顶层芯片模块内的通孔，通孔圆心与PDMS弹性反应腔(2)同心；过滤层(3)上有与PDMS弹性反应腔(2)圆心同心的多个加样孔及与之相邻的微孔阵列(31)；微孔阵列(31)呈圆环状包围在加样孔周围，多个加样孔用于分别加入全血样品和样本稀释液；包围在加样孔周围的微孔阵列(31)用于阻止全血样品中的红细胞通过，由此滤除红细胞，实现血浆分离；下层双面胶(4)上切割有多个由球拍拍面和球拍手柄组成的部分，球拍拍面为圆状，其圆心与PDMS弹性反应腔(2)同心，其直径比过滤层(3)上的微孔阵列(31)对应的的直径大，球拍手柄末端与混合层Z字形混合通道入口(53)相连；下层双面胶(4)用于过滤层(3)和混合层(5)之间的键合，并由此形成血浆分离过渡腔(41)。
2.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，下底板(1)位于芯片底部，下底板(1)上有多个圆柱体(11)；PDMS弹性反应腔(2)位于下底板(1)的上方，结构为空心圆柱体；下底板(1)上的圆柱体(11)与PDMS弹性反应腔(2)之间实现紧配合，用于固定PDMS弹性反应腔(2)的位置。
3.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，多个PDMS弹性反应腔(2)是PDMS材料；PDMS弹性反应腔(2)的容积和弹性根据实际需求可进行调整；通过外力从上往下挤压芯片，外力从顶层芯片模块传至PDMS弹性反应腔(2)，使芯片中的多个PDMS弹性反应腔(2)在轴线方向上发生连续相同程度的形变，从而驱动多个PDMS弹性反应腔(2)内的全血样品和样本稀释液按照1:1的比例泵出；通过调控PDMS弹性反应腔(2)的变形量，实现PDMS弹性反应腔(2)所泵出检测样品的准确体积定量。
4.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，混合层(5)上有与PDMS弹性反应腔(2)圆心同心的多个加样孔和连续弯曲的Z字形混合通道(54)，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液，Z字形混合通道入口(53)与下层双面胶血浆分离过渡腔(41)相连；Z字形混合通道(54)中的流体交汇处呈T形，血浆和样本稀释液分别从混合层(5)上的两个混合层Z字形混合通道入口(53)进入Z字形混合通道(54)，在Z字形混合通道(54)中连续流动，实现相互混合。
5.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，混合层检测槽(51)与混合层Z字形混合通道(54)末端相连，其长宽尺寸与侧向流荧光试纸条(52)相当，用于存放侧向流荧光试纸条(52)；血浆与样本稀释液在混合层Z字形混合通道(54)完成混合后，混合液被驱动到混合层检测槽(51)中的侧向流荧光试纸条(52)上，在侧向流荧光纸试条(52)上完成免疫层析反应。
6.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，上层双面胶(6)上有与PDMS弹性反应腔(2)圆心同心的多个加样孔，多个加样孔用于分别加入全血和样本稀释液；上封闭片(7)上有与PDMS弹性反应腔(2)圆心同心的多个加样孔(71)，多个加样孔(71)用于分别加入全血和样本稀释液；上层双面胶(6)用于混合层(5)和上封闭片(7)之间的键合；橡胶塞(8)用于塞住上封闭片(7)上的加样孔(71)，一方面用于在挤压芯片时，防止芯片里的全血样品和样本稀释液从加样孔(71)流出，另一方面用于防止芯片在长期保存中受到污染。
7.根据权利要求1所述的一种用于结核检测的弹性微流控芯片，其特征在于，弹性微流控芯片里的PDMS弹性反应腔(2)既是细胞培养腔，同时，也是流体驱动泵；通过从上往下挤压芯片，使芯片中的PDMS弹性反应腔(2)在轴线方向上发生连续的形变来实现流体驱动，一方面可驱动PDMS弹性反应腔(2)中的全血样品和样本稀释液按照体积比为1:1的比例流至过滤层(3)，在此过程中，红细胞会被过滤层(3)上的微孔阵列(31)所截留，从而实现血浆分离；另一方面，在PDMS弹性反应腔(2)变形引发的持续流体驱动下，滤除红细胞的血浆与样本稀释液继续被驱动至混合层(5)，在混合层Z字形混合通道(54)中完成混合，最终，固定体积的混合液被驱动到混合层检测槽(51)中的侧向流荧光试纸条(52)上进行免疫层析反应，通过让多个样品培养液同时进行免疫层析反应，读取其对应的侧向流荧光试纸条(52)上的测试线与控制线的信号，由此实现结核检测结果的阴阳性判读。
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