CN109609345A - 一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片包括上子芯片和下子芯片，上子芯片的下表面和下子芯片的上表面相接触，上子芯片被设置为相对下子芯片进行相对位置的转动，所述上子芯片中包括大于2个的试剂孔，所述试剂孔中含有核酸提取所需试剂，所述下子芯片上表面包括反应孔，反应孔或者试剂孔中可以包括核酸纯化所需的磁珠。本装置操作简便，不需要专业的技术人员即可快速完成核酸提取，可以在很多不同的应用场景完成核酸提取，还可以与下游的微流控分析方法方便的进行结合。

Description

一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片

技术领域

本发明涉及一种转动式微流控芯片，特别涉及一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片。

背景技术

从生物材料中提取核酸(包括DNA和RNA)对生物学研究和临床医学检测有重要的意义。核酸提取已经成为了分子生物学实验中最基本的操作之一。虽然目前核酸提取的方法有很多，但其步骤基本可以归纳为：1.裂解细胞；2.沉淀核酸或者吸附核酸；3.纯化核酸；4.洗脱核酸。

细胞裂解可以有温度裂解(例如热裂解)，机械裂解(例如磁珠打碎bead beating，和研磨等)，超声裂解(通过超声波将细胞膜破损)，化学裂解(例如加入氢氧化钠溶液)，生物裂解(例如加入蛋白酶K，protease K)等。

沉淀核酸可以通过改变核酸在不同有机溶剂中的溶解度是其沉淀分离，例如核酸在乙醇的溶解度低，可以在乙醇中沉淀。吸附核酸主要可以通过固相吸附材料，例如分离柱或分离磁珠等，通过核酸与固相表面的物理或化学吸附将核酸从溶液中分离。例如，经典的BOOM吸附方法，酸碱性电荷吸附方法(Charge Switch，Chitosan)等。

纯化核酸可以通过对沉淀或者吸附的核酸使用清洗液清洗，例如用70％的乙醇对核酸进行清洗或使用高盐的清洗液对吸附核酸的磁珠进行清洗。

洗脱核酸可以根据吸附核酸的原理来选择相应的洗脱溶液，例如水，调控过pH值的Tris缓冲液，调控过pH值的TE缓冲液等。通过控制洗脱溶液的体积达到不同的洗脱浓缩效果。例如使用25微升的小洗脱体积，相比较于通常的50微升或100微升的洗脱体积，核酸在洗脱液中达到浓缩。

根据上述的原理，核酸提取的过程又可以分为手动提取和自动提取。手动提取一般只需要小型仪器，例如离心机，振荡器等，但手动步骤繁琐，实验的效果与操作人员的操作有非常大的关系；自动提取一般是通过移液工作站完成，移液工作站通过机械臂和自动化移液设备完成。自动化核酸提取大多是基于磁珠分离的方法，自动化程度高，通量较大，但其仪器的体积较大并且相对成本较高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的操作简单，能适用于多种不同场景方便实用的核酸提取仪器及方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是核酸提取手动提取操作步骤多，需要专业人员参与切耗时较长，而自动提取仪器通量要求较大且成本较高。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片包括上子芯片和下子芯片，上子芯片的下表面和下子芯片的上表面相接触，上子芯片被设置为相对下子芯片进行相对位置的转动，所述上子芯片中包括大于2个的试剂孔，所述下子芯片上表面包括反应孔。

进一步地，所述转动式微流控芯片的材料可以是玻璃、塑料、陶瓷、金属等及符合材料构成。

进一步地，所述转动式微流控芯片可以通过多种加工方式完成，包括但不局限于3D打印、玻璃刻蚀、机械加工、注塑成型、热压成型、激光雕刻等。

进一步地，所述上子芯片中的试剂孔含核酸提取试剂，包括含核酸提取裂解液的裂解孔，含核酸清洗液的清洗孔和含核酸洗脱液的洗脱孔。

进一步地，所述转动式微流控芯片还包括用于吸附核酸的磁珠，所述磁珠位于反应孔或裂解孔，当磁珠位于反应孔时，反应孔亦可称为磁珠孔。

进一步地，裂解孔中样品裂解的方法可以是物理裂解(例如微珠碰撞beadbeating，超声破解，热裂解等)，可以是生物裂解(例如Proteinase K)也可以是化学方法裂解(例如碱液，胍盐，或表面活性剂等)。清洗孔可以是70-80％的乙醇，也可以是异丙醇，洗脱孔可以是洗脱缓冲液，也可以是水。

进一步地，所述上子芯片和下子芯片可以通过手动转动，也可以通过机械转动。优选的采用机械转动时，中间设置有机械转盘。

进一步地，所述转动式微流控芯片磁珠可以通过自然沉降，也可以通过磁场沉降，优选的所述转动式微流控芯片还包括磁场装置，

在本发明的一个较佳实施方式中，所述产生磁场的装置为磁铁或电磁铁。更优选地，磁场装置是电磁铁，靠电流控制磁场的产生。当需要磁场时(例如需要将磁珠吸到下子芯片的反应孔中时)，可以通电将磁场打开；当不需要磁场时(例如需要将磁珠与裂解、清洗液或洗脱液混合时)，可以将电断开，关闭磁场。

进一步地，为了防止所述上子芯片的上表面和下子芯片的上表面设置有防止核酸提取液渗漏的防漏装置。

进一步地，所述防漏装置为核酸提取液不浸润的材料或者易形变材料或者用于密封的流体或类流体材料。具体地，可以对上子芯片的下表面和下子芯片的上表面进行表面改性，使裂解液、清洗液和洗脱液对该表面不易浸润或不浸润，孔中的液体如果要从芯片的缝隙露出，则需要克服较大的表面能，所以孔中的液体不会漏出；还可以在上子芯片下表面或下子芯片上表面(相接触的表面)添加易形变材料(例如橡胶，或者PDMS材料，或者软性塑料等等)，对上子芯片施加一个向下的力，或者对下子芯片施加一个向上的力，或者对上子芯片和下子芯片施加一个夹力(clamping force)使易形变材料产生部分形变，从而将上子芯片的微孔与下子芯片的表面密封，液体不会漏出；还可以在上子芯片的下表面和下子芯片的上表面之间的缝隙里加入可用于密封的流体或类流体材料对缝隙进行密封，例如石蜡油，凡士林等材料；也可以优化上子芯片下表面的设计，从初始的平的表面(附图1)变为更小接触面积(附图7)，这样对上下子芯片施加相对压力的时候，相接触的表面压强更大，间隙更小，所以液体更不容易漏出。也可以将上述方法组合在一起。

进一步地，所述转动式微流控芯片还包括震荡装置。

进一步地，洗脱后的纯化的核酸可以被转移进行下一步的反应或测试(例如核酸扩增反应等)。

进一步第，本发明的清洗孔可以由一个增加为2个或3个，对磁珠进行多次反复清洗。每个清洗孔中可以预装同样或不同的清洗液，体积可以相同或者不同。

进一步地，所述试剂孔还进一步包括干燥孔，可以对磁珠进行干燥，在升高的温度或者室温去除磁珠孔中残留的清洗液(例如乙醇等挥发性物质)。

进一步地，所述裂解孔中裂解液的体积可以是10nL至10mL。

进一步地，所述清洗孔中清洗液的体积可以是10nL至10mL。

进一步地，所述洗脱孔中洗脱液的体积可以是1nL至1mL。

进一步地，所述磁珠的直径可以是10nm至1mm。

本发明还提供了一种利用上述用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片进行核酸提取的方法。本发明提出的核酸提取转动芯片可以广泛的与多种核酸提取方法或试剂盒结合使用。裂解液、清洗液和洗脱液可以人工注入相应的反应孔，或者通过自动移液设备进行注入。磁珠可以在芯片组装时加入下子芯片相对应的反应池中，也可以与裂解液预混在一起。

与传统核酸提取的方法相比，本发明具有如下优势：

1、本发明提出了一个通过旋转式微流控芯片完成核酸提取操作，操作简便，不需要专业的技术人员；

2、本发明提出的旋转式微流控芯片可以快速完成核酸提取；

3、本发明提出的旋转式微流控芯片集成了所有所需要的试剂，所以可以在很多不同的应用场景完成核酸提取；

4、本发明提出的旋转式微流控芯片可以与下游的微流控分析方法方便的进行结合。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片示意图；

图2是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于裂解状态示意图；

图3是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于清洗状态示意图；

图4是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于洗脱状态示意图；

图5是本发明一个较佳实施方式的下子芯片俯视示意图；

图6是本发明一个较佳实施方式的上子芯片俯视示意图；

图7是本发明防止核酸提取液渗漏的一个较佳实施方式示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提出的核酸提取转动芯片可以广泛的与多种核酸提取方法或试剂盒结合使用。裂解液、清洗液和洗脱液可以人工注入相应的反应孔，或者通过自动移液设备进行注入。磁珠可以在芯片组装时加入下子芯片相对应的反应池中，也可以与裂解液预混在一起。

其中，图1是本发明一个较佳的实施方式的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片的示意图，上子芯片包括裂解孔1、清洗孔2、洗脱孔3、中轴4和干燥孔6。

图2-图4是本发明用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片工作示意图。图2是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于裂解状态示意图，图3是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于清洗状态示意图，图4是生物样品核酸提取的转动式微流控芯片位于洗脱状态示意图。图5是下子芯片的俯视示意图，下子芯片含有一个较浅磁珠孔5，也可以称为反应孔5，磁珠孔含有磁珠，用于核酸的吸附。

实施例1，

裂解孔中的裂解液的组成为14.77g异硫酸胍溶解在20mL 0.1M Tris缓冲液中，再加入4.4mL 0.2M EDTA(pH＝8.0)和0.325mL Triton X-100(pH＝6.4)。

清洗孔中的清洗液的组成为80％乙醇的水溶液

洗脱孔中的洗脱液的组成为水

反应孔中的磁珠为MagicMag Beads(Sangon Biotech)

转动芯片的上子芯片为使用PDMS倒模成型，裂解孔最大体积为1mL，清洗孔最大的体积为1mL，洗脱孔最大体积为0.2mL。下子芯片为玻璃材料，通过湿法刻蚀完成。下子芯片上的磁珠孔为2微升。

上子芯片和下子芯片的表面通过表面硅烷化的疏水化处理，组合到一起，中轴孔由M3螺丝固定。选择芯片的初始位置为上子芯片的裂解微孔与下子芯片的磁珠孔相重合。

500微升裂解液被预先放置于裂解孔，500微升清洗液被预先放置于清洗孔，100微升水被预先放置于洗脱孔，10微升磁珠预先置于裂解孔中并与裂解液预混。

具体操作步骤：

1.通过移液枪将200微升样品加入到裂解孔中，并通过吹打与孔中的裂解液和磁珠进行充分混合，室温静置5分钟。

2.用磁铁将裂解的样品中的磁珠吸引到下子芯片的反应孔中。

3.通过手动旋转将上子芯片和下子芯片相对转动，将清洗液孔与磁珠孔相重叠，通过简单震荡使磁珠重新悬浮到溶液中进行清洗。

4.用磁铁将清洗液中的磁珠吸引到下子芯片的磁珠孔中。

5.通过手动旋转将上子芯片和下子芯片相对转动，将洗脱孔与磁珠孔相重叠，通过简单震荡使磁珠重新悬浮到溶液中进行核酸洗脱。

6.用磁铁将洗脱液中的磁珠吸引到下子芯片的磁珠孔中。

7.纯化的核酸可以通过移液器转移出芯片进行下一步qPCR操作。

实施例2：

本实施例主要结构和操作方式与实施例1相同，不同的是本实施例中转动式微流控芯片还包括一个干燥孔，洗脱后的核酸进一步干燥，更好的除去乙醇等物质，其示意图如图1所示。

实施例3：

本实施例中转动式微流控芯片中的清洗孔为2个，可以对磁珠进行多次反复清洗。每个清洗孔中可以预装不同的清洗液，体积可以相同或者不同。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片包括上子芯片和下子芯片，上子芯片的下表面和下子芯片的上表面相接触，上子芯片被设置为相对下子芯片进行相对位置的转动，所述上子芯片中包括大于2个的试剂孔，所述下子芯片上表面包括反应孔。

2.如权利要求1所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，所述上子芯片中的试剂孔含核酸提取试剂，包括含核酸提取裂解液的裂解孔，含核酸清洗液的清洗孔和含核酸洗脱液的洗脱孔。

3.如权利要求1所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，所述上子芯片和下子芯片中间设置有可进行相对转动的装置。

4.如权利要求1所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片还包括产生磁场的装置，所述磁场装置为磁铁或电磁铁。

5.如权利要求2所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片还包括用于吸附核酸的磁珠，所述磁珠位于反应孔或者裂解孔。

6.如权利要求1所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述上子芯片的上表面和下子芯片的上表面设置有防止核酸提取液渗漏的防漏装置。

7.如权利要求6所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述防漏装置为核酸提取液不浸润的材料或者易形变材料或者用于密封的流体或类流体材料。

8.如权利要求1所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述转动式微流控芯片还包括震荡装置。

9.如权利要求2所述的用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片，其特征在于，所述试剂孔还进一步包括干燥孔。

10.一种利用如权利要求1-9任意一项所述用于生物样品核酸提取的转动式微流控芯片进行核酸提取的方法。