CN109622086B - 预置磁珠的微流控芯片、制造方法及微流控检测设备 - Google Patents

Abstract

一种预置磁珠的微流控芯片，包括芯体和薄膜，芯体上开设有微流道，薄膜覆盖在微流道上方，所述微流道的进口端连通有进液通道，微流道的出口端设置有阀门，微流道的靠近出口端的部分连通有废液排出通道，微流道的中部扩张形成磁珠反应槽，磁珠反应槽的底部设置有由水溶性包裹体和磁珠混合而成的预置磁珠涂层，所述芯体上固定设置有预置软磁体，且预置软磁体位于磁珠反应槽的背侧。本发明提供一种预置磁珠的微流控芯片、制造方法及微流控检测设备，能够精确控制磁珠捕获量和磁珠运动轨迹，提高磁珠的吸附/洗脱效果。

Description

预置磁珠的微流控芯片、制造方法及微流控检测设备

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体的说是一种预置磁珠的微流控芯片、制造方法及微流控检测设备。

背景技术

磁性高分子微球尤其是具有超顺磁性的微球会在外界磁场的作用下瞬间充磁放磁。Fe3O4磁珠作为一种新型的固相化载体试剂，其表面可以进行各种化学修饰和改性，特定的化学基团还可以特异性的与很多种类的生物分子结合，因此，可以用于各种生物分子的分离提纯及分析。采用磁珠法，使得各种生物分子的固液分离操作更精准简便，因此被广泛应用于核酸提取、免疫反应、细胞分离等生物学或医学分析及检测领域。

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道处理或操纵微小流体的系统。它涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学、医学和生物医学工程等多种技术，是一门新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征，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）和微全分析系统（micro-Total Analytical System）。由于纳米尺寸的磁珠具有颗粒小、比表面积大、偶联容量大、悬浮稳定性好等特性，不少微流控芯片设计利用其提纯、富集生物样品。但是，微流控芯片的微型化、集成化也给检测样品的前处理增加了难度，如何利用磁珠在微流控芯片上实现特定生物分子的简便、精准、有效的捕获、分离或分析，仍没有很好的解决。

在微流控芯片中，通常使用磁珠捕获核酸、蛋白质、外泌体等生物分子或细胞。磁珠和样品的混匀、运动和反应，在芯片上微小的流道或舱室里发生，其规律与常规反应并不完全一样，需要考虑微流体力学，流场与磁场的耦合效应等等。磁珠在芯片上的运动轨迹十分复杂。磁珠的比重通常比水或常见反应液大，其在微流道中前进时，往往形成局部堆积，减小了与样品的接触面积，降低了反应效率。若芯片结构复杂，舱室较多，流道较长，流速较慢，或有粘性覆膜等不利因素，磁珠更容易沉降、滞留甚至堵塞。更重要的是，磁珠和生物样品、吸附液或洗脱液都需要充分混匀才能保证反应效果，捕获了特定生物分子的磁珠，也常常需要运动到特定的位置或经过其它特殊的步骤，才能继续进行芯片上的下一步生物反应。这就涉及利用磁场来操控磁珠的运动。要想实现利用磁珠有效的捕获、分离或分析样品，需要对磁珠的运动进行精准的操控。此外，为了增加样品特定生物分子的分离率，常规试剂盒或微流控芯片中均使用过量磁珠。但高品质的磁珠价格昂贵，这无形中增加了样品的检测成本。

磁珠在微流控芯片上堆积、沉降或滞留等问题，现有技术中尚缺乏很好的解决方法。磁珠与各种反应液混匀的问题，现有技术中有一些的研究，但是都缺陷明显。传统磁珠捕获系统多为单面磁体静态系统，如专利CN107942050A公开的一种基于磁珠技术的微流控芯片检测方法，其利用可调控强磁体实现样品的洗涤与洗脱，该方案捕获磁珠后难以实现磁珠间的均匀混合，易导致样品残留，影响后续操作；专利CN206838098U公开了一种离心式免疫磁珠分选微流控芯片及装置，其将离心机旋转轴与芯片结合在一起，利用顺时针与逆时针的变换操作实现样品间的混合与分离，该方案限定条件较高，不利于芯片的多功能集成，且高转速不利于后续反应的进行；也有如申请号为201410368536.9的中国发明专利公开的一种微流控芯片磁珠混沌混合方法及装置，通过电磁线圈改变磁极使磁珠发生混合运动，但电磁线圈在工作时将产生热量积累，容易损坏。且这种有源电磁铁体积较大，需要在多个位置布置磁体，占用空间，磁珠的移动需要调整不同方位的磁力实现，也耗费时间。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的第一个目的是提供一种预置磁珠的微流控芯片，能够精确控制磁珠捕获量，并且能够降低微流控检测设备的复杂度。

为了实现上述第一个目的，本发明采用的具体方案为：一种预置磁珠的微流控芯片，包括芯体和薄膜，芯体上开设有微流道，薄膜覆盖在微流道上方，所述微流道的进口端连通有进液通道，微流道的出口端设置有阀门，微流道的靠近出口端的部分连通有废液排出通道，微流道的中部扩张形成磁珠反应槽，磁珠反应槽的底部设置有由水溶性包裹体和磁珠混合而成的预置磁珠涂层，所述芯体上固定设置有预置软磁体，且预置软磁体位于磁珠反应槽的背侧。

作为一种优选方案，所述芯体设置为聚甲基丙烯酸甲酯材质，所述薄膜设置为聚二甲基硅氧烷材质。

作为一种优选方案，所述磁珠反应槽和所述微流道的两端之间均弧形过渡。

本发明的第二个目的是提供一种制造上述微流控芯片的方法，能够快速精确地制造该微流控芯片。

为了实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案为：制造如上所述的一种预置磁珠的微流控芯片的方法，包括如下步骤：

步骤一、在所述芯体上加工出所述微流道；

步骤二、取所述水溶性包裹体溶于蒸馏水得到溶液；

步骤三、将所述磁珠置入溶液中并且混合均匀得到混合液；

步骤四、取混合液涂布到所述磁珠反应槽的底部，并且涂布厚度不超过磁珠反应槽深度的三分之一；

步骤五、将完成混合液涂布的所述芯体置于鼓风干燥箱内，在50℃-70℃的温度范围内干燥20min-30min；

步骤六、将所述薄膜键合在所述芯体上，并且薄膜覆盖所述微流道；

步骤七、将所述预置软磁体固定设置在所述芯体上。

本发明的第三个目的是提供一种微流控检测设备，能够精确控制磁珠运动，提高吸附/洗脱效果。

为了实现上述第三个目的，本发明采用的技术方案为：一种微流控检测设备，包括如上所述的一种预置磁珠的微流控芯片和磁珠运动调节装置；所述磁珠运动调节装置包括用于承载所述芯片的底座，并且底座与所述薄膜相贴合，底座上开设有滑道，滑道位于芯片下方，滑道内滑动设置有强永磁体。

作为一种优选方案，所述滑道内滑动设置有支架，所述强永磁体固定设置在支架上，支架下端一体连接有连杆，连杆中心处开设有螺孔，螺孔内设置有螺杆，螺杆的下端连接有减速步进电机。

作为一种优选方案，所述滑道分为相互连通的上半段和下半段，并且上半段的截面积大于下半段的截面积，所述支架滑动设置在上半段中，所述连杆滑动设置在下半段中。

有益效果：

1、本发明的的微流控芯片通过预置磁珠的方式，能够避免对磁珠捕获中复杂的磁珠捕获运动进行分析，简化设计流程，使微流控检测设备无需设置专门的磁珠输入接口，优化设备结构、提高设备检测效率；而且，通过控制预置磁珠的数量，本发明能够精确控制磁珠的捕获量，避免磁珠的捕获量过小影响实验效果或者磁珠的捕获量过大造成实验成本提升；

2、本发明的制造方法能够快速精确地制造该微流控芯片；

3、本发明的微流控检测系统能够精确控制磁珠运动，提高吸附/洗脱效果。

附图说明

图1是本发明的微流控芯片整体结构剖视图；

图2是本发明的微流控芯片上微流道的结构示意图；

图3是本发明微流控芯片中预置磁珠涂层的结构示意图；

图4是本发明的磁珠运动调节装置整体结构剖视图。

附图标记：1-芯体，2-进液通道，3-磁珠反应槽，4-预置软磁体，5-预置磁珠涂层，6-废液排出通道，7-洗脱液出口，8-薄膜，9-水溶性包裹体，10-磁珠，11-强永磁体，12-支架，13-滑道，14-底座，15-连杆，16-螺杆，17-减速步进电机。

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。

请参阅图1至3，一种预置磁珠的微流控芯片，包括芯体1和薄膜8，芯体1上开设有微流道，薄膜8覆盖在微流道上方，微流道的进口端连通有进液通道2，微流道的出口端设置有阀门，微流道的靠近出口端的部分连通有废液排出通道6，微流道的中部扩张形成磁珠反应槽3，磁珠反应槽3的底部设置有由水溶性包裹体9和磁珠10混合而成的预置磁珠涂层5，芯体1上固定设置有预置软磁体4，且预置软磁体4位于磁珠反应槽3的背侧。为方便叙述，微流道的出口端称为洗脱液出口7。

芯片在使用时，先利用阀门将洗脱液出口7封闭，然后从进液通道2向微流道内注入蒸馏水，当蒸馏水充满磁珠反应槽3之后，关闭进液通道2和废液排出通道6，此时预置磁珠涂层5置于蒸馏水中，静置15s-20s后预置磁珠涂层5的水溶性包裹体9溶解于水，其所包裹的磁珠10被释放，由于预置软磁体4磁场力的作用，磁珠10被捕获于磁珠反应槽3的底部，完成对磁珠10的捕获。然后打开废液排出通道6，由进液通道2向微流道内注入清洗液，对磁珠10进行清洗，清洗过程产生的废液从废液排出通道6排出。完成清洗的磁珠10备用，根据实验需求在磁珠反应槽3内完成吸附/洗脱流程，最后洗脱液经由洗脱液出口7排除，进入后续的实验环节。

本发明的微流控芯片通过预置磁珠的方式，能够避免对磁珠捕获中复杂的磁珠捕获运动进行分析，简化设计流程，使微流控检测设备无需设置专门的磁珠输入接口，优化设备结构、提高设备检测效率。而且，通过控制预置磁珠10的数量，本发明能够精确控制磁珠10的捕获量，避免磁珠10的捕获量过小影响实验效果或者磁珠10的捕获量过大造成实验成本提升。

本发明的微流控芯片采用预置磁珠10的方法，磁珠10可以均匀或按需求分布于微流道或者舱室内，有效避免了使用磁珠10容易堆积、沉降或滞留等问题，使磁珠10在微流控芯片上能够更好地实现生物样品的分离、纯化和洗脱等功能。同时，由于磁珠10已经在预置在微流控芯片上，减少了微流控芯片的外围设备使用频率，如进液、阀等控制装置，既实现了对磁珠10的精确定位和定量，也简化了微流控芯片的使用流程和配套装置。

在材质方面，本发明的芯体1设置为聚甲基丙烯酸甲酯材质，薄膜8设置为聚二甲基硅氧烷材质，水溶性包裹体9可使用生物相容性好、无环境污染的PVA、壳寡糖等材料。

进一步的，磁珠反应槽3和微流道的两端之间均弧形过渡，以提高微流道的流通性能。

制造如上所述的一种预置磁珠的微流控芯片的方法，包括步骤一至步骤七。

步骤一、在芯体1上加工出微流道。

步骤二、取水溶性包裹体9溶于蒸馏水得到溶液。

步骤三、将磁珠10置入溶液中并且混合均匀得到混合液，可以利用漩涡振荡器进行混合，以保证混合液密度均匀。

步骤四、取混合液涂布到磁珠反应槽3的底部，并且涂布厚度不超过磁珠反应槽3深度的三分之一。

步骤五、将完成混合液涂布的芯体1置于鼓风干燥箱内，在50℃-70℃的温度范围内干燥20min-30min，混合液中的水分蒸发完毕后即可形成预置磁珠涂层5。

步骤六、将薄膜8键合在芯体1上，并且薄膜8覆盖微流道。

步骤七、将预置软磁体4固定设置在芯体1上。

需要说明的是，在步骤二和步骤三种，取用水溶性包裹体9和磁珠10的时候需要根据成品微流控芯片的实际应用领域进行定量。

采用本方法，可以快速精确地制造该微流控芯片。

请参阅图4，一种微流控检测系统，包括上述的微流控芯片和磁珠运动调节装置。

磁珠运动调节装置包括用于承载芯片的底座14，并且底座14与薄膜8相贴合，底座14上开设有滑道13，滑道13位于芯片下方，滑道13内滑动设置有强永磁体11。

预置磁珠涂层5溶解后磁珠10由于预置软磁体4的作用吸附于磁珠反应槽3的底部，此时控制强永磁体11的初始位置位于滑道13的最下端，使强永磁体11对磁珠10不产生影响。待吸附液/洗脱液充填微流道后，控制强永磁体11向上移动，因为强永磁体5与预置软磁体4的磁强度相差较大，强永磁体5在上升过程中对磁珠10的吸附效果逐渐增强，磁珠10脱离磁珠反应槽3底部，向薄膜8方向运动，实现磁珠10与吸附液/洗脱液混合；当强永磁体11向下移动时，对磁珠10的吸附效果逐渐减弱，预置软磁体4对磁珠10的吸附重新成为主吸附力，磁珠10脱离薄膜8向磁珠反应槽3的底部运动，同样实现磁珠10与吸附液/洗脱液混合。进而，可以通过控制强永磁体11的移动速度来控制磁珠10的移动速度，从而既能够控制磁珠10的移动轨迹，又能控制磁珠10的移动速度，进而有效提高吸附/洗脱效果。

本发明的微流控检测系统采用双面永磁体的结构，微流控芯片内的预置软磁体4与外部可移动强永磁体11相互作用，通过控制磁体强度差及运动速度，实现对磁珠10运动状态的精准控制和调节，进而使磁珠10与检测样品混合更均匀，洗涤、洗脱精度更高，最终提高检测灵敏度。并且使用的外围设备数量少、占用空间小、便于生产降低生产成本。

本发明同时也为高通量检测以及多通道检测提供了支持，常规的样本在配合本发明同时能够实现检测多个项目指标或者同一微流控芯片可以同时检测多份样本的效果。

强永磁体11具体的滑动设置方式为：滑道13内滑动设置有支架12，强永磁体11固定设置在支架12上，支架12下端一体连接有连杆15，连杆15中心处开设有螺孔，螺孔内设置有螺杆16，螺杆16的下端连接有减速步进电机17。减速步进电机17通过驱动螺杆16转动来控制连杆15上下移动，进而控制强永磁体11上下移动。

进一步的，滑道13分为相互连通的上半段和下半段，并且上半段的截面积大于下半段的截面积，支架12滑动设置在上半段中，连杆15滑动设置在下半段中。下半段可以对支架12的位置进行限定，避免支架12和强永磁体11从滑道13中脱出。

在本实施例中，强永磁体11优选为钕铁硼磁铁。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种预置磁珠的微流控芯片，包括芯体（1）和薄膜（8），芯体（1）上开设有微流道，薄膜（8）覆盖在微流道上方，其特征在于：所述微流道的进口端连通有进液通道（2），微流道的出口端设置有阀门，微流道的靠近出口端的部分连通有废液排出通道（6），微流道的中部扩张形成磁珠反应槽（3），磁珠反应槽（3）的底部设置有由水溶性包裹体（9）和磁珠（10）混合而成的预置磁珠涂层（5），所述芯体（1）上固定设置有预置软磁体（4），且预置软磁体（4）位于磁珠反应槽（3）的背侧；

所述芯体（1）设置为聚甲基丙烯酸甲酯材质，所述薄膜（8）设置为聚二甲基硅氧烷材质，水溶性包裹体（9）使用PVA材料。

2.如权利要求1所述的一种预置磁珠的微流控芯片，其特征在于：所述磁珠反应槽（3）和所述微流道的两端之间均弧形过渡。

3.制造如权利要求1所述的一种预置磁珠的微流控芯片的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在所述芯体（1）上加工出所述微流道；

步骤二、取所述水溶性包裹体（9）溶于蒸馏水得到溶液；

步骤三、将所述磁珠（10）置入溶液中并且混合均匀得到混合液；

步骤四、取混合液涂布到所述磁珠反应槽（3）的底部，并且涂布厚度不超过磁珠反应槽（3）深度的三分之一；

步骤五、将完成混合液涂布的所述芯体（1）置于鼓风干燥箱内，在50℃-70℃的温度范围内干燥20min-30min；

步骤六、将所述薄膜（8）键合在所述芯体（1）上，并且薄膜（8）覆盖所述微流道；

步骤七、将所述预置软磁体（4）固定设置在所述芯体（1）上。

4.一种微流控检测设备，其特征在于：包括如权利要求1所述的一种预置磁珠的微流控芯片和磁珠运动调节装置；

所述磁珠运动调节装置包括用于承载所述芯片的底座（14），并且底座（14）与所述薄膜（8）相贴合，底座（14）上开设有滑道（13），滑道（13）位于芯片下方，滑道（13）内滑动设置有强永磁体（11）；

所述滑道（13）内滑动设置有支架（12），所述强永磁体（11）固定设置在支架（12）上，支架（12）下端一体连接有连杆（15），连杆（15）中心处开设有螺孔，螺孔内设置有螺杆（16），螺杆（16）的下端连接有减速步进电机（17）；

所述滑道（13）分为相互连通的上半段和下半段，并且上半段的截面积大于下半段的截面积，所述支架（12）滑动设置在上半段中，所述连杆（15）滑动设置在下半段中。

Images