CN109735431A - 离心微流控芯片及核酸分析系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种离心微流控芯片及核酸分析系统，离心微流控芯片包括芯片基体、加样腔、出气口、样本富集裂解腔、第一废液腔、第一毛细阀、稀释腔、第二毛细阀、第二废液腔与多个PCR扩增腔；通过巧妙设计的腔室结构，可以利用PCR扩增技术应用于离心微流控技术实现基于PCR扩增的分子诊断，通过加样腔、样本富集裂解腔、稀释腔及PCR扩增腔中的液体的顺序的操控，从而在PCR扩增腔中实现PCR扩增，整个反应过程处于密闭的微流控芯片结构中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
Description
技术领域
本申请涉及离心微流控领域，特别是涉及离心微流控芯片及核酸分析系统。
背景技术
微流控(Microfluidics)是指在亚毫米尺度上操控液体，其中，亚毫米尺度一般为几微米到几百微米。微流控技术将生物和化学领域所涉及的基本操作单位，甚至于把整个化验室的功能，包括采样、稀释、反应、分离、检测等集成在一个小型芯片上，故又称芯片实验室(Lab-on-a-Chip)。这种芯片一般是由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，能很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率。
微流控系统是指在亚毫米尺度上操控液体的装置。离心微流控隶属于微流控的一个分支，特指通过转动离心微流控芯片来驱动液体的流动，从而实现使用离心力在亚毫米尺度上操控液体。离心微流控将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一个小型碟式的(disc-shaped)芯片上。除了微流控所特有的优点外，由于离心微流控只需要一个电机来提供液体操控所需要的力，所以整个设备更为简洁紧凑。而碟片式芯片上的无处不在的离心场既能使得液体驱动更为有效，确保管道内没有残留液体，又能有效的实现基于密度差异的样本分离，也能让并行处理更为简单。因此，离心微流控也被越来越多的应用在即时诊断(Point-of-care testing，POCT)中。
基于PCR扩增的分子诊断是通过引物介导特异性扩增目的基因以检测内源性(遗传或变异)或外源性(病原体)目的基因的存在与否，进而对疾病的诊断和治疗提供信息和决策依据。其主要的应用场景有传染病的诊断，血筛，肿瘤突变位点检测，遗传病的诊断，产前诊断，组织分型等。基于PCR扩增的分子诊断一般包含以下步骤：样本裂解，核酸纯化，核酸在特定引物约束下扩增，荧光信号的采集与分析。在某些分子诊断的项目中，由于样本比较简单，常常在样本裂解之后就可以直接进行扩增；另一方面，现在日渐成熟的一步法DNA提取扩增试剂盒的出现也使得样本裂解后直接扩增成为可能，避免了核酸纯化这个比较复杂的步骤。
但是，在基于PCR扩增的分子诊断体系中，由于PCR扩增时候会有气溶胶污染，也为了避免样本之间的交叉污染，一般情况下要组建一个分区实验室。这个实验室要实现样本处理，核酸提取，PCR扩增的分区操作，且必须具备良好的通风系统，实验室搭建成本高，往往只有大型医疗机构才有搭建的财力。另一方面，实验室操作人员要持证上岗，也大大增加了人工成本。与此同时，过多人工的介入势必也会带来人为的操作失误。这都大大地提高了基于PCR的分子诊断的技术使用门槛。
而且当前的分子诊断实验室模式，在集中实验场地完成多样本和多检测项目操作，过程质量控制要求高。并且，当前的分子诊断实验室模式，一般为多样本单指标检测模式，检测指标受限，无法实现单样本多指标感染病原体的筛查。此外，虽然分子诊断技术优势很明显，但是由于其步骤繁琐，过程费时，需要专业人员操作，而且临床分子诊断实验室的搭建成本一般较高，所以分子诊断也价格昂贵。
发明内容
基于此，有必要提供一种离心微流控芯片及核酸分析系统。
一种离心微流控芯片，其包括芯片基体，以及设置于所述芯片基体的加样腔、出气口、样本富集裂解腔、第一废液腔、第一毛细阀、稀释腔、第二毛细阀、第二废液腔与多个PCR扩增腔；所述加样腔设有加样孔，且所述加样腔通过加样腔流通管道连通所述样本富集裂解腔；所述样本富集裂解腔通过裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述样本富集裂解腔还通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道，且通过所述裂解腔混合管道连通所述稀释腔；所述稀释腔通过所述第二毛细阀连通试剂分发管道，且通过所述试剂分发管道分别连通各所述PCR扩增腔及所述第二废液腔；所述第一废液腔及所述第二废液腔分别通过气体流通管道连通所述出气口。
上述离心微流控芯片通过巧妙设计的腔室结构，可以利用PCR扩增技术应用于离心微流控技术实现基于PCR扩增的分子诊断，无须搭建大型分子诊断实验室，亦无须采用大量人工操作，通过加样腔、样本富集裂解腔、稀释腔及PCR扩增腔中的液体的顺序的操控，从而在PCR扩增腔中实现PCR扩增，整个反应过程处于密闭的微流控芯片结构中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
在其中一个实施例中，所述加样孔及所述出气口位于所述芯片基体的同一端；且所述离心微流控芯片结构还包括所述试剂分发管道、所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道。
在其中一个实施例中，按离心方向，所述加样腔、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述稀释腔、所述试剂分发管道顺序设置，且所述出气口的位置相对于所述第一废液腔更接近所述加样腔。
在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔并排设置，且各所述扩增腔的中心分布在同一离心圆周上。
进一步地，在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中容置PCR反应试剂干粉。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中还容置石蜡。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中的所述石蜡的用量用于匹配封闭所述PCR扩增腔的腔口。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中还容置荧光染料。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔中的所述PCR反应试剂干粉相同或相异设置。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔中容置的所述荧光染料相同或相异设置。
在其中一个实施例中，所述第一废液腔与所述第二废液腔的容积之和不小于所述加样腔的容积。
在其中一个实施例中，所述稀释腔中设有储液容器。
进一步地，在其中一个实施例中，所述储液容器中设有稀释液。在其中一个实施例中，所述储液容器设有采用热熔层封闭的开口。在其中一个实施例中，所述储液容器粘设于所述稀释腔中。在其中一个实施例中，所述储液容器具有铝箔层。在其中一个实施例中，所述储液容器设有开口、刺件、弹性件与封膜，所述封膜用于封闭所述开口，所述弹性件一端连接所述刺件，另一端固定于所述稀释腔中，所述刺件用于在离心时配合所述弹性件产生位移以刺破所述封膜。
进一步地，在其中一个实施例中，所述稀释腔中设有稀释液。在其中一个实施例中，所述稀释液设置于热熔包裹层中，所述热熔包裹层设置于所述稀释腔中。在其中一个实施例中，所述稀释液设置于包裹层中，所述包裹层设置于所述稀释腔中且所述包裹层设有采用热熔层封闭的开口。
进一步地，在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道。
进一步地，在其中一个实施例中，所述富集腔用于通过离心富集样本，所述裂解腔用于将离心得到的上清液通过所述裂解腔流通管道溢出到所述第一废液腔。
在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔，所述富集腔及所述裂解腔通过一滤膜相分隔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道。
进一步地，在其中一个实施例中，所述裂解腔中设有裂解液干粉、玻璃研磨珠及或石英砂。
进一步地，在其中一个实施例中，所述富集腔中设有铁磁物。
在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有裂解液干粉、玻璃研磨珠及或石英砂。
在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有铁磁物。
进一步地，在其中一个实施例中，所述稀释腔内的液面与离心圆心之间的距离大于所述第二毛细阀与离心圆心之间的距离。
在其中一个实施例中，所述芯片基体为PMMA、PDMS、PC、ABS、COC或COP制件。
一种核酸分析系统，其包括上述任一项所述离心微流控芯片。
上述核酸分析系统通过巧妙设计的离心微流控芯片，可以利用PCR扩增技术应用于离心微流控技术实现基于PCR扩增的分子诊断，无须搭建大型分子诊断实验室，亦无须采用大量人工操作，通过在加样腔、样本富集裂解腔、稀释腔及PCR扩增腔中的液体的顺序的操控，从而可以在PCR扩增腔中实现PCR扩增，整个反应过程处于密闭的微流控芯片结构中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统设有5种荧光通道。
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统用于在PCR反应过程中，控制所述微流控芯片保持低速离心的状态。
在其中一个实施例中，所述核酸分析系统还用于采用全自动核酸分析仪的光学系统分别扫描读出每个PCR扩增腔内的各个荧光通道的光强，绘制QPCR曲线，计算Ct值，且给出阴阳性报告。
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统用于顺序进行静止加样，中速离心以使样本填充样本富集裂解腔并实现样本富集功能后裂解细胞，中高速离心以使裂解后的细胞残渣沉淀于样本富集裂解腔的底部且使裂解后的样本进入稀释腔内，加热以熔化稀释腔内的石蜡从而释放稀释液使裂解后的样本得以稀释，高速离心以使稀释后的样本进入各PCR扩增腔内，加热以熔化各PCR扩增腔内的石蜡，低速离心以进行PCR扩增
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析装置还包括设置在铁磁物块下方的永磁体。
附图说明
图1为本申请一实施例的结构示意图。
图2为图1所示实施例的另一方向示意图。
图3为本申请另一实施例的流程示意图。
图4为本申请另一实施例的流程示意图。
图5为本申请另一实施例的流程示意图。
图6为本申请另一实施例的流程示意图。
图7为本申请另一实施例的流程示意图。
图8为本申请另一实施例的流程示意图。
图9为本申请另一实施例的应用流程示意图。
图10为图9所示实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本申请一个实施例中，一种离心微流控芯片，其包括芯片基体，以及设置于所述芯片基体的加样腔、出气口、样本富集裂解腔、第一废液腔、第一毛细阀、稀释腔、第二毛细阀、第二废液腔与多个PCR扩增腔；所述加样腔设有加样孔，且所述加样腔通过加样腔流通管道连通所述样本富集裂解腔；所述样本富集裂解腔通过裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述样本富集裂解腔还通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道，且通过所述裂解腔混合管道连通所述稀释腔；所述稀释腔通过所述第二毛细阀连通试剂分发管道，且通过所述试剂分发管道分别连通各所述PCR扩增腔及所述第二废液腔；所述第一废液腔及所述第二废液腔分别通过气体流通管道连通所述出气口。上述离心微流控芯片通过巧妙设计的腔室结构，可以利用PCR扩增技术应用于离心微流控技术实现基于PCR扩增的分子诊断，无须搭建大型分子诊断实验室，亦无须采用大量人工操作，通过在加样腔、样本富集裂解腔、稀释腔及PCR扩增腔中的液体的顺序的操控，从而可以在PCR扩增腔中实现PCR扩增，整个反应过程处于密闭的微流控芯片结构中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
在其中一个实施例中，一种离心微流控芯片，其包括以下实施例的部分结构或全部结构；即，所述离心微流控芯片包括以下的部分技术特征或全部技术特征。在其中一个实施例中，一种离心微流控芯片，其包括芯片基体，以及设置于所述芯片基体的加样腔、出气口、样本富集裂解腔、第一废液腔、第一毛细阀、稀释腔、第二毛细阀、第二废液腔与多个PCR扩增腔。可以理解的是，所述加样腔、所述出气口、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述第一毛细阀、所述稀释腔、所述第二毛细阀、所述PCR扩增腔及所述第二废液腔的形状和大小根据实际需求设计即可。进一步地，在其中一个实施例中，所述加样腔、所述出气口、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述第一毛细阀、所述稀释腔、所述第二毛细阀、所述PCR扩增腔及所述第二废液腔设置于所述芯片基体上或所述芯片基体中。在其中一个实施例中，所述离心微流控芯片还包括所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道。进一步地，在其中一个实施例中，所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道设置于所述芯片基体上或所述芯片基体中。
在其中一个实施例中，所述加样腔设有加样孔，且所述加样腔通过加样腔流通管道连通所述样本富集裂解腔；在其中一个实施例中，所述加样孔及所述出气口位于所述芯片基体的同一端。在其中一个实施例中，所述加样孔及所述出气口均位于所述芯片基体靠近离心圆心的一端。在其中一个实施例中，所述加样孔及所述出气口位于所述芯片基体的同一端；且所述离心微流控芯片结构还包括所述试剂分发管道、所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道。
在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有裂解液干粉、玻璃研磨珠及或石英砂。及/或，在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有铁磁物。在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔通过裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述样本富集裂解腔还通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道，且通过所述裂解腔混合管道连通所述稀释腔；进一步地，在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道。在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔具有富集和裂解的两种功能，腔室内预置有铁磁物块。进一步地，在其中一个实施例中，所述富集腔用于通过离心富集样本，所述裂解腔用于将离心得到的上清液通过所述裂解腔流通管道溢出到所述第一废液腔。在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔，所述富集腔及所述裂解腔通过一滤膜相分隔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道。滤膜能拦截住细胞组织等大颗粒物质，从而实现样本富集并分离富集腔及裂解腔。进一步地，在其中一个实施例中，所述富集腔于其中部或者中下部位置处连通所述第一毛细阀，即所述富集腔的底部与所述第一毛细阀之间具有一定的距离，以免细胞残渣的沉淀堵塞第一毛细阀或者通过第一毛细阀进入PCR扩增腔而抑制后续的PCR反应；进一步地，所述富集腔的底部设有颈部及位于颈部下方的沉淀区，即沉淀区相对于离心圆心的距离大于颈部相对于离心圆心的距离，且所述富集腔于其颈部上方位置处连通所述第一毛细阀。其中，所述颈部相对于所述富集腔的其他区域具有收窄设计。在其中一个实施例中，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔，所述富集腔及所述裂解腔通过一滤膜相分隔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道，所述裂解腔中设有裂解液干粉及/或所述富集腔中设有铁磁物。进一步地，在其中一个实施例中，所述裂解腔中设有裂解液干粉、玻璃研磨珠及或石英砂。
在其中一个实施例中，所述稀释腔通过所述第二毛细阀连通所述PCR扩增腔及所述第二废液腔；在其中一个实施例中，所述第二废液腔凸设有辅助出气口或定位柱。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔的数量为多个，且所述离心微流控芯片还包括设置于所述芯片基体的试剂分发管道，所述试剂分发管道分别连通各所述PCR扩增腔及所述第二废液腔；所述稀释腔通过所述第二毛细阀连通所述试剂分发管道，且通过所述试剂分发管道分别连通各所述PCR扩增腔及所述第二废液腔。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔并排设置。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔并排设置且各所述PCR扩增腔的中心分布在同一个圆周上。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔的数量为8个，各所述PCR扩增腔并排设置，所述PCR扩增腔具有圆柱形结构；在其中一个实施例中，所述试剂分发管道分别于相对离心圆心的相同距离位置处连通各所述PCR扩增腔。
进一步地，在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中容置PCR反应试剂干粉。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中还容置石蜡。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中的所述石蜡的用量用于匹配封闭所述PCR扩增腔的腔口。在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔中还容置荧光染料。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔中的所述PCR反应试剂干粉相同或相异设置。在其中一个实施例中，各所述PCR扩增腔中容置的所述荧光染料相同或相异设置。这样，可以实现各种相同或不同的荧光检测。
在其中一个实施例中，所述第一废液腔及所述第二废液腔分别通过气体流通管道连通所述出气口。在其中一个实施例中，所述第一废液腔与所述第二废液腔的容积之和不小于所述加样腔的容积；这样可以避免加样过多。在其中一个实施例中，所述气体流通管道具有气体分支管道，其中，所述第一废液腔通过一所述气体分支管道连通所述出气口，所述第二废液腔通过另一所述气体分支管道连通所述出气口。在其中一个实施例中，所述出气口凸起设置。这样可以在方便排气的同时避免废液溢出。进一步地，在其中一个实施例中，所述第一废液腔在其靠近离心圆心的一端连接气体流通管道，以免废液通过出气口溢出。
在其中一个实施例中，所述芯片基体为PMMA、PDMS、PC、ABS、COC或COP制件，也可以为多种材质混合制件。在其中一个实施例中，所述芯片基体具有部分扇形结构。在其中一个实施例中，所述部分扇形包括扇环形及扇叶形或所述部分扇形结构具有三条直边。这样的设计，有利于多个所述离心微流控芯片规则排列形成类似于圆环形的结构，从而合理利用离心作用，提高处理效率，使得多个所述离心微流控芯片可以同时进行离心处理且进行PCR扩增进而完成整个分子诊断过程。
在其中一个实施例中，按离心方向，所述加样腔、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述稀释腔、所述试剂分发管道顺序设置，且所述出气口的位置相对于所述第一废液腔更接近所述加样腔；在其中一个实施例中，所述稀释腔内的液面与离心圆心之间的距离大于所述第二毛细阀与离心圆心之间的距离；这样，在进行离心操作时，加样腔中的样本通过加样腔流通管道进入样本富集裂解腔，样本富集裂解腔上部的上清液通过裂解腔流通管道进入第一废液腔，样本富集裂解腔下部的样本富集后通过第一毛细阀进入裂解腔混合管道，然后进入稀释腔，在稀释腔进行稀释后通过第二毛细阀及试剂分发管道顺序进入各个PCR扩增腔，多余的进入第二废液腔。
在其中一个实施例中，所述稀释腔中设有储液容器；所述储液容器用于容置稀释液。或者，所述稀释腔用于容置稀释液。这样，在进行PCR扩增乃至于分子诊断时可以直接使用，无需再装配稀释液。或者，在其中一个实施例中，所述稀释腔设有注液孔，所述注液孔用于注入稀释液。在其中一个实施例中，所述注液孔为单向孔。或者，在其中一个实施例中，所述稀释腔设有封闭所述注液孔的注液盖。进一步地，在其中一个实施例中，所述储液容器中设有稀释液。在其中一个实施例中，所述储液容器设有采用热熔层封闭的开口。在其中一个实施例中，所述储液容器粘设于所述稀释腔中。在其中一个实施例中，所述储液容器具有铝箔层。在其中一个实施例中，所述储液容器设有开口、刺件、弹性件与封膜，所述封膜用于封闭所述开口，所述弹性件一端连接所述刺件，另一端固定于所述稀释腔中，所述刺件用于在离心时配合所述弹性件产生位移以刺破所述封膜。进一步地，在其中一个实施例中，所述稀释腔中设有稀释液。在其中一个实施例中，所述稀释液设置于热熔包裹层中，所述热熔包裹层设置于所述稀释腔中。在其中一个实施例中，所述稀释液设置于包裹层中，所述包裹层设置于所述稀释腔中且所述包裹层设有采用热熔层封闭的开口。
在其中一个实施例中，所述芯片基体采用热压、超声波焊接、激光焊接或胶粘方式封装；这样可以形成一个相对密封的所述离心微流控芯片，只有加样孔与出气口与外界连通。进一步地，在其中一个实施例中，所述芯片基体具有基体部与盖板部，所述盖板部采用热压、超声波焊接、激光焊接或胶粘方式封装于所述基体部上，所述加样腔、所述出气口、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述第一毛细阀、所述稀释腔、所述第二毛细阀、所述PCR扩增腔及所述第二废液腔均设置于所述基体部上；进一步地，所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道均设置于所述基体部上；这样可以形成可重复利用的离心微流控芯片。进一步地，在其中一个实施例中，所述盖板部为热压膜层；这样可以形成可重复利用的基体部。在其中一个实施例中，所述芯片基体设有至少三固定部。所述固定部用于定位固定所述芯片基体从而定位固定所述离心微流控芯片。进一步地，在其中一个实施例中，所述固定部包括凸部及/或凹部。这样，可以方便地固定所述离心微流控芯片，便于加样后进行离心、PCR扩增及后续的核酸分析与分子诊断等操作。
在其中一个实施例中，所述PCR扩增腔的数量为8个，各所述PCR扩增腔并排设置且各所述PCR扩增腔的中心分布在同一个圆周上，所述PCR扩增腔具有圆柱形结构；所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔，所述富集腔及所述裂解腔通过一滤膜相分隔；所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道；按离心方向，所述加样腔、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述稀释腔、所述试剂分发管道顺序设置，且所述出气口的位置相对于所述第一废液腔更接近所述加样腔；所述稀释腔内的液面与离心圆心之间的距离大于所述第二毛细阀与离心圆心之间的距离；所述第一废液腔与所述第二废液腔的容积之和不小于所述加样腔的容积；所述稀释腔中设有储液容器；所述芯片基体采用热压、超声波焊接、激光焊接或胶粘方式封装；所述芯片基体设有至少三固定部。
在其中一个实施例中，如图1及图2所示，离心微流控芯片包括芯片基体100，以及设置于所述芯片基体100的加样腔流通管道121、裂解腔流通管道141、气体流通管道151、裂解腔混合管道161、试剂分发管道191、加样腔120、出气口130、样本富集裂解腔140、第一废液腔150、第一毛细阀160、稀释腔170、第二毛细阀180、8个PCR扩增腔190与第二废液腔200；所述加样腔120设有加样孔110，且所述加样腔120通过加样腔流通管道121连通所述样本富集裂解腔140；所述样本富集裂解腔140通过裂解腔流通管道141连通所述第一废液腔150，所述样本富集裂解腔140还通过所述第一毛细阀160连通裂解腔混合管道161，且通过所述裂解腔混合管道161连通所述稀释腔170；所述稀释腔170通过所述第二毛细阀180连通试剂分发管道191，且通过所述试剂分发管道191分别连通各所述PCR扩增腔190及所述第二废液腔200，各所述PCR扩增腔190并排设置，且所述第一废液腔150及所述第二废液腔200分别通过气体流通管道151连通所述出气口130。其中，按离心方向，即相对于离心圆心的距离，所述加样腔120、所述样本富集裂解腔140、所述第一废液腔150、所述稀释腔170、所述试剂分发管道190顺序设置，且所述出气口的位置相对于所述第一废液腔更接近所述加样腔。所述第二废液腔200处凸设有定位柱201。所述出气口130凸起设置，所述加样孔110及所述出气口130位于所述芯片基体的同一端，即靠近离心圆心的一端；芯片基体100具有部分扇形结构且所述部分扇形结构具有三条直边。各实施例中，各所述PCR扩增腔并排设置且各所述PCR扩增腔的中心分布在同一个圆周上，即如图1至图8所示，各所述PCR扩增腔的腔口与离心圆心的距离相同。
其他各实施例分别如图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，离心微流控芯片包括芯片基体100，以及设置于所述芯片基体100的加样腔流通管道121、裂解腔流通管道141、气体流通管道151、裂解腔混合管道161、试剂分发管道191、加样腔120、出气口130、样本富集裂解腔140、第一废液腔150、第一毛细阀160、稀释腔170、第二毛细阀180、8个PCR扩增腔190与第二废液腔200等，在此不再赘述。
在其中一个实施例中，一种核酸分析系统，其包括任一实施例所述离心微流控芯片。上述核酸分析系统通过巧妙设计的离心微流控芯片，可以利用PCR扩增技术应用于离心微流控技术实现基于PCR扩增的分子诊断，无须搭建大型分子诊断实验室，亦无须采用大量人工操作，通过在加样腔、样本富集裂解腔、稀释腔及PCR扩增腔中的液体的顺序的操控，从而可以在PCR扩增腔中实现PCR扩增，整个反应过程处于密闭的微流控芯片结构中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。在其中一个实施例中，所述核酸分析系统还包括设置在铁磁物块下方的永磁体，所述永磁体用于带动铁磁物块在样本富集裂解腔内移动或转动。
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统设有5种荧光通道。进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统用于在PCR反应过程中，控制所述微流控芯片保持低速离心的状态。在其中一个实施例中，所述核酸分析系统还用于采用全自动核酸分析仪的光学系统分别扫描读出每个PCR扩增腔内的各个荧光通道的光强，绘制QPCR曲线，计算Ct值，且给出阴阳性报告。进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统用于顺序进行静止加样，中速离心以使样本填充样本富集裂解腔并实现样本富集功能后裂解细胞，中高速离心以使裂解后的细胞残渣沉淀于样本富集裂解腔的底部且使裂解后的样本进入稀释腔内，加热以熔化稀释腔内的石蜡从而释放稀释液使裂解后的样本得以稀释，高速离心以使稀释后的样本进入各PCR扩增腔内，加热以熔化各PCR扩增腔内的石蜡，低速离心以进行PCR扩增。进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析装置还包括设置在铁磁物块下方的永磁体。
进一步地，在其中一个实施例中，所述核酸分析系统使用各实施例所述离心微流控芯片，配合全自动核酸分析仪器，实现免核酸纯化步骤的分子诊断项目的全自动化。在这个微流控芯片里，样本的富集，裂解，裂解后稀释以及等量分发，多腔室的PCR扩增都得以顺序实现。在其中一实施例中，所述离心微流控芯片设有8个PCR扩增腔，每个扩增腔对应的核酸分析仪器设有5种荧光通道，最多可实现同时40个指标的检测。这种的单样本多指标的方式，也为分子诊断实现面对病症的多病原体筛查提供了可能。进一步地，整个反应过程处于密闭的微流控芯片中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
在其中一个实施例中，离心微流控芯片整体设计采用离心力驱动的方式。整个微流控芯片为类似扇形结构，八个微流控芯片组成一个圆环，离心转动中心位于类扇形结构的圆心。下面继续给出具体应用的实施例，如图1至图8所示，在离心微流控芯片静止的时候，样本通过加样孔110加入到加样腔120中。随后，中速离心微流控芯片，此时样本填充样本富集裂解腔140即样本富集/裂解腔室。在样本填充样本富集裂解腔时，由于离心场的存在，样本内的细胞、组织及/或病原体等会沉淀到样本富集裂解腔140的底部，而上清液溢出进入第一废液腔150。这样实现了样本富集的功能。在具体应用的某些实施例中，还可在样本富集裂解腔140内加入一层过滤膜，通过采用过滤膜过滤的方式实现样本中细胞、组织及/或病原体等的有效富集。然后，在样本富集裂解腔140中实现样本内的细胞、组织及/或病原体等的裂解。裂解方式包括但不限于超声波裂解、高温煮沸裂解或磁搅拌裂解等。随后，进行高速离心，让裂解后的液体突破第一毛细阀160后顺着裂解腔混合管道161进入稀释腔170内。在具体应用的某些实施例中，还可先中高速离心让离心后的细胞残渣充分沉淀到第一毛细阀160的下面，以避免细胞残渣抑制后续的PCR反应。在具体应用的某些实施例中，还可采取缓慢加速至高速的方式，一边实现细胞残渣的沉淀沉淀到样本富集裂解腔140的底部，一边实现裂解后的液体经由第一毛细阀160进入稀释腔170内。由于裂解后的液体体积有限，此时稀释腔170内的液面与离心圆心之间的距离大于第二毛细阀180与离心圆心之间的距离，即稀释腔170内的液面低于第二毛细阀180，亦即稀释腔170内的液面低于稀释腔170与第二毛细阀180的连通位置，所以在稀释之前，无论离心力多大，稀释腔170内的液体也不会突破第二毛细阀180进入到后续的反应腔室内。进一步地，稀释腔170预置有稀释液，在具体应用的某些实施例中，稀释液预置在一端由石蜡封装另一端由胶粘合的铝箔之中，铝箔用胶粘合在稀释腔170的顶部，加热之后，石蜡融化，稀释液才会释放出来。或者，在具体应用的某些实施例中，稀释腔170内的稀释液预置在放置在尖刺上面的密封的铝箔之中，尖刺固定在稀释腔170的顶部，铝箔和尖刺之间由弹簧固定。这样，高速离心时候，铝箔被尖刺刺破，从而释放稀释液。在具体应用的某些实施例中，稀释液释放后与裂解后的液体混合，混合可以通过正反转微流控芯片或者加减速转动微流控芯片来实现。随后，高速离心，被稀释后的裂解后的液体突破第二毛细阀180进入样本分发管道，并才从左到右一次填满8个PCR扩增腔190。PCR扩增腔190内预置有PCR反应试剂干粉和石蜡，在其中一个实施例中，PCR反应试剂干粉包括PCR反应所需的酶、dNTPs及引物等。特别地，8个PCR扩增腔190内每个扩增腔可以预置多种引物，每个扩增腔内均可以实现多重PCR。扩增产物通过不同的荧光染料来做以区分。随后，开启温度循环，PCR扩增腔190内开始实现PCR反应，扩增腔内石蜡开始融化。由于石蜡密度小于水，在离心场中，石蜡会上浮到PCR扩增腔的入口并密封PCR扩增腔，以避免PCR反应中易出现的气溶胶污染。在PCR反应过程中，微流控芯片始终保持着低速离心的状态，这样，核酸分析系统中设置的配套离心微流控芯片的全自动核酸分析仪里面的光学系统能扫描式的分别读出每个PCR扩增腔内的各个荧光通道的光强，从而绘制QPCR曲线，来计算Ct值，给出阴阳性报告。特别地，为配合PCR扩增腔内的多重PCR，全自动核酸分析仪里面光学系统也需有多套的光学和光电探测器系统，以读取不同波长的荧光信号。
在其中一个实施例中，全自动核酸分析仪的光学系统能分别读取5路荧光信号，具体参数如下表所示：
下面以人乳头状瘤病毒(HPV)的分型为例，来说明所述离心微流控芯片的具体实施。现代医学研究确认，女性患宫颈癌是子宫颈被人乳头状瘤病毒感染所致，HPV是一组病毒的总称，其主要由DNA核心和蛋白衣壳组成。目前已经确定的HPV型类别大约有80余种，不同基因型的HPV具有不同的致病危险性，按其致癌性大小可分为低危型、中危型和高危型三类。HPV DNA的检测和分型对了解病情、判断预防及指导治疗具有重要价值。如图9所示，应用所述离心微流控芯片的检测流程说明如下。
1.以1ml宫颈刷洗刷液作为样本，通过加样孔加入到加样腔中；
2.1000rpm离心1分钟，样本经过滤膜过滤富集后，900μl的上清液流入第一废液腔，剩余100μl样本留在样本富集裂解腔内；或者，
1000rpm离心1分钟，样本在离心场的作用下沉淀在样本富集裂解腔内的底部，900μl的上清液流入第一废液腔，剩余100μl样本留在样本富集裂解腔内；
3.200rpm离心4分钟，此时固定在芯片下方的永磁体带动着铁磁物块在裂解腔内上下移动，加速裂解液干粉的融化并撕裂过滤膜，并搅拌加速细胞裂解过程；
4.1000rpm离心1分钟，裂解腔内裂解后的溶液内杂质充分沉淀；
5.3000rpm离心2分钟，裂解腔内上清液突破毛细阀进入混合腔内并填充混合腔的底部；
6.1000rpm离心1分钟，温控区加热到60度，储液容器被石蜡封住的一端打开，储液容器内的稀释液被释放出来并与来自裂解腔的上清液混合，95度加热裂解HPV病毒；
7.3000rpm离心1分钟，混合腔内位于毛细阀之上的部分的混合液突破毛细阀进入液体分发管道并逐个填满扩增腔，多余的混合液填入废液腔；
8.200rpm离心，并开始热启动加热，PCR扩增腔内的石蜡融化并上浮到PCR扩增腔的入口，密封PCR扩增腔，随后进入PCR反应的温度循环。
然后就可以有针对性地进行荧光检测乃至于阴阳性判断等操作。整个HPV检测微流控芯片流程图如图10所示，采集荧光信号后进行数据处理，写入数据库，打印报告。
这样的设计，所述离心微流控芯片配合全自动核酸分析仪器，实现了核酸分析系统，采用该核酸分析系统可实现免核酸纯化步骤的分子诊断项目的全自动化。在这样的离心微流控芯片里，样本的富集，裂解，裂解后稀释以及等量分发，多腔室的PCR扩增都得以顺序实现。在其中一个实施例中，整个反应过程处于密闭的微流控芯片中，减少了操作人员的负担及污染的可能性，也使得整个分子诊断过程不再依赖于分子诊断实验室，也不再依赖于专业的操作人员，实现了随时随地快速检测的需求，为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。与此同时，这种微流控芯片，配合全自动核酸分析仪能实现单样本多指标的检测，为分子诊断实现面对病症的病原体筛查提供了可能。
需要说明的是，本申请的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的离心微流控芯片及核酸分析系统。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种离心微流控芯片，其特征在于，包括芯片基体，以及设置于所述芯片基体的加样腔、出气口、样本富集裂解腔、第一废液腔、第一毛细阀、稀释腔、第二毛细阀、第二废液腔与多个PCR扩增腔；
所述加样腔设有加样孔，且所述加样腔通过加样腔流通管道连通所述样本富集裂解腔；
所述样本富集裂解腔通过裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述样本富集裂解腔还通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道，且通过所述裂解腔混合管道连通所述稀释腔；
所述稀释腔通过所述第二毛细阀连通试剂分发管道，且通过所述试剂分发管道分别连通各所述PCR扩增腔及所述第二废液腔；
所述第一废液腔及所述第二废液腔分别通过气体流通管道连通所述出气口。
2.根据权利要求1所述离心微流控芯片，其特征在于，所述加样孔及所述出气口位于所述芯片基体的同一端；
且所述离心微流控芯片结构还包括所述试剂分发管道、所述加样腔流通管道、所述裂解腔流通管道、所述气体流通管道及所述裂解腔混合管道。
3.根据权利要求2所述离心微流控芯片，其特征在于，按离心方向，所述加样腔、所述样本富集裂解腔、所述第一废液腔、所述稀释腔、所述试剂分发管道顺序设置，且所述出气口的位置相对于所述第一废液腔更接近所述加样腔。
4.根据权利要求3所述离心微流控芯片，其特征在于，各所述PCR扩增腔并排设置，且各所述PCR扩增腔的中心分布在同一个圆周上。
5.根据权利要求1所述离心微流控芯片，其特征在于，所述第一废液腔与所述第二废液腔的容积之和不小于所述加样腔的容积。
6.根据权利要求1所述离心微流控芯片，其特征在于，所述稀释腔中设有储液容器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述离心微流控芯片，其特征在于，所述样本富集裂解腔中设有富集腔及裂解腔，所述富集腔及所述裂解腔通过一滤膜相分隔；
所述裂解腔通过所述裂解腔流通管道连通所述第一废液腔，所述富集腔通过所述第一毛细阀连通裂解腔混合管道。
8.根据权利要求1至6中任一项所述离心微流控芯片，其特征在于，所述样本富集裂解腔中设有裂解液干粉、玻璃研磨珠及或石英砂。
9.根据权利要求1至6中任一项所述离心微流控芯片，其特征在于，所述样本富集裂解腔中设有铁磁物。
10.一种核酸分析系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述离心微流控芯片；进一步地，所述核酸分析系统设有5种荧光通道；及/或，所述核酸分析系统用于在PCR反应过程中，控制所述微流控芯片保持低速离心的状态；及/或，所述核酸分析系统还用于采用全自动核酸分析仪的光学系统分别扫描读出每个PCR扩增腔内的各个荧光通道的光强，绘制QPCR曲线，计算Ct值，且给出阴阳性报告；及/或，所述核酸分析系统用于顺序进行静止加样，中速离心以使样本填充样本富集裂解腔并实现样本富集功能后裂解细胞，中高速离心以使裂解后的细胞残渣沉淀于样本富集裂解腔的底部且使裂解后的样本进入稀释腔内，加热以熔化稀释腔内的石蜡从而释放稀释液使裂解后的样本得以稀释，高速离心以使稀释后的样本进入各PCR扩增腔内，加热以熔化各PCR扩增腔内的石蜡，低速离心以进行PCR扩增；及/或，所述核酸分析装置还包括设置在铁磁物块下方的永磁体。
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