CN109735443B - 一种便携负压微流控检测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携负压微流控检测系统及其工作方法，包括负压吸引泵、反应芯片和检测加温系统，负压吸引泵由控制器A、超声波马达、注射器、注射器固定支架和外壳组成；反应芯片由透明材料制作而成，由三个液体入口、一个负压吸引接口、反应池和检测池组成；检测加温系统由控制器B、紫外灯珠、加温电阻、热电偶和外壳组成；本发明整套系统利用负压泵进行取样和液体输运，避免了进样过程中溶液污染和挥发，可实现基于环介导等温扩增技术的现场检测。

Description

一种便携负压微流控检测系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及微流控检测技术和装置领域，具体指一种便携式负压微流控检测系统及其工作方法，利用负压泵进行液体输运，可用于基于环介导等温扩增技术的现场检测。

背景技术

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。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)。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。目前，微流控被认为在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景，但是，目前利用微流控检测依然存在较多不足：检测过程用到多种溶液反应，目前常用的办法是使用多通道泵进行输运，设备成本高昂；检测前需要将配置好的溶液转移到泵中，不适用于易挥发溶液、有毒有害溶液和珍贵溶液；反应和检测时需要特定的环境，需要专门的加温装置和检测装置，整个检测过程用到设备多，集成化、小型化程度低，难以满足实验室外的现场检测要求。

发明内容

针对现有微流控检测装置的不足，本发明设计了一种集成负压泵、反应芯片和检测加温系统的便携式微流控系统及其工作方法，利用负压吸附实现一次检测对多种溶液的进样、混合和输运，减少了操作步骤，避免交叉污染和溶液损失。同时，整个系统结构紧凑、便于携带，具有加温和检测的功能，可用于现场检测。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：

一种便携负压微流控检测系统，包括负压吸引泵、反应芯片和检测加温系统，负压吸引泵通过注射器与反应芯片上部的负压接口连接，并将样本、裂解液和引物依次吸入反应芯片中，负压吸引泵和反应芯片一起置于检测加温系统中，并设置反应温度和时间，反应结束后检查检测加温系统中的紫外灯珠，观察是否有荧光。

上述方案中，所述负压吸引泵侧面安装有控制器A、设置按钮A，用于控制马达的转速和转动时间，马达的输出端与马达丝杠同轴连接，马达丝杠上套有滑块，马达丝杠转动时带动滑块沿着导轨上下移动，导轨固定于外壳A上下两端之间，滑块底部安装有中空的圆柱形上固定支架，上固定支架一侧开有第一通孔，紧固螺丝A穿过第一通孔固定注射器的推杆，注射器的外壳通过下固定支架、紧固螺丝B与外壳A固定在一起，所述下固定支架位于外壳A底部，且与外壳A固连为一体，外壳A与下固定支架均开有供注射器外壳穿过的第二通孔，第三通孔垂直于第二通孔，紧固螺丝B穿过第三通孔固定注射器的外壳；所述外壳A顶端隔有放置电池A的空腔，电池A与控制器A相连，用于给控制器A供电。

上述方案中，所述反应芯片下部设置有并联的样本入口、裂解液入口和引物入口，三个入口上端与反应池连通，下端通过塞子密封，反应池和检测池连通，检测池连通负压接口。

上述方案中，所述检测加温系统的外壳B分为上下两个独立的部分，上壳体侧面安装控制器B，控制器B下方有设置按钮B，用于设置反应液反应的温度和时间以及控制紫外灯珠；上壳体内壁四周贴有保温棉，保温棉中设有与控制器B相连的加温电阻和热电偶，紫外灯珠和观察窗设置于上壳体同一高度相对的侧面上；所述下壳体中放置有电池B，用于给控制器B供电；所述上壳体顶部开口与负压吸引泵、反应芯片大小匹配，使用检测系统时，负压吸引泵与反应芯片一起伸入上壳体，反应芯片置于上壳体内部底端，负压吸引泵下端与上壳体相卡接。

一种集成负压微流控系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤1)，安装注射器，将负压吸引泵和反应芯片紧密连接在一起；

步骤2)，开启负压吸引泵，设置吸取液体体积，将检测样本和裂解液依次吸入反应池中，负压吸引泵输出交变压力，促进样本和裂解液混合，然后用塞子将反应芯片所有入口塞住，插入检测加温系统中，设定好反应温度和时间，进行裂解反应；

步骤3)，裂解反应结束后，取出负压吸引泵和反应芯片，打开塞子，通过负压吸引泵将定量的引物和裂解反应产物吸入检测池，再次进行液体混合，塞入塞子，并将负压吸引泵和反应芯片插入检测加温系统中，设置环介导等温扩增反应LAMP的温度和反应时间；

步骤4)，LAMP反应结束后，开打紫外灯珠，观察是否存在荧光，如果有荧光则表明反应呈阳性，反之为阴性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所设计的负压微流控检测系统利用负压进行溶液输运，负压吸引泵与溶液不接触，避免了液体的交叉污染，多种溶液取样不需要更换注射器，操作简单，成本低；

(2)本发明所设计的负压微流控检测系统，利用负压直接取样，无需移液操作，减少了操作步骤，特别适用于有毒易和易挥发溶液的进样；

(3)本发明所设计的负压微流控检测系统包含负压进样、温度控制、紫外检测等功能，集成化程度高，检测结果直接可读，不依赖其他装备可以独立实现LAMP现场检测；

(4)本发明所设计的反应芯片与负压吸引泵结合，负压吸引泵提供交变压力，不同溶液在反应芯片内强制混合，缩短混合时间，提高检测反应效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的负压吸引泵示意图；

图3为本发明的反应芯片示意图；

图4为本发明的检测加温系统示意图；

图中：1-负压吸引泵；2-控制器A；3-设置按钮A；4-电池A；5-超声波马达；6-马达丝杆；7-滑块；8-上固定支架；9-紧固螺丝A；10-下固定支架；11-紧固螺丝B；12-导轨；13-注射器；14-外壳A；15-反应芯片；16-样本入口；17-裂解液入口；18-引物入口；19-负压接口；20-反应池；21-检测池；22-微流体通道；23-检测加温系统；24-控制器B；25-设置按钮B；26-电池B；27-紫外灯珠；28-观察窗；29-加温电阻；30-热电偶；31-外壳B；32-塞子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于此。

如图1、2、4所示，一种便携负压微流控检测系统，由负压吸引泵1、反应芯片15和检测加温系统23组成，负压吸引泵1通过注射器13与反应芯片15的负压接口19连接在一起，反应和检测时，反应芯片15插入检测加温系统23中，负压吸引泵1下端也插入检测加温系统23中。

如图1和图2所示，负压吸引泵1包括控制器A2、设置按钮A3、电池A4、超声波马达5、马达丝杠6、滑块7、上固定支架8、紧固螺丝A9、下固定支架10、紧固螺丝B11、导轨12、注射器13、外壳A14，外壳A14为长方体状，正面的面板安装设置按钮A3和带有显示器的控制器A2，背面的面板可拆卸，使用时面板盖上，用于遮挡灰尘，更换注射器13时将面板拆开；超声波马达5可以在控制器A2控制下高频正反转，交变的压力使液体在反应池20和检测池21中来回流动，使不同液体充分混合，缩短检测时间；控制器A2内设有电机驱动器，通过设置按钮A3设置马达转动参数，由电机驱动器控制超声波马达5的转速和时间,超声波马达5的输出端与马达丝杠6同轴连接，马达丝杠6上套有滑块7，马达丝杠6转动时带动滑块7沿着导轨12上下移动，滑块7两侧设有与导轨12相配合的凹槽，导轨12固定于外壳A14上下两端之间，且外壳A14顶端隔有放置电池A4的空腔，电池A4与控制器A2相连，用于给控制器A2供电，滑块7底部安装有中空的圆柱形上固定支架8，上固定支架8一侧开有第一通孔，使得紧固螺丝A9可以穿过第一通孔固定注射器13的推杆，注射器13的外壳通过下固定支架10、紧固螺丝B11与外壳A14固定在一起，下固定支架10位于外壳A14底部，且与外壳A14固连为一体，外壳A14与下固定支架10均开有供注射器13外壳穿过的第二通孔，检测时注射器13与负压接口19连接，第三通孔垂直于第二通孔，紧固螺丝B11穿过第三通孔固定注射器13的外壳；上、下固定支架可安装不同规格的注射器，安装注射器时通过调节紧固螺丝，使注射器推杆和外壳处于同一轴线上，提高系统精度。注射器13推杆在超声波马达5的带动下向上移动产生负压，通过负压接口19将压力传输至反应芯片15用于吸取液体，吸取液体量的由控制器A2控制并显示；控制器A2预先存储常用规格注射器的几何参数(包括横截面积、注射器最大液量)，使用时设置好注射器规格，超声波马达5带动注射器3的推杆移动，通过控制推杆距离来控制进液量多少。

如图3所示，反应芯片15的长方体壳体由透明材料制成，下部设置有并联的样本入口16、裂解液入口17和引物入口18，三个液体入口上端通过微流体通道22与反应池20连通，三个液体入口下端设有密封用的塞子32，反应芯片15上部设置有负压接口19，负压接口19通过微流体通道22连接检测池21，反应池20和检测池21均为圆柱形，两者通过微流体通道22连接在一起。

如图4所示，检测加温系统23包括控制器B24、设置按钮B25、电池B26、紫外灯珠27、观察窗28、加温电阻29、热电偶30以及外壳B31，外壳B31分为上下两个独立的部分，上壳体正面安装带有显示器的控制器B24，控制器B24下方有设置按钮B25，用于设置反应温度和时间以及控制紫外灯珠27；上壳体内壁四周贴有保温棉，加温电阻29和热电偶30均置于保温棉中，加温电阻29、热电偶30均连接到控制器B24上，控制器B24通过热电偶30监测上壳体内壁温度，控制器B24控制加温电阻29对系统进行加温，控制器B24使用PID控制实现精确控温；紫外灯珠27和观察窗28设置于上壳体同一高度相对的侧面上，检测系统工作时，分别位于检测池21的两侧；检测加温系统23可通过控制器B24设置反应温度和时间，并通过紫外灯珠27发出的紫外光检测反应液体中是否有荧光，从而检测反应液体是否存在病菌。下壳体中放置有电池B26，用于给控制器B24供电。上壳体顶部开口与负压吸引泵1、反应芯片15大小匹配，使用检测系统时，负压吸引泵1与反应芯片15一起伸入上壳体，反应芯片15置于上壳体内部底端，负压吸引泵1下端与上壳体相卡接。

一种便携负压微流控检测系统的使用方法如下：

1)控制器A2选择注射器13的规格，将滑块7移动至外壳A14最底端，通过紧固螺丝A9、紧固螺丝B11安装注射器13，注射器13与负压接口19连接，负压吸引泵1和反应芯片15紧密连接在一起；

2)开启负压吸引泵1，通过控制器A2设置吸取液体体积，将定量的样本和裂解液依次通过样本入口16和裂解液入口17吸入反应池20中，开启混合模式(液体在反应芯片15中混合，其原理是：马达5正反交替转动，带动注射器3的推杆往复运动，从而在反应芯片15中实现交替正负驱动压力，液体在压力驱动下形成混沌运动，促进液体混合)负压吸引泵1输出交变压力，促进样本和裂解液混合，混合完毕后用塞子32将反应芯片15所有入口塞住，插入检测加温系统23中，设定好反应温度和时间，进行裂解反应；

3)裂解反应结束后，取出负压吸引泵1和反应芯片15，打开引物入口18的塞子，通过负压吸引泵1将定量的LAMP引物和裂解反应产物吸入检测池21，再次进行液体混合，塞入塞子32，将负压吸引泵1与反应芯片15再次插入检测加温系统23中，设置环介导等温扩增反应(LAMP)温度和反应时间；

4)扩增反应结束后，打开紫外灯珠27，通过观察窗28，观察反应溶液是否存在荧光，如果有荧光则说明反应液体呈阳性，有病菌，反之为阴性，没有病菌。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种便携负压微流控检测系统，其特征在于：包括负压吸引泵(1)、反应芯片(15)和检测加温系统(23)，负压吸引泵(1)通过注射器(13)与反应芯片(15)上部的负压接口(1 9)连接，并将样本、裂解液和引物依次吸入反应芯片(15)中，负压吸引泵(1)和反应芯片(15)一起置于检测加温系统(23)中，并设置反应温度和时间，反应结束后检查检测加温系统(23)中的紫外灯珠(27)，观察是否有荧光；

所述负压吸引泵(1)侧面安装有控制器A(2)、设置按钮A(3)，用于控制马达(5)的转速和转动时间，马达(5)的输出端与马达丝杠(6)同轴连接，马达丝杠(6)上套有滑块(7)，马达丝杠(6)转动时带动滑块(7)沿着导轨(12)上下移动，导轨(12)固定于外壳A(14)上下两端之间，滑块(7)底部安装有中空的圆柱形上固定支架(8)，上固定支架(8)一侧开有第一通孔，紧固螺丝A(9)穿过第一通孔固定注射器(13)的推杆，注射器(13)的外壳通过下固定支架(10)、紧固螺丝B(11)与外壳A(14)固定在一起。

2.根据权利要求1所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述外壳A(14)顶端隔有放置电池A(4)的空腔，电池A(4)与控制器A(2)相连，用于给控制器A(2)供电。

3.根据权利要求1所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述下固定支架(10)位于外壳A(14)底部，且与外壳A(14)固连为一体，外壳A(14)与下固定支架(10)均开有供注射器(13)外壳穿过的第二通孔，第三通孔垂直于第二通孔，紧固螺丝B(11)穿过第三通孔固定注射器(13)的外壳。

4.根据权利要求1所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述反应芯片(15)下部设置有并联的样本入口(16)、裂解液入口(17)和引物入口(18)，三个入口上端与反应池(20)连通，下端通过塞子(32)密封，反应池(20)和检测池(21)连通，检测池(21)连通负压接口(19)。

5.根据权利要求1所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述检测加温系统(23)的外壳B(31)分为上下两个独立的部分，上壳体侧面安装控制器B(24)，控制器B(24)下方有设置按钮B(25)，用于设置反应液反应的温度和时间以及控制紫外灯珠(27)；上壳体内壁四周贴有保温棉，保温棉中设有与控制器B(24)相连的加温电阻(29)和热电偶(30)，紫外灯珠(27)和观察窗(28)设置于上壳体同一高度相对的侧面上。

6.根据权利要求5所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述下壳体中放置有电池B(26)，用于给控制器B(24)供电。

7.根据权利要求5所述的便携负压微流控检测系统，其特征在于：所述上壳体顶部开口与负压吸引泵(1)、反应芯片(15)大小匹配，使用检测系统时，负压吸引泵(1)与反应芯片(15)一起伸入上壳体，反应芯片(15)置于上壳体内部底端，负压吸引泵(1)下端与上壳体相卡接。

8.一种根据权利要求1所述的便携 负压微流控系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，安装注射器(13)，将负压吸引泵(1)和反应芯片(15)紧密连接在一起；

步骤2)，开启负压吸引泵(1)，设置吸取液体体积，将检测样本和裂解液依次吸入反应池(20)中，负压吸引泵(1)输出交变压力，促进样本和裂解液混合，然后用塞子(32)将反应芯片(15)所有入口塞住，插入检测加温系统(23)中，设定好反应温度和时间，进行裂解反应；

步骤3)，裂解反应结束后，取出负压吸引泵(1)和反应芯片(15)，打开塞子(32)，通过负压吸引泵(1)将定量的引物和裂解反应产物吸入检测池(21)，再次进行液体混合，塞入塞子(32)，并将负压吸引泵(1)和反应芯片(15)插入检测加温系统(23)中，设置环介导等温扩增反应LAMP的温度和反应时间；

步骤4)，LAMP反应结束后，打 开紫外灯珠(27)，观察是否存在荧光，如果有荧光则表明反应呈阳性，反之为阴性。

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