CN109868218B - 一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器及细菌裂解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器以细菌裂解方法，反应器包括对准键合到一起的下底板和上盖板；下底板上设有一组声表面波发生结构；上盖板一侧设有凹槽，中间部分设有供液体流过的微流道结构；控制声表面波发生结构的信号控制系统；微流道结构包括进样孔、反应区、产物流出孔。适用于不同种类的细菌裂解，无需任何化学试剂的使用，避免了化学试剂对裂解物的污染。

Description

一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器及细菌裂解方法

技术领域

本发明属于微纳制造应用技术领域，涉及生物化学试样的检测器件，具体涉及一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器及细菌裂解方法。

背景技术

分子水平上的细菌研究在疾病病理和药物筛选中具有重大意义。在对细菌进行分析时，瓶颈问题为如何快速、有效地裂解细菌。目前用于细菌裂解的方法主要有溶菌酶裂解、机械裂解、超声波裂解、离心法等，但这些方法样品量大、处理时间长，不适用于现场快速分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器及细菌裂解方法，利用声表面波产生的声辐射力和声流力，使细菌在声场的作用下实现细胞壁和细胞膜的破裂，提取出细菌内的核酸和蛋白质等物质。本发明可以实现多种细菌的快速裂解，无需添加任何化学试剂，且制备过程的各环节方法成熟可靠。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器，包括连接在一起的下底板和上盖板，以及信号控制系统；

下底板的上表面设有声表面波发生结构；

上盖板上设置有微流道结构，微流道结构包括依次连通的进样孔、反应区和产物流出孔，反应区底部为开口设置并通过下底板密封，当声表面波发生结构产生声表面波时，反应区位于的声表面波辐射范围内；上盖板的底部设置有凹槽，凹槽与声表面波发生结构相对布置；

信号控制系统用于产生脉冲信号并输入到声表面波发生结构。

优选的，反应区与声表面波发生结构之间的水平距离为50-250μm。

优选的，反应区的中心线与声表面波发生结构中叉指指条的方向平行。

优选的，进样孔与反应区之间设置有分散区，分散区上设置有多个分散孔，进样孔与反应区通过分散孔连通。

优选的，凹槽靠近反应区的一侧壁与声表面波发生结构靠近反应区的一侧壁对准。

优选的，凹槽的深度为30-150μm。

优选的，信号控制系统包括脉冲信号发生器、脉冲控制模块和功率放大器；脉冲信号发生器用于产生脉冲信号，并将脉冲信号输入功率放大器；功率放大器用于将脉冲信号放大并输入声表面波发生结构；脉冲控制模块用于控制脉冲信号发生器的开启和关闭以及脉冲信号发生器输出脉冲信号的间隔和时长。

优选的，上盖板采用PDMS材料制成。

优选的，下底板与上盖板键合连接。

一种基于声表面波的细菌裂解方法，是将细菌样品置于声表面波的辐射范围内，在声表面波的作用下使细菌的细胞壁和细胞膜破裂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于声表面波的微型细菌裂解反应器涉及微纳制造技术和声表面波技术，微纳制造技术，可以将生物化学试样的混合、反应、检测等功能集成在微小的芯片内，样品和试剂的消耗量大大降低并且反应时间大大缩短。声表面波技术依靠声波和流体的耦合，在流体中形成周期性分布的压强。流体中的粒子受到周围流体的声辐射力的作用而进行迁移，迁移方向由流体介质的密度及压缩性的相对大小决定，声波传感器与流体之间是非接触的，避免样品的交叉感染。本发明通过信号控制系统将脉冲信号输入声表面波发生结构，使声表面波发生结构产生声表面波，在声表面波的作用下使细菌的细胞壁和细胞膜裂解，释放细菌内的核酸和蛋白质等物质；调节输入电压和设计不同频率的声表面波发生结构可以适用于不同种类的细菌裂解，无需任何化学试剂的使用，声表面波发生结构也不与样品接触，避免了对裂解物的污染，同时，需要的样品量小，破裂时间短，适用于现场快速分析。上盖板中靠近微流道结构的凹槽设计，可以使声表面波在固体中的衰减降到最低。本发明所采用的微流道结构以及声表面波发生结构的加工方法非常成熟，因而降低了制备的难度，提高了实现的可能性；由于制作下底板时采用的掩膜板可以重复多次使用，降低了加工成本，为大规模生产提供了可能；由于微型细菌裂解反应器的关键因素在于其表面结构，而与结构整体形状无关，因而可以把微型细菌裂解反应器与其他细菌分析单元集成在一起，更适合于分子水平上的细菌研究。

进一步的，进样孔与反应区通过分散孔连通，分散孔可以将样品中的成团细菌分散开，防止细菌成团进入反应区，提高裂解效率。

本发明的细菌裂解方法，利用声表面波产生的声辐射力和声流力，使细菌在声场的作用下实现细胞壁和细胞膜的破裂。声表面波是沿着弹性材料表面传播的一种声波，表面波仅在弹性材料的二维平面内传播，振幅随传播距离的衰减比其他类型的弹性波慢的多，因此表面波可以传播的距离较远。声表面波能量集中在固体表面，可将能量集中在反应区，裂解效率更高，可以实现多种细菌的快速裂解，适用于现场快速分析。

附图说明

图1是本发明带有叉指换能器的下底板俯视图；

图2是本发明带有微流道结构的上盖板仰视图；

图3是本发明微型细菌裂解反应器的整体示意图；

图4是本发明信号控制系统控制流程框图。

其中，1为下底板，2为上盖板，3为声表面波发生结构，4为凹槽，5为微流道结构，6为信号控制系统，7为进样孔，8为反应区，9为产物流出孔，10为分散孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于声表面波的细菌裂解方法，是将细菌样品置于声表面波的辐射范围内，在声表面波的作用下使细菌的细胞壁和细胞膜破裂。

本发明基于声表面波的微型细菌裂解反应器，包括上下对准键合在一起的下底板1和上盖板2，以及信号控制系统6。

如图1所示，下底板1为压电材料128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体，下底板1的上表面设有声表面波发生结构3，声表面波发生结构3上的叉指电极采用MEMS工艺包括涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、溅射和剥离等步骤制作，叉指电极由25对直线形叉指构成，叉指的孔径为8mm，叉指指条的宽度和指间距离相等为75μm。叉指电极由10nm厚度的金属钛和50nm厚度的金材料制成。

如图2和图3所示，上盖板2上设置有微流道结构5，微流道结构5包括依次连通的进样孔7、反应区8和产物流出孔9；反应区8底部为开口设置，通过下底板1将反应区8底部密封，即反应区8为凹槽式结构。在一个实施例中，进样孔7与反应区8之间设置有分散区，分散区上设置有多个分散孔10，进样孔7与反应区8通过分散孔10连通，分散孔10可以将样品中的成团细菌分散开，防止细菌成团进入反应区。样品从进样孔7加入，经过反应区8在声表面波的作用下破裂，破裂后的产物从产物流出孔9排出收集。在一个实施例中，进样孔7和产物流出孔9垂直于上盖板2设置，反应区8设置成截面为矩形的流道，流道长5-15mm，宽100-500μm，高30-150μm。反应区8的中心线与叉指指条的方向平行，反应区8与声表面波发生结构3的水平距离为50-250μm，即反应区8与声表面波发生结构3相对的两侧壁之间的距离为50-250μm，使得声表面波产生的能量尽可能多的作用于样品。上盖板2采用PDMS材料制成。

上盖板2的底部设置有凹槽4，凹槽4与声表面波发生结构3相对布置，凹槽4的深度在30-150μm之间。在一个实施例中，凹槽4靠近微流道结构5的一侧边缘与微流道结构5中反应区8的距离为50-250μm，即凹槽4与反应区8相对的两侧壁之间的距离为50-250μm。

如图3所示，下底板1与上盖板2的对准键合参考凹槽4和声表面波发生结构3的叉指指条的位置，具体对准为上盖板2的凹槽4靠近微流道结构5的一侧与声表面波发生结构3靠近微流道结构5的叉指指条对准键合。

如图4所示，信号控制系统6包括脉冲信号发生器、脉冲控制模块和功率放大器，脉冲信号发生器的输出端连接功率放大器，功率放大器的输出端连接声表面波发生结构3。脉冲信号发生器用于产生脉冲信号，并将脉冲信号输入功率放大器；功率放大器将脉冲信号放大后输入声表面波发生结构3；脉冲控制模块用于控制脉冲信号发生器的开启和关闭以及设置脉冲信号的间隔和时长。

本发明的基于声表面波的微型细菌裂解反应器的使用过程为：开启信号控制系统6，使声表面波发生结构3产生声表面波，将细菌样品从进样孔7加入，经过反应区8在声表面波的作用下破裂，破裂后的产物从产物流出孔9排出收集。

实例：

将基于声表面波的微型细菌裂解反应器的上盖板2处的进样孔7和产物流出孔9分别与装夹在注射泵上装有待裂解的细菌悬浮液的注射器、细菌裂解产物收集管用导管相连接。将注射泵的流速设置为1毫升/小时。将占空比为33％，频率为333Hz的脉冲信号输入到脉冲信号发生器。将功率放大器的输出信号的正负两极分别与声表面波发生结构3上的叉指电极连接，调节脉冲信号发生器的输出信号频率为13MHz，输入到声表面波发生结构3的功率为14W；开启信号控制系统及注射泵，进行细菌裂解。选用实验常用细菌大肠杆菌。细菌悬浮液在注射泵的驱动下，从进样孔7流入反应区8，进入声表面波的传播范围，在声辐射力和声流力的作用下，裂解释放出细菌内的核酸和蛋白质等裂解物，裂解物从产物流出孔9排出，并用产物收集管收集。将实验前的细菌悬浮液与裂解后的细菌悬浮液采用平板菌落计数法计算出裂解前后活细菌的个数，可得出此微型细菌裂解反应器可达到90％以上的裂解效率。

本发明声表面波促进细菌裂解的技术与微流控芯片技术的结合，可以实现细菌的快速裂解以及细菌裂解结构的微型化，可以快速提取细菌内容物(例如核酸、蛋白质)以用于分子水平上的细菌研究，无任何化学试剂添加，避免化学试剂污染裂解物，并且易于与分子水平上的细菌分析模块相结合，对于致病菌及药物筛选的研究具有重大意义。

Claims (9)

1.一种基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，包括连接在一起的下底板(1)和上盖板(2)，以及信号控制系统(6)；

下底板(1)的上表面设有声表面波发生结构(3)；

上盖板(2)上设置有微流道结构(5)，微流道结构(5)包括依次连通的进样孔(7)、反应区(8)和产物流出孔(9)，反应区(8)为直线型流道，反应区(8)底部为开口设置并通过下底板(1)密封，当声表面波发生结构(3)产生声表面波时，反应区(8)位于的声表面波辐射范围内；上盖板(2)的底部设置有凹槽(4)，凹槽(4)与声表面波发生结构(3)相对布置，凹槽(4)位于声表面波发生结构(3)的上方；

信号控制系统(6)用于产生脉冲信号并输入到声表面波发生结构(3)；

进样孔(7)与反应区(8)之间设置有分散区，分散区上设置有多个分散孔10，进样孔(7)与反应区(8)通过分散孔(10)连通。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，反应区(8)与声表面波发生结构(3)之间的水平距离为50-250μm。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，反应区(8)的中心线与声表面波发生结构(3)中叉指指条的方向平行。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，凹槽(4)靠近反应区(8)的一侧壁与声表面波发生结构(3)靠近反应区(8)的一侧壁对准。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，凹槽(4)的深度为30-150μm。

6.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，信号控制系统(6)包括脉冲信号发生器、脉冲控制模块和功率放大器；脉冲信号发生器用于产生脉冲信号，并将脉冲信号输入功率放大器；功率放大器用于将脉冲信号放大并输入声表面波发生结构(3)；脉冲控制模块用于控制脉冲信号发生器的开启和关闭以及脉冲信号发生器输出脉冲信号的间隔和时长。

7.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，上盖板(2)采用PDMS材料制成。

8.根据权利要求1所述的基于声表面波的微型细菌裂解反应器，其特征在于，下底板(1)与上盖板(2)键合连接。

9.一种基于声表面波的细菌裂解方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的微型细菌裂解反应器，开启信号控制系统，使声表面波发生结构产生声表面波，将细菌样品从进样孔加入，经过反应区在声表面波的作用下破裂，破裂后的产物从产物流出孔排出收集。

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