CN110508335A - 微流控芯片及含有该微流控芯片的体外检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微流控芯片及含有该微流控芯片的体外检测装置。该微流控芯片中设有加样腔体、沉淀腔体和定量腔体，通过加样孔可以向加样腔体中加入待测样本，通过离心分离可以将固体沉淀物与液体分离，得到含有目标物质的待测溶液，加样腔体与第一微流道中的待测溶液可以经毛细流道的毛细力驱动液体流动，最后形成虹吸作用和外界离心作用流至定量腔体中实现待测溶液的定量。该微流控芯片结构相对简单，易于制作成型，可广泛推广使用。该体外检测装置具有检测单元，可以直接对定量腔体中定量的待测溶液进行检测，操作简单，检测效率高。
Description
技术领域
本发明涉及体外诊断技术领域，尤其是涉及一种微流控芯片及含有该微流控芯片的体外检测装置。
背景技术
体外诊断(In Vitro Diagnosis，IVD)是指从人体中取出样本(血液、体液、组织等)进行检测分析从而对疾病进行诊断的技术，检测过程中需要相应的仪器和试剂，而这些仪器和试剂就组成了体外诊断系统。体外诊断系统大致分为两种：一种是以检测中心实验室为代表，它具有系统模块化、自动化的特点，对样本进行流水线式的检验，从而也具有高通量、高效率、高敏感度的优势，但是整套系统也存在费用昂贵、所占体积大、需要专业人员操作等缺陷，它主要应用于大型医院；另外一种是以即时检测(point-of-care testing，POCT)为代表，它的系统具有集成化、小型化的特点，可随时随地进行样本检验，从而也具有价格实惠、操作简单、结果报告及时的优势。微流控芯片的技术的优势就是功能集成度高、小型化、自动化，因此微流控技术在POCT领域中得到广泛的应用。然而，传统的用于POCT的微流控芯片普遍存在结构复杂的问题，因而价格相对昂贵，限制了其在POCT领域的进一步应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构相对简单且可实现对样本分离和定量的微流控芯片及含有该微流控芯片的体外检测装置。
一种微流控芯片，所述微流控芯片上设有分离定量单元，所述分离定量单元包括加样腔体、第一微流道、沉淀腔体、毛细流道、第二微流道和定量腔体；所述加样腔体设有加样孔，所述加样腔体与所述沉淀腔体通过所述第一微流道连通，所述第一微流道通过所述毛细流道与所述第二微流道连通，所述第二微流道与所述定量腔体连通；
所述微流控芯片具有旋转中心，所述沉淀腔体较所述加样腔体远离所述旋转中心，所述毛细流道自与所述第一微流道连接后向靠近所述旋转中心的方向延伸并弯曲后向远离所述旋转中心的方向延伸以与所述第二微流道连接，所述定量腔体较所述毛细流道远离所述旋转中心。
在其中一个实施例中，所述分离定量单元还包括废液腔体，所述废液腔体与所述第二微流道连通，所述废液腔体在所述第二微流道上位于所述定量腔体的下游，所述废液腔体较所述毛细流道远离所述旋转中心。
在其中一个实施例中，所述加样腔体还设有第一透气孔。
在其中一个实施例中，所述加样腔体内在所述加样孔与所述第一透气孔之间设有阻流板。
在其中一个实施例中，所述加样孔及所述第一透气孔在所述加样腔体上均靠近所述旋转中心设置。
在其中一个实施例中，所述毛细流道的宽度为0.1mm～0.2mm，深度为0.1mm～0.2mm；或者
所述毛细流道的宽度为0.2mm～0.5mm，深度为0.2mm～0.5mm，所述毛细流道的流道壁经PEG4000表面处理。
在其中一个实施例中，所述第二微流道上设有第二透气孔，所述第二透气孔位于所述第二微流道上连接的腔体结构的下游，且所述第二透气孔相对于所述第二微流道上连接的腔体结构更靠近于所述旋转中心。
在其中一个实施例中，所述第二微流道上位于其连接的腔体结构的下游的部分向靠近所述旋转中心的方向弯折延伸，所述第二透气孔设于所述第二微流道的末端。
在其中一个实施例中，所述分离定量单元有多个，多个所述分离定量单元围绕同一所述旋转中心设置。
在其中一个实施例中，所述微流控芯片呈圆盘状，多个所述分离定量单元均匀分布在所述微流控芯片上，所述微流控芯片的中部具有旋转安装部，所述旋转安装部的中心即所述旋转中心。
在其中一个实施例中，所述微流控芯片包括芯片本体和覆盖在所述芯片本体上的透明盖膜，所述芯片本体与所述透明盖膜配合形成所述分离定量单元的各腔体结构和流道结构。
一种体外检测装置，包括上述任一实施例所述的微流控芯片和检测单元，所述检测单元用于检测所述定量腔体内的样本。
在其中一个实施例中，所述检测单元为设置在所述定量腔体内的冻干试剂。
在其中一个实施例中，所述定量腔体具有渗透孔，所述渗透孔上覆盖有水溶性膜，所述检测单元的进样口与所述渗透孔对接且由所述水溶性膜隔开。
在其中一个实施例中，所述检测单元为干化学试纸。
在其中一个实施例中，所述干化学试纸包括支撑层和在所述支撑层上依次层叠设置的反应指示层和扩散层，所述反应指示层中含有能够与待测样本中目标物质反应的反应试剂和指示试剂，所述扩散层通过所述进样口面向于所述水溶性膜。
在其中一个实施例中，所述微流控芯片围绕所述渗透孔设有安装槽，所述检测单元镶嵌在所述安装槽中。
上述微流控芯片中设有加样腔体、沉淀腔体和定量腔体，通过加样孔可以向加样腔体中加入待测样本，通过离心分离可以将固体沉淀物与液体分离，得到含有目标物质的待测溶液，加样腔体与第一微流道中的待测溶液可以经毛细流道的毛细力驱动液体流动，最后形成虹吸作用和外界离心作用流至定量腔体中实现待测溶液的定量。该微流控芯片结构相对简单，易于制作成型，可广泛推广使用。
该体外检测装置具有检测单元，可以直接对定量腔体中定量的待测溶液进行检测，操作简单，检测效率高。
附图说明
图1为本发明一实施例的微流控芯片的正面结构示意图；
图2为图1所示微流控芯片的背面结构示意图；
图3为图1所示微流控芯片配合检测单元的侧视图；
图4-1、4-2、4-3和4-4为图1所示微流控芯片对全血样本进行血浆(或血清)分离、定量的过程示意图，图4-2-1、4-3-1和4-4-1为相应的局部放大示意图；
图5-1、5-2和5-3为本发明一实施例的体外检测装置的血浆(或血清)溶解水溶性膜进入检测单元的过程示意图；
图6为一实施例的干化学试纸的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设于”、“安装于”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。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/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。
请结合图1和图2，本发明一实施例提供了一种微流控芯片10，其上设有分离定量单元100。分离定量单元100包括加样腔体110、第一微流道120、沉淀腔体130、毛细流道140、第二微流道150和定量腔体160。加样腔体110用于盛放待测样本，其设有加样孔111。沉淀腔体130用于收集固体等密度较大的待测样本中的无用物。加样腔体110与沉淀腔体130通过第一微流道120连通。第一微流道120通过毛细流道140与第二微流道150连通。第二微流道150与定量腔体160连通。定量腔体160用于定量待测样本溶液。
在本实施例中，微流控芯片10具有旋转中心18。沉淀腔体130较加样腔体110远离该旋转中心18。毛细流道140自与第一微流道120连接后向靠近旋转中心18的方向(可以是各逐渐靠近旋转中心18的方向，例如可以是但不限于径向)延伸并弯曲后向远离旋转中心18的方向(可以是各逐渐远离旋转中心18的方向，例如可以是但不限于径向)延伸以与第二微流道150连接。定量腔体160较毛细流道140远离旋转中心。
在图示的具体示例中，加样腔体110与第一微流道120连接的一端的底部倾斜设置，以便于待测样本流至第一微流道120中。
第一微流道120的尺寸需满足能够使待测样本中的密度较大的无用物通过，例如对于全血样本，在分离血浆或血清时，第一微流道120需要满足使全血中的血细胞能够通过。在图示的具体示例中，第一微流道120具有向靠近旋转中心18的方向延伸的分支部121，毛细流道140与第一微流道120的该分支部121的末端连接。
在一个具体示例中，该分离定量单元100还包括废液腔体170。废液腔体170用于收集多余的待测溶液。废液腔体170与第二微流道150连通。废液腔体170在第二微流道150上位于定量腔体160的下游，以接收多余的待测溶液。废液腔体170较毛细流道140远离旋转中心18。当废液腔体170中有待测溶液出现时，说明位于其上游的定量腔体160中已装满待测溶液，从而定量腔体160可以实现对待测溶液的定量。
在一个具体示例中，加样腔体110还设有第一透气孔112。第一透气孔112用于透气，这样可以便于样本的加入，避免因加样时造成腔体内部气压上升而影响样本进入。
进一步，在一个具体示例中，加样腔体110内在加样孔111与第一透气孔112之间设有阻流板113。阻流板113在样本加入后可以起到阻挡样本到达第一透气孔112的一侧，防止样本从第一透气孔112流出。
优选地，加样孔111及第一透气孔112在加样腔体110上均靠近旋转中心18设置，这样在转动离心使样本向加样腔体110的远离旋转中心的一侧流动时，可放置样本从加样孔111和第一透气孔112流出，使样本顺利流至第一微流道120和沉淀腔体130中。
毛细流道140呈V字形状，其弯曲部分靠近于旋转中心18。在一个具体示例中，毛细流道140的宽度为0.1mm～0.2mm，深度为0.1mm～0.2mm；或者毛细流道140的宽度为0.2mm～0.5mm，深度为0.2mm～0.5mm。当毛细流道140的宽度为0.1mm～0.2mm，深度为0.1mm～0.2mm时无需进行表面处理，当毛细流道140的宽度为0.2mm～0.5mm，深度为0.2mm～0.5mm时，毛细流道140的流道壁优选经PEG4000表面处理。进一步优选地，毛细流道140的宽度为0.2mm，深度也为0.2mm。毛细流道140在样本溶液进入后，使样本溶液可以借由毛细作用流动至其另一端，并最终在第一微流道120与第二微流道150之间形成虹吸作用。
所述PEG4000表面处理可以是但不限于将1wt％的PEG4000溶液加入到毛细流道140中，自然干燥后形成。PEG4000表面处理有利于增加毛细流道140的毛细作用力，并且PEG4000在反应体系中属于惰性物质，一般不会与样本和检测试剂等起反应，因而不会影响检测结果。
在一个具体示例中，第二微流道150上设有第二透气孔151。第二透气孔151位于第二微流道150上连接的腔体结构(例如定量腔体160和废液腔体170)的下游，且第二透气孔151相对于第二微流道150上连接的腔体结构更靠近于旋转中心18。第二透气孔151也起到透气的作用，便于待测样本溶液顺利流入第二微流道150，并最终流至定量腔体160和废液腔体170中。
可理解，在其他具体示例中，第一透气孔112和第二透气孔151可以择一，例如可以只有第一透气孔112，也可以只有第二透气孔151，其中，第二透气孔151为择一之优选。
进一步，第二微流道150上位于其连接的腔体结构的下游的部分向靠近旋转中心18的方向弯折延伸，第二透气孔151设于第二微流道150的末端，这样可以有效防止样本溶液从第二透气孔151流出。
请参图3，在一个具体示例中，微流控芯片10包括芯片本体11和覆盖在芯片本体11上的透明盖膜12。芯片本体11与透明盖膜12配合形成分离定量单元100的各腔体结构和流道结构。具体地，各腔体结构和流道结构的沟槽等均预形成在芯片本体11上，如图2所示，各孔均开口在芯片本体的背面，后续通过透明盖膜12覆盖并密封在芯片本体11的正面即可形成完成对腔体结构和流道结构的封装，形成完整的腔体结构和流道结构。
透明盖膜12可以是但不限于透明胶带或者透明压敏胶等，其与芯片本体11配合构成整个微流控芯片10，装配简单，无需使用复杂、昂贵的超声焊接技术，直接粘接即可，可以显著降低制作成本。可理解，在其他具体示例中，微流控芯片10也可以采用成本较高的超声焊接技术焊接形成，或者采用3D打印技术一体成型。
在一个具体示例中，分离定量单元100有多个，多个分离定量单元100围绕同一旋转中心18设置。通过设置多个定量单元100可以实现多样本单项检测，也可以实现单样本多项检测，一致性好，集成度高，显著提高了单次检测的通量。
优选地，例如在图示的具体示例中，微流控芯片10呈圆盘状，多个分离定量单元100均匀分布在微流控芯片10上，微流控芯片10的中部具有旋转安装部180，旋转安装部180的中心即旋转中心18。旋转安装部180可以是各类卡槽或者卡柱等结构。
上述微流控芯片10中设有加样腔体110、沉淀腔体130和定量腔体160，通过加样孔111可以向加样腔体110中加入待测样本，通过离心分离可以将固体沉淀物与液体分离，得到含有目标物质的待测溶液，加样腔体110与第一微流道120中的待测溶液可以经毛细流道140的毛细力驱动液体流动，最后形成虹吸作用和外界离心作用流至定量腔体160中实现对待测溶液的定量。该微流控芯片10结构相对简单，易于制作成型，可广泛推广使用。
请参图2、3、图5-1、5-2和5-3，本发明还提供了一种体外检测装置2，其包括上述微流控芯片10和检测单元20。检测单元20用于检测微流控芯片10的定量腔体160内的样本。
在一个具体示例中，检测单元20为设置在定量腔体160内的冻干试剂。冻干试剂置于定量腔体160内，当样本溶液流至定量腔体160中时，即可溶解该冻干试剂，并与之反应，对反应的结果进行检测即可。
由于冻干试剂制作过程复杂，成本较高，在另一个具体示例中，检测单元20外置。具体地，定量腔体160具有渗透孔161，渗透孔161上覆盖有水溶性膜162。检测单元20的进样口21与渗透孔161对接且由水溶性膜162隔开。
进一步，在一个具体示例中，检测单元20为干化学试纸。如图6所示，该干化学试纸20包括支撑层22和在支撑层22上依次层叠设置的反应指示层23和扩散层24。反应指示层23中含有能够与待测样本中目标物质反应的反应试剂和指示试剂。反应指示层23可以是一层，也可以是多层，例如在图6所示的具体示例中，该反应指示层23包括指示层231和试剂层232两层，指示层231靠近于支撑层22，其中含有显色指示试剂，试剂层232靠近于扩散层24，其中含有能够与目标物质反应的反应试剂；此外，指示层232与试剂层232中所含的试剂也可以对换或适当混合。扩散层24通过进样口21面向于水溶性膜162。
更进一步，微流控芯片10围绕渗透孔设有安装槽。检测单元20镶嵌在安装槽中。
该体外检测装置2具有检测单元20，可以直接对定量腔体160中定量的待测样本溶液进行检测，操作简单，检测效率高。以全血样本上样检测为例，使用干化学试纸的体外检测装置2的具体检测过程可参考如下：
请参图4-1、4-2、4-3和4-4，将一定量的全血通过加样孔111加入至加样腔体110中，依次可以加入六人份不同的样本；
加完样本后，将体外检测装置2的旋转安装部180安装于配套的旋转离心仪器中，开启仪器转动，全血在离心力的作用下，红细胞等沉淀在沉淀腔体130中，血清或血浆分离至沉淀腔体130的上部、第二微流道120以及加样腔体110中；
微流控芯片10在转动时，血清或血浆只是部分填充在毛细流道140中，如图4-2-1和4-3-1所示，其液位超过毛细流道140的入口端140a，而不超过毛细流道140的弯曲部位140b；当微流控芯片10停止转动时，在毛细流道140的毛细力作用下，血清或血浆越过弯曲部位140b，到达毛细流道140的末端140c，由于末端140c的点低于加样腔体110中的液位高度(较加样腔体110中的液位远离旋转中心18)，因而可以形成虹吸作用；
当毛细流道140中填充满血清或血浆后，控制微流控芯片10再次旋转，由于末端140c较加样腔体110中的液位远离旋转中心18，如图4-3-1和4-4-1所示，在虹吸作用和离心力的作用下，血清或血浆通过第二微流道150进入定量腔体160，当定量腔体160中充满血清或血浆后，即完成对待测样本溶液的定量，多余的血清或血浆进入第二微流道150的后段或者进入废液腔体170中；优选地，仪器会根据第二微流道150的后段或者废液腔体170中是否有液体判断定量腔体160是否充满液体，当检测到第二微流道150的后段或者废液腔体170中有液体时，即可确定定量腔体160充满液体，否则报警提醒需要再次检测定量腔体160是否充满液体；
从血清或血浆充满毛细流道140时开启转动至定量腔体160中充满液体，一般在10s内即可完成，当定量腔体160中充满液体时，控制微流控芯片10停止转动，静置，液体会暂时封闭在定量腔体160中，随着时间推移，液体会逐渐将渗透孔161处覆盖的水溶性膜162溶解，该溶解过程大约需要1min，如图5-1、5-2和5-3所示；
当水溶性膜162溶解掉之后，液体一般不会因为自重而流入检测单元(干化学试纸)20，需要控制转动微流控芯片10，可以在低速1800rpm～2000rpm的速度下转动，使定量腔体160中定量的样本溶液进入检测单元20的进样口21；
样本溶液依次经扩散层24扩散至反应指示层23进行显色反应，显色的深浅可反映出检测物的浓度，通过检测单元的检测孔25可进行信号采集，最后转化为检测物的浓度数据。该体外检测装置2可以解决干化学试纸全血灵敏度和稳定性低的问题，具有检测通量高、成本低等优点。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (17)
1.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片上设有分离定量单元，所述分离定量单元包括加样腔体、第一微流道、沉淀腔体、毛细流道、第二微流道和定量腔体；所述加样腔体设有加样孔，所述加样腔体与所述沉淀腔体通过所述第一微流道连通，所述第一微流道通过所述毛细流道与所述第二微流道连通，所述第二微流道与所述定量腔体连通；
所述微流控芯片具有旋转中心，所述沉淀腔体较所述加样腔体远离所述旋转中心，所述毛细流道自与所述第一微流道连接后向靠近所述旋转中心的方向延伸并弯曲后向远离所述旋转中心的方向延伸以与所述第二微流道连接，所述定量腔体较所述毛细流道远离所述旋转中心。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述分离定量单元还包括废液腔体，所述废液腔体与所述第二微流道连通，所述废液腔体在所述第二微流道上位于所述定量腔体的下游，所述废液腔体较所述毛细流道远离所述旋转中心。
3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述加样腔体还设有第一透气孔。
4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述加样腔体内在所述加样孔与所述第一透气孔之间设有阻流板。
5.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述加样孔及所述第一透气孔在所述加样腔体上均靠近所述旋转中心设置。
6.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述毛细流道的宽度为0.1mm～0.2mm，深度为0.1mm～0.2mm；或者
所述毛细流道的宽度为0.2mm～0.5mm，深度为0.2mm～0.5mm，所述毛细流道的流道壁经PEG4000表面处理。
7.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第二微流道上设有第二透气孔，所述第二透气孔位于所述第二微流道上连接的腔体结构的下游，且所述第二透气孔相对于所述第二微流道上连接的腔体结构更靠近于所述旋转中心。
8.如权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述第二微流道上位于其连接的腔体结构的下游的部分向靠近所述旋转中心的方向弯折延伸，所述第二透气孔设于所述第二微流道的末端。
9.如权利要求1～8中任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述分离定量单元有多个，多个所述分离定量单元围绕同一所述旋转中心设置。
10.如权利要求9所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片呈圆盘状，多个所述分离定量单元均匀分布在所述微流控芯片上，所述微流控芯片的中部具有旋转安装部，所述旋转安装部的中心即所述旋转中心。
11.如权利要求1～8和10中任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括芯片本体和覆盖在所述芯片本体上的透明盖膜，所述芯片本体与所述透明盖膜配合形成所述分离定量单元的各腔体结构和流道结构。
12.一种体外检测装置，其特征在于，包括如权利要求1～11中任一项所述的微流控芯片和检测单元，所述检测单元用于检测所述定量腔体内的样本。
13.如权利要求12所述的体外检测装置，其特征在于，所述检测单元为设置在所述定量腔体内的冻干试剂。
14.如权利要求12所述的体外检测装置，其特征在于，所述定量腔体具有渗透孔，所述渗透孔上覆盖有水溶性膜，所述检测单元的进样口与所述渗透孔对接且由所述水溶性膜隔开。
15.如权利要求14所述的体外检测装置，其特征在于，所述检测单元为干化学试纸。
16.如权利要求15所述的体外检测装置，其特征在于，所述干化学试纸包括支撑层和在所述支撑层上依次层叠设置的反应指示层和扩散层，所述反应指示层中含有能够与待测样本中目标物质反应的反应试剂和指示试剂，所述扩散层通过所述进样口面向于所述水溶性膜。
17.如权利要求14～16中任一项所述的体外检测装置，其特征在于，所述微流控芯片围绕所述渗透孔设有安装槽，所述检测单元镶嵌在所述安装槽中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191129 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |