CN110554030A - 一种用于检测微量样品的芯片装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测微量样品的芯片装置，该装置可以实现对微量样品的在线检测，适用于土壤水质中重金属的检测，食品、药品检验以及医疗诊断等领域。该装置主要由样品吸入口、与吸入口连接的微通道、用来存储所吸入样品的检测区和实现样品采集的内部空间构成。将样品从吸入口吸取，经连接微通道进入并储存在检测区。检测区内放置对样品进行电化学测量的电极或者含有使样品中的成分发生显色反应的介质。内部空间与检测区相连通，其中内部空间的壁表面由弹性材料制成，通过弹性形变改变空间容积，将样品从吸入口吸入检测区。本装置检测精度极高，能实现在线检测，同时保证高重复性，防止样品污染和操作人员感染，具有微型化，低成本等特点。

Description

一种用于检测微量样品的芯片装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测微量样品的芯片装置，特别涉及一种高精度，操作简单，可防止样品污染及操作人员感染的微型在线检测装置。

背景技术

重金属污染指由镉、钴、汞、铜、锌、铅等重金属或其化合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等因素所致。因人类活动导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，直接危害人体健康，并导致环境质量恶化。因此，对水土中重金属含量的检测显得尤为重要。

此外，在食品、药品检验以及医疗诊断领域，能够准确地进行在线检测对保障人类安全显得尤为重要。通过对饮用水和食物的及时检测，可以避免食用有害物质，而在医药领域，通过在数分钟内的现场检测，则可以使患者尽快实现疾病诊断，预防和药物治疗等。

试纸法是目前土壤污染检测的常用方法，还广泛应用于人的血液和尿液中的特定物质的检测，免疫分析，残留农药的检测等。然而，采用试纸检测多用于定性测量，目前尚未建立采用试纸快速定量测量的技术。

使用试纸和电化学测量进行检测，需要将样品接触到测量用电极或试纸等，此时与电极或试纸接触的样本量对检测结果的准确性和重复性十分重要。因此，需要高精度地控制样本量。特别是在所需样本量为数十微升时，样品采用需要0.1μL的精度，使用廉价的移液器难以实现样本的高精确控制，导致测量的精度及重复性受到限制。并且当少量样品滴在暴露在空气中的电极或试纸上时极易挥发，样品浓度可能在检测过程中会发生变化，以致最终测量结果不准确。

为了防止样品污染，目前多采用移液器来取样，并采用一次性液尖，但当吸入样品时，样品可能会附着在移液器机身。另一种方法是将样品先放入容器，将传感器一部分浸入样品来实施定量测量。但是由于传感器表面电荷及热量的影响等，导致传感器接触样品部分的浓度发生变化，以致于测量的重复性下降。

目前重金属的检测方法还包括ICP发光分光分析法，ICP质量分析法，这两种方法的缺点在于仪器的体积大，价格高，并且不能进行现场检测。

本发明旨在解决以上问题：样品接触传感器导致的测量重复性下降和测量过程中防止样品污染。

发明内容

本发明基于上述现状，设计一种微型化、易操作、低成本、高精度、可防止样品污染及操作人员感染的微芯片在线样品检测装置。

本发明所采用的技术解决方案是：一种用于检测微量样品的芯片装置,该装置可以实现对微量样品的在线检测，同时可以防止样品污染并确保检测的重复性。

本发明的用于检测微量样品的芯片装置分为前端和基座两部分，由样品吸入口、吸入口连接微通道、用来存储所吸入样品的检测区以及内部空间构成。其中，前端主要包括吸入口，与检测区通过微通道连接。基座主要包括检测区，由于检测方式的不同，检测区存在两种形式，包括电化学检测以及通过内置检测介质光强或颜色变化实现检测。内部空间的一个面由具有弹性属性的材料构成，由于弹性面的作用，可将样品通过吸入口采样到检测区。即利用特有的微型抽水泵作用，通过外部压迫弹性界面，使芯片内部体积减少，释放压力后，样品从吸入口吸入到检测区。

当样品需要进行电化学检测时，选用第一种类型的芯片装置，其中，上述检测区内放置了电化学测量所需的电极，当在检测区内存放样品时，所放置电极可以与被测样品充分接触。电极安装在基座与端子的接口处，为样本的电化学测量提供所需的闭合回路。

第二种类型的芯片装置，其检测区内存在检测用介质，通过透明材料设计的检测区的面来检测介质光强或颜色变化。所述显色介质，可以由显色试纸等材料构成。根据检测样本的性质不同所引起的不同显色反应，采用不同的显色试纸或其他材料。

另外，所述检测用介质也可以包含与表示上述显色反应的成分互相不同的多个发色体。因此，当微采样芯片内吸入了样本时，可以对该样本的多个指标进行检测。

但是，如果样品本身有颜色，检测用介质接触到样本会导致其颜色发生变化，因而不能正确地测量检测用介质色调的变化，影响检测结果的正确性。由此，所述检测用介质也包含了没有上述显色反应性质的参照体，通过计算发色体和参照体两者接触到样本时的色调差异以正确地测量发色体的显色。

所述第二类芯片装置基座与端子的接口处，所述芯片的安装处以及检测区构成了所述显色反应的测量电路。在检测区可以测出检测用介质红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)值。基于这些数值检测所述检测用介质的色调。通过测量电路，可以检测到介质红色、绿色、蓝色数值的变化，从而得到各自所对应的光强的变化。此外，检测用介质红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)值，可以通过Wifi无线网将数据传送到手机、电脑等其它具有通信功能的装置。

所述内部空间的容积大于所述检测区与微通道的容积和。这种结构保证了吸入样品可以与放入检测区的介质或电极保持一定量的接触，从而提高了样品检测结果的重复性。

此外，在本发明的检测装置中，为了在上述芯片中吸入一定量的样本，所述芯片的内部空间采用弹性壁面，通过对弹性壁面的按压与按压解除可以将样品吸入检测区。即微取样芯片包含了取样部件，可以不使用移液器。

本发明的有益效果在于：微采样芯片为一次性使用，这样的设计在防止了样品的交叉污染的同时，操作人员也不会受到样品感染。

由于本装置的检测区可放置电化学测量的电极及可以实现样品的电化学测量，这使得检测重复性提高，同时检测速度加快。

由于本装置检测区可放置显色反应所需的介质，试纸等，这使得检测重复性提高，同时检测速度加快。

本发明用于检测微量样品的芯片装置，精度高，重复性好，制作成本低，易操作，可防止样品污染以及操作人员感染，可实现微量样品在线检测。

附图说明

图1是本发明的一种利用电化学检测微量样品的芯片的平面图。

图2是本发明的一种利用电化学检测微量样品的芯片内部结构的截面图。

图3是本发明的一种利用电化学检测微量样品的芯片的斜视图。

图4是本发明的一种利用电化学检测微量样品的芯片顶端的透视图。

图5是使用了图1～图4所述一种利用电化学检测微量样品的芯片的检测装置的平面图。

图6是本发明的一种利用显色反应检测微量样品的芯片的平面图。

图7是本发明的一种利用显色反应检测微量样品的芯片内部结构的截面图。

图8是本发明的一种利用显色反应检测微量样品的芯片顶端的透视图。

图9是使用了图6～图8所述一种利用显色反应检测微量样品的芯片的检测装置的平面图。

图10是用图5的检测装置测量得到的一组电压与电流的曲线图。

图11是用图9的检测装置测量得到的一组不同成分测量前后R,G,B的值。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图5所示，本实验装置的微采样芯片1的基端安装在检测部20的顶端上。测试用的微采样芯片1的尖端设有吸气口2，泵体8通过其基端侧的吸气口2来吸取样品。在微采样芯片1的内部设置中，从尖端吸入口2向基端侧延伸的微通道6，微通道6将吸入口2与检测区4连通。泵部8的内部空间9和检测区4由微通道10连接。

泵部8内部空间9为一凹槽，该凹槽与一面由具有弹性的硅胶或高弹性树脂等材料构成的壁面16形成了密闭空间。壁面16在外部应力的作用下引起形变，使泵8的内部空间容积因弹性力发生变化。

泵8的弹性壁面16在外力作用下使用内部空间9容积减小后，解除外力，弹性面16恢复，内部空间9容积也恢复到原来状态，此时，浸泡在样品中的吸入口2在外力作用下，将样品从微细通道6吸入检测区4。

内部空间9的容积应大于检测区4及微细通道6的容积和，这种结构保证了一定量的样品可以吸入检测区4。例如，检测区4的内部空间为100μL，微细通道的空间为15μL时，泵部8的内部空间9的容积为10mL，检测区4中可以吸入一定量的样品。

在检测区4中，提供用于执行样品的电化学测量的测量电极12。测量电极12被设置为：当预定量的样本被引入到检测区4中时，电极部分尽可能地与样品接触。在微采样芯片1的顶端表面上，设置有凹槽14，之后描述的检测部20的基端部分22(图5)插入到凹槽14中。凹槽14隔着分隔壁15与检测区4相邻。测量电极12插入检测区4中以从凹槽14侧穿过分隔壁15。测量电极12设置在凹槽14侧的部分12a，是用于与检测部20的端子24电接触的端子。

分隔壁15在空间上完全阻挡检测区4和凹槽14，使得引入检测区4中的样本不会进入凹槽14侧。因此，使用检测芯片微采样芯片1，从吸入口2吸入的试样不会附着在检测部20(参照图5)上。

这里，作为测量电极12，电极部分可以使用塑料嵌入到成型的电极中去。通过使用这样的测量电极12，可以抑制电极表面随时间的氧化。

在上述实施方式中，由泵部8的弹性片材16构成的弹性壁面设置于微采样芯片1的基端面。因此，能够通过检测部20的按压机构32来按压泵部8的弹性壁面来驱动泵部8(参照图5)。

将参照图5描述使用微采样芯片1的检测设备的一个实施例。

检测部20具的顶端部分22，是与微采样芯片1的顶端表面上的凹槽14相配合的，并具有用电来建立联系关系的微采样芯片1的端子12a和检测部20的端子24。通过在微采样芯片1的基端面的凹槽14与检测部20的顶端部分22相嵌合，微采样芯片1可以安装在检测部20从而进行样品的电化学测定。微采样芯片1的顶端部分22构成了用于微采样芯片1中的芯片保持部。

在检测部20的内部，提供了用于样品电化学测量的测量电路26。测量电路26电与端子24连接。测量电路26的测量结果在检测部20的外表面中的显示屏28中得以显示。检测部20还包括按压机构32，其用来按压微采样芯片1基端表面，也就是泵部8的弹性面16。按压机构32驱动垂直于弹性面16的按压杆30(图5中的箭头方向)，从而使安装在检测部20上的微采样芯片1中的泵部8的弹性面受到挤压。虽然未图示，但是在检测部20的外表面上设置有用于驱动按压机构32的开关。当操作者按压开关时，按压机构32会驱动到微采样芯片1的泵部8。

在本实施方式中，作为按压机构32不仅可以手动操作按压杆30，也电动操作。即作业人员可以在检测部20上通过移动杠杆等技术手段来移动按压杆30。此外，操作者也可以用手指来按压微采样芯片1的泵部8的弹性面。因此，检测部20并不总是需要设置有按压机构32。

此外，按压机构32具有将微采样芯片1从检测部20自动分离的拆卸功能。

接下来，参考图6至图8描述的是微采样芯片的另一实施例。

本实验装置的微采样芯片100的基端安装在检测部120的顶端上(参见图5)。测试用的微采样芯片100的尖端设有吸气口102，泵体108通过其基端侧的吸气口102来吸取样品。在微采样芯片100的内部设置中，从尖端吸入口102向基端侧延伸的微通道106,，微通道106将吸入口102与检测区104连通。泵部108的内部空间109和检测区104由微细通道110连接。此外，在微采样芯片100的基端面上，设置有与检测部120相嵌合的突起114。

检测区104是由透明片材113、微采样芯片100的基端面上的凹槽两者相结合而成的。也就是说，面向微采样芯片100的基端表面的检测区104的壁表面由透明材料制成。透明片材113可以是透明的丙烯酸片材。

泵部108内部空间109为一凹槽，例如，该凹槽的一面由具有硬的硅橡胶或弹性体树脂等材料构成的壁面116形成了密闭空间。壁面116在外部应力的作用下引起形变，使泵108的内部空间109容积因弹性力发生变化。

泵108的弹性壁面116在外力作用下使用内部空间109容积减小后，解除外力，弹性面116在恢复力作用下，内部空间109恢复到原来状态，此时，浸泡在样品中的吸入口102在外力作用下，从微细通道106吸入检测区104。

泵部108的内部空间109比检测区104及微细通道106的容积和要大，这种结构保证了一定量的样品可以吸入检测区。例如，检测区104的内部空间为100μL，微细通道的空间为15μL时，泵部8的内部空间9的容积为10mL，检测区4中可以吸入一定量的样品。

在检测区104(参照图8)中含有检测用介质112、检测区104。检测用介质112大致是嵌合球状、棱柱状或圆柱状，其被安装并固定在检测区104中。检测用介质112包含彩色发色体，该彩色发色体容纳了会对样品发生特定显色反应的显色剂。测试介质112基本上是球形的、棱柱形或大致圆柱形的，这样样品会比较均匀地在测试介质112接触吸收，从而可以促进颜色的变化。这种介质可以是棉球，滤纸，海绵等。这种设置是为了当一定量的样品引入检测区104时，检测用介质112能尽可能地接触到样品。

检测用介质112可以是任何物质，只要它适用于比色法。所谓比色法，是通过对发色体浸润后的发色度(颜色的浓度)与该检测项目(浓度和pH等)的数值(已知的同发色试药的颜色度进行比较，是量化样本的检测项目的方法。不仅是测量物质，例如，在测量物质自身没有颜色的情况下，也可以根据化学反应来发色试药，根据其发色度来定量。对比色法是在食品分析、环境分析、生化学分析等很多场合中使用的分析方法。

测试介质112，可以是pH试纸，尿试纸，夹心免疫测定试纸，环境分析试纸，农药试纸，余氯定量试纸，和表面活性剂的定量试纸。

可以通过使用显示与样品的氢离子浓度相对应的着色度的溴百里酚蓝(BTB)等着色剂来确定pH。当样品呈碱性时，BTB显蓝色，当样品呈酸性时显示红色。

本发明可用于尿液检测。本装置对尿液中能检测的项目包括：白血球浓度、尿胆素浓度、蛋白质浓度、pH值、潜血、比重、酮体量、葡萄糖浓度等。不同的检测项目使用不同的检测试剂。

通过利用本发明，对于需要繁琐的步骤才能完成测量的工程，也能够简单的进行。例如，在预先固定了抗体的试纸上，浸入包含测定对象的抗原的样本，浸润一会儿之后，把样本溶液排出，再用清洗试剂清洗，之后，与含有反色试剂的溶液反应，再清洗，最后测量发色。

本发明装置可用于环境检测当中酚类、溶解氧、氟化物、氰化物等物质的定量测量。对于酚类来说，在加入4-氨基安替比林和铁酸盐时产生的红色物质(氨酸色素)的浓度可以根据其发色度来定量测量。当反应试剂中包括亚甲基蓝、靛蓝试剂时，装置可用于环境检测过程中检测样品中的溶解氧；硝酸镧与氟离子反应生成蓝色三元络合物，因此可以通过分光光度法对氟化物进行测定；反应试剂中包括吡啶-吡唑啉酮，装置用于环境检测中的氰化物的检测，可以实现通过分光光度法对氰化物的定量检测。

作为残留农药的定量测量的一个例子，可以将乙酰胆碱用乙酰胆碱酶分解时产生的分解物即胆碱与胆碱氧化酶、过氧化物酶与氨基安替比林和苯酚以及利用从氧化酶产生的过氧化氢来测量非离子色素的红色发色度。

本发明用于残留农药的定量测量。残留农药对乙酰胆碱酯酶的活性具有阻碍作用，在这种情况下，测定根据酵素反应产生的氢离子的浓度可以实现残留农药的定量测量。作为检测用介质112，可以在滤纸的表面侧渗入pH反应液，在背面侧固定乙酰胆碱酯酶干燥体和乙酰胆碱干燥体。在微采样芯片100的检测区104内导入样本并将样本浸润到检测用介质112时，乙酰胆碱酯酶和乙酰胆碱发生反应而产生氢离子。此时的pH值根据检测用介质112的pH反应液的发色程度来定量测量。由于pH反应液在pH＝8.5时呈蓝色，所以将其色调定量。具体来说，根据R.G.B的各自的数字化值(如果是8位的话，各自最大值255)来计算和值。例如，背景场为R＝50、G＝30、B＝40，测量时在R＝60，G＝45，B＝150的情况下，我们认为其为蓝色。在后述的检测部120的检测部124侧，设置了R.G.B的过滤器。通过检测部124获得检测信号的数据处理，检测出检测用介质112的发色程度。

本发明可用于残留氯的检测。反应试剂采用4-苯二胺(DPD)，通过测量残留氯与DPD反应中从桃色到桃红色的色调变化程度来定量测量残留氯的浓度。

本发明可用于表面活性剂检测。表面活性剂的阴离子与亚甲蓝形成蓝色离子结合物，结合物在经过氯仿萃取后，再在611nm光源下测定离子的吸光度，进而实现表现活性剂的定量测量。

多个检测用介质112被放置在与微采样芯片100的基端面平行的平面中。对于每个检测用介质112，都有不同检测结果，可以测出样品的各种特性。

另外，在多个检测用介质112中，可以存在不具备显色反应特性的基准体，即未被着色剂渗透的基准体。当样品具有某种颜色时，其通过检测用介质112和基准体时，都会使彩色发色体的色调发生变化。通过减去彩色发色体中基准体色调的变化量，可以准确得测量出检测用介质112在彩色发色体中的显色程度。

另外，检测区104不一定需要设置多个检测用介质112，也可以仅设置一个由着色体构成的检测用介质112。

参照图9描述使用微型采样芯片100的检测设备的实施例。

检测部120设置了孔122与微采样芯片100的基端面凸出部114嵌合。

检测部120内含有可以光学检测到检测用介质112色调的检测单元124。比如，检测单元124可以是CCD照相机等成像装置。检测部120还包括测量电路126，其被用来测量检测用介质112的色调变化，例如红、绿、蓝成分的衰减(吸光度)。通过测量红、绿、蓝成分的光的衰减量，可以测量检测用介质112色调的数值来。分别对样品通过的前后进行测量，可以由显色反应来得到前后的色调之差。

具体而言,将微采样芯片100连接到检测部120。将样品吸入微采样芯片100前，先进行背景测量。不仅仅是在可见光范围内，在所有情况下，该操作都是必需的。此后，通过吸入口102吸入的样本被引入所述检测区104。被样品渗透的测试介质112被定为测试项目。几秒钟后，可以得到测试项目显色反应。将样品放入测试介质112并渗透它。渗透之后，立即将样品排出，可以得到更好的检测效果。

在检测部120的外表面上，显示单元128是用来显示测量电路126的测量结果。检测部120还包括按压机构132，其用来按压微采样芯片100基端表面，也就是泵部108的弹性面116。按压机构132驱动垂直于弹性面116的按压杆130(图9中的箭头方向)，从而使安装在检测部210上的微采样芯片100中的泵部108的弹性面受到挤压。虽然未图示，但是在检测部120的外表面上设置有用于驱动按压机构132的开关。当操作者按压开关时，按压机构132会驱动到微采样芯片100的泵部108。

在本实施方式中，作为按压机构132不仅可以手动操作按压杆130，也电动操作。即作业人员可以在检测部120上通过移动杠杆等技术手段来移动按压杆130。此外，操作者也可以用手指来按压微采样芯片100的泵部108的弹性面。因此，检测部120并不总是需要设置有按压机构132。

此外，可以不使用按压机构132。使用驱动单元驱动按压杆130对泵部108弹性面进行电动操作。

图10表示的是从图1到图4所说明的微采样芯片1内吸入浓度1ppm的铅溶液，再利用图5的检测部20进行电化学测量时的测量数据。测定方法采用差分脉冲伏安法，该图表的测量范围是从-1500mV到250mV，图表中出现了铅的电流峰，因此，本发明对铅进行测量。

图11所示的表由图9检测部120测得。该测量是在微取样芯片100的检测区104内装入1～11的检测项目用的试剂的检测用介质112。将如下所示的样本量分别将样本吸引到图9的检测部120来测定每一个检测项目：

(1)尿胆素2.0mgl/dL

(2)潜血20个/uL

(3)蛋白质100mg/dL

(4)葡萄糖250mg/dL

(5)胴体30mg/dL

(6)胆红素1.0mg/dL

(7)白蛋白100mg/dL

(8)比重1.03

(9)白血球100个/dL

(10)pH pH＝7

(11)肌酸酐150mg/dL

图11的R，G，B是根据对各检测项目用的检测用介质112的色调进行图像解析得到的红色成分，绿色成分，蓝色成分的强度值。“测量前”是指使样品接触到检测用介质112之前。“测量后”是指将样品接触到检测用介质112之后。从这个测量数据中可以看出，“测量前”和“测量后”各检测用介质112的色调发生了各种各样的变化，因此可以同时测量多个检测项目。如上所述，由R、G、B数值化的数据可以转发给具有通信功能的手机或其他设备进行评价。

Claims (10)

1.一种用于检测微量样品的芯片装置，包括样品吸入口，吸入口连接微通道，检测区和内部空间。所述吸入口用于吸取样品，所述吸入口连接微通道将吸入口和检测区相连通，便于将样品从吸入口导入检测区，所述检测空间用于储存并检测从吸入口吸入的样品，所述内部空间与检测空间相连通，内部空间一壁表面由弹性材料制成，通过对弹性壁面的按压与按压解除可以将样品自动吸入检测区。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，具有前端和基座，其特征在于：所述前端由吸入口构成，基座由检测区构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，所述吸入口和所述检测区由微通道连通，其特征在于：所述内部空间的容积大于所述微小通道和所述检测区的总容积，并且从吸入口吸取的一定量的样品通过所述微通道导入检测区。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，其检测区内放置有对样品进行电化学测定的电极，当检测区内收集一定量的样品时，样品和电极彼此接触。

5.根据权利要求1～4所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，微采样芯片的电极部分与检测部的端子相嵌合，从而使之与检测部建立电接触，进行样品的电化学测量。

6.根据权利要求1所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，其检测区的内部含有检测介质，所述检测介质包括可以使样品中的成分发生显色反应的发色体，所述样品吸入检测区后会和所述检测介质彼此接触。其特征在于：上述发色体，可以由显色试纸等材料构成，并且根据不同检测样品的性质所引起的显色反应的不同，采用不同的显色试纸或其他材料。

7.根据权利要求6所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，其检测区的内壁由透明材料组成，以便于观察检测介质的颜色变化。

8.根据权利要求6或7所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，所述检测介质包含与表示上述显色反应的成分互相不同的多个发色体，并且检测介质中还包含一些不能与样本发生显色反应的参照物。

9.根据权利要求5～8所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，其包括检测部分和测量电路。检测区对检测介质的色调进行光学检测，测量电路利用上述检测结果来检测介质的彩色发色体的显色反应。其检测区包括单独检测红光，绿光和蓝光的强度的光接收元件，并且测量电路可以检测到由检测部分而得到的红光，绿光和蓝光的颜色的变化，将它们转化为光强的变化，然后根据该数值来测量所述检测介质的色调变化。

10.根据权利要求1所述的一种用于检测微量样品的芯片装置，其内部空间其包括一个按压结构，通过对弹性壁面的按压与按压解除可以将样品吸入检测区。