CN110721623B - 一种试剂振动混匀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试剂振动混匀方法，所述试剂振动混匀方法包括如下步骤：向盛装有固态微粒的反应器内加入第一部分试剂，同时开启位于反应器底部的振动电机，将固态微粒和第一部分试剂混合；停止加入第一部分试剂，并继续振动0s‑10s形成悬浮液；逐渐加入第二部分试剂并同时振动，直至混匀；其中，第二部分试剂的加入量是第一部分试剂加入量的5‑10倍；所述振动电机的供电电压为同一恒定电压V。发明的混匀方法使得既能达到快速稳定混匀的效果，又能够降低对相关部件加工精度和一致性的要求。

Description

一种试剂振动混匀方法

技术领域

本发明涉及一种试剂振动混匀方法，属于生物芯片检测领域，尤其适用于液液混匀或固液混匀。

背景技术

对于申请人所研发的一次性微流控生物芯片而言，试剂都是通过滴加的方式定量加入到反应器进行反应，而反应器是芯片内部的一个敞口局部区域，因此无法用搅拌来实现反应器内液体试剂的混匀。反应器内液体容量一般很少（低于0.5毫升）且是敞口容器，若使用超声混匀则不可避免的会产生雾化问题，存在造成交叉污染的潜在风险。同时，由于反应器安装在芯片内部，如果用涡旋混匀就需要整块芯片一起参与振动，这会导致混匀结构体积较为庞大，且混匀效果难以精确把控。因此，申请人采用了振动混匀的方式来实现反应器内液体试剂的混匀，参见中国专利公开号CN108709985B公开了一种生物芯片反应器倾倒排液结构，该专利的混匀就是先加完试剂之后，再启动振动电机进行混匀作业。

中国专利公开号CN108709985B的生物芯片内的反应器内液体的振动混匀主要是依靠扁平振动电机的振动从而带动反应器绕轴旋转和往复振动来实现的，这种振动模式存在如下问题：

1、振动幅度（反应器绕轴转动角度）越大，混匀就越快越剧烈。在相同的振动幅度下，液体越少则混匀越快越剧烈。但是振动幅度越大，当反应器内的液体体积比较多（如超过反应器容积的三分之二）的时候就有可能将液体甩出反应器，造成测试结果不准确，这是不能允许的。因此，在混匀过程中必须对反应器的振动幅度加以限制，可一旦限制反应器的振动幅度之后，对少量液体（低于100微升）的混匀影响不大，但对于反应器内待混匀液体较多（如400微升）的情形，其混匀的剧烈程度有明显削弱，混匀所需时间有延长趋势，尤其是当被混匀的物质密度相差较大（如固态微粒团聚物与溶液混匀形成悬浊液）的情形，其完全混匀所需要的时间更长，甚至达到50s-60s。

2、为了确保反应器内的液体在规定时间内混匀，对不同芯片混匀相关结构的加工精度要求比较高，对振动电机与振动弹片的一致性要求也较高。并且混匀时对振动电机施加的工作电压（启动时电压一般为3.5V-4.5V）也要比额定电压（额定电压一般为3V）高一些，这对于振动电机的工作寿命是不利的。

发明内容

本发明旨在提供一种试剂振动混匀方法，该混匀方法使得既能达到快速稳定混匀的效果，又能够降低对相关部件加工精度和一致性的要求，进一步地，还能降低振动电机的工作电压，延长振动电机的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种试剂振动混匀方法，其特点是，包括如下步骤：

S1向盛装有固态微粒的反应器内加入第一部分试剂，同时开启位于反应器底部的振动电机，将固态微粒和第一部分试剂混合；

S2停止加入第一部分试剂，并继续振动0s-10s将固态微粒和第一部分试剂混合形成悬浮液；

S3逐渐加入第二部分试剂并同时振动，直至混匀；其中，

第二部分试剂的加入量是第一部分试剂加入量的5-10倍；

所述振动电机的供电电压在步骤S1-S3中均为同一恒定电压V。

对于生物芯片检测领域，反应器的容量比较小，一般不超过0.5毫升。由此，本发明通过一边加入试剂一边进行振动混匀的方法，实现了试剂快速、稳定充分混匀的问题，克服了常规技术先将全部试剂（一般约400微升）加入反应器，导致振动电机启动电压相对较大，一般需要3.5V，且振动幅度不宜过大，太大容易从反应器中甩出的问题，从而避免了启动振动电机一次性混匀相对大剂量（此处的大剂量一般不超过0.5毫升）的液体，本发明通过提出供电电压采用恒定电压的思路，避免了常规振动电机需要采用调压电路的问题，降低了对芯片振动混匀相关结构以及振动电机、振动弹片等的加工精度一致性的要求，同时还能够降低振动混匀所需要的电压，延长振动电机的使用寿命。

由此，本发明创造性地将常规思路的固液混匀转换为液液混匀，将待加入的试剂分为至少两部分（最好是两部分），第一部分先加入用来与固态微粒进行混合，混匀后再加入剩下的部分，从而实现较小的振动电机启动电压，只需要2.5V，较快地实现了固态微粒和试剂的混匀，最快只需要20s左右。

一般而言，第一部分试剂加完要停顿一下，振动形成悬浮液再加第二部分试剂，对于某些特别容易形成悬浮液的情况（比如在第一部分试剂加完之前就已形成悬浮液），可以不停顿直接加第二部分试剂，此时停顿时间为0s。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

根据本发明的优选实施例，所述第一部分试剂的加入量不超过100微升，所述反应器的容量不超过0.5毫升。以固态微粒为磁珠为例，这样，100微升的试剂和磁珠快速混匀后形成液体状态，然后再加入剩下的待加入试剂，整个混匀就变成了液液混匀，速度快，效率高，效果好。优选所述第一部分试剂的加入量为50-100微升。

为了利用加入的液体的重力进一步加速混匀效率，所述反应器的容器内壁具有倾斜面，试剂的加样口位于倾斜面的正上方，使试剂液滴滴落到倾斜面并滑落至反应器底部，对待混匀液体或沉积在反应器底部的固态微粒形成冲击。

在其中一个优选的实施例中，所述固态微粒为磁珠。本发明的磁珠包括化学发光免疫检测领域和分子诊断领域广泛使用的磁珠。

步骤S2中，停止加入第一部分试剂，并继续振动1s-5s将固态微粒和第一部分试剂混合形成悬浮液。

恒定电压V的确定方法如下：

V=V1-（V2-V1) /2，其中V1和V2分别为加入第一部分试剂的体积情况下查找溅液临界值的多次实验中所有出现的溅液临界电压中的最低值和最高值。

在确定恒定电压V时，发明人采用的多次实验法确定，其中溅液临界值是指搅拌时液体脱离液面的高度不超过2mm的电机供电电压值。这样针对第一部分试剂的体积情况下经过多次试验，可以获得多个不同的供电电压值，然后选取最低值V1和最高值V2，从而确定恒定电压V作为整个试剂振动混匀过程的电压值。

对于溅液临界值，比如供电电压2.3V时不溅液，则将电压再调高一点，如果供电电压2.4V溅液,那么此次的溅液临界值就是2.4V。如果下一次供电电压2.4V没有溅液，供电电压2.5V才溅液，那么此次的溅液临界值就是2.5V，一共会有多个临界电压值形成一个范围（V1~V2）。

优选地，所述V1和V2分别为加入第一部分试剂后查找溅液临界值的N次实验中所有出现的溅液临界电压中的最低值和最高值，其中N为不小于15的整数。

本发明的试剂的加入和混匀是分析检测领域的两个基本操作步骤，本发明通过结构设计使得生物芯片的试剂加入过程和混匀过程可以合并到一起同时进行，相比二者先后单独进行大大节约了测试过程耗费的时间，有利于在有限的条件下提高单位时间内的检测通量。并且试剂采用滴加的方式来定量，与振动混匀相辅相成，既达到了充分混匀的目的，又降低了对振动混匀相关结构和部件的加工精度要求，同时还能缩减加试剂和混匀的整体时间。

本发明所采用的振动混匀是依靠扁平振动电机的振动来带动反应器绕轴振动，采用上述加样混匀方法解决了混匀速度和振动幅度不兼容的问题，使得限制反应器的振动幅度在一个较小范围，同时还可以保证快速充分混匀。当反应器内液体较少（一般小于100微升）的时候混匀较为剧烈，也很快速；而反应器内待混匀液体多的情形则混匀力度较弱，混匀速度也较慢。通过采用向反应器滴加试剂的方式，再把振动混匀机构设置在反应器底部，使得滴加试剂与振动混匀可以同时进行，两个过程耗费的时间明显缩短。

对于某些固态微粒要在较多的液体试剂中快速混匀分散的情形，如果把所有液体试剂全部加完再开启振动混匀，则其混匀程度可能会不够充分，混匀时间也比较长。采用本发明克服了常规混匀的思维定势，采用预先滴加少量液体试剂（小于100微升），先行将固态微粒快速剧烈混匀分散，之后再继续滴加剩余的液体试剂到所需要的目标体积，从而将较慢的固液混匀转换为较快的液液混匀。具体而言，a）对于液液混匀的情形，滴加试剂的同时立即开启振动混匀，一边滴加试剂的同时，一边进行试剂的振动混匀，试剂滴加完，基本上也就混匀得差不多了。b）对于非液液混匀的情形，比如固态微粒与液体试剂的混匀，可以预先滴加少量液体试剂（一般小于100微升），先行将固态微粒快速剧烈混匀分散，之后再继续滴加剩余的液体试剂到所需要的目标体积，从而将较慢的固液混匀转换为较快的液液混匀，达到快速充分混匀的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）从结构设计上，将振动混匀部件置于反应器的底部，试剂使用滴加的方式定量加入到反应器，使得滴加试剂与振动混匀可以在同一个工位同时进行，两个过程耗费的总时间明显缩短，最快混匀时间只需要10s-20s。

2）将反应器的两边设计成斜面，将加入量较多的一种或者几种试剂的滴液口设置在反应器斜面的正上方，滴加试剂时试剂液滴从反应器两侧斜面的正上方滴落，然后沿着反应器斜面滑落到底部，液滴滑到底部的过程由于重力和惯性会对沉积在底部的固态微粒或者其它待混匀液体形成一定的冲击，从而对混匀起到一定的促进作用，进一步加速混匀。

3）本发明设计了一种一边滴加试剂，一边进行试剂的振动混匀的方法，显著提高了混匀效率。同时采用恒定供电电压值作为振动电压，取消了常规振动电机的调压电路。此外，由于混匀快速充分、效果稳定，降低了对整个振动混匀系统的整体要求，即降低了对芯片结构和弹片加工精度的要求，降低了混匀所需电压，有利于延长振动电机的使用寿命，传统的振动电机工作电压为3.5V-4V，本发明的振动电机工作电压只需要2.5V。加试剂与混匀同时进行，相辅相成，二者耗费的总时间缩短了一半以上，最快只需要10s-20s即可混匀，进而提高了检测速度。

4）对于一些混匀的充分程度要求比较高的场合，比如固态微粒与液体试剂的混匀，本发明将混匀难度较大的固液混匀转换为较快的液液混匀，最终实现快速充分混匀。

5）总体而言，本发明将滴加试剂与振动混匀相结合，解决了用振动混匀实现试剂快速、稳定充分混匀的问题，降低了对芯片振动混匀相关结构以及电机、弹片等的加工精度一致性的要求，同时还能够降低振动混匀所需要的电压，有利于延长振动电机的使用寿命。

附图说明

图1是本发明一个实施例的振动原理图。

在图中

1-弹片限位孔；2-振动弹片；3-扁平振动电机；4-U叉状结构；5-反应器底部振动片；6-反应器；7-反应器转动轴；8-试剂滴液口；9-微流控生物芯片。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种试剂振动混匀方法，将滴加试剂与振动混匀同步进行，相比现有技术将加入试剂和振动混匀先后单独进行的情形，本发明的耗时明显缩短，有利于缩短检测时间，提高检测效率。

在既定的振动幅度下，液体越少混匀越快越剧烈，而液体越多混匀剧烈程度会有明显削弱，时间也会延长，尤其对于非液液混匀的情形，这是振动混匀的特点。

基于上述特点，为了实现快速混匀，滴加试剂的同时立即开启振动混匀，即一边滴加试剂，一边进行试剂的振动混匀，试剂滴完再持续振动不超过5秒钟就混匀结束了，主要是利用了液体滴数少的时候混匀剧烈充分的特点，来加速试剂间混匀，在已经混匀的情况下，后面的试剂逐滴加入，液液混匀总是要容易得多。

本实施例的所述振动电机的供电电压在各个步骤中均为同一恒定电压V。

恒定电压V的确定方法为：V=V1-（V2-V1) /2，其中V1和V2分别为加入第一部分试剂的体积情况下查找溅液临界值的多次实验中所有出现的溅液临界电压中的最低值和最高值。一般取20次。

对于一些混匀的充分程度要求比较高的场合，比如固态微粒与液体试剂的混匀，可以预先滴加少量液体试剂（如50微升，60微升，80微升，100微升等）后暂停滴加剩余试剂，先行将固态微粒快速剧烈混匀分散，使之形成均匀的悬浊液，随后在持续振动混匀的同时继续滴加剩余的液体试剂到所需要的目标体积，剩余试剂滴完再振动混匀不超过5秒钟即可结束操作。如此便将混匀难度较大的固液混匀转换为较快的液液混匀，最终达到快速充分混匀的目的。

所述生物芯片基座设置在一个芯片放置托盘上，所述振动机构安装在所述芯片放置托盘上。所述振动机构包括安装在芯片放置托盘上的振动片，以及安装在振动片侧壁面上的微型扁平振动电机。

如图1所示，本实施例的反应器的底部具有向下延伸的片状凸起。所述振动片的顶部具有U型叉状结构，所述片状凸起位于U型叉状结构的U形区域内，即使反应器下部的片状凸起正好插入到U型叉状结构中。这样，反应器下方底部为一个片状凸起，振动片头部为U型叉状结构，振动片的侧面固定一个市售的微型扁平振动电机。

当扁平振动电机接通合适的直流电压后，电机产生的偏心振动使得金属振动片产生类似音叉的往复振动。振动产生的振幅通过U叉状结构作用于反应器的下部片状凸起上，最终使反应器绕自身旋转轴实现往复振动，从而达到使反应器内部液体的振动混匀效果。

本实施例的反应器是一种杯体本身独立于基体的独立悬浮部件，在材料的选择和运动模式等不受承载主体影响限制运动的特殊杯体，便于相关试剂在悬浮反应器的反应池中进行化学发光反应、检测、校准。

以下以化学发光免疫分析测试过程清洗液的加入及其与磁珠的混匀为例阐述本发明。

磁珠是一种偶联有抗体的固态磁性微粒，其粒径大概在几个微米，经过磁铁吸附并倾倒完废液后，磁珠在反应器靠近底部的位置聚集在一起，需要加入400微升的清洗液对磁珠进行清洗混匀，以洗掉磁珠所裹挟沾附的一些影响测试结果的干扰物质。

400微升清洗液一共有30滴，如果按照常规操作把30滴清洗液都加入到反应器再开始振动混匀，则其在反应器内的液面较高，没过了反应器的转轴所在高度，因为振动幅度的限制，磁珠微粒由聚集状态均匀分散到清洗液所需要的时间比较长，至少需要30秒，并且对芯片反应器转轴处的结构一致性、振动电机以及弹片的一致性要求比较高，同时所需要的电压也要3.5V到4.0V，略高于振动电机的额定电压3.0V，长期使用对振动电机的使用寿命不利。混匀时间按照30秒计算，再加上滴加30滴清洗液的时间需要10秒钟，那么加试剂与混匀的过程至少需要40秒。

如果采用本发明所述振动混匀方法，则可以预先滴加6滴清洗液（约80微升）并暂停滴加剩余的24滴，在2.5~3.0V的电压下先行振动混匀5秒钟以将固态微粒快速剧烈混匀分散（对于易混匀的也可以不暂停，直接加剩余的24滴），待分散均匀后持续振动的同时再继续滴加剩余的液体试剂到所需要的目标体积30滴（约400微升），从而将混匀难度较大的固液混匀转换为较快的液液混匀，最终达到快速充分混匀的目的。如此操作，降低了对芯片结构和弹片加工精度的要求，降低了混匀所需电压（3.5V~4.0V降低到2.5~3.0V），有利于延长振动电机的使用寿命。同时本实施例加试剂与混匀的总时间只需要20秒，相比之前的40秒，缩短了一半，进一步大大提高了检测速度。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种试剂振动混匀方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1向盛装有固态微粒的反应器内加入第一部分试剂，同时开启位于反应器底部的振动电机，将固态微粒和第一部分试剂混合；

S2停止加入第一部分试剂，并继续振动0s-10s将固态微粒和第一部分试剂混合形成悬浮液；

S3逐渐加入第二部分试剂并同时振动，直至混匀；其中，

第二部分试剂的加入量是第一部分试剂加入量的5-10倍；

所述振动电机的供电电压在步骤S1-S3中均为同一恒定电压V；

所述第一部分试剂的加入量不超过100微升，所述反应器的容量不超过0.5毫升。

2.根据权利要求1所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，所述反应器的容器内壁具有倾斜面，试剂的加样口位于倾斜面的正上方，使试剂液滴滴落到倾斜面并滑落至反应器底部，对待混匀液体或沉积在反应器底部的固态微粒形成冲击。

3.根据权利要求1所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，所述固态微粒为磁珠。

4.根据权利要求1所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，步骤S2中，停止加入第一部分试剂，并继续振动1s-5s将固态微粒和第一部分试剂混合形成悬浮液。

5.根据权利要求1所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，恒定电压V的确定方法如下：

V=V1-（V2-V1) /2，其中V1和V2分别为加入第一部分试剂的体积情况下查找溅液临界值的多次实验中所有出现的溅液临界电压中的最低值和最高值。

6.根据权利要求5所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，所述V1和V2分别为加入第一部分试剂后查找溅液临界值的N次实验中所有出现的溅液临界电压中的最低值和最高值，其中N为不小于15的整数。

7.根据权利要求1所述的试剂振动混匀方法，其特征在于，所述第一部分试剂的加入量为50-100微升。

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