CN110938522A - 一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用方法 - Google Patents

一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用方法，属于细菌裂解装置技术领域。包括上下圆板、位于上下圆板之间且平行的圆盘微流控芯片以及转轴；所述转轴于圆板上偏离圆心的位置穿过且不与圆板接触，所述转轴于圆盘微流控芯片上圆心的位置穿过；所述圆板上分别设置有若干磁体，所述磁体在每个圆板上均匀排布，并且所述磁体在垂直位置上相互交错；所述圆盘微流控芯片上设置有若干细菌裂解池。本发明可有效提高细菌裂解的效率和样品处理通量，并易于集成其他操作单元，实现细菌实时现场检测。本发明设计的细菌裂解装置便携化、低成本、操作简便、运行自动化，且使用方式灵活，可满足不同的需求，应用前景广泛。

Description

一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用 方法
技术领域
本发明属于细菌裂解装置技术领域，具体涉及一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用方法。
背景技术
细菌检测和分析广泛应用于细菌研究和致病菌的防治及监控，其首要步骤是细菌裂解。传统的细菌裂解方法，如煮沸法、超声裂解法、酶裂解法、化学裂解法等，裂解过程往往涉及特殊的装置或试剂，导致裂解效率较低、成本较高，且难以集成其他操作单元、进行实时现场应用。微流控芯片，又被称为芯片实验室，是在微米级尺度空间处理或操纵流体的科学和技术，它以微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，可以实现常规化学或生物实验室的各种功能，具有微型化、自动化、集成化、高通量以及可以在接近生理环境下运行等特点，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，可以实现一系列常规方法所难以完成的流体操控和应用。现有基于微流控芯片的细菌裂解方法，往往样品处理通量偏低、微流控芯片和装置结构较复杂、成本较高，降低方法的实用性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置及其使用方法，该装置可实现一定数量细菌样品并行、高效、快速裂解，尤其适用于构建细菌样品实时现场分析检测系统。
本发明提供了一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置，具体的，包括相对应的两个平行设置的圆板、位于两个圆板之间且与圆板平行设置的圆盘微流控芯片、以及垂直贯穿于两个圆板与圆盘微流控芯片的转轴；所述转轴于圆板上偏离圆心的位置穿过且不与圆板接触，所述转轴于圆盘微流控芯片上圆心的位置穿过；所述圆板上分别设置有若干磁体，所述磁体在每个圆板上均匀排布，并且所述磁体在垂直位置上相互交错；所述圆盘微流控芯片上设置有若干细菌裂解池，所述细菌裂解池以圆盘微流控芯片的圆心为中心呈放射状排布，并且所述细菌裂解池均位于上下磁体所形成的磁场区域中。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，所述两个圆板水平平行放置，上圆板可移动、可拆卸，下圆板固定。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，所述磁体嵌合于圆板中，并在每个圆板上沿边缘均匀排布，且在垂直位置上相互交错。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，所述细菌裂解池至少含有一个液池入口和一个液池出口，并在细菌裂解池中预先放入圆形磁片和微珠(如玻璃微珠、塑料微珠等)。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，其还包括用于固定圆盘微流控芯片的芯片托盘，所述芯片托盘通过与转轴支柱咬合，使圆盘微流控芯片固定在两个圆板之间并可随转轴转动。正由于转轴于圆板上偏离圆心的位置穿过，且磁体在每个圆板上沿边缘均匀排布，因此，各磁体的偏心距都不同；因圆板不与转轴接触，而圆盘微流控芯片通过托盘与转轴相联系，在微流控芯片随转轴旋转过程中，各磁体与圆盘微流控芯片的相对位置发生周期性改变，引起位于上、下圆板之间的细菌裂解池中产生循环变化的磁场，进而引起圆形磁片在裂解液池中沿X轴和Y轴方向进行往复运动；同时，由于上、下两个圆板上的磁体在垂直位置上相互交错的排列方式，在电机驱动微流控芯片旋转的过程中，圆形磁片处于上下磁体的交替控制下、从而在裂解液池中沿Z轴方向做往复运动。因此，本设计方案可实现圆形磁片在裂解池中沿X轴、Y轴和Z轴方向做三维运动，带动玻璃珠与细菌细胞充分混合、碰撞，实现细菌高效、快速裂解。因圆盘微流控芯片上设置有若干细菌裂解池，且所述细菌裂解池以圆盘微流控芯片的圆心为中心呈放射状排布，随着微流控芯片的连续旋转，所有裂解池中均依次产生循环变化的三维磁场，从而实现多个液池中的圆形磁片带动玻璃珠快速裂解细菌，有效提高样品处理通量。由于装置的上圆板可移动、可拆卸，下圆板固定，且圆盘微流控芯片固定在托盘上，有利于圆盘微流控芯片的更换和不同芯片的应用。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，其还包括与转轴配合的驱动电机。
此外，本发明还提供了一种基于便携式离心微流控装置的细菌裂解方法，包括以下步骤：
①在圆盘微流控芯片的细菌裂解池中加入细菌样品、圆形磁片和微珠，用透气膜密封液池液池入口和液池出口；
②取下装置的上圆板，将圆盘微流控芯片固定至芯片托盘上，安装上圆板；
③启动驱动电机，通过驱动转轴带动芯片托盘和圆盘微流控芯片旋转，使嵌合于两个圆板中的磁体在细菌裂解池中产生周期性的三维磁场，从而驱动圆形磁片进行三维运动，带动玻璃珠与细菌细胞充分混合、碰撞，实现细菌高效、快速裂解。
与常规细菌裂解装置和方法相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用旋转三维磁场并结合离心微流控技术，可有效提高细菌裂解的效率和样品处理通量，并易于集成其他操作单元，实现细菌实时现场检测。
2、本发明设计的细菌裂解装置便携化、低成本、操作简便、运行自动化，且使用方式灵活，可满足不同的需求，应用前景广泛。
附图说明
图1是基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置的结构示意图。
图2是微流控芯片及芯片托盘的结构示意图。
图3是旋转三维磁场中磁体和液池的相对位置变化示意图。
图4是磁珠在旋转三维磁场中的运动轨迹示意图。
图5是圆盘微流控芯片及芯片托盘的结构示意图。
图6是分片式圆盘微流控芯片及芯片托盘的结构示意图。
图中：1、上圆板，2、上圆板磁体，3、下圆板，4、下圆板磁体，5、转轴，6、驱动电机，7、芯片托盘，8、圆盘微流控芯片，9、细菌裂解池，10、圆形磁片，11、液池入口，12、液池出口。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所述装置的示意图中，结构尺寸均未标注，主要体现本装置的结构构造，实际生产使用过程中，可以根据需要调整结构比例和尺寸。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
图1为基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置的结构示意图，由图1所示，本发明所述装置由上圆板1、上圆板磁体2、下圆板3、下圆板磁体4、转轴5、驱动电机6、芯片托盘7、圆盘微流控芯片8和细菌裂解池9组成。具体的，上圆板1和下圆板3相对应的平行设置，圆盘微流控芯片8位于上、下圆板之间并与圆板平行设置，转轴5垂直贯穿于两个圆板与圆盘微流控芯片8，所述转轴5于圆板上偏离圆心的位置穿过且不与圆板接触，所述转轴5于圆盘微流控芯片8上圆心的位置穿过；所述上圆板1和下圆板3上分别设置有若干磁体；所述磁体在每个圆板上均匀排布，并且上圆板磁体2和下圆板磁体4在垂直位置上相互交错。
本实施例中，两个圆板的直径为50mm，厚度为3mm，转轴5在圆板上的偏心距为7mm，上圆板1和下圆板3上包括形状相同、对称分布的6个长10mm、宽2.5mm、高3mm的长方体钕铁硼永磁铁。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，上圆板1和下圆板3水平平行放置，上圆板1可移动、可拆卸，下圆板3固定。上圆板磁体2和下圆板磁体4嵌合于圆板中，并在每个圆板上沿边缘均匀排布，且在垂直位置上相互交错。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，其细菌裂解池9至少含有一个液池入口11和一个液池出口12，并向其中预先放入圆形磁片10及微珠(包括玻璃微珠、塑料微珠等)。
具体的，优选的方案中，所述的便携式细菌裂解装置，其还包括用于固定圆盘微流控芯片8的芯片托盘7，通过与转轴支柱咬合，使圆盘微流控芯片8固定在两个圆板之间并可随转轴5转动。
其还包括驱动转轴转动的驱动电机6。所述驱动电机6是由旋转电机和3V电源组成；芯片托盘7和圆盘微流控芯片8通过转轴5由驱动电机6驱动。
图2是微流控芯片8及托盘7结构示意图，微流控芯片8上设置有若干细菌裂解池9；所述裂解池9以圆盘微流控芯片8的圆心为中心呈放射状排布，并且所述细菌裂解池9均位于上、下磁体所形成的磁场区域中。其中，细菌裂解池9为封闭结构，形状和深度不限，长度为转轴5偏心距的2倍，并至少含有一个液池入口11和一个液池出口12。将装有细菌样品的圆盘微流控芯片8固定于芯片托盘7上，启动驱动电机6后，圆盘微流控芯片8绕转轴5开始转动；以其中一个细菌裂解池9为例，当下圆板磁体4转动至图3中起始位置时，此时细菌裂解池9上部没有磁体，故液池中的圆形磁片10位于细菌裂解池9底部；当圆盘微流控芯片8转至1/12周期位置时，细菌裂解池9上方出现上圆板磁体2，下方没有磁体，圆形磁片10向细菌裂解池9顶部运动，在圆盘微流控芯片8从初始位置转到1/12位置过程中，细菌裂解池9中的磁场沿着X轴正向、Z轴正向移动，同时先沿着Y轴负向移动，再沿着Y轴正向移动，圆形磁片10移动至1/12周期位置的上圆板磁体2的下方位置；当圆盘微流控芯片8转到2/12周期位置时，细菌裂解池9下方出现下圆板磁体4，上方没有磁体，在圆盘微流控芯片8由1/12周期位置转到2/12周期位置过程中，圆形磁片10沿着X轴正向、Z轴负方向运动，同时在Y轴上运动是先正向后负向；当圆盘微流控芯片8转到3/12周期位置时，上圆板磁体2位于细菌裂解池9的正上方，而细菌裂解池9下方没有磁体，在圆盘微流控芯片8由2/12周期位置转到3/12周期位置过程中，圆形磁片10沿着X轴正向、Z轴正方向运动，同时Y轴上运动是先负向后正向，圆形磁片10在细菌裂解池9中心位置顶部；上、下圆板磁体如此交替控制细菌裂解池9，使圆形磁片10在X轴和Y轴方向上不断移动，同时伴随上、下交替运动；当圆盘微流控芯片8转到6/12周期位置时，圆形磁片10最终运动至细菌裂解池9另一端的底部。经过1/2个周期后，圆形磁片10从细菌裂解池9的一端沿着类螺旋线运动至细菌裂解池9的另一端，其运动轨迹如图4所示。在圆盘微流控芯片8转动的后1/2周期，上、下磁体与细菌裂解池9的相对位置变化与前1/2周期相反，即图3从右往左的顺序，其运动轨迹也与图4的方向相反，最终圆形磁片10又回到图3的初始位置，从而完成一个旋转周期。
当圆盘微流控芯片8连续旋转时，所有细菌裂解池9中均依次产生循环变化的三维磁场，细菌裂解池9中的圆形磁片10不断重复上述的运动轨迹，从而带动细菌裂解池9中的玻璃珠与细菌细胞充分混合、碰撞，实现细菌高效、快速裂解。
实施例2
图5是圆盘微流控芯片及芯片托盘结构的俯视图，该微流控芯片上包括18个细菌裂解池，可用于较多细菌样品的高效、快速裂解。其中，芯片托盘的外径为70mm，圆盘微流控芯片的直径为60mm，细菌裂解池的尺寸为11.8×3.5mm2，圆形磁片的直径为2mm。
实施例3
图6是分片式圆盘微流控芯片及托盘结构的俯视图，将一个完整的圆盘微流控芯片平均分成6片，每片区域包括2个细菌裂解池；每片可单独使用，也可多片组合使用，可用于少量多次或不同数量细菌样品的高效裂解。

Claims (8)

1.一种基于离心微流控技术的便携式细菌裂解装置，其特征在于：包括相对应的两个平行设置的圆板、位于两个圆板之间且与圆板平行设置的圆盘微流控芯片、以及垂直贯穿于两个圆板与圆盘微流控芯片的转轴；所述转轴于圆板上偏离圆心的位置穿过且不与圆板接触，所述转轴于圆盘微流控芯片上圆心的位置穿过；所述圆板上分别设置有若干磁体，所述磁体在每个圆板上均匀排布，并且所述磁体在垂直位置上相互交错；所述圆盘微流控芯片上设置有若干细菌裂解池，所述细菌裂解池以圆盘微流控芯片的圆心为中心呈放射状排布，并且所述细菌裂解池均位于上下磁体所形成的磁场区域中。
2.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：所述两个圆板水平平行放置，上圆板可移动、可拆卸，下圆板固定。
3.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：所述磁体嵌合于圆板中，并在每个圆板上沿边缘均匀排布，且在垂直位置上相互交错。
4.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：所述细菌裂解池至少含有一个液池入口和一个液池出口。
5.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：所述细菌裂解池中预先放入圆形磁片和微珠。
6.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：还包括用于固定圆盘微流控芯片的芯片托盘，所述芯片托盘通过与转轴咬合，使圆盘微流控芯片固定在两个圆板之间并可随转轴转动。
7.根据权利要求1所述的便携式细菌裂解装置，其特征在于：还包括与转轴配合的驱动电机。
8.权利要求1-7中任一项所述的便携式细菌裂解装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，
①在圆盘微流控芯片的细菌裂解池中加入细菌样品、圆形磁片和微珠，用透气膜密封液池液池入口和液池出口；
②取下装置的上圆板，将圆盘微流控芯片固定至芯片托盘上，安装上圆板；
③启动驱动电机，通过驱动转轴带动芯片托盘和圆盘微流控芯片旋转，使嵌合于两个圆板中的磁体在细菌裂解池中产生周期性的三维磁场，从而驱动圆形磁片进行三维运动，带动玻璃珠与细菌细胞进行混合、碰撞，实现细菌的裂解。
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