CN111558402B - 一种气压驱动的离心式微流控检测芯片 - Google Patents

一种气压驱动的离心式微流控检测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，属于医学检测技术领域。本发明在全封闭的芯片内采用独特的气压驱动技术，为微流控检测芯片内的反应液运动提供动力来源，可在微流控检测芯片内进行需要温度变化才能催化的检测反应。市面上绝大部分核酸检测微流控检测芯片都采用恒温扩增技术，而恒温扩增技术没有变温扩增技术稳定且准确，本发明的气压驱动的离心式微流控检测芯片可实现变温扩增技术，该芯片存在多个检测单元串联，可以同时检测多个基因靶标。

Description

一种气压驱动的离心式微流控检测芯片
技术领域
本发明涉及一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，属于医学检测技术领域。
技术背景
微流控检测芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。将微流控检测芯片技术应用于基因检测领域，具有广泛的应用前景。
基因检测是通过血液、其他体液、或细胞对DNA/RNA进行检测的技术，是取被检测者外周静脉血或其他组织脱落细胞，扩增其基因信息后，通过特定设备对被检测者细胞中的核酸分子信息作放大检测，分析它所含有的基因类型和基因缺陷及其表达功能是否正常的一种方法，从而使人们能够了解自己的基因信息，明确病因或预知身体患某种疾病的风险。
基因检测需要在专门的实验室中进行，并且由专业人员操作，容易产生污染，限制了基因检测技术的广泛应用。微流控芯片让检测反应在封闭式芯片内执行，不容易产生污染，减少操作流程，降低基因检测技术对检测环境及人员的要求，有利于该技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，它可以采用变温核酸扩增技术，检测结果具有更高的准确性及特异性，能够对一份样本进行高通量、快速、高效的多目的核酸检测。
本发明的技术方案是：一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述微流控检测芯片为矩形板体，包括压合密闭在一起的顶基板和底基板；
所述底基板的内部左侧设置有密闭的呈W型竖向延伸的W型通道，所述W型通道的上部起始端和下部终止端分别与底基板前表面之间连通设置有进样孔和进样出气孔；所述W型通道的每个右侧凸出部通过横向设置的微孔通道与其右侧的第一反应室相连通，相邻的所述第一反应室之间依次通过微通道、第二反应室和微通道相连通，所述第二反应室位于第一反应室的右侧，位于最上方的第一反应室还通过微通道与其上方的上端气压室相连通，位于最下方的第一反应室还依次通过微通道、第二反应室、微通道与其下方的下端气压室相连通；
所述顶基板上相对于进样孔和进样出气孔的位置处分别开设有通孔。
其中，优选方案如下：
每个所述第二反应室与其下方相连通的第一反应室或下端气压室之间设置有缓冲室，位于最上方的第一反应室与上端气压室之间设置有缓冲室。本发明中，每个第二反应室与其上方相连通的第一反应室以及单个W型通道的右侧凸出部作为一个反应单元，缓冲室的设置能够避免反应液进入到其它反应单元或者上端气压室、下端气压室。
所述进样孔和进样出气孔的孔深为0.3～0.9mm。
所述W型通道的截面积为0.5～2.5mm2，优选2.0mm2。
所述微孔通道的截面积小于微通道的截面积，所述微孔通道的截面积为0.1～1.5mm2，优选0.8mm2，所述微通道的截面积为0.2～2mm2，优选1.2mm2。
所述W型通道中一个W长度的通道可容纳反应液体积为20～160μL，优选50μL。
所述第一反应室与第二反应室的体积相等，容纳反应液体积为10～80μL，优选25μL。
所述第一反应室与微通道的连通处向W型通道一侧弯曲，所述第一反应室位于与微通道的连通处的右侧。采用此种布置方式，离心时可以避免反应液溢出到其他腔室。
本发明中，扩增反应液由进样孔和进样出气孔加入，扩增反应的引物预先加入(或冻干)到第一反应室或第二反应室。将微流控检测芯片放置于离心装置内，外部并施加温控设备。所述的离心装置包括离心轴、离心臂及托盘，微流控检测芯片置于一端的托盘内，W型通道一侧朝向离心轴，W型通道的反应液通过离心让反应液进入第一反应室。所述的温控设备包括第一温控设备、第二温控设备、第三温控设备和第四温控设备，第一反应室的温度由第一温控设备控制，第二反应室的温度由第二温控设备控制，两个反应室温度不同(优选的第一反应室进行高温加热，第二反应室进行低温加热)；上端气压室的温度由第三温控设备控制，下端气压室的温度由第四温控设备控制，一端加热另一端降温通过空气热胀冷缩产生压强差，推动反应液在第一反应室和第二反应室来回运动，第一反应室和第二反应室具有不同温度，反应液通过升温及降温进行核酸扩增反应。通过采集第一反应室或第二反应室的荧光信号，来获取微流控检测芯片中的扩增结果。
与现有技术相比，本发明一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，在全封闭的芯片内采用独特的气压驱动技术，为微流控检测芯片内的反应液运动提供动力来源，可在微流控检测芯片内进行需要温度变化才能催化的检测反应。市面上绝大部分核酸检测微流控检测芯片都采用恒温扩增技术，而恒温扩增技术没有变温扩增技术稳定且准确，本发明的气压驱动的离心式微流控检测芯片可实现变温扩增技术，该芯片存在多个检测单元串联，可以同时检测多个基因靶标。
附图说明
图1是本发明气压驱动的离心式微流控检测芯片立体结构示意图；
图2是本发明底基板的平面结构示意图；
图3是本发明微流控检测芯片单个反应单元结构示意图；
图4是本发明微流控检测芯片离心方式示意图；
图5是本发明微流控检测芯片温控方式示意图；
附图中的标记为：1-进样孔，2-上端气压室，3-W型通道，4-缓冲室，5-第一反应室，6-第二反应室，7-微通道，8-底基板，9-进样出气孔，10-下端气压室，11-第三温控设备，12-第一温控设备，13-第二温控设备，14-第四温控设备，15-离心臂，16-离心轴，17-离心托盘，18-顶基板，19-微孔通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
值得特别注意的是，为了方便描述，本专利中描述的“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等方位名词是以图2的方向为基准，但并不代表微流控检测芯片在应用时的实际摆放位置，在实际应用时，微流控检测芯片是平铺放置的。
实施例1：
如图1～图5，一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，所述微流控检测芯片为矩形板体，包括压合密闭在一起的顶基板18和底基板8；
所述底基板8的内部左侧设置有密闭的呈W型竖向延伸的W型通道3，所述W型通道3的上部起始端和下部终止端分别与底基板8前表面之间连通设置有进样孔1和进样出气孔9；所述W型通道3的每个右侧凸出部通过横向设置的微孔通道19与其右侧的第一反应室5相连通，相邻的所述第一反应室5之间依次通过微通道7、第二反应室6和微通道7相连通，所述第二反应室6位于第一反应室5的右侧，位于最上方的第一反应室5还通过微通道7与其上方的上端气压室2相连通，位于最下方的第一反应室5还依次通过微通道7、第二反应室6、微通道7与其下方的下端气压室10相连通；
所述顶基板18上相对于进样孔1和进样出气孔9的位置处分别开设有通孔。
每个所述第二反应室6与其下方相连通的第一反应室5或下端气压室10之间设置有缓冲室4，位于最上方的第一反应室5与上端气压室2之间设置有缓冲室4。本实施例中，每个第二反应室6与其上方相连通的第一反应室5以及单个W型通道3的右侧凸出部作为一个反应单元，缓冲室4的设置能够避免反应液进入到其它反应单元或者上端气压室2、下端气压室10。
所述进样孔1和进样出气孔9的孔深为0.7mm。
所述W型通道3的截面积为2.0mm2。
所述微孔通道19的截面积小于微通道7的截面积，所述微孔通道19的截面积为0.8mm2，所述微通道7的截面积为1.2mm2。
所述W型通道3中一个W长度的通道可容纳反应液体积为50μL。
所述第一反应室5与第二反应室6的体积相等，容纳反应液体积为25μL。
所述第一反应室5与微通道7的连通处向W型通道3一侧弯曲，所述第一反应室5位于与微通道7的连通处的右侧。采用此种布置方式，离心时可以避免反应液溢出到其他腔室。
本实施例中，扩增反应液由进样孔1和进样出气孔9加入，扩增反应的引物预先加入到第二反应室6。将微流控检测芯片放置于离心装置内，外部并施加温控设备。所述的离心装置包括离心轴16、离心臂15及托盘17，微流控检测芯片置于一端的托盘17内，W型通道3一侧朝向离心轴16，W型通道3的反应液通过离心让反应液进入第一反应室5。所述的温控设备包括第一温控设备12、第二温控设备13、第三温控设备11和第四温控设备14，第一反应室5的温度由第一温控设备12控制，第二反应室6的温度由第二温控设备13控制，两个反应室温度不同(第一反应室5进行高温加热，第二反应室6进行低温加热)；上端气压室2的温度由第三温控设备11控制，下端气压室10的温度由第四温控设备14控制，一端加热另一端降温通过空气热胀冷缩产生压强差，推动反应液在第一反应室5和第二反应室6来回运动，第一反应室5和第二反应室6具有不同温度，反应液通过升温及降温进行核酸扩增反应。通过采集第二反应室6的荧光信号，来获取微流控检测芯片中的扩增结果。
本实施例的具体使用方法为：
(1)对样本进行核酸提取，可采用膜柱法或磁珠法进行核酸提取，将提取的核酸与扩增反应液进行混合，用移液器将混合反应液从W型通道3的进样孔1和进样出气孔9加入，使液体充满W型延伸通道3，随后用胶带将进样孔1和进样出气孔9封口。
(2)将微流控检测芯片按照图4的方式进行离心，W型通道3中的液体通过离心进入到第一反应室5。第一温控设备12控制第一反应室5高温加热，第二温控设备13控制第二反应室6低温加热。
(3)进行核酸各种扩增引物分别预先被置于第二反应室6，通过第三温控设备11加热上端气压室2，同时使用第四温控设备14给下端气压室10降温，由于空气涨冷缩产生气压差，将第一反应室5中的反应液推入第二反应室6与检测引物混合。一段时间后第三温控设备11给上端气压室2降温，同时使用第四温控设备14给下端气压室10加热，产生逆向气压差，推动反应液从第二反应室6返回到第一反应室5。
(4)通过上述步骤，让反应液在高温的第一反应室5和低温的第二反应室6间来回运动，进行核酸扩增反应。同时在第二反应室6上方检测荧光信号，来检测核酸扩增结果。结束后，撕掉进样出气孔9上方的胶带，可将微流控检测芯片的内因升温导致的高压气体排空。

Claims (8)

1.一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：包括离心装置、微流控检测芯片和温控设备；
所述微流控检测芯片为矩形板体，包括压合密闭在一起的顶基板和底基板；所述底基板的内部左侧设置有密闭的呈W型竖向延伸的W型通道，所述W型通道的上部起始端和下部终止端分别与底基板前表面之间连通设置有进样孔和进样出气孔；所述W型通道的每个右侧凸出部通过横向设置的微孔通道与其右侧的第一反应室相连通，相邻的所述第一反应室之间依次通过微通道、第二反应室和微通道相连通，所述第二反应室位于第一反应室的右侧，位于最上方的第一反应室还通过微通道与其上方的上端气压室相连通，位于最下方的第一反应室还依次通过微通道、第二反应室、微通道与其下方的下端气压室相连通；所述顶基板上相对于进样孔和进样出气孔的位置处分别开设有通孔；
所述离心装置包括离心轴、离心臂及托盘，微流控检测芯片置于一端的托盘内，W型通道一侧朝向离心轴，W型通道内的反应液通过离心让反应液进入第一反应室；
所述温控设备包括第一温控设备、第二温控设备、第三温控设备和第四温控设备，第一反应室的温度由第一温控设备控制，第二反应室的温度由第二温控设备控制，上端气压室的温度由第三温控设备控制，下端气压室的温度由第四温控设备控制。
2.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：每个所述第二反应室与其下方相连通的第一反应室或下端气压室之间设置有缓冲室，位于最上方的第一反应室与上端气压室之间设置有缓冲室。
3.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述进样孔和进样出气孔的孔深为0.3～0.9mm。
4.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述W型通道的截面积为0.5～2.5mm2。
5.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述微孔通道的截面积小于微通道的截面积，所述微孔通道的截面积为0.1～1.5mm2，所述微通道的截面积为0.2～2mm2。
6.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述W型通道中一个W长度的通道可容纳反应液体积为20～160μL。
7.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述第一反应室与第二反应室的体积相等，容纳反应液体积为10～80μL。
8.根据权利要求1所述的一种气压驱动的离心式微流控检测芯片，其特征在于：所述第一反应室与微通道的连通处向W型通道一侧弯曲，所述第一反应室位于与微通道的连通处的右侧。
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