CN111621417B - 一种用于生物样本处理的微流控芯片及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生物样本处理的微流控芯片及其使用方法。一种用于生物样本处理的微流控芯片，包括：多个试剂储存区，其用于存储对所述生物样本进行处理的试剂；第一功能区，其用作通过所述试剂储存区所存的试剂对所述生物样本进行处理的区域，每个所述试剂储存区和所述样本区之间分别设置有试剂微通道；及微通道开关，其用于切换各所述试剂微通道的开闭。本发明的微流控芯片集成度较高，简化了操作步骤。
Description
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，涉及一种用于生物样本处理的微流控芯片及其使用方法。
背景技术
在实验室环境下进行核酸分析检测，存在检测时间长、需要专业人员操作等问题，难以满足对添加物进行现场、快速、便携化的检测需要。近几年发展起来的微流控芯片技术，不仅能够极大地缩短检测时间，同时还具有检测通量大、自动化程度高、非专业人员使用等优点，有望在核酸分析检测领域获得广泛的应用。
将微流控芯片技术与核酸检测等生物检测技术结合起来，开发用于生物样本全自动核酸分析检测的微流控芯片，为快速确诊病原微生物提供一种简单、快速、有效的解决方案，对于疾病的治疗和预后具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生物样本处理的微流控芯片及其使用方法，微流控芯片集成度较高，简化了操作步骤。
本发明一方面提供一种用于核酸检测的微流控芯片，包括：
一种用于生物样本处理的微流控芯片，包括：
多个试剂储存区，其用于存储对所述生物样本进行处理的试剂；
第一功能区，其用作通过所述试剂储存区所存的试剂对所述生物样本进行处理的区域，每个所述试剂储存区和所述样本区之间分别设置有试剂微通道；及
微通道开关，其用于切换各所述试剂微通道的开闭。
优选地，所述微通道开关包括活动设置的开关活塞，所述开关活塞包括活塞本体及设置于所述活塞本体上的多个通孔，每个通孔对应一个所述试剂微通道，所述多个通孔的位置不相同，每个所述试剂微通道具有用于与相应的所述通孔对齐相接的微通道出口，当一个或若干个所述试剂微通道的所述微通道出口和相应的所述通孔相接时，其余的所述试剂微通道的所述微通道出口被所述活塞本体阻断。
更优选地，所述开关活塞能够上下移动，所述多个通孔的高度不相同。
优选地，所述多个试剂储存区包括裂解试剂储存区、漂洗试剂A储存区、漂洗试剂B储存区及洗脱试剂储存区。
优选地，每个所述试剂储存区中设置有加液活塞。
优选地，所述第一功能区中设置有能够吸附所述生物样本中的目标分子的分离物质。
更优选地，所述分离物质为磁珠。
更优选地，所述第一功能区中还设置有用于控制所述磁珠的磁性组件。
优选地，所述第一功能区为样本区，所述样本区的上端开放设置；所述试剂储存区所存的试剂为用于对生物样本中的目标分子进行提取和纯化的试剂。
优选地，所述微流控芯片还包括第二功能区，所述第一功能区和所述第二功能区之间设置有液流通道，所述液流通道上设置有控制开闭的液流转移开关。
更优选地，所述微流控芯片还包括用于驱动所述第一功能区的流体流向所述第二功能区的气压阀。
更优选地，所述第二功能区中存储有核酸扩增所需的扩增试剂，或所述微流控芯片还包括和所述第一扩增区连通的用于向所述第一扩增区中加入扩增试剂的补液孔。
优选地，所述微流控芯片还包括用于接收所述第一功能区排出的废液的废液区。
更优选地，所述废液区中设置有负压接口；和/或，所述废液区和所述第一功能区之间设置有废液转移通道，所述废液转移通道上设置有控制开闭的废液转移开关。
优选地，所述微流控芯片包括通道层及固定于所述通道层上方的盖板层，所述试剂存储区和所述第一功能区为设于所述通道层中的腔室，所述微通道开关活动地设置于所述通道层或所述通道层及所述盖板层上。
更优选地，所述通道层及所述盖板层的厚度分别为1～20mm。
本发明另一方面提供一种如上所述的用于生物样本处理的微流控芯片的使用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A、向第一功能区中加入生物样本；
B、使微通道开关运动，将第一个试剂微通道连通，其他的试剂微通道保持关闭，使第一个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区中，等待设定时间；
C、使所述微通道开关移动，将第二个试剂微通道连通，包括所述第一个试剂微通道在内的其他试剂微通道保持关闭，使第二个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区中，等待设定时间；
按照设定时序继续使所述微通道开关移动，依次连通各试剂微通道，直至最后一个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的用于生物样本处理的微流控芯片，集成有多个试剂存放区，并通过一个微通道开关来切换各个试剂微通道的开闭，从而能够按照设定的时序分别将各试剂存放区和第一功能区连通，将试剂按照顺序选择性地加入至第一功能区中对生物样本进行处理，操作过程简单，集成度高，且相对封闭的环境避免了外界进入芯片内污染，特别适合于生物样本的全自动分析检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种微流控芯片的透视图；
图2是图1所示微流控芯片的正面示意图；
图3是根据本发明实施例的一种开关活塞的结构示意图；
图4为裂解试剂进样过程示意图；
图5为漂洗试剂A进样过程示意图；
图6为漂洗试剂B进样过程示意图；
图7为洗脱试剂进样过程示意图；
图8为废液转移过程示意图；
图9为核酸转移过程示意图。
其中，
11、第一功能区；12、试剂储存区；12a、裂解试剂储存区；12b、漂洗试剂A储存区；12c、漂洗试剂B储存区；12d、洗脱试剂储存区；13、试剂微通道；14、加液活塞；15、开关活塞；151、活塞本体；152、通孔；
2、废液区；21、废液转移开关；22、负压接口；
3、第二功能区；31、液流通道；32、核酸转移开关；33、气压阀；
101、通道层；102、盖板层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如本说明书和权利要求书中所示，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。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组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本实施例提供一种用于生物样本处理的微流控芯片。参照图1和图2所示，该微流控芯片包括：
多个试剂储存区12，其用于存储对生物样本进行处理的试剂；
第一功能区11，其用作通过试剂储存区所存的试剂对生物样本进行处理的区域，每个试剂储存区12和第一功能区11之间分别设置有试剂微通道13；及
微通道开关，其用于切换各试剂微通道13的开闭。
本实施例中，微通道开关的数量为一个，通过该微通道开关实现多个试剂微通道13的开闭。
在一具体的应用实例中，本实施例的微流控芯片用于对生物样本中的核酸分子进行提取、纯化和扩增处理。因此，第一功能区11中加入有生物样本，试剂储存区12所存的试剂为用于对生物样本中的核酸分子进行提取和纯化的试剂。
该微流控芯片还包括设置于第一功能区11中的能够吸附核酸物质的磁珠及用于控制磁珠的磁性组件。第一功能区11中预先放有可吸附核酸分子的磁珠，第一功能区11同时也是样本与试剂几种反应的区域。第一功能区11上端开放设置，如图1所示，可以加入样本和各种反应试剂。磁性组件设置于第一功能区11下方，磁性组件可以包括磁铁。
本实施例中，多个试剂储存区12包括裂解试剂储存区12a、漂洗试剂A储存区12b、漂洗试剂B储存区12c及。四个试剂储存区12自左至右并排设置。裂解试剂储存区12a可以预先储存裂解第一功能区11细胞、细菌或病毒的试剂，包括但不限于各种溶菌酶或蛋白酶，用于释放生物样本中的核酸物质；漂洗试剂A储存区12b及漂洗试剂B储存区12c可以分别预先储存漂洗核酸分子的试剂，用于纯化上一步释放的核酸分子；可以预先储存洗脱磁珠上核酸分子的试剂，用于释放纯化后的核酸物质。上述试剂以液体形式预先存于相应的试剂储存区12。
每个试剂储存区12中设置有加液活塞14。本实施例中，采用柱状活塞，其具有较好的密封性。主要用于试剂储存区12中试剂的流体定量驱动，使用时一次下压到底，即可定量驱动和控制试剂储存区12中的试剂。本实施例中，加液活塞14的高度能够调节，下压到底后可驱动的溶液体积不同，根据需要驱动的溶液体积将活塞的初始位置校正在一定高度。
上述微通道开关包括能够上下移动的开关活塞15。开关活塞15的具体结构如图3所示，其包括活塞本体151，所述活塞本体151上开设有多个通孔152，每个通孔152对应一个试剂微通道13。多个通孔152的高度不相同，每个试剂微通道13具有用于与相应的通孔152对齐相接的微通道出口。当一个或若干试剂微通道13的微通道出口和相应的通孔152相接时，其余的试剂微通道13的微通道出口被活塞阻断。具体到本实施例中，开关活塞15处于第一功能区11和试剂储存区12之间的试剂微通道13上，具有打开或关闭各试剂微通道13的功能。活塞本体151有四个不同高度的通孔152，按照高度由高到底的顺序分别标记为活塞位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，决定了四个个试剂储存区12中的试剂是否可以自由进入第一功能区11。使用时将开关活塞15下压，只有当一个试剂微通道13与特定的通孔152处于同一高度而相通时，对应试剂储存区12的试剂才可以进入第一功能区11；初始位置时，开关活塞15处于关闭状态，四个试剂微通道13的微通道出口均被活塞本体151阻断。
该微流控芯片还包括用于接收第一功能区11排出的废液的废液区2。废液区2和第一功能区11之间设置有废液转移通道，废液转移通道上设置有控制开闭的废液转移开关21，用于控制第一功能区11和废液区2之间液路的打开和关闭，不使用时处于关闭状态。废液区2中设置有负压接口22，负压接口22能够和负压源(如真空泵)连通，用于提供负压以排出第一功能区11中的废液。
该微流控芯片还包括第二功能区3，第一功能区11和第二功能区3之间设置有液流通道31。液流通道31上设置有控制开闭的液流转移开关32，用于控制第一功能区11和第二功能区3之间液路的打开和关闭，不使用时处于关闭状态。该微流控芯片还包括用于驱动第一功能区11的流体流向第二功能区3的气压阀33。气压阀33具体采用柱状活塞，位于第二功能区3的左端，使用方式有下压操作也有上提操作，主要作用是通过气压差驱动流体进行定量转移。
在一具体的应用实例中，第二功能区3为核酸扩增区，其中存储有核酸扩增所需的扩增试剂，扩增试剂可以液体形式预存于第二功能区3内。扩增试剂包括存核酸扩增所需要的各种引物、dNTP、生物酶等试剂，可以对核酸分子进行特异性扩增，满足生物样本的检测需要。进一步地或可选的，第二功能区3中未预先储存扩增试剂，该微流控芯片还包括和第二功能区3连通的用于向第二功能区3中补加扩增试剂的补液孔(图中未示出)，通过补液孔向第二功能区3中加入扩增试剂。
该微流控芯片包括通道层101及固定于通道层101上方的盖板层102，通道层101及盖板层102的厚度分别为1～20mm。上述的第一功能区11、试剂储存区12、废液区2、第二功能区3分别为设于通道层101中的腔室。用于连通不同腔室的上述微通道(包括试剂微通道13、废液转移通道等)开设于通道层101中。上述的各气压阀33可上下移动地设置于盖板层102中；上述的加液活塞14、开关活塞15可上下移动地设置于盖板层102。盖板层102一方面与通道层101键合后，建立封闭的腔室；另一方面为气压阀33、加液活塞14、开关活塞15提供活动的行程，实现流体定量驱动和控制功能。
上述的通道层101和盖板层102材料可以是PS、PMMA、PDMA、PC等高聚物，也可以是玻璃、金属等材料。加液活塞14材质主要是橡胶或硅胶，不与生物样本及试剂发生反应，且表面光滑、气密性好。微流控芯片的加工方式包含但不限于光刻、注塑、机加工、激光切割等方式；键合方式包含但不限于热键合、阳极键合、低温键合等。
本实施例中，流体驱动方式主要为气压式驱动，即通过气压差将微流控芯片上的微流体驱动到特定位置，具体采用加液活塞或气压阀，气压阀具体采用柱状活塞，位于微通道的中间或一端，使用方式有下压操作也有上提操作，主要作用是通过气压差驱动流体进行定量转移，有时候也兼顾阀门的作用。可以将活塞的初始位置校正在一定位置后定量驱动溶液，也可以通过外接精密注射泵定量驱动溶液。
本实施例还提供一种上述微流控芯片的使用方法，具体过程描述如下。
步骤一、在第一功能区11加入生物样本后，将开关活塞15下压至位置Ⅰ，同时将位于最左侧的第一个加液活塞14下压到底，则裂解试剂储存区12a的试剂全部进入到第一功能区11(如图4中箭头所示)，与生物样本中的细菌或病毒进行反应，并释放其中的核酸物质，释放的核酸物质将被第一功能区11中的磁珠牢牢吸附，通过固定磁铁组件进而固定磁珠。之后打开废液转移开关21，通过抽负压将废液排至废液区2(如图8中箭头所示)，并关闭废液转移开关21。
步骤二、待核酸物质被第一功能区11的磁珠吸附后，将开关活塞15下压至位置Ⅱ，同时将第二个加液活塞14下压到底，则漂洗试剂A储存区12b的试剂全部进入到第一功能区11(如图5中箭头所示)，与第一功能区11非核酸分子进行作用，初步漂洗第一功能区11的非核酸物质.之后打开废液转移开关21，通过抽负压将废液排至废液区2(如图8中箭头所示)，并关闭废液转移开关21。
步骤三、完成初步漂洗操作后，将开关活塞15下压至位置Ⅲ，同时将第三个加液活塞14下压到底，则漂洗试剂B储存区12c的试剂全部进入到第一功能区11(如图6中箭头所示)，与磁珠上非核酸分子进行作用，纯化磁珠上的核酸分子，之后打开废液转移开关21，通过抽负压将废液排至废液区2(如图8中箭头所示)，并关闭废液转移开关21。
步骤四、完成漂洗操作后，将开关活塞15下压至位置Ⅳ，同时将位于最右侧的第四个加液活塞14下压到底，则的试剂全部进入到第一功能区11(如图7中箭头所示)，与磁珠上核酸分子进行作用，将磁珠上纯化后的核酸分子洗脱到第一功能区11。
步骤五、完成洗脱操作后，将开关活塞15下压到底，同时打开核酸转移开关34，通过气压阀33的上提操作将纯化的核酸分子转移至第二功能区3(如图9中箭头所示)，关闭核酸转移开关34。通过变换第二功能区3的温度进行PCR扩增。
应用实施例1
采用上述的微流控芯片的使用方法，在第二功能区3添加一种引物，则可以实现生物样本中单指标的全自动核酸分析检测，极大地简化了实验人员的操作步骤，同时满足非专业人员操作的检测需求。
应用实施例2
采用上述的微流控芯片的使用方法，在第二功能区3添加多种引物，引物可以用不同颜色的荧光基团进行标记，则可以实现生物样本中多指标的全自动核酸分析检测，既满足了非专业人员操作的检测需求，同时也提高了核酸分析检测的指标量。
上述的微流控芯片，集成了生物样本中目标分子的提取、纯化、扩增和检测等一系列功能，不仅操作过程简单、集成度高，同时还具有试剂消耗量低、分析速度快、自动化程度等特点，非专业人员也可使用，样本在芯片上的流动可以精准控制，且相对封闭的环境避免了外界进入芯片内污染，特别适合于生物样本的全自动分析检测。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的原理所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于生物样本处理的微流控芯片，其特征在于，包括：
多个试剂储存区，其用于存储对所述生物样本进行处理的试剂；
第一功能区，其用作通过所述试剂储存区所存的试剂对所述生物样本进行处理的区域，每个所述试剂储存区和所述样本区之间分别设置有试剂微通道；及
微通道开关，其用于切换各所述试剂微通道的开闭；
其中，每个所述试剂储存区中设置有能够上下移动的加液活塞，所述加液活塞为提供密封性的柱状活塞，所述加液活塞被配置为下压时定量驱动所述试剂储存区的流体；
所述微通道开关包括活动设置的开关活塞，所述开关活塞包括活塞本体及设置于所述活塞本体上的多个通孔，每个通孔对应一个所述试剂微通道，所述多个通孔的位置不相同，每个所述试剂微通道具有用于与相应的所述通孔对齐相接的微通道出口，当一个或若干个所述试剂微通道的所述微通道出口和相应的所述通孔相接时，其余的所述试剂微通道的所述微通道出口被所述活塞本体阻断；所述开关活塞能够上下移动，所述多个通孔的高度不相同。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述多个试剂储存区包括裂解试剂储存区、漂洗试剂A储存区、漂洗试剂B储存区及洗脱试剂储存区；和/或，所述加液活塞被配置为高度能够调节且在下压到底后能够驱动所需要的体积的溶液。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一功能区中设置有能够吸附所述生物样本中的目标分子的分离物质。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：所述分离物质为磁珠，所述第一功能区中还设置有用于控制所述磁珠的磁性组件。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片还包括第二功能区，所述第一功能区和所述第二功能区之间设置有液流通道，所述液流通道上设置有控制开闭的液流转移开关，所述微流控芯片还包括用于驱动所述第一功能区的流体流向所述第二功能区的气压阀。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一功能区为样本区，所述样本区的上端开放设置；所述试剂储存区所存的试剂为用于对生物样本中的目标分子进行提取和纯化的试剂；所述第二功能区中存储有核酸扩增所需的扩增试剂，或所述微流控芯片还包括和所述第一扩增区连通的用于向所述第一扩增区中加入扩增试剂的补液孔。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片还包括用于接收所述第一功能区排出的废液的废液区。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片包括通道层及固定于所述通道层上方的盖板层，所述试剂存储区和所述第一功能区为设于所述通道层中的腔室，所述微通道开关活动地设置于所述通道层或所述通道层及所述盖板层上。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的用于生物样本处理的微流控芯片的使用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A、向第一功能区中加入生物样本；
B、使微通道开关运动，将第一个试剂微通道连通，其他的试剂微通道保持关闭，使第一个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区中，等待设定时间；
C、使所述微通道开关移动，将第二个试剂微通道连通，包括所述第一个试剂微通道在内的其他试剂微通道保持关闭，使第二个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区中，等待设定时间；
D、按照设定时序继续使所述微通道开关移动，依次连通各试剂微通道，直至最后一个试剂储存区内的试剂进入所述第一功能区。
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