CN111650168A - 全自动微流控分析仪 - Google Patents

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陈明峰
汪青松
梅海明
徐阳
易勇
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Abstract

本发明公开了一种全自动微流控分析仪，包括：微流控芯片；驱动装置；芯片储运部；检测装置；控制部，分别电连接并控制所述驱动装置、所述芯片储运部以及所述检测装置。本发明技术方案，通过优化全自动微流控分析仪结构解决了传统微流控分析仪无法实现微流控芯片批量化自动化装载及检测的技术问题，提高了全自动微流控分析仪所需分析用样本量少，精度高；并且能实现多种样本检测、高通量检测、快速检测的要求，大大提高了全自动微流控分析仪的批量化自动化检测进程。

Description

全自动微流控分析仪
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种全自动微流控分析仪。
背景技术
微流控分析技术是微流控技术中的重要组成部分，又被成为“微全分析系统”(Micro total analysis system,uTAS)，主要包括取样、进样、反应、分离和检测等环节。微流控芯片分析系统在微量、高效、快速、高通量分析，以及分析仪器的微型化、集成化、自动化、便携化方面有独特优势，使其在生化检测、临床诊断、药物筛选等诸多领域有广阔应用前景。
基于微流控芯片的微流控分析技术涉及的分析仪器可分为三个组成部分：芯片部分、仪器部分以及试剂部分。具体地，芯片部分(即微流控芯片)是微流控分析仪的核心反应载体，囊括了反应物的上样、进样、反应、分离和检测等分析过程；仪器部分是支撑芯片部分实现各部分功能的重要的外部条件；试剂部分是检测原理的方法学核心，关系芯片部分的结构设计和功能实现。在一定程度上，芯片部分和仪器部分的部分功能可替换，如样品反应分析过程中的控制环节、检测环节等步骤既可以通过芯片部分实现，又可以通过以仪器部分实现；目前，行业内存在的难点在于，如何充分结合实际分析任务需求、系统加工技术以及成本限制等因素，实现芯片部分的仪器部分的高效合理的布局和精准的检测结果，以实现微流控分析仪的分析目的。
相关技术中，主要包括以下微流控分析仪器：一是在微流控芯片上集成各种控制驱动装置(如微阀、微泵等)、检测装置(如检测电极、传感器等)的芯片上主动式微流控芯片；一是利用毛细作用等自驱动方法完成的被动式微流控芯片；一是利用外界驱动力(如气压、电压、磁场、声场等)控制和驱动流体的芯片外主动式微流控芯片。上述三种不同布局方式均存在缺陷：对于芯片上主动式微流控芯片，其要求的微流控芯片的加工技术相对较高、且制备的微流控芯片的复杂程度越高，其所需的制作成本也更高；对于被动式微流控芯片，依然对微流控芯片有较高的加工要求和成本限制；对于芯片外主动式微流控芯片，虽然其比被动式微流控芯片的制备更简单、成本更低，但是对于此类芯片外主动式微流控芯片大多采用卡盘式操作，每次只能检测一片或数片微流控芯片，无法实现批量化自动化芯片装载和检测过程。基于此，一种能实现微流控芯片批量化自动化装载及检测的微流控分析仪的出现势不可挡。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种全自动微流控分析仪，旨在解决传统微流控分析仪无法实现微流控芯片批量化自动化装载及检测的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种全自动微流控分析仪，包括：
微流控芯片，具有进样位点、与所述进样位点间隔设置的出样位点、驱动力进入位点以及微流体通道；所述微流体通道包括进样流道、出样流道及主流道，所述进样流道和所述出样流道分别与所述主流道连通，所述进样流道和所述出样流道交替设置；所述出样流道设有多个，两相邻所述出样流道之间的所述主流道的体积为样品定量体积；所述进样位点与所述进样流道连通，所述出样位点与所述出样流道连通，所述驱动力进入位点与所述微流体通道连通；
驱动装置，连接于所述驱动力进入位点，所述驱动装置用于驱动样品在所述微流体通道内的移动；
芯片储运部，用于储存和运输所述微流控芯片；
检测装置，用于检测样品中待检物质的含量；
控制部，分别电连接并控制所述驱动装置、所述芯片储运部以及所述检测装置。
可选地，所述芯片储运部包括储存所述微流控芯片的芯片盒、从所述芯片盒中将所述微流控芯片取出的芯片取出装置、将取出的所述微流控芯片运输至指定位置的芯片运输装置、将运输至指定位置的所述微流控芯片进行定位的定位装置以及芯片废弃盒。
可选地，所述微流控芯片还设有第一定位部，所述第一定位部设于所述微流控芯片的周缘，所述取出装置设有与所述第一定位部配合作用的夹紧定位件；和/或，
所述微流控芯片还设有第二定位件，所述第二定位件凸设于所述微流控芯片的周缘，所述运输装置设有与所述第二定位件配合作用的嵌合结构；和/或，
所述微流控芯片还设有第三定位件，所述第三定位件凸设于所述微流控芯片，所述定位装置上设有与所述第三定位件配合作用的定位结构。
可选地，所述驱动装置为气压驱动装置、电压驱动装置或磁场驱动装置中的一种；和/或，
所述检测装置为光学检测装置。
可选地，所述光学检测装置包括依次设置的激发光源、透镜组、位置调节件以及接收件。
可选地，所述微流控芯片还设有第四定位部，所述第四定位部设于所述微流体通道内；
所述光学检测装置作用于所述第四定位部。
可选地，所述微流控芯片还包括多个功能腔室，多个所述多功能腔室设于所述进样流道或所述出样流道上，用于给进入所述微流体通道内的反应样品或反应完成后生成的废液提供容置空间；和/或，
所述进样流道包括混料流道，所述混料流道包括混料主流道、至少两个混料分流道；所述混料主流道连通所述主流道，每一所述混料分流道对应一所述进样位点和一所述多功能腔室。
可选地，所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部，所述试剂储存及循环部用于给全自动微流控分析仪提供样品和试剂；和/或，
所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部，所述试剂储存及循环部包括样品库模块、试剂库模块、取样针注射器模块以及分注取样针清洗模块。
可选地，所述控制部包括中央处理器、储存器、设备外部接口以及用户接口。
可选地，所述控制部还包括通讯连接于所述中央处理器的检测控制模块，所述检测控制模块用于对所述全自动微流控分析仪的各个进程的电压、温度、湿度、压力、开关状态、位置以及标签的检测与调控。
相较于现有技术，本发明取得了以下有益效果：
本发明技术方案中，通过设计微流控芯片内的微流体通道结构，实现了对进样样品体积的精准定量。具体地，设置了进样位点、进样流道、主流道、出样流道及出样位点，实现了进样样品的闭环流动；同时，设置了驱动力进入位点，以自动化驱动进入微流体通道内的进样样品的流入、混匀、反应、流出等；并且，通过交替设置进样流通和出样流道，既确保了不同进样样品在主流道上的混匀、完全反应，以及在反应完成后将反应后的废液带入出样流道内，又精准定量了进样样品的体积(即两相邻出样流道的主流道的体积)，在实现对样品体积精准定量的同时，大大减少了所需进样的样品的消耗量；并且能实现多种样本检测、高通量检测、快速检测的要求。通过设置驱动装置、芯片储运部、检测装置以及控制部实现了对全自动微流控分析仪的自动化批量化操作，大大降低了人工成本。此外，本发明技术方案，一方面采用芯片外主动控制式微流控芯片，降低了芯片的复杂程度，同时也降低了芯片的加工难度和成本；另一方面，区别于卡盘式微流控芯片，本发明采用储运式微流控芯片，实现了微流控芯片的自动化批量化流程化，进一步实现了微流控分析仪的全自动化操作。并且，由于整个反应系统无中间操作环节，封闭无污染，更加安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中全自动微流控分析仪中各模块的结构示意图(俯视图)；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明一实施例中气压驱动装置的控制流程示意图；
图4为本发明一实施例中光学检测装置的控制流程示意图；
图5为本发明一实施例中取样针的工作流程图；
图6为本发明一实施例中取样针清洗系统中的液路控制流程示意图；
图7为本发明一实施例中取样针-微流控芯片各流程位点时的相对位置结构示意图。
附图标号说明：
100 微流控芯片 140 混料流道
200 驱动装置 141 混料主流道
300 芯片储运部 142 混料分流道
400 检测装置 310 芯片盒
500 试剂储存及循环部 320 芯片废弃盒
101 流道层 410 激发光源
102 薄膜层 420 透镜组
111 进样流道 430 位置调节件
112 出样流道 440 接收件
113 主流道 510 样品库模块
121 第一定位部 520 试剂库模块
122 第二定位件 530 取样针注射器模块
123 第三定位件 540 分注取样针清洗模块
124 第四定位部
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1和图2，本发明提出一种全自动微流控分析仪，包括：
微流控芯片100，具有进样位点、与所述进样位点间隔设置的出样位点、驱动力进入位点以及微流体通道；所述微流体通道包括进样流道111、出样流道112及主流道113，所述进样流道111和所述出样流道112分别与所述主流道113连通，所述进样流道111和所述出样流道112交替设置；所述出样流道112设有多个，两相邻所述出样流道112之间的所述主流道113的体积为样品定量体积；所述进样位点与所述进样流道111连通，所述出样位点与所述出样流道112连通，所述驱动力进入位点与所述微流体通道连通；
驱动装置200，连接于所述驱动力进入位点，所述驱动装置200用于驱动样品在所述微流体通道内的移动；
芯片储运部300，用于储存和运输所述微流控芯片100；
检测装置400，用于检测样品中待检物质的含量；
控制部，分别电连接并控制所述驱动装置200、所述芯片储运部300以及所述检测装置400。
本实施例中，为了实现对不同进样样品的检测，设置了进样位点。这样可根据实际检测需要向微流控芯片100加入不同的样品，大大提高了微流控芯片100的普适性。为了实现对反应后的样品的浓缩、分离及检测等，设置了出样位点，以实现对反应后样品的收集。为了实现所述微流控芯片100的自动化进样、自动化反应、检测等设置了驱动力进入位点，并通过连接于所述驱动力进入位点的驱动装置200给所述微流体通道内的流体提供外界驱动力，从而推动流体在所述微流体通道内的移动，实现对样品反应进程的控制。
为了实现对进样样品体积的精准定量，设置了交替间隔设置的进样流道111和出样流道112，以及主流道113。具体地，所述进样位点、所述进样流道111、所述主流道113、所述出样流道112以及所述出样位点实现了样品的闭环流动；同时，在驱动力的作用下，实现了样品的自动化流入、混匀、反应、流出等操作，大大提高了样品检测的效率；并且，通过交替设计的所述进样流道111和所述出样流道112，既确保了不同进样样品在所述主流道113上的混匀、完全反应，以及在反应完成后将反应后的废液带入所述出样流道112内，又精准定量了进样样品的体积(即两相邻所述出样流道112的所述主流道113的体积)，在实现对样品体积精准定量的同时，大大减少了所需进样的样品的消耗量；并且能够通过较少的样品量实现样本高通量、快速检测的要求。
为了实现所述全自动微流控分析仪的自动化批量化操作，设置了驱动装置200、芯片储运部300、检测装置400以及控制部，这样，在提高体外样品检测效率的同时，大大降低了人工成本。
由上，本实施例所述的全自动微流控分析仪一方面采用芯片外主动控制式微流控芯片100，降低了芯片的复杂程度，同时也降低了芯片的加工难度和成本；另一方面，区别于卡盘式微流控芯片100，采用储运式微流控芯片100，实现了微流控芯片100的自动化批量化流程化，从而实现了微流控分析仪的全自动化操作。并且，由于整个反应系统无中间操作环节，封闭无污染，更加安全。
在一实施例中，所述驱动装置200与所述驱动力进入位点之间还设有密封件。例如但不限于，所述驱动装置200与所述微流控芯片100之间通过静压密封。例如但不限于，所述密封件为密封垫、弹性压力密封件、弹簧密封件等。
可选地，所述进样流道111和所述出样流道112分别与所述主流道113成角度设置。
本实施例中，为了集成更多的进样样品检测，以最大限度的利用所述微流控芯片100，将所述进样流道111/所述出样流道112与所述主流道113成角度设置，也即所述进样流道111/所述出样流道112所在的平面与所述主流道113所在的平面不在同一平面上。这样，可以将所述进样位点/所述出样位点设置在所述微流控芯片100的正面上，在增大了所述进样位点/所述出样位点的增设点的同时，增大了不同样品的进样测量。大大提高了所述微流控芯片100的适用性。
例如但不限于，所述进样流道111垂直所述主流道113设置，和/或所述出样流道112垂直所述主流道113设置。
应当理解的是，在其他实施例中，所述进样流道111和/或所述出样流道112可以与所述主流道113设置在同一水平面上。
可选地，所述主流道113的宽度为0.01～1mm。
本实施例中，同时考虑到加工精度成本，以及样品进入所述微流体通道内的能完成完全反应，以及驱动装置200对处于所述微流体通道内的流体驱动，将所述主流道113的宽度控制在0.01～1mm之间。优选地，所述主流道113的宽度范围为0.03～0.3mm。
可选地，所述主流道113的截面尺寸大于所述进样流道111的截面尺寸或所述出样流道112的截面尺寸。
本实施例中，为了实现所述进样样品在所述主流道113的充分反应，将所述主流道113的尺寸设计得大于所述进样流道111的尺寸或者所述出样流道112的尺寸。
可选地，所述主流道113的截面形状为矩形或梯形。
本实施例中，为了方便加工，将所述主流道113设置为方体流道。例如但不限于，所述主流道113为正方体流道或者所述主流道113为梯形体流道。在其他实施例中，所述主流道113还可以是圆柱体流道。
可选地，所述芯片储运部300包括储存所述微流控芯片100的芯片盒310、从所述芯片盒310中将所述微流控芯片100取出的芯片取出装置、将取出的所述微流控芯片100运输至指定位置的芯片运输装置、将运输至指定位置的所述微流控芯片100进行定位的定位装置以及芯片废弃盒320。
本实施例中，所述芯片储运部300为所述微流控芯片100提供储存、输送、反应和废弃全流程控制，对应地，存在芯片储存、芯片运输、芯片反应以及芯片废弃四个模块流程。具体地，整个所述微流控芯片100在所述芯片储运部300的控制下的工作流程为：首先，所述微流控芯片100储存在所述芯片盒310中以备用(应当理解，所述芯片盒310中可以储存一块所述微流控芯片100，也可以储存多块所述微流控芯片100，可根据实际需要设置)；
在一实施例中，所述芯片盒310中还设置有芯片支架，所述微流控芯片100设置与所述芯片支架上。所述芯片支架可随芯片架传送机构运送至特定位点。在该特定位点，由芯片取出装置将所述微流控芯片100从芯片盒310中自下而上依次推出。例如但不限于，所述芯片取出装置由推送电机带推送挡片完成推送过程。例如但不限于，所述芯片盒310还设置有单向结构。所述单向结构为锯齿状结构。当所述微流控芯片100在从所述芯片盒310中被推出的过程中，由所述芯片盒310中的单向的锯齿状结构控制所述微流控芯片100，以免所述微流控芯片100回退。
当所述微流控芯片100从所述芯片盒310中被推出后，进入芯片运输过程。具体地，运输装置与所述微流控芯片100上的特殊结构配合作用，完成对所述微流控芯片100的定位和固定，然后由运输装置电机带动所述微流控芯片100运输至特定位置，即芯片上样位置，继而与所述全自动微流控分析仪的试剂储存及循环部500、检测控制模块等配合完成所述微流控芯片100的上样环节。
运输装置电机继续运动，以带动所述微流控芯片100到达芯片进样位置，此时，定位装置与所述微流控芯片100上的特定结构配合作用，以实现对所述微流控芯片100的定位。例如但不限于，在芯片进样位置，所述定位装置和所述微流控芯片100通过定位柱和定位孔实现定位。例如但不限于，所述定位孔处还设有密封结构，所述密封结构用于所述驱动装置200和所述微流控芯片100的驱动力进入位点之间的密封连接，以使所述驱动装置200施加外界驱动力之后，能实现对位于所述微流体通道内的流体的驱动，直至样品到达所述微流体通道内的指定位置。例如但不限于，所述指定位置为用于样品体积定量的所述微流控芯片100的交替流道的位置。
当所述样品到达指定位置后，断开所述驱动装置200对流体的驱动，以卸载驱动力，此时，运输装置电机继续运动，并带动所述微流控芯片100达到芯片反应位置。具体地，在所述芯片反应位置，所述驱动装置200继续行使驱动作用，以控制位于所述微流体通道指定位置处的样品进行反应，待反应完成后，根据需要对反应后的样品进行分离、检测，完成检测后卸载驱动力。运输装置电机继续运动，并带动所述微流控芯片100达到芯片废弃位置，在所述芯片废弃位置，使用后的所述微流控芯片100被取出装置推出驱动导轨，进入所述芯片废弃盒320。所述芯片废弃盒320密闭所述微流控芯片100储存，防止发生生物污染。至此，完成所有所述微流控芯片100的全自动化作业流程。
在一实施例中，在所述芯片进样位置和所述芯片反应位置处均设有温度控制模块，以控制所述微流控芯片100的温度维持在特定的范围内，从而确保所述微流控芯片100内样品之间的生化反应能高效进行。
可选地，所述微流控芯片100还设有第一定位部121，所述第一定位部121设于所述微流控芯片100的周缘，所述取出装置设有与所述第一定位部121配合作用的夹紧定位件。
本实施例中，为了实现所述微流控芯片100在取出过程中的精准定位，设置了第一定位部121。所述第一定位部121为边线外形结构，设置在所述微流控芯片100的周缘上。应当理解，所述第一定位部121的特定的边线外形结构与取出装置上的夹紧定位件的边线外形结构相匹配，以在取出装置从芯片盒310中取出微流控芯片100时，能精准地取出所述微流控芯片100，并且，对取出后的所述微流控芯片100的位置能实现精准定位。例如但不限于，所述第一定位部121为设置在所述微流控芯片100的齿状结构。为加强所述微流控芯片100在取出过程中的位置的精准度，所述齿状结构设有多个，多个所述齿状结构对称设置。在其他实施例中，为了方便加工，也可设置一个齿状结构。
可选地，所述微流控芯片100还设有第二定位件122，所述第二定位件122凸设于所述微流控芯片100的周缘，所述运输装置设有与所述第二定位件122配合作用的嵌合结构。
本实施例中，为了实现所述微流控芯片100在运输过程中的精准定位，设置了第二定位件122。应当理解，所述第二定位件122与运输装置上的嵌合结构相匹配，以在所述取出装置取出所述微流控芯片100后，通过运输装置上的嵌合结构与所述第二定位件122配合作用，从而实现对运输过程中的微流控芯片100的位置的精准定位。例如但不限于，所述第二定位件122为凸起。为加强所述微流控芯片100在运输过程中的位置的精准度，所述凸起设有多个，多个所述凸起呈力对称设置。在其他实施例中，为方便加工，减小加工成本，可以设置一个凸起。
可选地，所述微流控芯片100还设有第三定位件123，所述第三定位件123凸设于所述微流控芯片100，所述定位装置上设有与所述第三定位件123配合作用的定位结构。
本实施例中，为了实现所述微流控芯片100在进入反应前的位置的精准调控，设置了第三定位件123。应当理解，所述第三定位件123与反应前的定位装置上的定位结构相匹配，以在所述运输装置将所述微流控芯片100运输至指定位置时，所述反应前的定位装置通过所述定位结构与所述第三定位件123之间的配合作用，而实现对所述微流控芯片100的精准定位。例如但不限于，所述第三定位件123为凸设于所述微流控芯片100上的定位柱。所述定位柱为具有贯穿柱体始末的通孔，所述定位柱凸设于所述微流控芯片100的正面，在运输装置将所述微流控芯片100运输至指定位置时，所述反应前的定位装置上的定位结构与所述第三定位件123配合作用，以实现对待反应的所述微流控芯片100的位置的限定。例如但不限于，定位装置上的定位结构为能插入所述定位柱的通孔内的柱状结构。一般地，为加强所述微流控芯片100在反应前的位置的精准定位，设置了多个定位柱，多个所述定位柱呈力对称设置。在其他实施例中，为了减小成本，可以设置一个定位柱。
可选地，所述驱动装置200为气压驱动装置200、电压驱动装置200或磁场驱动装置200中的一种。
本实施例中，所述驱动装置200包括一个或多个正模块和/或负模块。
具体地，所述气压驱动装置200包括正气压驱动装置200，其通常连接于所述进样位点处；所述气压驱动装置200还包括负压驱动装置200，其通常连接于所述出样位点处。
具体地，所述电压驱动装置200通过电极驱动流体中的带电物质，以实现流体在所述微流体通道内的移动，此时，位于所述微流控芯片100和所述驱动装置200之间的密封结构具有高压防护和屏蔽结构。例如但不限于，所述电极为金属铂、银、铜或其合金。
具体地，所述磁场驱动装置200通过磁性线圈驱动流体中的带磁物质进行流动，此时，位于所述微流控芯片100和所述驱动装置200之间的密封结构具有磁场屏蔽结构。例如但不限于，所述磁性物质为磁性微球。
参见图3，在一实施例中，所述驱动装置200采用气压驱动装置200。此时，在所述(正压)气压驱动装置200下作用的所述微流控芯片100的作业原理如下：首先气泵将空气过滤器过滤后的空气吸入气路系统，第一压力传感器检测输出气体的压力值，此时，第一电磁阀和第二电磁阀均处于关闭状态；当所述第一压力传感器检测到的压力值达到某一阈值时，所述第一电磁阀打开，气压通过驱动力进入位点传递进所述微流控芯片100，处于所述微流控芯片100内的流体受到气压的驱动力后开始流动；一定时间后，关闭第一电磁阀，并维持所述微流控芯片100内的压力值，此时通过第二压力传感器检测所述微流控芯片100内的压力值；直到所述第二压力传感器的数值达到某一阈值时，打开所述第二电磁阀，并通过卸压孔完成压力释放，至此，所述微流控芯片100的上样环节结束。同理，对于负压驱动装置200原理同上，也即通过气泵将气路系统中的空气吸出，以使所述微流控芯片100维持负压状态，其余技术在此不再一一赘述。例如但不限于，所述正压气压的范围为10KPa～10MKa。优选地，所述正压气压的范围为50KPa～1MPa。所述负压气压的范围为-10MPa～0Pa。优选地，所述负压气压的范围为-1MPa～-50Pa。
所述检测装置400为光学检测装置。
本实施例中，所述光学检测装置用于对所述微流控芯片100上的特定波长物质的激发和接收，并进行光学信号的检测、转换和读取。
可选地，所述光学检测装置包括依次设置的激发光源410、透镜组420、位置调节件430以及接收件440。
本实施例中，所述激发光源410是根据反应物或标记物的发光特性使其发光的光学器件。例如但不限于，可通过激光诱导荧光进行检测，此方法具有灵敏度高、选择性好和线性范围宽等优点；也可通过化学发光进行检测，此方法通过测定化学发光强度来检测被测物含量，无需激发光源410，具有灵敏度高、结构简单等优点；还可以通过LED荧光进行检测，此方法通过半导体二极管作为激发光源410，灵敏度比激光诱导荧光低，但是结构得到大幅简化。应当理解，所述激发光源410的选择主要参数为激发光的波长和功率，激发光的波长由反应物或标记物的发光特性决定，激发功率越大，激发光越强，受激吸收越强，荧光的发射速率就越快，但是也应当注意，过强的激光会使荧光素漂白，失去作用。所述透镜组420是用于调制光路的透镜组420件。所述透镜组420件包括聚焦透镜、物镜、滤光片及二向色镜。所述位置调节件430是为获得最优接收光学信号而进行的物距和/或位置调节机构。例如但不限于，距离调整、角度调整等。所述接收件440用于光学信号接收、放大和处理。例如但不限于，所述接收件440为光电倍增管、CCD传感器、雪崩光电二极管、光电二极管及其配套组件。
参见图4，在一实施例中，所述光学检测装置采用倒置激光共聚焦形式，以激光诱导荧光方法检测待测定物质。具体地，激光束从激光二极管发射，经过激发光滤光片滤除多余杂光，然后经过45°角放置的二向色镜反射至显微物镜，会聚在检测窗口上。在所述微流体通道内的荧光物质经过激光束的激发产生荧光，荧光被显微物镜收集后变成平行光达到二向色镜，透射经过二向色镜，再经过发射光滤光片后，在会聚透镜下会聚，达到针孔。针孔将杂散光滤掉，荧光被光电倍增管或光电传感器接收，所述光电倍增管或光电传感器将光信号转换为电信号，经由A/D转换变成数字信号传递给控制部。应当理解，整个光学检测装置被安装在三维调整机构上，可进行微动调整，以获得最佳荧光效果。对于三维调整机构，涉及角度调整和/或直线调整。应当注意的是，所述光学检测装置被安装在密闭空间中，以防止激光泄露；对于透射出所述微流控芯片100的部分，可选择使用光阱吸收。
可选地，所述微流控芯片100还设有第四定位部124，所述第四定位部124设于所述微流体通道内；
所述光学检测装置作用于所述第四定位部124。驱动装置200，连接于所述驱动力进入位点，所述驱动装置200用于驱动样品在所述微流体通道内的移动；
芯片储运部300，用于储存和运输所述微流控芯片100；
本实施例中，为进一步实现所述微流体通道与驱动装置200的精准定位，以控制用于给样品反应提供反应场所的主流道113位置，还设置了第四定位部124。具体地，所述第四定位部124为微流体通道部，也即，在整个微流体通道部内设有荧光物质，以通过光学检测装置测定该荧光物质的位置，从而实现对所述微流控芯片100上的微流体通道位置的精准定位。例如但不限于，为了精简成本，所述第四定位部124位为混料流道140部，也即仅通过对结构较特殊的混料流道140部的定位以实现对整个所述微流体通道(尤其是所述主流道113)位置的精准定位。也即，仅在所述混料流道140部设置有荧光物质，然后通过所述光学检测装置对设置在所述混料流道140内的荧光物质的检测，从而实现对整个所述微流控芯片100的精准定位。
可选地，所述微流控芯片100还包括多个功能腔室130，多个所述多功能腔室130设于所述进样流道111或所述出样流道112上，用于给进入所述微流体通道内的反应样品或反应完成后生成的废液提供容置空间。
本实施例中，为给样品提供一个暂时存储的空间，设置了功能腔室130。所述功能腔室130至少具有以下作用：一是，对进样样品的储存；二是，给不同进样样品提供一个混合的空间；三是，对反应后的样品(废液)的储存。所述多功能腔室130的数量大于或者等于所述进样流道111和所述出样流道112的数量的总和。也即，每一所述进样流道111上至少设置了一所述功能腔室130，每一所述出样流道112上至少设置了一所述功能腔室130。例如但不限于，每一所述进样流道111上设置了一所述功能腔室130，每一所述出样流道112上设置了一所述功能腔室130。
可选地，所述进样流道111包括混料流道140，所述混料流道140包括混料主流道141、至少两个混料分流道142；所述混料主流道141连通所述主流道113，每一所述混料分流道142对应一所述进样位点和一所述多功能腔室130。
本实施例中，为了提高所述微流控芯片100对不同需求的进样样品的适应性，设置了混料流道140。在所述混料流道140中，两种及以上不同的进样样品可以得到充分混匀。例如但不限于，所述混料流道140包括一混料主流道141，以及两个混料分流道142，对应地，两所述混料分流道142上分别设置有至少一个所述功能腔室130，两所述混料分流道142上分别设置一所述进样位点。这样，不同进样样品在取样针的作用下，可通过不同的进样位点进入所述微流控芯片100的所述混料分流道142，然后进入所述功能腔室130，并通过所述混流分流道进入所述混流主流道113内进行充分混匀，再将混匀后的混料通入所述主流道113内，以与其他进样样品反应等，大大提高了所述微流控芯片100对不同需求的进样样品的适应性。
可选地，微流控芯片100的尺寸为0.5～200mm。
本实施例中，为最大限度节约制备芯片的原材料，降低工业化生产原材料，经大量实验检测，将所述微流控芯片100的单方向的外观尺寸控制在0.5～200mm。但不限于，所述微流控芯片100的外观尺寸为0.5～100mm。
可选地，所述多功能腔室130的体积范围为0.009～1000mm3。
本实施例中，为同时实现对进样样品的储存，以及微流控芯片100的体积限制，将所述所述多功能腔室130的体积控制在0.009～1000mm3。例如但不限于，所述多功能腔室130的体积范围为0.125～125mm3。
可选地，微流控芯片100还具有拔模结构。
本实施例中，为方便加工，还在所述微流控芯片100上设置了拔模结，也即拔模结构。例如但不限于，所述拔模结构设于所述第三定位件123与所述多功能腔室处。
可选地，微流控芯片100的材料为玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚苯乙烯中的一种或其衍生物。
本实施例中，为节约成本的同时，提高微流控芯片100的可视度以及微流控芯片100的耐用性，采用聚甲基丙烯酸甲酯作为微流控芯片100的加工材料。
可选地，所述微流控芯片100包括依次键合的凸起层、流道层101及薄膜层102；
所述进样位点、所述出样位点及所述驱动力进入位点设于所述凸起层的远离所述流道层101的一侧；
所述主流道113设于所述流道层101；所述进样流通部分设于所述流道层101、另一部分设于所述凸起层，以连通所述进样位点与所述主流道113；
所述出样流道112部分设于所述流道层101、另一部分设于所述凸起层，以连通所述出样位点与所述主流道113。
本实施例中，为了便于微流控芯片100的加工，将所述微流控芯片100设为凸起层、流道层101以及薄膜层102。所述凸起层主要用于与外界装置进行连接，从而实现样品的上样；具体地，所述凸起层上设有所述进样位点、所述出样位点、所述驱动力进入位点以及功能腔室130。所述流道层101主要用于进行样品的混匀、反应；具体地，所述微流体通道设于所述流道层101。所述薄膜层102主要用于对所述流道层101进行保护，避免流道层101遭受外界机械力损害。例如但不限于，所述薄膜层102为平滑板。
在其他实施例中，为了减少微流控芯片100的装配成本，将所述所述凸起层与所述流道层101一体成型。
可选地，所述芯片主体包括依次键合的流道层101和薄膜层102；
所述进样位点、所述出样位点及所述驱动力进入位点均设于所述流道层101远离所述薄膜层102的一侧；
所述主流道113、进样流道111和出样流道112均设于所述流道层101内；所述进样流道111连通所述进样位点所述主流道113，所述出样流道112连通所述出样位点和所述主流道113。
本实施例中，为了精简微流控芯片100的结构，减少键合次数，设置了两层芯片结构，即流道层101和薄膜层102。应当理解，所述流道层101具有一定厚度，以使得所述进样流道111和/或所述出样流道112与所述主流道113呈角度设置可以实现。
可选地，所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部500，所述试剂储存及循环部500用于给全自动微流控分析仪提供样品和试剂；和/或，
所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部500，所述试剂储存及循环部500包括样品库模块510、试剂库模块520、取样针注射器模块530以及分注取样针清洗模块540。
本实施例中，所述试剂储存及循环部500与所述驱动装置200、所述芯片储运部300联动设置。所述试剂储存及循环部500主要负责样品、试剂、纯水、清洗液和废液的储存、输送、取样、加注和回收。具体地，样品库模块510用于存储样品、可存储多个样品架，通过传送机构自动运送，实现连续进样。一般而言，所述样品库环境温度为常温。所述试剂库模块520用于存储试剂溶液，可存储多个试剂盒，不同试剂盒有对应的标签，然后通过传送机构自动运送试剂溶液到取液位置，实现连续取样。一般而言，试剂库环境温度为低温。例如但不限于，所述试剂库的温度为2～8℃。所述取样针注射器模块530可上下运动，以进行液体的吸取操作，同时所述取样针注射器模块530还可在各个位置之间运动，实现多种样品的加样流程。所述取样针注射器模块530可实现从取样针前端吸取和释放特定体积的液体，也可以从取样针后端吸入纯水进行取样针内壁清洗。所述取样针清洗模块，纯水由纯水箱进入样品针和清洗器，在清洗器内完成样品针的内壁和外壁的清洗，清洗后的废液由清洗器进入废液箱。例如但不限于，取样针的外壁清洗，可选择涌泉法，即通过一定压力的水流向上清洗样品针，再从废液排出孔排出。
参见图5，具体地，所述试剂储存及循环部500的工作流程为：将样品管中的样品贴上标签后置于特定样品架上，样品架放入样品库后，由样品传送机构运送至样品位置L11。(步骤S11)分注取样针在样品位置L11向下运动以吸取特定体积的样品，然后分注取样针运动至芯片位置L14处，并将吸取的样品加入所述微流控芯片100的功能腔室130中；(步骤S12)分注取样针运动至清洗位置L13，纯水由纯水箱进入样品针和清洗器，在清洗器内完成样品针的内壁和外壁的清洗，清洗后的废液由清洗器进入废液箱；(步骤S13)试剂盒在试剂传送机构的运送下到达试剂位置L12，分注取样针运动到试剂位置L12，分注取样针向下运动以吸取特定体积的试剂溶液；(步骤S14)吸取试剂溶液后的分注取样针运动到芯片位置L14，并将试剂溶液加入所述微流控芯片100的功能腔室130内；重复步骤S12至步骤S14，直到所有的样品和试剂均加入到所述微流控芯片100的对应功能腔室130内。应当理解，清洗液用于分注取样针和驱动装置200的驱动电极的定期清洗。例如但不限于，所述清洗液为1mol/L的氢氧化钠溶液。
参见图6，本发明还提供了一种分注取样针清洗环节的液路控制系统。具体地，在分注取样环节，电磁阀处于关闭状态，由水注射器在特定水压下驱动分注取样针从试剂盒或样品管中取出对应试剂或样品，然后加入所述微流控芯片100中；在清洗环节，电磁阀处于开启状态，纯水泵由纯水箱吸取纯水，经过过滤器，进入分注取样针，然后在清洗器中完成清洗，最后进入废液箱，完成分注取样针的清洗。应当理解，为节约成本，分注取样针可为单取样针取样；为提高取样效率，分注取样针也可为多取样针取样。
参见图7，在一实施例中，所述试剂储存及循环部500(取样针-样品位置L11、取样针-试剂位置L12、取样针-清洗位置L13以及吸取样品/试剂后的取样针-芯片位置L14)和所述芯片储运部300(芯片上样位置L21、芯片进样位置L22、芯片废弃位置L23以及芯片反应位置L24)之间的各个流程位点可灵活排列。例如但不限于，可采用双线性排列、环形排列、双圆环排列、圆环直线排列等方式进行排列。
可选地，所述控制部包括中央处理器、储存器、设备外部接口以及用户接口。
本实施例中，所述中央处理器(CPU)负责整个微流控分析仪的运算控制，具体到下位机控制中心可配备本地CPU，以对各个模块进行单独控制。例如但不限于，所述中央处理器可单独进行机械控制或单独进行温度控制。所述储存器用于数据储存，同时提供可外接外部存储设备的插槽。例如但不限于，所述储存器为内置CF卡插槽。所述设备外部接口用于通信和数据连接。例如但不限于，所述设备外部接口为局域网接口(LAN),RS-232串行通信接口，USB接口。用户接口用于连接物理按键、热敏打印机、触控面板、计算机输入输出设备等。
可选地，所述微流控分析仪还包括电源模块。所述电源模块用于为各个零部件提供不同电压的直流电源。标准交流电经过电源入口进入分析仪，经过保护电路，浪涌吸收电路，电压转换和电压缩放，传输到特定的电路模块。
可选地，所述控制部还包括通讯连接于所述中央处理器的检测控制模块，所述检测控制模块用于对所述全自动微流控分析仪的各个进程的电压、温度、湿度、压力、开关状态、位置以及标签的检测与调控。
本实施例中，所述检测控制模块与微流控分析仪的各个模块电连接，用于对微流控分析仪的各个零部件进行监测和调控。具体地，对于电压的调控，主要在于驱动装置200对样品在进样过程中的驱动时，驱动电压的大小和时间对驱动效果有着显著的影响。诸如，驱动电压的大小影响带电物质的运行状态和所在位置，进而为反应状态的转换和调控提供信息支持。对于温度的调控，主要包括但不限于对试剂库、微流控芯片100的反应进程中、光学检测装置等。例如但不限于，试剂库需要维持低温，可使用加热电阻丝、帕尔贴和/或冷却风扇进行温度调节，使用热敏电阻进行温度监测。对于湿度，通过湿度传感器可测量所在环境的湿度，并在超出设定阈值范围内时发出报警信号。对于压力，通过压力传感器对进样驱动部中液体和/或气体的压力状态进行监测，控制相关液体和/或气体的流速和体积。例如但不限于，在气压驱动装置200驱动进样中，需要对不同节点的气体压力状态进行监测，以维持特定的压力需求，并在达到特定阈值时切换压力状态。对于状态，主要针对微流控分析仪中各个零部件的开关状态的监测，以调控设备状态。例如但不限于，可通过开关开闭次数监测芯片盒310中剩余芯片个数。对于位置，诸如分注取样针液面位置的监测，可以通过分注取样针和框架之间静电容量的变化来判断，可选择接近传感器。对于标签，也即对试剂和样品标签的读取。例如但不限于，可通过RFID检出或条码扫描器读取条码信息，确定样本所述人员信息，试剂或样本的用量和剩余体积或剩余使用次数。
由上，本发明还提供了一种全自动微流控分析仪的使用方法，该使用方法是基于微流控芯片100的存储、输送、反应和废弃完成的，其中，在所述微流控芯片100上的反应步骤包括上样、进样、反应、分离、检测等环节。整个使用流程由微流控分析仪全自动完成，在完成试剂、耗材、纯水和清洗液的检查和确认，相关检测和结果分析的参数设定，分析仪系统初始化后，即可开始检测流程。
微流控芯片100在芯片盒310中集中排列存储，当有检测请求时，芯片架将芯片盒310运送到特定位置，由取出装置将微流控芯片100从芯片盒310中取出，进入运输装置上，并由检测控制模块更新芯片盒310内微流控芯片100的数量信息并记录微流控芯片100的信息。微流控芯片100运输步骤中需要将微流控芯片100运送到多个特定位点，通过检测控制模块的位置控制和/或微流控芯片100上的宏观结构配合完成芯片位点的调整和确认，保证后续环节的位置准确。
微流控芯片100反应步骤中，微流控芯片100的上样环节指分注取样针将样本和试剂从样本管和试剂盒中取出注入微流控芯片100特定的功能腔室130的过程，加入不同的反应物需清洗分注取样针。试剂存储及循环部包括各类样品、试剂、纯水、清洗液和废液的存储、输送、取样、加注和回收。在这个过程中，包含多个具体的功能流程，包括但不限于样识别、液面检测、样品吸取，体积定量，分注取样针移动、孔位识别、废液释放、取样针清洗。在反应物识别过程中，通过检测控制模块的标签识别和/或预设孔位-试剂对应关系来完成，同时该过程也包括对应试剂的体积信息。识别完成后，进行液面检测，通过检测控制部测量液面检体和液面之间的静电容量来确定液面高度。分注取样在进行样品吸取，通过注射器负压完成特定体积样品的定量，体积定量的方法通过注射器模块的运动行程来确定。之后分注取样针由电机驱动沿特定导轨移动，到达微流控芯片100位置时，通过预设电机位点和孔位的对应关系完成。分注取样针由注射器模块正压推动将样品释放到微流控芯片100的功能腔室130中。最后取样针运动到清洗器模块位置，在清洗器中完成分注取样针的内外壁清洗。
微流控芯片100的进样环节是指驱动装置200将位于进样通道的流体驱动进入微流控芯片100的主流道113中。进样环节通过稳定的驱动作用力使特定样品到达微流体通道的特定位置，对于多种样品，对应多个特定位置。在进样过程中，运输装置将完成上样的微流控芯片100运送到特定芯片反应位点，在该芯片反应位点上，驱动装置200完成与微流控芯片100的驱动力进入位点的密封对接，通过在各个驱动力进入位点施加驱动力，将样品驱动到微流控芯片100主流道113中，待不同样品到达预定流道位置后，驱动力释放。
在微流控芯片100的反应环节，微流控芯片100的主流道113中的样品在外界驱动力的作用下进行一步或多步生化反应。在微流控芯片100的反应环节，运输装置将完成进样的微流控芯片100运送到特定芯片反应位点，在该芯片反应位点上，驱动装置200完成与微流控芯片100的驱动力进入位点的对接，通过外部电压变化和/或磁场变化，驱动反应体系中带电和/或磁性物质运动，完成一步或多步生化反应。在反应过程中伴随着一步或多步、多种物质之间的生化反应，由于各个反应物、反应中间产物、反应最终产物的质量、带电性和/或磁性具有差异性，在反应环节的驱动参数需要对应调整。待反应完成后可在同一特定芯片反应位点继续进行下一环节或断开芯片接口，运送至下一特定芯片反应位点，进行下一环节。例如但不限于，等速电泳是一种可选择的富集驱动技术。具体地，等速电泳是将两种淌度差别较大的缓冲液分别作为前导离子和尾随离子，待反应和/或待富集的反应物离子淌度位于两者之间，并以同一速度移动。在等速电泳过程中，反应物离子在前导离子和尾随离子之间富集聚焦，聚焦后形成相对独立的反应物区带。随着在离子在运动的过程中，各反应物、反应中间产物、反应最终产物也同时发生反应、富集和区带分离，对于极低浓度物质的监测具有很大优势。
分离环节是指主流道113中的反应后物质根据反应物特性和/或标记物特性的不同进行区分。在分离环节特定芯片反应位点，通过控制驱动力的变化，反应体系中的反应物在驱动力的作用下进行筛选和分离。例如但不限于，微流控芯片100电泳可对不同荷质比的物质因迁移速率导致的差别进行分离，通过改变微流控芯片100中的分离电场分布，可实现微流控芯片100上的复杂分离过程。微流控芯片100电泳可以实现高速分离，适用于各种离子和非离子组分的分析。
检测环节是指光学检测装置根据反应物或标记物的发光特性进行特定波长光线的激发和接收，光学信号的检测、转换、读取和分析。特别地，对于需要激发发光的物质，还需要进行额外光源激发。光学检测的方法包括但不限于荧光检测，吸收光度检测，化学发光。本发明实施例提供了一种激光诱导荧光检测特定物质的光学系统方案，如前文叙述，在此不再一一赘述。在检测环节得到由光学信号转化的电学信号，经过分析处理方法后，按照所需对应反应物的特征输出检测结果，并由信息交互部进行面板输出和/或打印输出粗，完成全自动微流控分析流程。在处理物质信号波形时，需要经过必要的分析处理方法，如噪声滤除，基线调整，波形分析，峰面积计算，数值校正，输出结果计算。
最终，芯片废弃，微流控芯片100一次性使用后，通过运输装置运送到芯片废弃盒320，安全集中处理。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种全自动微流控分析仪，其特征在于，包括：
微流控芯片，具有进样位点、与所述进样位点间隔设置的出样位点、驱动力进入位点以及微流体通道；所述微流体通道包括进样流道、出样流道及主流道，所述进样流道和所述出样流道分别与所述主流道连通，所述进样流道和所述出样流道交替设置；所述出样流道设有多个，两相邻所述出样流道之间的所述主流道的体积为样品定量体积；所述进样位点与所述进样流道连通，所述出样位点与所述出样流道连通，所述驱动力进入位点与所述微流体通道连通；
驱动装置，连接于所述驱动力进入位点，所述驱动装置用于驱动样品在所述微流体通道内的移动；
芯片储运部，用于储存和运输所述微流控芯片；
检测装置，用于检测样品中待检物质的含量；
控制部，分别电连接并控制所述驱动装置、所述芯片储运部以及所述检测装置。
2.如权利要求1所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述芯片储运部包括储存所述微流控芯片的芯片盒、从所述芯片盒中将所述微流控芯片取出的芯片取出装置、将取出的所述微流控芯片运输至指定位置的芯片运输装置、将运输至指定位置的所述微流控芯片进行定位的定位装置以及芯片废弃盒。
3.如权利要求2所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述微流控芯片还设有第一定位部，所述第一定位部设于所述微流控芯片的周缘，所述取出装置设有与所述第一定位部配合作用的夹紧定位件；和/或，
所述微流控芯片还设有第二定位件，所述第二定位件凸设于所述微流控芯片的周缘，所述运输装置设有与所述第二定位件配合作用的嵌合结构；和/或，
所述微流控芯片还设有第三定位件，所述第三定位件凸设于所述微流控芯片，所述定位装置上设有与所述第三定位件配合作用的定位结构。
4.如权利要求1所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述驱动装置为气压驱动装置、电压驱动装置或磁场驱动装置中的一种；和/或，
所述检测装置为光学检测装置。
5.如权利要求4所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述光学检测装置包括依次设置的激发光源、透镜组、位置调节件以及接收件。
6.如权利要求5所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述微流控芯片还设有第四定位部，所述第四定位部设于所述微流体通道内；
所述光学检测装置作用于所述第四定位部。
7.如权利要求1至6任一项所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述微流控芯片还包括多个功能腔室，多个所述多功能腔室设于所述进样流道或所述出样流道上，用于给进入所述微流体通道内的反应样品或反应完成后生成的废液提供容置空间；和/或，
所述进样流道包括混料流道，所述混料流道包括混料主流道、至少两个混料分流道；所述混料主流道连通所述主流道，每一所述混料分流道对应一所述进样位点和一所述多功能腔室。
8.如权利要求1至6任一项所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部，所述试剂储存及循环部用于给全自动微流控分析仪提供样品和试剂；和/或，
所述全自动微流控分析仪还包括试剂储存及循环部，所述试剂储存及循环部包括样品库模块、试剂库模块、取样针注射器模块以及分注取样针清洗模块。
9.如权利要求1至6任一项所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述控制部包括中央处理器、储存器、设备外部接口以及用户接口。
10.如权利要求9所述的全自动微流控分析仪，其特征在于，所述控制部还包括通讯连接于所述中央处理器的检测控制模块，所述检测控制模块用于对所述全自动微流控分析仪的各个进程的电压、温度、湿度、压力、开关状态、位置以及标签的检测与调控。
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