CN112058325B - 一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其方法 - Google Patents

一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开来了一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其方法，属于生物检测领域。装置主要包括微流控芯片系统，用于待检测生物样品与特异性免疫磁珠的进样、富集、捕获、反应与检测；相控阵控制系统，与微流控芯片系统相连，用于提高微通道内待测样品多元充分的融合反应；微流控信号检测系统，用于检测微流控芯片上产生的信号，并进行信号的处理；主设备系统，控制整体装置的运行，驱动相控阵控制系统与信号检测系统进行超声相控微空化，信号检测及处理，并能够进行用户界面操作、显示测试结果及内外部数据传递与存储。本发明能够实现病毒的高效快速检测，反应速度快，检测灵敏度高，操作简单，检测成本低。

Description

一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其 方法
技术领域
本发明涉及生物检测领域，具体涉及一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其方法。
背景技术
生物安全近年来成为了影响社会公共安全的重要因素，快速、准确、直观地对生物病毒样品进行识别，是生物安全检测的主要发展方向。
目前,常规的生物安全检测技术包括免疫学检测法、分子生物学检测方法和生物传感器方法等。免疫学检测法快速简便但是检测灵敏度低；分子生物学检测法灵敏度高但操作复杂、专业技术性要求高；生物传感器快速方便、灵敏度高但无法满足痕量试剂操作。
聚合酶链式反应法、酶联免疫吸附测定法等化学检测方法已能够实现对生物病毒或致病菌进行较为准确的检测，但是上述技术因成本高、操作复杂，很难在现场检测中发挥作用，同时也无法将检测结果以电信号形式进行分析处理。
利用微流控技术的微流控芯片以其微型化、集成化、成本低廉和快速即时检测等特点成为生物检测领域的热门研究方向，发展生物病原体检测的快速，灵敏，特异的检测技术和仪器，对于确保社会稳定性具有重要意义。
发明内容
针对现有病原菌检测技术存在的检测时间长、检测设备庞大、操作繁杂、方法不成熟等等不足，本发明提出了一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置及其方法，利用微流控芯片，搭建了用于病原菌快速准确的微流控检测系统，通过外加条件有效提高微流控内溶液混合效率，能够实现病毒的高效快速检测，而且检测灵敏度高，操作简单，检测成本低。本发明可以成功检测出番茄环斑病毒(ToRSV)、烟草环斑病毒(TRSV)、南方菜豆花叶病毒(SBMV)和南芥菜花叶病毒(ArMV)等病毒。
一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置，其包括：
微流控芯片系统，其用于待检测生物样品与特异性免疫磁珠的进样、富集、捕获、反应与检测；
相控阵控制系统，与微流控芯片系统相连，用于提高微流控芯片系统的微通道内待测样品多元充分的融合反应；
信号检测系统，与微流控芯片系统相连，用于检测微流控芯片系统上产生的信号，并进行信号的处理；
主设备系统，其控制整体装置的运行，驱动相控阵控制系统与信号检测系统进行超声相控微空化，信号检测及信号处理，并能够进行用户界面操作、显示测试结果及内外部数据传递与存储。
在本发明的一个实施例中，所述相控阵控制系统包括超声相控阵元和相控阵控制器；所述相控阵控制器对超声相控阵元的幅频、延时、聚焦参数进行转换控制从而实现阵元对微流场的有序调控；实现对微通道流场的超声波微空化；利用微流场空化形成空泡溃灭时产生的能量，实现对介观尺度微通道内的区域流场激励，使其打破原有层流状态，促进微通道内介质稳定均匀的混合；
在本发明的一个实施例中，所述超声相控阵元布置在微流控芯片系统的微流控芯片下方，其由多个直径为100微米的微针以阵列形式排布组成。所述超声相控阵元可采用超声振动辅助镦挤成型工艺制成。
在本发明的一个实施例中，所述的微流控芯片系统包括进样器和微流控芯片；所述的进样器用于导入待检测生物样品和特异性免疫磁珠到微流控芯片系统的微通道内；所述微流控芯片结构上分为三层，由下至上分别是基底层、通道层和盖片层；其中，盖片层上开设有进口和出口，分别用于样品的注入和废液的排出；通道层设有储液池、过滤膜和微通道；储液池有两个，分别连接进口和出口，微通道连接两个储液池，过滤膜安装于进口端储液池与微通道相连处。所述进、出口形状可以为圆形、椭圆形等各种便于连接外部管道或器件的形状。经进样器作用，样液从进口端储液池中导入到微通道中进行反应与检测，并经出口端储液池排出。所述储液池形状可以为圆柱形或其它便于加工的形状。
过滤膜用于过滤样液中较大的杂质颗粒，减少对检测结果造成影响。免疫磁珠的尺寸可以通过过滤膜的孔道。
微通道的形状不做特别限定，但不宜存在流动死区，可以采用“一”字型的微通道。
在本发明的一个实施例中，所述的基底层包括：
磁场发生器，其位于基底层下方，用于产生磁场吸附捕获病毒的特异性免疫磁珠固定到金叉指电极上；所述磁场发生器可以是电磁线圈，通过向线圈通入电流产生所需的磁场，其产生的磁场用于使免疫磁珠固定到金叉指电极上。
金叉指电极，其位于基底上且位于微通道的底部，所述金叉指电极用于吸附与病毒特异性结合的免疫磁珠，检测阻抗变化；所述金叉指电极还包括一对引伸出去的电极引脚，与信号检测系统相连。金叉指电极可以采用雕刻方式雕刻于基底上。
在本发明的一个实施例中，所述信号检测系统包括阻抗检测模块和信号处理电路；所述阻抗检测模块通过引脚与微流控芯片系统内的金叉指电极相连，用于检测金叉指电极上因特异性免疫磁珠与待检测病毒结合而产生的阻抗信号；所述信号处理模块将检测到的阻抗信号作处理后传输到主设备系统。
在本发明的一个实施例中，所述主设备系统包括中央处理器单元、电源模块、显示模块、存储器模块和外接端口。
在本发明的一个实施例中，所述存储器模块包括检测驱动模块及数据存储空间；所述检测驱动模块与阻抗检测系统连接；检测驱动模块驱动信号检测系统的阻抗检测模块输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极上的阻抗信号；金叉指电极上的阻抗信号经信号检测系统的信号处理电路处理后的生成阻抗数据，传输并存于存储器模块的数据存储空间中。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理器单元为可编程处理器，包括定量检测模型、超限警报模型和检测驱动指令生成模块；所述的检测驱动指令生成模块用于生成驱动指令控制检测驱动模块；所述的定量检测模型进行检测物浓度的定量检测；所述超限警报模型根据定量检测模型的检测结果进行阈值判断。
在本发明的一个实施例中，所述的阻抗检测模块为AD5933阻抗检测芯片。
在本发明的一个实施例中，所述电源模块为基于开关电源技术的外接电源适配器，提供12V输出电压为整个装置供电。
在本发明的一个实施例中，所述显示模块包括显示屏和扬声器，用于检测结果显示和用户界面操作。
在本发明的一个实施例中，所述集成电路包括稳压电路、时钟电路、I/O电路、数据寄存器等。
在本发明的一个实施例中，所述外接端口用于与信号检测系统、相控阵控制系统或其他电子设备进行数据传输。
本发明与已有技术相比，具有以下技术效果，
1.本发明的装置和方法是基于免疫磁珠技术的微流控检测法，通过免疫磁珠与待检测生物样品中的病毒特异性结合，大大加快了样品中病毒的捕获效率，能够有效提高检测精度。
2.本发明包含相控阵控制系统，通过对超声相控阵元的控制，实现对微流场内局部区域的流态调控，实现微流场内稳定均匀的介质混合，提高生物检测效率。
3.本发明的微流控芯片系统、相控阵控制系统、信号检测系统、主设备系统四者有效集成为一种可便携的智能设备，富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，操作简单、检测高效迅速、整体运行性良好。
附图说明
图1本发明整体系统结构图；
图2本发明微流控芯片结构示意图；
图3本发明操作流程图。
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做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。
如图1-3所示，本实施例的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置包括微流控芯片系统1、相控阵控制系统2、信号检测系统3和主设备系统4。
微流控芯片系统1作为一套检测平台，用于待检测生物样品与特异性免疫磁珠的进样、富集、捕获、反应与检测。在本发明的一个具体实施例中，其主要包括进样器11和微流控芯片12，
具体的，进样器11可以是微量注射器或移液器，用于导入待检测样液和特异性免疫磁珠到微通道内以便于样品的检测。
在一个具体实施例中，所述的微流控芯片12主要包括微流控芯片盖片层121、微流控芯片通道层122和微流控芯片基底层123。三者的排布方式是微流控芯片通道层122位于微流控芯片盖片层121和微流控芯片基底层123之间。
其中，所述微流控芯片盖片层包括至少一对进、出口1211，用于待检测生物样品与特异性免疫磁珠的注入和废液的排出。本发明的待检测生物样品可以是含有病毒、细菌等病原菌的样品。
在一个具体实施例中，所述微流控芯片通道层包括储液池1221、过滤膜1222 和微通道1223。两个储液池1211位于进出口两端，分别用于储存样液和废液，经进样器作用，样液从储液池中导入到微通道中进行反应与检测，并经废液池排出；过滤膜1222位于储液池与进口通道的交叉处，用于过滤样液中较大的杂质颗粒，减少对检测结果造成影响。
本实施例中的微通道1223的形状为一字型，其结构参数为：长7mm、宽0.5mm、深100μm。微通道也可以是别的形状或别的尺寸。
在一个具体实施例中，所述微流控芯片基底层123包括金叉指电极1231和磁场发生器1233。本实施例的磁场发生器是电磁线圈，电磁线圈产生的磁场覆盖整个微通道。
在一个具体实施例中，金叉指电极雕刻于基底上，受到激励电压时产生阻抗信号，当样液流经金叉指电极区域时，免疫磁珠特异性富集和捕获待检测病毒，磁场发生器1233产生磁场吸引特异性的免疫磁珠固定到金叉指电极1231上，金叉指电极1231检测与病毒特异性结合的免疫磁珠产生的阻抗变化。
所述金叉指电极1231还包括一对引伸出去的电极引脚，与阻抗检测处理系统相连。磁场发生器1233位于基底层下方，包括一幅电磁线圈，产生磁场时吸引特异性的免疫磁珠固定到金叉指电极上，撤去磁场时免疫磁珠脱离金叉指电极，便于清洗和微流控芯片循环使用。
在一个具体实施例中，相控阵控制系统2用于提高微通道内待测样品多元充分的融合反应，包括超声相控阵元21和相控阵控制器22。所述相控阵控制器22 与超声相控阵元21相连，通过交流变频技术控制阵元的幅频、延时、聚焦等参数进行转换控制。实现对微通道流场的超声波微空化；利用微流场空化形成空泡溃灭时产生的能量，实现对介观尺度微通道内的区域流场激励，使其打破原有层流状态，促进微通道内介质稳定均匀的混合，提高生物检测效率。
在一个具体实施例中，所述超声相控阵元布置在微流控芯片系统的微流控芯片下方，其由多个直径为100微米的微针以阵列形式排布组成。所述超声相控阵元可采用超声振动辅助镦挤成型工艺制成。
在一个具体实施例中，信号检测系统3包括阻抗检测模块31和信号处理电路32。所述阻抗检测模块31通过引脚与金叉指电极1231相连，用于检测金叉指电极上因免疫磁珠1232与病毒结合而产生的阻抗信号；所述信号处理模块32 将检测到的阻抗信号作进一步处理，随后传输到主设备系统4；所述的阻抗检测模块31采用AD5933阻抗检测芯片。
主设备系统4包括电源模块41、中央处理器单元42、存储器模块43、显示模块44、外接端口45。
电源模块41为基于开关电源技术的外接电源适配器，提供12V输出电压为整个装置供电。
中央处理器单元42为可编程处理器，其中包括检测驱动指令生成模块421、定量检测模型422、阈值报警模型423。所述检测驱动指令生成模块421与存储器43的检测驱动模块432连接，用于启动检测驱动模块。
存储器模块43包括操作系统431、检测驱动模块432及数据存储区433，存储器模块43分别与中央处理器单元42和阻抗检测处理系统3相连。所述操作系统431可以是安卓或者ios操作系统，为用户提供可视化界面操作。所述检测驱动模块432通过外接端口45与阻抗检测系统3连接，检测驱动模块432驱动 AD5933阻抗检测芯片输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极上的阻抗信号。阻抗信号经信号处理电路32处理后的阻抗数据也存于存储器模块43，便于传入到中央处理器单元42进行检测物浓度的定量检测和阈值判断。所述信号处理电路处理反应前后金叉指电极上的阻抗信号；所述定量检测模型是阻抗值与检测物浓度线性相关的回归模型，通过阻抗值反映检测物浓度；所述阈值报警模型根据定量检测模型的检测结果进行阈值判断。
显示模块44包括显示屏441和扬声器442，显示屏441可进行可视化操作，如发送检测驱动指令，显示屏也可显示检测物浓度。当检测浓度超过阈值时，扬声器442进行报警。
外接端口4还可用于与其他电子设备进行数据传输。
如图3所示，本发明的超声相控阵微流控检测方法，包括如下步骤：
1)用进样器向微流控芯片中依次注入待测样液和特异性免疫磁珠；经进样器作用，待测样液和特异性免疫磁珠从进口端储液池中导入到微通道中进行反应与检测；微流控芯片中的过滤膜用于过滤样液中较大的杂质颗粒，减少对检测结果造成影响，其中免疫磁珠的尺寸可以通过过滤膜的孔道。
2)主设备系统的检测驱动指令生成模块421发送检测驱动指令给检测驱动模块432；检测驱动模块432启动信号检测系统3；主设备系统同时启动相控阵控制系统，相控阵控制器对超声相控阵元的幅频、延时、聚焦参数进行转换控制；实现对微通道流场的超声波微空化；利用微流场空化形成空泡溃灭时产生的能量，实现对介观尺度微通道内的区域流场激励，使其打破原有层流状态，促进微通道内介质稳定均匀的混合，提高生物检测效率；
3)磁场发生器产生磁场；通过外加磁场作用，将反应过后的免疫磁珠吸附在微通道底部的有金叉指电极上，信号检测系统测量金叉指电极在吸附免疫磁珠前后的阻抗信号,得到阻抗差值并传输给主设备系统；主设备系统中的中央处理器单元根据预存的阻抗差值与检测物浓度线性相关的回归模型，通过阻抗差值得到检测物浓度，并根据检测物浓度进行阈值判断；当检测物浓度超过阈值时，进行报警；
4)检测完毕后，磁场发生器关闭从而撤去磁场，免疫磁珠脱离金叉指电极，进行微流控芯片的清洗和循环使用。
对分别含有番茄环斑病毒(ToRSV)、烟草环斑病毒(TRSV)、南方菜豆花叶病毒(SBMV)和南芥菜花叶病毒(ArMV)的四个样品利用本发明方法进行检测，均可以成功检测出番茄环斑病毒(ToRSV)、烟草环斑病毒(TRSV)、南方菜豆花叶病毒(SBMV)和南芥菜花叶病毒(ArMV)，且检出限低。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置，其特征在于包括：
微流控芯片系统，其用于待检测生物样品与特异性免疫磁珠的进样、富集、捕获、反应与检测；
相控阵控制系统，与微流控芯片系统相连，用于提高微流控芯片系统的微通道内待测样品多元充分的融合反应；
信号检测系统，与微流控芯片系统相连，用于检测微流控芯片系统上产生的信号，并进行信号的处理；
主设备系统，其控制整体装置的运行，驱动相控阵控制系统与信号检测系统进行超声相控微空化，信号检测及信号处理，并能够进行用户界面操作、显示测试结果及内外部数据传递与存储；
所述相控阵控制系统包括超声相控阵元和相控阵控制器；所述相控阵控制器对超声相控阵元的幅频、延时、聚焦参数进行转换控制从而实现超声相控阵元对微流场的有序调控；实现对微通道流场的超声波微空化；利用微流场空化形成空泡溃灭时产生的能量，实现对介观尺度微通道内的区域流场激励，使其打破原有层流状态，促进微通道内介质稳定均匀的混合；
所述超声相控阵元布置在微流控芯片系统的微流控芯片下方，其由多个直径为50-100微米的微针以阵列形式排布组成；
基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置的检测方法为：
1）用进样器向微流控芯片中依次注入待测样液和特异性免疫磁珠；
2）启动相控阵控制系统，相控阵控制器对超声相控阵元的幅频、延时、聚焦参数进行转换控制实现超声相控阵元对微流场的调控；通过对超声相控阵元的控制，实现对微流场内局部区域的流态调控，实现微流场内稳定均匀的介质混合，提高生物检测效率；
3）磁场发生器产生磁场；通过外加磁场作用，将反应过后的免疫磁珠吸附在微通道底部的有金叉指电极上，信号检测系统测量金叉指电极在吸附免疫磁珠前后的阻抗信号，得到阻抗差值并传输给主设备系统；主设备系统根据预存的阻抗差值与检测物浓度线性相关的回归模型，通过阻抗差值得到检测物浓度，并根据检测物浓度进行阈值判断；当检测物浓度超过阈值时，进行报警；
4）检测完毕后，磁场发生器关闭从而撤去磁场，免疫磁珠脱离金叉指电极，进行微流控芯片的清洗。
2.根据权利要求1所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述的微流控芯片系统包括进样器和微流控芯片；所述的进样器用于导入待检测生物样品和特异性免疫磁珠到微流控芯片系统的微通道内；所述微流控芯片结构上分为三层，由下至上分别是基底层、通道层和盖片层；其中，盖片层上开设有进口和出口，分别用于样品的注入和废液的排出；通道层设有储液池、过滤膜和微通道；储液池有两个，分别连接进口和出口，微通道连接两个储液池，过滤膜安装于进口端储液池与微通道相连处。
3.根据权利要求2所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述的基底层包括：
磁场发生器，其位于基底层下方，用于产生磁场吸附捕获病毒的特异性免疫磁珠固定到金叉指电极上；
金叉指电极，其位于基底上且位于微通道的底部，所述金叉指电极用于吸附与病毒特异性结合的免疫磁珠，检测阻抗变化；所述金叉指电极还包括一对引伸出去的电极引脚，与信号检测系统相连。
4.根据权利要求3所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述信号检测系统包括阻抗检测模块和信号处理电路；所述阻抗检测模块通过引脚与微流控芯片系统内的金叉指电极相连，用于检测金叉指电极上因特异性免疫磁珠与待检测病毒结合而产生的阻抗信号；所述信号处理模块将检测到的阻抗信号作处理后传输到主设备系统。
5.根据权利要求1所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述主设备系统包括中央处理器单元、电源模块、显示模块、存储器模块和外接端口。
6.根据权利要求5所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述存储器模块包括检测驱动模块及数据存储空间；所述检测驱动模块与阻抗检测系统连接；检测驱动模块驱动信号检测系统的阻抗检测模块输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极上的阻抗信号；金叉指电极上的阻抗信号经信号检测系统的信号处理电路处理后的生成阻抗数据，传输并存于存储器模块的数据存储空间中。
7.根据权利要求6所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述中央处理器单元为可编程处理器，包括定量检测模型、超限警报模型和检测驱动指令生成模块；所述的检测驱动指令生成模块用于生成驱动指令控制检测驱动模块；所述的定量检测模型进行检测物浓度的定量检测；所述超限警报模型根据定量检测模型的检测结果进行阈值判断。
8.根据权利要求4所述的基于免疫磁珠技术的超声相控阵微流控检测装置,特征在于所述的阻抗检测模块为AD5933阻抗检测芯片。
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