CN112240884A - 基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置及检测方法 - Google Patents

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吴晶
张晓玉
王远航
李风云
王威
蒲巧生
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    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour

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Abstract

本发明公开一种基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置检测方法,装置包括智能移动设备和支架,支架上有透镜和测试盒;测试盒内有微流控芯片和平板光源。将智能移动设备的摄像头通过透镜对准微流控芯片上的通道;通道内加入不同浓度的反应溶液,绘制标准曲线;进样池加显色底物,储液池加缓冲溶液;加酶催化显色底物显色,显色液体进入通道,智能移动设备拍录显色反应过程;计算机读取照片中带有颜色信息区域的灰度值,导出数据,制作线性关系图,根据酶活性定义获得酶活性。该检测装置结合微流控技术、比色分析法和智能移动设备的优势,优化芯片,得操作简单、成本低且高灵敏的微流控芯片,能现场即时检测,可用于临床诊断和环境检测等领域的。

Description

基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于生物检测技术领域,涉及一种基于智能手机和微流控芯片的酶活性检测装置;本发明还涉及一种用该检测装置检测碱性磷酸酶活性的方法。
背景技术
酶活性的检测对于了解其生理作用和在医学诊断中的应用具有重要意义,通常用于检测酶活性的方法准确度虽然高,但也存在一些不足之处。例如,电化学法需要额外的电源;分光光度法需要用到酶标仪,酶标仪体积庞大,较为昂贵,且操作繁琐;而在临床检测中是通过自动仪器连续测量来实现的,这种方法需要大型且昂贵的仪器,不能满足即时检测的需求。
微流控芯片是近年来受到广泛关注的用于即时检测的检测装置,极大地推动了即时检测应用的发展,具有广阔的应用前景。制作微流控芯片的材料十分广泛,包括硅材料、玻璃、PDMS、PC、COC等,并且可集成样品预处理、运输、反应、检测等基本操作单元。微流控芯片具有液体流动可控、样品消耗量少、能高通量检测、成本低廉等优点,被广泛用于临床诊断、食品安全、环境等领域的即时检测。即时检测是指在人身边进行的临床检测,能够及时有效的提供检测数据,并且可作为大型传统检测设备的代替品,而智能移动设备如智能手机、平板电脑、智能相机等不断的发展,使得这些设备能够获得高质量的图像,并可以通过无线网络将数据即时上传至云端,进行数据共享,可实现图片信息的获取及快速处理。
目前,用于检测的微流控芯片大多数是水平式的检测通道,虽然比表面积大,但是通过芯片通道的光程有限,不利于获得高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小巧、检测灵敏度高且能够现场即时检测的基于智能手机和微流控芯片的酶活性检测装置。
本发明的另一个目的是提供一种用上述检测装置检测碱性磷酸酶活性的方法。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种基于智能手机和微流控芯片的酶活性检测装置,包括智能移动设备和支架,支架的上安装有透镜,支架安装透镜的侧壁上设有测试盒,测试盒包括测试盒壳体,测试盒壳体内竖直并排设有两块支板,两块支板将测试盒壳体内部分成互不相通的左腔体、中腔体和右腔体;支板上开有水平设置的卡槽,测试盒壳体内设有微流控芯片,微流控芯片插入两个卡槽内;中腔体底部设有平板光源;
所述的微流控芯片包括芯片体,芯片体内雕刻有方波形的通道,芯片体上粘接有进样池、废液池和多个储液池,进样池与通道的一端连通,废液池与通道的另一端连通,所有的储液池均与进样池连通。
本发明所采用的另一个技术方案是:一种用上述检测装置检测酶活性的方法,具体为:
1)智能移动设备固定在支架上,且智能移动设备与测试盒分别位于透镜的两侧,智能移动设备的摄像头通过透镜对准通道;
2)通过进样池向通道内加入一系列不同浓度的反应溶液,绘制标准曲线;
3)进样池中加入显色底物,储液池中加入缓冲溶液;
4)进样池中加入酶催化显色底物显色后,显色的液体进入通道,通过智能移动设备对显色反应过程拍照记录;
5)智能移动设备拍摄的所有照片送入计算机,计算机利用软件打开带有颜色信息的图片,并选择该图片中带有颜色信息区域,读取该区域的灰度值,读出所有的灰度值后导出数据,分析灰度值与显色产物浓度的关系,制作线性关系图,根据酶活性定义获得酶活性。
本方明检测装置结合了微流控技术、比色分析法和智能移动设备各自的优势,同时对芯片的前处理方法、长度及形状进行优化,获得了操作简单、成本低且高灵敏的微流控芯片。实现了高灵敏度、低成本、便携、简单的检测碱性磷酸酶活性,具有成本低、易操作、所消耗的样品及试剂少、检测时间短、灵敏度高和便携等优点,能够实现现场即时检测,可应用于临床诊断和环境检测等领域。用智能移动设备对芯片侧面拍照的方式,获得更长的检测光程,可提高检测的灵敏度。本发明检测装置以方波形通道的微流控芯片为碱性磷酸酶活性检测的反应平台,以侧面拍照为检测方式,以智能移动设备影像装置为便携式信号采集工具,组合形成的ALP检测平台具有低成本、高灵敏度、便携化、操作简单等优势,具有很好的应用价值。
附图说明
图1是本发明检测装置的示意图。
图2是本发明检测装置中测试盒的示意图。
图3是本发明检测装置中微流控芯片的示意图。
图4是实施例中碱性磷酸酶的检测结果实物图。
图5是图4所示检测结果处理后得到的信号-浓度线性关系图。
图中:1.支架,2.透镜,3.测试盒,4.支板,5.卡槽,6.平板光源,7.测试盒壳体,8.微流控芯片,9.芯片体,10.通道,11.废液池,12.进样池,13.储液池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明检测装置,包括智能移动设备和支架1,支架1的侧壁上设有安装孔,该安装孔内安装有透镜2,支架1安装透镜2的侧壁上设有结构如图2的测试盒3,测试盒3包括测试盒壳体7,测试盒壳体7内竖直并排设有两块支板4,两块支板4将测试盒壳体7内部分成互不相通的三个腔体,该三个腔体从左往右依次为左腔体、中腔体和右腔体;支板4上开有水平设置的卡槽5,测试盒壳体7内设有长光程的微流控芯片8,微流控芯片8插入两个卡槽5内;测试盒壳体7底部设有平板光源6,平板光源6位于中腔体底部。
如图3,本发明检测装置中的微流控芯片8,包括芯片体9,芯片体9内雕刻有方波形的通道10,芯片体9上粘接有进样池12、废液池11和多个储液池13,进样池12与通道10的一端连通,废液池11与通道10的另一端连通,所有的储液池13均与进样池12连通。
微流控芯片8这样构建:取基片,通过雕刻机在该基片上雕刻出方波形的通道10,然后利用热封接法在烘箱中将具有通道10的基片与另一片空白基片封接成芯片体9,再用胶黏剂将进样池12、废液池11和多个储液池13粘在芯片体9上,通道10的两端分别与进样池12和废液池11连通,所有的储液池13均与进样池12连通。
进样池12和所有的储液池13均位于中腔体内;废液池11位于右腔体内。
相较于其他芯片,微流控芯片8的优势是廉价、透明度高、具有更长的检测光程。
进样池12容纳不多于150μL的溶液
平板光源6包括LED灯和电源。
根据智能移动设备的外部形状由3D打印机打印出相应形状的支架1;支架1用于固定智能移动设备;测试盒5也由3D打印机打印而成。
智能移动设备采用可拍摄图像的智能手机、平板电脑或者智能相机。
基片采用环烯烃共聚物(COC)或其它高聚物材料(如PMMA、PC)制成。
支架1、检测盒3、平板光源6和智能移动设备构成可见光信号影像装置。
本发明提供了一种用上述检测装置检测碱性磷酸酶活性的方法,具体按以下步骤进行:
1)将智能移动设备固定在支架1上,且智能移动设备与测试盒3分别位于透镜3的两侧,智能移动设备的摄像头通过透镜2对准微流控芯片8上的通道10;
2)通过进样池12向通道10内加入一系列不同浓度的对硝基苯酚溶液,绘制标准曲线:在96孔板中,按表1进行设置标准品孔,其标准溶液为摩尔体积浓度为0.33mmol/L的对硝基苯酚标准溶液。
表1 标准品孔的配制
Figure 594433DEST_PATH_IMAGE001
3)在进样池12中加入显色底物,在储液池13中加入缓冲溶液;
4)在进样池12中加入碱性磷酸酶催化显色底物显色后,显色的液体进入通道10,通过智能移动设备对显色反应过程进行拍照记录;
5)智能移动设备拍摄的所有照片送入计算机,计算机利用ImageJ等软件打开带有颜色信息的图片,通过软件自带形状选择带有颜色信息区域,读取该区域的灰度值,读出所有的灰度值后导出数据,分析灰度值与显色产物浓度的关系,制作线性关系图,根据酶活性定义获得碱性磷酸酶活性。
本领域技术人员也可以采用自行编写的能够读取RGB和灰度值的软件打开带有颜色信息的图片。
检测过程中,支架1和测试盒3能够屏蔽外界的光源,保证检测的灵敏度和精确度。
实施例
智能移动设备采用智能手机。首先测量智能手机的尺寸和智能手机的最佳拍摄距离,利用3D绘图软件画出能够固定智能手机和微流控芯片8的三维模型,通过3D打印分别将固定智能手机的支架1和固定微流控芯片5的测试盒3制作出来;之后将智能手机通过卡扣的方式固定在支架1上,将自制光源固定在测试盒3内部,自制光源是由市售LED灯带改造而来,通过串联四个灯条为一组接到type-c接口上,便可利用充电器供电发光。将微流控芯片8固定在测试盒3的卡槽5内,打开LED灯然后利用智能手机的相机进行拍摄,即可获得带有颜色信息的照片。通过ImageJ软件处理图像。平板光源6为拍摄提供均匀且稳定的光源;在本实例中,检测对象为碱性磷酸酶,利用本检测技术对碱性磷酸酶活性进行了检测,得到了显色底物p-NPP与碱性磷酸酶之间的作用显色结果。通过对芯片的侧面进行拍照,图4为拍照结果示意图,图中所示两个梯形结构为两个通道的横截面,不同的样品浓度在此处的显色结果不同,以此作为定量分析的依据,利用软件将显色结果图片进行处理,所得到的信号-浓度线性关系图如图5所示,即对硝基苯酚浓度与灰度值的关系图,二者呈良好的线性关系,进一步根据酶活性定义便能够得出实际样品中的碱性磷酸酶活性。

Claims (4)

1.一种基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置,其特征在于,包括智能移动设备和支架(1),支架(1)的侧壁上安装有透镜(2),支架(1)安装透镜(2)的侧壁上设有测试盒(3),测试盒(3)包括测试盒壳体(7),测试盒壳体(7)内竖直并排设有两块支板(4),两块支板(4)将测试盒壳体(7)内部分成互不相通的左腔体、中腔体和右腔体;支板(4)上开有水平设置的卡槽(5),测试盒壳体(7)内设有微流控芯片(8),微流控芯片(8)插入两个卡槽(5)内;中腔体底部设有平板光源(6);
所述的微流控芯片(8),包括芯片体(9),芯片体(9)内雕刻有方波形的通道(10),芯片体(9)上粘接有进样池(12)、废液池(11)和多个储液池(13),进样池(12)与通道(10)的一端连通,废液池(11)与通道(10)的另一端连通,所有的储液池(13)均与进样池(12)连通。
2.如权利要求1所述的基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置,其特征在于,进样池(12)和所有的储液池(13)均位于中腔体内;废液池(11)位于右腔体内。
3.如权利要求1所述的基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置,其特征在于,所述的微流控芯片(8)这样构建:取基片,通过雕刻机在该基片上雕刻出方波形的通道(10),利用热封接法将具有通道(10)的基片与另一片空白基片封接成芯片体(9),再用胶黏剂将进样池(12)、废液池(11)和多个储液池(13)粘在芯片体(9)上,通道(10)的两端分别与进样池12)和废液池(11)连通,所有的储液池(13)均与进样池(12)连通。
4.一种利用权利要求1所述的基于智能手机和微芯片的酶活性检测装置检测酶活性的方法,其特征在于,该检测方法具体为:
1)将智能移动设备固定在支架(1)上,且智能移动设备与测试盒(3)分别位于透镜(2)的两侧,智能移动设备的摄像头通过透镜(2)对准通道(10);
2)通过进样池(12)向通道(10)内加入一系列不同浓度的反应溶液,绘制标准曲线;
3)进样池(12)中加入显色底物,储液池(13)中加入缓冲溶液;
4)进样池(12)中加入酶催化显色底物显色后,显色的液体进入通道(10),通过智能移动设备对显色反应过程拍照记录;
5)智能移动设备拍摄的所有照片送入计算机,计算机利用软件打开带有颜色信息的图片,并选择该图片中带有颜色信息区域,读取该区域的灰度值,读出所有的灰度值后导出数据,分析灰度值与显色产物浓度的关系,制作线性关系图,根据酶活性定义获得酶活性值。
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