CN112266841B - 一种生物样本处理芯片装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物样本处理芯片装置及处理方法。芯片装置包含装置本体，所述装置本体设置有用于容纳溶液的腔体，所述腔体分隔成若干个处理腔室，相邻所述处理腔室上端连通，每个所述处理腔室设置有用于添加反应液的第一进样孔，所述装置本体上设置有用于向所述腔体内添加油溶液的第二进样孔，所述腔体设置有用于腔体内气体交换的气压平衡孔。本发明可以确保在液体样本处理与转移过程中，与外部环境隔离，有效避免了样本处理过程中产生的生物气溶胶对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物芯片，特别涉及一种生物样本处理芯片装置及处理方法。
背景技术
磁珠(磁性纳米粒子)的尺寸一般在几十纳米到几百纳米，具有较强的顺磁性，在磁场中能够迅速聚集，离开磁场后又具有均匀分散特性。经活性基团功能化修饰的磁珠可以偶联特异性抗体、受体及核酸探针等生物分子识别元件，在外加磁场的作用下可实现生物样本目标分子的分离、纯化和转移等样本处理步骤，在免疫分析、核酸提取、细胞分选等多个生化分析领域具有广泛应用。基于磁分离的样本处理技术已经成为生物医学分子诊断应用的核心关键技术，对改善生物样品的纯化效率以及检测分析结果具有重要意义。
现有基于磁分离的样本处理方法主要有:(1)针对大体积样本的磁分离与转移方法；(2)针对微量体积样本的微流控芯片方法。方法(1)主要是通过一定规格耗材(如96孔深孔板与离心管)，基于磁分离装置如可移动磁棒或固定磁体，通过移液器对耗材内液体进行转移或磁棒对磁珠的移动，实现样本磁分离与转移控制。该方法有助于高通量移液工作站开展大批量样本前处理。工作站平台需要占用较大空间，涉及多次吸放液等步骤，容易形成气溶胶环境污染。方法(2)有助于研制更加灵活的小型化检测分析仪器，实现病原现场快速诊断(POCT)的目标。其将样品进样、混合、分离、纯化等样本处理步骤集中在微小尺寸的微流体芯片上完成，操作简单，易于集成，试剂消耗量极低。但是这类微流体芯片受微流道限制，样本磁分离与转移效率低；复杂的微流道制备工艺要求高，成本高，芯片产品良率低。
为此，提高磁珠吸放控制与转移效率，同时降低芯片制备难度和成本，对于发展小型化POCT分子诊断应用具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对病原微生物样本的现场快速诊断需要，本发明提供了一种生物样本处理芯片装置及处理方法，通过双向磁场控制，实现生物样本靶标分子的快速分离和转移。
技术方案：本发明所述的一种生物样本处理芯片装置，包含装置本体，所述装置本体设置有用于容纳溶液的腔体，所述腔体分隔成若干个处理腔室，相邻所述处理腔室上端连通，每个所述处理腔室设置有用于添加反应液的第一进样孔，所述装置本体上设置有用于向所述腔体内添加油溶液的第二进样孔，所述腔体设置有用于腔体内气体交换的气压平衡孔。
所述芯片装置包含磁体装置，所述磁体装置包括对所述处理腔室施加恒定磁场的第一磁体以及对所述处理腔室施加可变磁场的第二磁体。
每个所述处理腔室下方设置有第一磁体；所述第二磁体设置于所述腔体上方。
所述芯片装置包含盖板，所述盖板上设置有与所述第一进样孔对应的第一通孔，所述盖板上设置有与所述第二进样孔对应的第二通孔，所述盖板上设置有与气压平衡孔对应的第三通孔。
所述第一进样孔的出口位于所述处理腔室底端。
所述第二进样孔的出口位于所述腔体上方。
所述气压平衡孔设置于所述腔体上方。
所述第一磁体为磁场大小恒定的磁体、磁场大小恒定的永磁体或为电压恒定的电磁体中的一种；所述第二磁体为与所述腔体的相对位置可调的永磁体或电压可控的电磁体。
本发明还提供了利用上述的生物芯片进行样品处理的方法，具体地，所述的处理方法包括以下步骤：
(a)准备反应液、磁珠溶液以及液封用的油溶液；反应液、油溶液与磁珠溶液互不相溶，且不发生化学反应；
(b)将反应液和/或磁珠溶液从第一进样孔注入所述处理腔室；
(c)将油溶液从第二进样孔中注入芯片装置的腔体，对反应液进行液封；
(d)通过改变第二磁体施加在磁珠上的磁场大小，实现磁珠在处理腔室内的位置移动；
(f)重复步骤(e)，得到反应后的磁珠溶液。
步骤(d)中，通过增大第二磁体产生的磁场大小吸附磁珠，随后通过减小第二磁体产生的磁场大小，释放磁珠至位于磁珠下方的反应室，实现磁珠与反应液的混合。
步骤(d)中，通过增大第二磁体产生的磁场大小吸附磁珠，可同时通过移动第二磁体的位置，将磁珠转移至相邻的处理腔室，实现磁珠的转移。
有益效果：(1)本发明通过上端连通的处理腔室，通过对反应液的液封，可以确保在液体样本处理与转移过程中，与外部环境隔离，有效避免了样本处理过程中产生的生物气溶胶对环境的污染；(2)本发明通过芯片装置上下不同磁体所产生的磁场，产生对芯片装置中的磁珠不同方向的磁场力，使得磁珠在芯片装置中的封闭环境内进行移动，保证装置内反应液不会污染外部环境；(3)本发明的芯片装置结构简单，制备工艺简单，能够实现病原微生物核酸样本的高效分离纯化处理与控制，可与自动化分析平台进行高效集成，实现病原检测全流程自动化；(4)本发明的芯片装置应用范围广，经过芯片装置纯化处理后的目标样本，可直接用于下游分析，如基因分型，核酸扩增，免疫荧光成像分析等检测需要。
附图说明
图1为实施例1的装置本体的结构示意图；
图2为实施例1的装置本体的俯视图；
图3为是实施例1的装置本体的立体结构示意图；
图4为实施例1的盖片的结构示意图；
图5为实施例1的掩膜的结构示意图；
图6为本发明中芯片装置的结构示意图；
图7为本申请实例2的操作步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
实施例1：如图1所示，本发明所述的一种生物样本处理芯片装置，包含装置本体1，装置本体1的形状不限，可以选择可以实现本发明目的的任一形状，如长方体等，装置本体1设置有用于容纳溶液的腔体10，腔体10分隔成若干个处理腔室100，处理腔室100的数量可以依据实验目的进行调整，最少要求包含一个处理腔室100，在本实施例中设置了五个相连的呈一排分布的处理腔室100，根据实际需要，多个处理腔室100可以呈一排或者多排分布，相邻的处理腔室100之间下端通过分隔板104分隔成相邻的腔室，分隔板104距离腔体100的顶端留有一定距离，使得相邻的处理腔室100上端连通。
每个处理腔室100设置有用于添加反应液的第一进样孔101，第一进样孔101与处理腔室100连通，作为本实施例中的一种优选的方式，第一进样孔101设置于腔体100两侧的装置本体1上，位置可以任意选择，如在装置本体1在腔体100任一侧的边缘处打通一个与对应的处理腔室100连通的第一进样孔101，第一进样孔101的第一出口1011位于处理腔室100的底端，使得添加的反应液可以自处理腔室100的底端进入，在本实施例中，第一进样孔101形成的流体通道截面呈L型，需要补充相应的溶液时，不会影响上层油封。
如图1所示，靠近装置本体1的第一端110处的处理腔室100的第一进样孔101可以直接设置于靠近第一端110处，无需在腔体10的两侧边上设置，即只需要保证第一进样孔101实现添加反应液的目的即可。
靠近装置本体1的第二端120处的处理腔室100可以用于液封油溶液的储油，即不添加反应液，用于容纳多余的液封油溶液。
装置本体1上设置有用于向腔体10内添加油溶液的第二进样孔102，第二进样孔102与任一个处理腔室100连通即可，如图1所示，本实施例中的第二进样孔102设置于靠近第一端110位置的处理腔室100处，与处理腔室100连通，由于液封的油溶液是位于反应液上层，故第二进样孔102在腔体10内的第二出口1021位置位于腔体10上方。
腔体100上设置有用于气体交换的气压平衡孔103，气压平衡孔103设置于腔体10上方，满足腔体10与外界进行气体交换即可，气压平衡孔103保证装置内气压平衡，不会产生堵塞。
如图4所示，装置本体1上设置有盖板3，盖板3上设置有与第一进样孔101对应的第一通孔301，盖板3上设置有与第二进样孔102对应的第二通孔302，盖板3在与气压平衡口的位置设置有第三通孔303。
如图5所示，掩膜4上设置有与第一进样孔101对应的若干个第四通孔401，同时掩膜4上设置有与每个处理腔室100对应的窗口402。
装置本体1、盖板3以及掩膜4的四周分别设置有第一定位孔105、第二定位孔304以及第三定位孔403。
本发明中，装置本体1与掩膜4通过第一定位孔105以及第三定位孔403定位后，可通过热键合或螺丝螺栓的方式进行配合，配合后，对装置本体1进行亲水处理，如等离子表面处理或镀膜方式。
芯片装置还包含磁体装置2，磁体装置2包括对处理腔室100施加恒定磁场的第一磁体201以及对处理腔室100施加可变磁场的第二磁体202。第一磁体201可以选择磁场大小恒定的磁体、磁场大小恒定的永磁体或为电压恒定的电磁体，第二磁体202为与腔体10的相对位置可调的永磁体或电压可控的电磁体。
图6所示，本实施例中，靠近第二端120的处理腔室100用于储油，故在其余的处理腔室100下方固定磁场恒定的永磁体作为第一磁体201，第一磁体201对处理腔室100施加恒定磁场，同时，本发明的芯片装置还配套设置有第二磁体202，用于对处理腔室100施加可变磁场，在本实施例中，选用位置相对于处理腔室100可变的永磁体作为第二磁体202。
应用例1：装置本体1、盖片3、掩膜4大小均为16×42×5毫米，除了本实施例中选用的宽16毫米，长42毫米，高5毫米的尺寸，芯片大小可根据所使用反应液体积大小进行定制。处理腔室100的尺寸可选择以下范围：长1-5毫米，宽1-5毫米，高0.5-3毫米，第一进样孔101、第二进样孔102以及气压平衡口103直径大小均为1-4毫米，其中反应腔室100可容纳反应液、磁珠溶液及样本溶液体积为0.05微升-75微升。装置本体1、盖片3、掩膜4由聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，也可通过聚二甲基硅氧烷进行多层热键合的方式制成。
工作方法：
(a)准备反应液、磁珠溶液以及液封用的油溶液；
(b)将反应液和/或磁珠溶液从第一进样孔101注入所述处理腔室100；
(c)将油溶液从第二进样孔102中注入芯片装置的腔体10，对反应液进行液封；
(d)通过改变第二磁体202施加在磁珠上的磁场大小，实现磁珠在处理腔室100内的位置移动；
(e)重复步骤(d)，得到反应后的磁珠溶液。
实例2：如图7所示，利用实施例1的芯片装置进行样本的核酸提取，具体步骤如下：
如图7的(a)图所示，准备可上下移动的永磁体作为第二磁体202，置于芯片装置上方，准备位置固定且磁场大小恒定的磁体作为第一磁体201，位置与装置本体1的处理腔室100对应，并位于处理腔室100下方，为了实现本发明的目的，位置可以移动的第二磁体的磁场大小大于下方位置固定的磁体，并可通过上移永磁体减小对磁珠的磁场力，下移永磁体增大对磁珠的磁场力；
如图7的(b)图所示，使用注射器或移液枪等移液设备，预留靠近第二端120的处理腔室100作为储油室，从第一进样口101分别向剩余的四个处理腔室100注入20微升裂解液，40微升洗涤液，40微升洗涤液，20微升洗脱液；
如图7的(c)图所示，使用注射器或移液枪等移液设备，从第二进样口102向芯片装置注入200微升矿物油，使处理腔室100液体上方覆盖有一层油膜，多余的矿物油会流入靠近第二端120的处理腔室100。
如图7的(d)图所示，使用注射器或移液器等移液设备，从第一进样孔101向处理腔室100注入10微升样本溶液，10微升磁珠溶液，由于第一磁体201产生的磁场，磁珠将吸附于处理腔室100底部，并可通过第二磁体202的移动，通过磁场强度的变化，使得磁珠在处理腔室100内进行混合。
如图7的(e)图所示，第二磁体202下移至盖片3上部表面，将磁珠吸附至盖片3下部表面(盖片3的下端面)，然后第二磁体202缓慢移动，将磁珠转移至处相邻的理腔室100的上方。
如图7的(f)图所示，上移第二磁体202，磁珠将通过第一磁体201产生的磁场，吸附至处理腔室100底部，并通过上下移动第二磁体202，使得磁珠在处理腔室100内进行混合。
如图7的(g)图所示，重复步骤(e)，步骤(f)共2次，在四个处理腔室100充分反应后，从处理腔室100的第一进样孔101吸取得到洗脱后溶液。
与其他核酸提取方法相比，本发明中所述实施例能够快速实现低成本，低交叉污染的核酸提取过程，提高核酸提取效率并降低污染程度。
实施例3：按照实施例2的步骤方法，进行样本处理，区别在于所使用的第二磁体202为两端施加幅值可控的交流电压的电磁体，并可通过增大两端施加的电压幅值增大第二磁体202的磁场大小，从而控制对磁珠的磁场力大小来实现对磁珠的定向移动与转移。
实施例4：按照实施例2的步骤方法，使用免疫磁珠捕获目标细胞，区别在于，所使用反应液为免疫磁珠偶联液，免疫磁珠洗涤液，免疫磁珠缓冲溶液，磁珠溶液为进行抗体修饰过后的免疫磁珠溶液，最后在靠近第二端120的第二个处理腔室100得到含有吸附特定细胞的免疫磁珠溶液。
实施例5：按照实施例2的步骤方法进行核酸提取纯化，区别在于所使用固定的第一磁体201与可移动第二磁体202装配在三轴移动平台，第二磁体202可通过三轴移动平台沿三轴移动。
上述附图与具体实施例仅用于说明本发明，但并不限于此。本发明权利要求所限定的发明实质和范围内，对装置的细微改变均落在本发明的保护范围内，如装置材质、尺寸以及反应室大小。本发明所述方法也不限于具体实施例，可对具体实施应用进行拓展。
Claims (4)
1.一种生物样本处理芯片装置，其特征在于，包含装置本体(1)，所述装置本体(1)设置有用于容纳溶液的腔体(10)，所述腔体(10)分隔成若干个处理腔室(100)，相邻所述处理腔室(100)上端连通，每个所述处理腔室(100)设置有用于添加反应液的第一进样孔(101)，所述装置本体(1)上设置有用于向所述腔体(10)内添加油溶液的第二进样孔(102)，所述第二进样孔(102)的出口位于所述腔体(10)上方，所述腔体(10)设置有用于腔体(10)内气体交换的气压平衡孔(103)；包含磁体装置(2)，所述磁铁装置(2)包括对所述处理腔室(100)施加恒定磁场的第一磁体(201)以及对所述处理腔室(100)施加可变磁场的第二磁体(202)；每个所述处理腔室(100)下方设置有第一磁体(201)；所述第二磁体(202)设置于所述腔体(10)上方；包含盖板(3)，所述盖板(3)上设置有与所述第一进样孔(101)对应的第一通孔(301)，所述盖板(3)上设置有与所述第二进样孔(102)对应的第二通孔(302)，所述盖板(3)上设置有与所述气压平衡孔(103)对应的第三通孔(303)；所述第一进样孔(101)的出口位于所述处理腔室(100)底端。
2.根据权利要求1所述的生物样本处理芯片装置，其特征在于，所述气压平衡孔(103)设置于所述腔体(10)上方。
3.根据权利要求1所述的生物样本处理芯片装置，其特征在于，所述第一磁体(201)为磁场大小恒定的磁体、磁场大小恒定的永磁体或为电压恒定的电磁体中的一种；所述第二磁体(202)为与所述腔体(10)的相对位置可调的永磁体或电压可控的电磁体。
4.一种利用如权利要求1所述的生物芯片的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)准备反应液、磁珠溶液以及液封用的油溶液；
(b)将反应液和/或磁珠溶液从第一进样孔(101)注入所述处理腔室(100)；
(c)将油溶液从第二进样孔(102)中注入芯片装置的腔体(10)，对反应液进行液封；
(d)通过改变第二磁体(202)施加在磁珠上的磁场大小，实现磁珠在处理腔室(100)内的位置移动；
(e)重复步骤(d)，得到反应后的磁珠溶液。
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