CN112680343A - 电动自驱动捕集装置及败血症诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置及败血症诊断装置，捕集装置中，环形血液流道截面尺寸为微米级，血液注入通道连通所述环形血液流道以注入血液，捕集电极，其设在所述环形血液流道的底部，且远离所述血液注入通道一侧，所述捕集电极包括呈中心对称分布的正极和负极，正负电极通有相位差为180°的交流电以生成介电泳力，所述正极和负极形成的中心设有用于捕集细菌的捕集区域，至少一个驱动电极设在环形血液流道中位于血液注入通道和捕集电极之间的部分，所述驱动电极包括间隔预定间隙的正电极和负电极，所述正电极和负电极接相位差为180°的交流电以产生交流电热流动，使得所述血液流向所述捕集区域。

Description

电动自驱动捕集装置及败血症诊断装置

技术领域

本发明属于体外血液分析技术领域，特别是一种用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置及败血症诊断装置。

背景技术

败血症是由致病细菌侵入血液繁殖感染所引起的一种血液疾病，每年在全球范围内能够引起相当高的发病率及死亡率。败血症通常源于皮肤黏膜发生破损、伤口感染、各种慢性病诱发的真菌感染，或者是长期服用抗菌药物导致细菌产生抗药性进而繁殖。败血症病情加重后可发展为感染性休克、血管内凝血和器官功能衰竭，病死率高达30％-40％，且这一特征在老人与小孩身上更加明显。

在败血症患病的早期，根据病原菌的种类使用相应的抗菌药物对患者进行治疗能够有效的降低败血症病发率及死亡率。血培养是败血症最可靠的临床诊断依据，有效的捕获血液中的细菌进行诊断能够降低发病率以及死亡率。然而，血细胞的存在阻碍了捕获细菌的效率，且败血症早期在血液中的细菌浓度非常低，每毫升患者血液中仅存在1-10个致病菌，这对于血培养过程中病原菌的培养以及耐药性分析是十分巨大的挑战。常规的血培养检测方法需要花费较长时间，时间从四天到七天不等，这意味着患者可能会错失最佳诊疗治疗时间。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的检测细菌耗时太长的问题，本发明提出一种用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置及败血症诊断装置。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置包括，

环形血液流道，其截面尺寸为微米级，

血液注入通道，其连通所述环形血液流道以注入血液，

捕集电极，其设在所述环形血液流道的底部，且远离所述血液注入通道一侧，所述捕集电极包括呈中心对称分布的正极和负极，正负电极通有相位差为180°的交流电以生成介电泳力，所述正极和负极形成的中心设有用于捕集细菌的捕集区域，

至少一个驱动电极，其设在环形血液流道中位于血液注入通道和捕集电极之间的部分，所述驱动电极包括间隔预定间隙的正电极和负电极，所述正电极和负电极接相位差为180°的交流电以产生交流电热流动，使得所述血液流向所述捕集区域。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，所述正电极表面涂覆有绝热层。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，所述环形血液流道为回字型结构。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，所述环形血液流道的单边长度为260μm，周向截面为边长为100μm的中空正方形。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，正电极和负电极周向截面均为边长100μm的中空正方形，中空正方形的单边宽度为20μm，厚度为2μm，所述预定间隙为20μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，捕集电极包括两个方形的正电极和两个方形负电极，两两电极间的间隙为20μm，单个电极边长为40μm，厚度为2μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，驱动电极与捕集电极接入电压为2～2.5V，频率为10⁶Hz。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，所述血液注入通道位于环形血液流道的一角，其截面积为50μm×50μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置中，3个驱动电极分别安装在所述环形血液流道单边的中心位置，所述捕集电极安装在所述环形血液流道远离所述血液注入通道的单边的中心位置底部。

根据本发明另一方面，败血症诊断装置包括所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用基于交流电热动力的自驱动式血液流动，能够精确地操控血液的流动的同时而不使用机械运动部件，减少了传统的微型机械泵输送血液带来的样本污染，能量损失与设备损耗等问题。

数值模拟研究表明：本发明的细菌捕集率能够达到68％～75％，同时相比于传统的败血症检测方法，本发明可大幅缩短败血症检测所需时间，使得患者错过最佳诊疗时间的风险进一步降低。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的驱动电极与绝热涂层示意图；

图3是本发明的捕集电极与捕集区域示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图3所示，用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置包括环形血液流道1，其截面尺寸为微米级，

血液注入通道5，其连通所述环形血液流道1以注入血液，

捕集电极3，其设在所述环形血液流道1的底部，且远离所述血液注入通道5一侧，所述捕集电极3包括呈中心对称分布的正极8和负极9，正负电极7通有相位差为180°的交流电以生成介电泳力，所述正极8和负极9形成的中心设有用于捕集细菌的捕集区域10，

至少一个驱动电极2，其设在环形血液流道1中位于血液注入通道5和捕集电极3之间的部分，所述驱动电极2包括间隔预定间隙的正电极6和负电极7，所述正电极6和负电极7接相位差为180°的交流电以产生交流电热流动，使得所述血液流向所述捕集区域10。

交流电热流动是一种在高频下(约100kHz)驱动高电导率流体的有效方法：由于微流控设备内焦耳热效应或其他热源/热边界条件使得温度的分布不均，从而改变生理液体介质的电导率以及介电常数从而产生流动。虽然本发明也会产生焦耳热效应，但是所产生焦耳热效应通过控制装置尺寸，电压，频率等方式使得焦耳热效应控制在合理的范围内，产生驱动流动的电热流动的同时，不伤害血液里的各种组织。也就是说，本发明进一步地克服了焦耳热效应损伤血液中的蛋白质和血细胞以至于影响诊断结果的缺陷。

经由介电泳，通过布置电极的手段精确的控制活体组织的运动以达到捕集，介电泳力在远离捕集电极3的区域会急剧减小，这使得有效的细菌捕集的区域非常小。交流电热流动可以将生物样本源源不断地运输至：以介电泳力为主导的捕集区域10，这使得在本发明高效地远距离操控生物活体组织。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，所述正电极6表面涂覆有绝热层4。捕集电极的正极无绝热涂层，只有环形驱动电极的正电极6表面涂有绝热涂层，绝热涂层产生温度梯度从而进一步产生交流电热流动。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，所述环形血液流道1为回字型结构。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，所述环形血液流道1的单边长度为260μm，周向截面为边长为100μm的中空正方形。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，正电极6和负电极7周向截面均为边长100μm的中空正方形，中空正方形的单边宽度为20μm，厚度为2μm，所述预定间隙为20μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，捕集电极3包括两个方形的正电极6和两个方形负电极7，两两电极间的间隙为20μm，单个电极边长为40μm，厚度为2μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，驱动电极2与捕集电极3接入电压为2～2.5V，频率为10⁶Hz。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，所述血液注入通道5位于环形血液流道1的一角，其截面积为50μm×50μm。

所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置的优选实施方式中，3个驱动电极2分别安装在所述环形血液流道1单边的中心位置，所述捕集电极3安装在所述环形血液流道1远离所述血液注入通道5的单边的中心位置底部。

在一个实施例中，包括环形血液流道1、安装在流道内部的三对环形驱动电极2以及四极捕集电极3组成的自驱动血液细菌诊断装置，所述环形血液流道1为四方形即：流道整体俯视图为“回”字形环形流道，流道一角的顶部有血液注入通道5，所述环形驱动电极2由正极8和负极9两个环形电极组成，所述四极捕集电极3由两个正极8两个负极9四个方形电极组成，所述环形驱动电极2每对分别安装在环形流道单边的中心位置，共占四方形血液流道的三边；所述四极捕集电极3安装在环形流道单边的中心位置底部，共占四方形血液流道的一边。

所述环形血液流道1单边流道长度为260μm，流道周向截面积为正方形，其内横截面积为100×100μm²。

所述环形驱动电极2周向截面积为正方形，边长为100μm，单个驱动电极2的宽度为20μm，厚度为2μm，正负电极7间的间隙为20μm。

所述环形驱动电极2的正负电极7通有相位差为180°的交流电，工作电压为2～2.5V，工作频率为10⁶Hz。

所述四极捕集电极3的单个电极宽度为40μm×40μm，厚度为2μm，两电极间的间隙为20μm。

所述四极捕集电极3的两个正极8和两个负极9之间分别呈中心对称，正负电极7通有相位差为180°的交流电，工作电压为2～2.5V，工作频率为10⁶Hz。

所述环形血液流道1一角顶部开有边长为50μm×50μm的血液注入通道5。

所述环形驱动电极2的正极8表面涂覆有绝热涂层。

所述自驱动败血症血液细菌电动即时诊断装置通过环形驱动电极2正负极9间温度梯度引起的交流电热流动将血液与细菌输运至四极捕集电极3区域，在四极捕集电极3产生的介电泳力影响下进一步将细菌捕获在四极捕集电极3的中心区域。

进一步，环形驱动电极2的宽度为20μm，当环形驱动电极2宽度过小时，会大大降低血液输运速率；当环形驱动电极2宽度过大时，交流电极宽度的增大不仅会消耗更多的电能，同样会产生更多的焦耳热，不利于在有效的泵送血液的前提下不损伤血液中的蛋白质和血细胞，从而影响诊断结果。

环形驱动电极2正负间隙为20μm，当电极间隙过大时，由交流电热驱动的血液流速会随着间隙的增大而降低，进而影响血液输运速率；当电极间隙过小时，焦耳热效应会增大从而导致温度上升，因此会损坏血细胞。

进一步，四极捕集电极3间隙为20μm，当电极间隙过大时，由于介电泳力和电流体动力的同时减小，捕集装置的细菌回收率会大幅降低；当电极间隙过小时，四电极间的电场强度增大导致焦耳热效应增大，过大的焦耳热效应会影响捕集电极3已捕捉到细菌的生存能力从而影响诊断结果。

进一步，自驱动败血症血液细菌即时诊断装置的工作电压为2～2.5V，当工作电压大于这一范围时，随着电压继续增加，电热流体力与介电泳力会随之增加，由于电热流体力比介电泳力增加的速度更快，因此已捕集的细菌会被后来的电热流体力驱动的血液流吹走而大大降低捕集效率；当电压小于这一范围时，细菌的捕集效率同样会因为较低的介电泳力难以捕获细菌而受到影响。

自驱动败血症血液细菌即时诊断装置的交流电工作频率为10⁶Hz。当交流电频率大于这个数值时，环形驱动电极2产生的交流电热流动速度会降低；由于焦耳热的影响血液温度会上升，从而可能影响诊断结果，同时四极电极捕集到的细菌数量同样会下降，从而影响细菌捕集效率和诊断结果。

环形血液流道1一角的顶部开有边长为50μm×50μm的通道，该通道为装置血液注入与输出的出入口。

绝热涂层涂覆在环形驱动电极2的正极8上，能够在环形电极的正极8和负极9间产生较大的温度梯度，使得血液的介电常数和电导率发生变化，从而产生电热流动现象进而驱动微通道内血液流动。

在一个实施例中，本发明包括单边长度为260μm的环形血液流道1、安装在流道内部的三对环形驱动电极2以及四极捕集电极3组成的工作电压为2～2.5V，工作频率为10⁶Hz的电动自驱动败血症血液细菌诊断装置。所述环形血液流道1周向截面积为100μm×100μm的正方形，在流道一角开有边长为50μm×50μm的血液注入输出通道5，所述环形驱动电极2由正电极6和负电极7两个环形电极组成，其周向截面积为100μm×100μm的正方形，厚度为2μm，正负电极间隙为20μm，电极宽度为20μm，捕集电极3由两个正电极8和两个负电极9四个方形电极组成，两两电极间的间隙为20μm，单个电极宽度为40μm×40μm，厚度为2μm，驱动电极2每对分别安装在环形流道单边的中心位置，共占四方形血液流道的三边，所述四极捕集电极3安装在环形流道单边的中心位置底部，共占四方形血液流道的一边。

参见图2，本发明环形驱动电极2由正电极6和负电极7组成，其中正电极6表面涂覆有绝热层4。

参见图3，本发明四极捕集电极由两个正电极8和两个负电极9组成，血液中细菌在介电泳力的作用下被捕集在捕集区域10中。

环形血液流道1，三对环形驱动电极2与四极捕集电极3组成了自驱动败血症血液细菌电动即时诊断装置，其工作原理是将环形驱动电极2与四极的捕集电极3的正负极接入电压为2～2.5V，频率为10⁶Hz，相位差为180°的交流电，环形驱动电极的正负极之间产生温度梯度使得血液介电常数和电导率发生变化从而形成交流电热流动现象进而驱动环形血液流道1内的血液流动，并将血液与细菌输运至四极的捕集电极3处，在四极捕集电极产生的介电泳力作用下，细菌被捕集至四极的捕集电极3的正中心捕集区域10处。其中自驱动败血症血液细菌电动即时诊断装置的合适工作电压为2～2.5V，在低于这个电压工作区间，细菌的捕集效率会因为较低的介电泳力难以捕获细菌而受到影响，在高于这个电压工作区间，由于电热流体力比介电泳力增加的速度更快，因此已捕集的细菌会被后来的电热流体力驱动的血液流吹走而大大降低捕集效率。装置的合适工作频率为10⁶Hz，当交流电频率大于这个数值时，环形驱动电极产生的交流电热流动速度会降低，同时由于焦耳热的影响血液温度会上升，从而影响诊断准确性；同时四极电极捕集到的细菌数量同样会下降，影响细菌捕集效率和诊断准确性。

环形的驱动电极2的正负电极间隙为20μm，若电极间隙安装过小，会大大流道内降低血液输运速率；当间隙过大时，不仅会消耗更多的电能，还会产生更多的焦耳热，不利于在有效的泵送血液的前提下不损伤血液中的蛋白质和血细胞，从而影响诊断结果。正负电极宽度均为20μm，宽度过小会大大降低血液输运速率，宽度过大时交流电极宽度的增大不仅会消耗更多的电能，同样会产生更多的焦耳热，不利于在有效的泵送血液的前提下不损伤血液中的蛋白质和血细胞，从而影响诊断结果。三对环形驱动电极分别安装在流道单边的中心位置，共占四方形血液流道的三边，以保证环形血液流道1内血液流动速率均匀，细菌捕集过程稳定。

四极捕集电极3的两个正极8和两个负极9之间分别呈中心对称，两两电极间的间隙为20μm，当电极间隙安装过大时，由于介电泳力和电流体动力的同时减小，捕集装置的细菌回收率会大幅降低；当电极间隙安装过小时，四电极间的电场强度增大导致焦耳热效应增大，过大的焦耳热效应会影响细菌的生存能力从而影响诊断结果。

环形驱动电极2的正极涂覆有绝热涂层4，装置运行后能够在环形电极的正极和负极间产生较大的温度梯度而使血液的物性发生改变，从而产生交流电热流动现象进而微通道内驱动血液流动。

败血症诊断装置包括所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置。

本发明整体采用交流电动力的血液自驱动流动，通过对电压，频率的改变能够精确地操控通道内血液的流动而不使用运动机械部件，减少了传统的微型机械泵输送血液带来的样本污染，能量损失与设备损耗等问题。

数值模拟研究表明：本发明的细菌捕集率能够达到68％～75％，同时相比于传统的败血症检测方法，本发明可大幅缩短检测所需时间，使得患者错过最佳诊疗时间的风险进一步降低。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其特征在于，其包括，

环形血液流道，其截面尺寸为微米级，

血液注入通道，其连通所述环形血液流道以注入血液，

捕集电极，其设在所述环形血液流道的底部，且远离所述血液注入通道一侧，所述捕集电极包括呈中心对称分布的正极和负极，正负电极通有相位差为180°的交流电以生成介电泳力，所述正极和负极形成的中心设有用于捕集细菌的捕集区域，

至少一个驱动电极，其设在环形血液流道中位于血液注入通道和捕集电极之间的部分，所述驱动电极包括间隔预定间隙的正电极和负电极，所述正电极和负电极接相位差为180°的交流电以产生交流电热流动，使得所述血液流向所述捕集区域。

2.根据权利要求1所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，优选的，所述正电极表面涂覆有绝热层。

3.根据权利要求1所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，所述环形血液流道为回字型结构。

4.根据权利要求3所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，所述环形血液流道的单边长度为260μm，周向截面为边长为100μm的中空正方形。

5.根据权利要求4所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，正电极和负电极周向截面均为边长100μm的中空正方形，中空正方形的单边宽度为20μm，厚度为2μm，所述预定间隙为20μm。

6.根据权利要求5所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，捕集电极包括两个方形的正电极和两个方形负电极，两两电极间的间隙为20μm，单个电极边长为40μm，厚度为2μm。

7.根据权利要求6所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，驱动电极与捕集电极接入电压为2～2.5V，频率为10⁶Hz。

8.根据权利要求4所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，所述血液注入通道位于环形血液流道的一角，其截面积为50μm×50μm。

9.根据权利要求1所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置，其中，3个驱动电极分别安装在所述环形血液流道单边的中心位置，所述捕集电极安装在所述环形血液流道远离所述血液注入通道的单边的中心位置底部。

10.败血症诊断装置，其特征在于，其包括根据权利要求1-9中任一项所述的用于从血液中捕集细菌的电动自驱动捕集装置。

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