CN113444624A - 一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片及核酸检测设备 - Google Patents

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李想
赵笑宇
杨伟豪
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Abstract

一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片及核酸检测设备，该芯片包括层叠设置在一起的顶层、流道层以及密封层，其中，样本储液腔室和反应液储液腔室通过应变阀连接可拉伸弹性混合流道的入口，可拉伸弹性混合流道的出口连接检测腔室，检测腔室连接通气口，其中，应变阀为常闭状态，可拉伸弹性混合流道与应变阀共同形成拉伸时吸液的弹性泵，拉伸流道层时，应变阀产生形变而打开，可拉伸弹性混合流道产生形变而扩张，产生的气压差驱动反应液和样本液经应变阀流入混合流道，混液后进入检测腔室，从而在检测腔室中进行核酸恒温扩增反应及检测。使用该芯片，可以通过简便快捷的操作一步实现核酸的扩增和检测，快速得到目标物检测结果，提高检测效率。

Description

一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片及核酸检测设备
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术和分子诊断等领域，特别是涉及一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片及核酸检测设备。
背景技术
许多主要疾病是由病毒引起的，并且容易发生全球安全紧急情况。分子诊断是进行疾病筛查的有效工具。通常，获得的样品(例如血液或尿液)的核酸浓度低，并且需要扩增作为实现检测的手段。核酸检测是用于疾病筛查的有效且实用的手段。但是，传统的检测方法(如聚合酶链反应(PCR)和单核苷酸多态性(SNP))要求具有丰富经验的人员处理多种试剂并需要笨重的设备，而这些都是无法进行有效且低成本的检测的。已开发出许多等温扩增方法，包括基于核酸序列的扩增(NASBA)，重组酶聚合酶扩增(RPA)，解旋酶依赖性扩增(HDA)和环介导的等温扩增(LAMP)。在获得核酸扩增结果方面，传统的方法是实时荧光检测和凝胶电泳，它们依靠实验设备，使其不适合现场诊断。
作为一种研究工具，微流体在生化分析中起着至关重要的作用，可用于后续的临床诊断，核酸检测和蛋白质分析。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片及核酸检测设备。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片，包括层叠设置在一起的顶层、流道层以及密封层，其中所述流道层包含样本储液腔室、反应液储液腔室、样本进样口、反应液进液口、应变阀、可拉伸弹性混合流道、检测腔室以及通气口，所述样本进样口连接所述样本储液腔室，所述反应液进液口连接所述反应液储液腔室，所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室均通过所述应变阀连接所述可拉伸弹性混合流道的入口，所述可拉伸弹性混合流道的出口连接所述检测腔室，所述检测腔室连接所述通气口，其中，所述应变阀为常闭状态，所述可拉伸弹性混合流道与所述应变阀共同形成拉伸时吸液的弹性泵，拉伸所述流道层时，所述应变阀产生形变而打开，所述可拉伸弹性混合流道产生形变而扩张，产生的气压差驱动所述反应液储液腔室中的反应液和所述样本储液腔室中的样本液经所述应变阀流入所述混合流道，混液后进入检测腔室，从而在所述检测腔室中进行核酸恒温扩增反应及检测。
进一步地：
所述顶层、所述流道层以及所述密封层采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料，通过等离子清洗的方式键合。
所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室为毛细流道，所述样本液和所述反应液可通过毛细作用进入所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室。
所述毛细流道进行了亲水修饰。
所述可拉伸弹性混合流道为蛇形蜿蜒曲折流道。
所述检测腔室内预存有冻干的引物。
一种核酸检测设备，包括所述的核酸检测芯片。
进一步地：
还包括用于将所述检测腔室加热至扩增反应所需温度的温度控制装置。
所述温度控制装置包括恒温加热板。
还包括荧光信号检测装置，所述荧光信号检测装置用于实时采集所述检测腔室内的荧光信号。
本发明具有如下有益效果：
本发明提拱了一种可依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片，其中，所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室均通过所述应变阀连接所述可拉伸弹性混合流道的入口，所述可拉伸弹性混合流道的出口连接所述检测腔室，所述检测腔室连接所述通气口，所述应变阀为常闭状态，所述可拉伸弹性混合流道与所述应变阀共同形成拉伸时吸液的弹性泵，拉伸所述流道层时，所述应变阀产生形变而打开，所述可拉伸弹性混合流道产生形变而扩张，产生的气压差驱动所述反应液储液腔室中的反应液和所述样本储液腔室中的样本液经所述应变阀流至所述混合流道混液后进入检测腔室，从而在所述检测腔室中进行核酸恒温扩增反应及检测。本发明核酸检测芯片的结构简单，操作控制方便，可在该芯片上实现自动化加样、反应及检测，且该芯片可批量化、低成本加工。在该芯片上检测核酸的过程中，可准确控制试剂用量，降低试剂消耗，保证检测结果的可靠、稳定以及可快速获得。本发明能够极大简化操作，缩短检测时间，同时也发挥出微流控芯片技术本身的优势(低成本、自动化等)，满足临床中快速诊断的需要。
进一步地，芯片储液腔室仅依靠毛细作用力来取样，从而节省了标准实验室耗材并减少了通用支持仪器。适合从人体表面收集的微观样本，例如汗液，眼泪和尿液。使用PDMS作为芯片材料，其缺点是具有疏水性，并且经过亲水处理后相对较快地恢复为疏水性。可进行等离子体处理，然后再涂以PVP溶液，以扩展材料的亲水性。此外，可以在芯片上更直观地看到颜色。
附图说明
图1为本发明一种实施例的依靠拉伸力驱动的核酸扩增基于PH比色检测的微流控芯片的结构示意图；
图2为图1中流道层(2)的结构示意图；
图3为图1中顶层(1)的结构示意图；
图4为本发明一种实施例中的混合流道作为弹簧泵的工作原理图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图4，在一种实施例中，一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片，包括层叠设置在一起的顶层1、流道层2以及密封层3，其中所述流道层2包含样本储液腔室4、反应液储液腔室5、样本进样口6、反应液进液口7、应变阀8、可拉伸弹性混合流道9、检测腔室10以及通气口11，所述样本进样口6连接所述样本储液腔室4，所述反应液进液口7连接所述反应液储液腔室5，所述样本储液腔室4和所述反应液储液腔室5均通过所述应变阀8连接所述可拉伸弹性混合流道9的入口，所述可拉伸弹性混合流道9的出口连接所述检测腔室10，所述检测腔室10连接所述通气口11，其中，所述应变阀8为常闭状态，所述可拉伸弹性混合流道9与所述应变阀8共同形成拉伸时吸液的弹性泵，拉伸所述流道层2时，所述应变阀8产生形变而打开，所述可拉伸弹性混合流道9产生形变而扩张，产生的气压差驱动所述反应液储液腔室5中的反应液和所述样本储液腔室4中的样本液经所述应变阀8流入所述混合流道9，混液后进入检测腔室10，从而在所述检测腔室10中进行核酸恒温扩增反应及检测。
使用本发明实施例的核酸检测芯片，可以在芯片上以简便快捷的操作一步实现核酸的扩增和检测，快速得到目标物检测结果。该芯片可以广泛用于核酸分子快速诊断领域，降低检测成本，简化人为操作进而提高检测效率。
在优选的实施例中，所述顶层1、所述流道层2以及所述密封层3采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料，通过等离子清洗的方式键合。
在优选的实施例中，所述样本储液腔室4和所述反应液储液腔室5为毛细流道，所述样本液和所述反应液可通过毛细作用进入所述样本储液腔室4和所述反应液储液腔室5。
在优选的实施例中，所述毛细流道进行了亲水修饰。
在优选的实施例中，所述可拉伸弹性混合流道9为蛇形蜿蜒曲折流道。
在优选的实施例中，所述检测腔室10内预存有冻干的引物。
在另一种实施例中，一种核酸检测设备，包括所述的核酸检测芯片。
在优选的实施例中，所述核酸检测设备还包括用于将所述检测腔室10加热至扩增反应所需温度的温度控制装置。
在优选的实施例中，所述温度控制装置包括恒温加热板。
在优选的实施例中，所述核酸检测设备还包括荧光信号检测装置，所述荧光信号检测装置用于实时采集所述检测腔室10内的荧光信号。
在一些实施例中，一种依靠拉伸力驱动的核酸扩增基于PH比色检测的微流控芯片，包括顶层1，流道层2以及密封层3，形成有反应液储液单元、样本收集单元、反应物混合单元和核酸恒温扩增及检测单元；样本收集单元中使用毛细力进行样本采集；反应物混合单元包含多个腔室和混合流道9，用于多种反应物添加以及混合；核酸恒温扩增及检测单元包括恒温扩增腔室，及恒温加热板等设备。应用该微流控芯片，可基于PH比色核酸扩增检测技术进行核酸检测。
在一些实施例中，所述芯片的顶层1、流道层2以及密封层3三层结构均是使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性材料，三层之间使用等离子清洗的方式键合。顶层1上可设置连接到样本进样口6、反应液进液口7等处的进液小孔以便进液，以及连接到通气口11的通气孔，如图3所示。
在一些实施例中，所述依靠拉伸力驱动方式是通过拉伸使得流道层2形变，从而产生气压差驱动液体流动。
在一些实施例中，所述反应液预存在上游的腔室中，应变阀8在储液腔室末端，处于常闭状态。仅当拉伸力产生形变的情况下，应变阀8产生形变，变为开启状态，里面的反应液方可流出。
在一些实施例中，所述样本收集单元通过毛细作用实现，预先对该段流道进行亲水修饰。
在一些实施例中，所述混合单元由蛇形流道组成，反应液与核酸溶液能在较长的蛇形流道中完成充分的混合。同时，拉伸形变时，该蛇形流道也起着类似于弹簧泵的功能，由于应变产生体积变化，从而形成气压差，驱动流体向下流动。
在一些实施例中，所述恒温扩增腔室的温度通过接触外部的恒温控制板来维持65℃的反应条件，通过肉眼观察溶液的颜色变化来判断是否发生了扩增。
在一些实施例中，使用该芯片进行核酸扩增检测的方法，包括如下步骤：
(1)所述反应液预存在芯片中的储液腔室；
(2)所述样本收集模块，放置采样入口至微量样本，样本在毛细力的作用下进入腔室，完成采集过程；
(3)所述反应物混合模块，拉伸末端使得反应液与样本溶液流经混合流道9进行充分混合，流入检测腔室10；
(4)检测腔室10包含预存的冻干的引物，反应液与样本溶液的混合液与引物充分混合；
(5)控制所述核酸恒温扩增及检测单元的温度为65℃，观测混合液体的颜色变化。
以下进一步结合附图描述本发明具体实施例。
在一种实施例中，一种核酸扩增检测的微流控芯片，如图1所示为该核酸检测芯片的结构示意图，芯片包括顶层1、流道层2以及密封层3。
如图2所示，流道层2可包含样本储液腔室4、反应液储液腔室5、样本进样口6、反应液进液口7、应变阀8、混合流道9、检测腔室10、通气口11以及若干流道。
如图3所示，顶盖层可包括进液孔12、进样孔13以及连接到通气口的通气孔14。如图4所示，左边为无形变时混合流道的状态，右边为有形变时混合流道的状态。
该芯片可由三个PDMS层制成，包括覆盖层，流体通道层和密封层。PDMS层的模具是通过光刻技术制造的。随后，将SU-8 2100旋涂以获得400μm的厚度。在第一步中，旋涂光致抗蚀剂，然后将其暴露于紫外光下，以获得第一层200μm的厚度。接下来，通过显微镜对准十字使掩模与第一层结构对准，并且随后进行紫外线曝光以获得第二层结构。通过将PDMS前体与固化剂按20：1的比例混合并在80℃下固化2小时获得流体层。之后，储液室形成直径为4.0mm的通孔。顶层是通过将PDMS和固化剂的比例为20：1的混合物旋涂到裸露的硅片上而获得的，并在150℃下固化5分钟。然后，使用平针(19G)在入口处打孔。密封层用PMMA模具加工。随后，PDMS在80℃下烘烤2h。用氧等离子体处理三层120秒，并在65℃下孵育10分钟以密封芯片。
核酸检测步骤具体包括：
(1)使用注射枪向反应液储液腔室5灌注待测样品8μL，在样本进样口6放置8μL样本，待样本吸入至样本储液腔室4；
(2)拉伸芯片末端，应变阀8受到拉伸力后打开，反应液从反应液储液腔室5流出，样本液从样本储液腔室4，流经应变阀8至混合流道9(弹簧泵)；
(3)持续拉伸芯片，混合液流经混合流道9得到充分混合，流入检测腔室与引物充分接触；
(4)控制核酸恒温扩增及检测单元的温度为65℃，观察混合液的颜色变化来判断是否发生了扩增。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种依靠拉伸力驱动的核酸检测芯片，其特征在于，包括层叠设置在一起的顶层、流道层以及密封层，其中所述流道层包含样本储液腔室、反应液储液腔室、样本进样口、反应液进液口、应变阀、可拉伸弹性混合流道、检测腔室以及通气口，所述样本进样口连接所述样本储液腔室，所述反应液进液口连接所述反应液储液腔室，所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室均通过所述应变阀连接所述可拉伸弹性混合流道的入口，所述可拉伸弹性混合流道的出口连接所述检测腔室，所述检测腔室连接所述通气口，其中，所述应变阀为常闭状态，所述可拉伸弹性混合流道与所述应变阀共同形成拉伸时吸液的弹性泵，拉伸所述流道层时，所述应变阀产生形变而打开，所述可拉伸弹性混合流道产生形变而扩张，产生的气压差驱动所述反应液储液腔室中的反应液和所述样本储液腔室中的样本液经所述应变阀流入所述混合流道，混液后进入检测腔室，从而在所述检测腔室中进行核酸恒温扩增反应及检测。
2.如权利要求1所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述顶层、所述流道层以及所述密封层采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料，通过等离子清洗的方式键合。
3.如权利要求1或2所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室为毛细流道，所述样本液和所述反应液可通过毛细作用进入所述样本储液腔室和所述反应液储液腔室。
4.如权利要求3所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述毛细流道进行了亲水修饰。
5.如权利要求1至4任一项所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述可拉伸弹性混合流道为蛇形蜿蜒曲折流道。
6.如权利要求1至5任一项所述的核酸检测芯片，其特征在于，所述检测腔室内预存有冻干的引物。
7.一种核酸检测设备，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的核酸检测芯片。
8.如权利要求7所述的核酸检测设备，其特征在于，还包括用于将所述检测腔室加热至扩增反应所需温度的温度控制装置。
9.如权利要求8所述的核酸检测设备，其特征在于，所述温度控制装置包括恒温加热板。
10.如权利要求7至9任一项所述的核酸检测设备，其特征在于，还包括荧光信号检测装置，所述荧光信号检测装置用于实时采集所述检测腔室内的荧光信号。
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