CN113686843A - 一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，包括超声波发生系统、加热系统、图像采集分析系统以及带有超声振动传导膜的微流控芯片，超声波发生系统包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，变幅杆的末端与微流控芯片的传导膜之间形成接触耦合，超声波发生器产生的超声频通过超声波换能器产生机械振动，超声波能量通过与变幅杆接触耦合的传导膜传导给微流控芯片的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液发生非接触式超声裂解，裂解后样本进入微流控芯片的反应腔室进行反应，图像采集分析系统采集反应溶液的图像，根据预先的色相值标定，实现对检测指标的定量化检测。本发明可实现高通量、无污染、易操作的核酸检测，大大提高检测的效率与检测精度。

Description

一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备

技术领域

本发明涉及医学检测技术，特别是涉及一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备。

背景技术

微型全分析系统(Miniaturized Total Analyze Systems,μTAS)这一概念由Manz和Widmer于20世纪90年代首次提出以来，微流控技术在环境监测、医学诊断、生化分析等领域逐渐发展起来。以微流控技术为基础的微流控芯片(Lab on a chip)由于其自身高表面体积比、分析时间短、系统封闭、样品用量少等优点，掀起一阵科研热潮，为资源有限的环境下的快速检测提供了一种良好的解决方案。

当今，无需对样本进行复杂前处理的即时检测比如测血糖，验孕等已经得到了广泛应用，但对于类似于核酸检测等需要复杂前处理的检测，相关的即时检测设备仍需开发研制。对于需要对动物细胞或细菌、病毒结构进行裂解处理的技术，目前常用的方法有：化学试剂裂解法、生物酶融解法、机械研磨法、超声波裂解法，其中超声波裂解法有着裂解效率高、通用性好、易于集成控制的优点，得到广泛的研究与应用。

人类历史上爆发过多次传染病疫情。随着全球化不断发展，局部地区爆发的疾病很可能会快速演变成为全球大流行。核酸检测则是控制疫情蔓延的重要手段，但由于操作的复杂性，其应用往往限制在条件完善的实验室中，进而导致了在面对突发传染病时经常会出现检测能力不足的现象。

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，提供一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，旨在利用超声波裂解方法将复杂的样本前期处理结合到微流控芯片上，实现基于原始细胞样本溶液输入的快速检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，包括超声波发生系统、加热系统、图像采集分析系统以及带有超声振动传导膜的微流控芯片，所述超声波发生系统包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，所述超声波发生器通过所述超声波换能器耦合到所述变幅杆，检测时，所述变幅杆的末端与所述微流控芯片的所述传导膜之间形成接触耦合，所述超声波发生器产生的超声频通过所述超声波换能器产生机械振动，超声波能量通过与所述变幅杆接触耦合的所述传导膜传导给所述微流控芯片的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液发生非接触式超声裂解，裂解后样本进入所述微流控芯片的反应腔室内在反应酶和加热系统加热的作用下进行反应，产生相应的颜色变化，所述图像采集分析系统采集反应溶液的图像，根据预先的色相值标定，实现对检测指标的定量化检测。

进一步地：

还包括可升降装夹平台，所述装夹平台位于所述变幅杆上方，所述微流控芯片装夹在所述装夹平台上，所述装夹平台下移时所述微流控芯片与所述变幅杆接触耦合而产生预紧力。

所述加热系统包括位于所述装夹平台上方的所述可升降平台和安装在所述可升降平台上的加热板，所述加热板用于在所述可升降平台的驱动下贴近所述微流控芯片上表面，对所述微流控进行非接触式加热；优选地，所述加热系统还包括温度传感器以便控制加热温度。

还包括冷却系统，优选地，所述冷却系统包括冷却风扇。

所述图像采集分析系统包括面光源、摄像头和色相分析上位机；所述色相分析上位机通过所述摄像头获取所述反应腔室内溶液的色相数据并传输给所述色相分析上位机，所述色相分析上位机将色相数据与预先标定的色相曲线比较，生成检测结果，优选地，所述面光源与所述摄像头位于所述微流控芯片的同一侧。

还包括箱体结构，所述超声波发生系统、所述加热系统、所述微流控芯片以及所述图像采集分析系统的图像采集部分设置在所述箱体结构内。

所述箱体结构的内表面带有隔音材料。

所述超声振动传导膜的边缘有一圈环形平面，通过粘合剂与所述微流控芯片键合。

所述微流控芯片的所述裂解腔开有气孔，以防止超声波裂解时过热将液体挤入所述反应腔室。

所述微流控芯片包括依次层叠在一起的气道层、中间膜、流道层以及所述超声振动传导膜，所述微流控芯片以手指摁压或者气泵驱动液体流通，所述流道层设置有多个由双向毛细阀组成的爆发阀，所述流道层设置有多个反应腔室，当样本溶液流过流道时，只有充满当前反应腔室才突破所述爆发阀流向下一反应腔室，优选地，各反应腔室的容积相同，以实现样本溶液的定量分流；所述气道层设置有止回阀，以防止液体回流。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，其中，超声波发生器通过超声波换能器耦合到变幅杆，微流控芯片上设置有超声振动传导膜，检测时，变幅杆的末端与微流控芯片的传导膜之间形成接触耦合，超声波发生器产生的超声频通过超声波换能器产生机械振动，超声波能量通过与变幅杆接触耦合的传导膜传导给微流控芯片的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液发生非接触式超声裂解，裂解后样本进入微流控芯片的反应腔室内在反应酶和加热系统加热的作用下进行反应，本发明中超声频振动的变幅杆与样本溶液不直接接触，而是通过超声振动传导膜传导超声波能量，实现非接触式裂解，其可实现高通量、无污染、易操作的核酸检测，大大提高检测的效率与检测精度。本发明操作简单、便捷，检测快速、精准，将样本的裂解、分装、反应、检测集成于一个系统，大大地减少人为操作，缩短检测时间，提高检测效率，为临床快速检测提供了一个高效可靠的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例的基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备整体结构示意图；

图2为本发明实施例中的超声波系统与微流控芯片耦合示意图；

图3为本发明实施例中的微流控芯片各单元示意图；

图4为本发明实施例中的微流控芯片气道与流道的示例示意图。

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3，本发明实施例提供一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，包括超声波发生系统、加热系统、图像采集分析系统以及带有超声振动传导膜801的微流控芯片8，所述超声波发生系统包括超声波发生器、超声波换能器11和变幅杆9，所述超声波发生器通过所述超声波换能器11耦合到所述变幅杆9，检测时，所述变幅杆9的末端与所述微流控芯片8的所述传导膜801之间形成接触耦合，所述超声波发生器产生的超声频通过所述超声波换能器11产生机械振动，超声波能量通过与所述变幅杆9接触耦合的所述传导膜801传导给所述微流控芯片8的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液发生非接触式超声裂解，裂解后样本进入所述微流控芯片8的反应腔室内在反应酶和加热系统加热的作用下进行反应，产生相应的颜色变化，所述图像采集分析系统采集反应溶液的图像，根据预先的色相值标定，实现对检测指标的定量化检测。

使用本发明的检测设备进行检测时，其中超声频振动的变幅杆与样本溶液不直接接触，而是通过超声振动传导膜传导超声波能量，实现非接触式裂解。该检测设备可进行样本的裂解、分装、反应、检测，实现高通量、无污染、易操作的核酸检测，大大提高检测的效率与检测精度。本发明的检测设备操作简单、便捷，检测快速、精准，大大地减少人为操作，缩短检测时间，提高检测效率，为临床快速检测提供了一个高效可靠的解决方案。

以下进一步举例描述本发明具体实施例。

如图1至图4所示，在一种实施例中，基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，包括超声波发生系统、加热系统、冷却系统、图像采集分析系统、带有超声振动传导膜801的微流控芯片8、用于驱动微流控芯片8上下移动的可升降装夹平台7以及带有隔音材料的箱体结构4。超声波发生系统包括可自动追频超声波发生器、传输电缆、超声波换能器11和变幅杆9。加热系统包括可升降平台5、加热板6、温度传感器、温度调控上位机和过载熔断保险丝。冷却系统包括冷却风扇10。图像采集分析系统包括面光源、摄像头1、摄像头固定支架2和色相分析上位机。

超声波发生系统产生超声频的机械振动通过与变幅杆9接触耦合的传导膜801传导给微流控芯片8的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液在裂解腔内发生非接触式超声裂解。裂解完成后，可通过摁压式驱动，将腔室内的样本一次泵送到微流控芯片8的反应腔室，优选各反应腔室样本容量相等。反应腔室内预先包埋有反应酶。加热板6在可升降平台5带动下靠近微流控芯片8，由上位机上控制反应温度，对微流控芯片8反应腔室内的样本及反应酶加热使之反应。由于反应酶对阴性样本与阳性样本作用后会产生不同的颜色变化，故可以通过图像采集分析系统对反应腔室内的溶液颜色进行采集与分析，从而快速地得出所需的检测结果。待反应完成后，可通过摁压式驱动，将反应腔室的样本溶液泵送至废液池内收集。

可追频超声波换能器11能够将50Hz的工作电信号转化为超声频电信号，并能够根据整个系统的工作环境变化自动追踪系统谐振频率，使变幅杆9振幅保持在最大值状态。变幅杆9的末端与微流控芯片8的传导膜801间存在压力耦合，使传导膜801更好地传导机械振动的能量进行细胞裂解。微流控芯片8能够通过摁压式驱动泵泵送裂解腔内的细胞溶液，并且依次经过埋有反应酶的反应腔室，且能够通过摁压式驱动泵使反应腔室内的样本溶液同时流向废液池。冷却风扇10能够对裂解腔与变幅杆9进行对流冷却，防止超声波裂解时过热。加热板6能够在可升降平台5的驱动下贴近微流控芯片8上表面，对微流控进行非接触式加热。温度传感器与所谓温度调控上位机能够监测环境温度，调节加热速率与加热时间，并且保证加热环境的安全，一旦过热就熔断过载熔断保险丝。图像分析采集系统通过摄像头1获取反应腔室内溶液的色相数据并传输给色相分析上位机，色相分析上位机将色相数据与预先标定的色相曲线比较，从而快速输出检测结果。

在优选的实施例中，超声波发生系统固定在箱体内下方，微流控芯片8的装夹平台7位于变幅杆9上方，微流控芯片8可在装夹平台7的驱动下下移与变幅杆9接触耦合，产生一定的预紧力，预紧力大小可由装夹平台7下移量所控制。

在优选的实施例中，加热板6位于微流控芯片8上方，可由可升降平台5向下移动对微流控芯片8进行加热。当加热完成时后可上移方便装取芯片。

在优选的实施例中，面光源与摄像头1位于芯片的同一侧，防止反射光线大量白光进入摄像头1对色相信息采集造成过大的干扰。

在优选的实施例中，微流控芯片8的按钮可以由手指摁压或者气泵驱动，微流控芯片8包括气道层804、中间膜803、流道层802以及超声振动传导膜801。流道层802设置有多个由双向毛细阀组成的爆发阀，当样本溶液流过流道时，只有充满当前腔室才会突破爆发阀流向下一腔室，所有腔室的容积相同，由此实现样本溶液的定量分流。气道层804设置有止回阀，防止摁压不同按钮时出现液体回流。

在优选的实施例中，微流控芯片8的裂解腔开有气孔，防止超声波裂解时过热产生巨大压强而将液体挤入反应腔室。

图4示出了一个微流控芯片的包括气道和流道在内的整体结构，微流控芯片包括废液腔41、爆发阀42、检测腔43、气孔44、致动腔45、裂解腔46以及定位孔47，图4中虚线表示气道，实线表示流道。

在不同的实施例中，微流控芯片8的反应腔室可根据需要设置数量，微流控芯片8的整体结构可为方形也可为圆形，优选方形。

在不同的实施例中，超声振动传导膜801可根据性能需要设置为平板形、椭球形、球面形等，优选球面形。超声振动传导膜801的边缘有一圈环形平面，可通过粘合剂与微流控芯片8的流道层底面键合。

图像采集分析系统可以对不同标准样本浓度时的色相值进行标定，从而可输出检测样本指标的定量分析结果。图像采集分析系统可适用于所有生物细胞体内的可与检测试剂产生明显变色反应的生物反应体系。

在优选的实施例中，箱体结构4的内层铺有隔音材料，降低噪音输出，同时也有利于加热板6加热反应时保温。装夹平台7、可升降平台5等零部件固定于箱体结构4内部。

本发明能够基于超声波裂解对细胞原始样本溶液进行快速处理，能够在微流控芯片8上将样本处理与生化反应、检测分析系统集成于一台设备中。同时，针对不同的检测目标，可以利用不同的变色生化反应，完成对不同的细胞临床诊断指标进行快速定量检测。

本发明的微流控芯片8操作简单且无需额外的设备提供驱动力。微流控芯片8设计有多个止回结构，防止溶液串流。微流控芯片8山的反应腔室容积相同，可实现定量分装，同时能够防止溶液体积差异造成的溶液颜色差异，提高图像识别检测时的精确度。不同反应腔室能够预先包埋不同反应生物酶或其他化学试剂，能够在一张芯片内对于同一个样本进行多指标检测。

本发明的图像采集分析系统能够对于检测指标的标准浓度溶液进行事先的色相值标定，能够实现检测指标的定量化检测。相比于荧光检测，比色检测在不降低检测精度的情况下，光路更简单，通用性更强。

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)

1.一种基于超声波裂解的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，包括超声波发生系统、加热系统、图像采集分析系统以及带有超声振动传导膜的微流控芯片，所述超声波发生系统包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，所述超声波发生器通过所述超声波换能器耦合到所述变幅杆，检测时，所述变幅杆的末端与所述微流控芯片的所述传导膜之间形成接触耦合，所述超声波发生器产生的超声频通过所述超声波换能器产生机械振动，超声波能量通过与所述变幅杆接触耦合的所述传导膜传导给所述微流控芯片的裂解腔内的细胞样本溶液，使细胞样本溶液发生非接触式超声裂解，裂解后样本进入所述微流控芯片的反应腔室内在反应酶和加热系统加热的作用下进行反应，产生相应的颜色变化，所述图像采集分析系统采集反应溶液的图像，根据预先的色相值标定，实现对检测指标的定量化检测。

2.如权利要求1所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，还包括可升降装夹平台，所述装夹平台位于所述变幅杆上方，所述微流控芯片装夹在所述装夹平台上，所述装夹平台下移时所述微流控芯片与所述变幅杆接触耦合而产生预紧力。

3.如权利要求1或2所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述加热系统包括位于所述装夹平台上方的所述可升降平台和安装在所述可升降平台上的加热板，所述加热板用于在所述可升降平台的驱动下贴近所述微流控芯片上表面，对所述微流控进行非接触式加热；优选地，所述加热系统还包括温度传感器以便控制加热温度。

4.如权利要求1至3任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，还包括冷却系统，优选地，所述冷却系统包括冷却风扇。

5.如权利要求1至4任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述图像采集分析系统包括面光源、摄像头和色相分析上位机；所述色相分析上位机通过所述摄像头获取所述反应腔室内溶液的色相数据并传输给所述色相分析上位机，所述色相分析上位机将色相数据与预先标定的色相曲线比较，生成检测结果，优选地，所述面光源与所述摄像头位于所述微流控芯片的同一侧。

6.如权利要求1至5任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，还包括箱体结构，所述超声波发生系统、所述加热系统、所述微流控芯片以及所述图像采集分析系统的图像采集部分设置在所述箱体结构内。

7.如权利要求6所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述箱体结构的内表面带有隔音材料。

8.如权利要求1至7任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述超声振动传导膜的边缘有一圈环形平面，通过粘合剂与所述微流控芯片键合。

9.如权利要求1至8任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述微流控芯片的所述裂解腔开有气孔，以防止超声波裂解时过热将液体挤入所述反应腔室。

10.如权利要求1至9任一项所述的比色反应微流控快速检测设备，其特征在于，所述微流控芯片包括依次层叠在一起的气道层、中间膜、流道层以及所述超声振动传导膜，所述微流控芯片以手指摁压或者气泵驱动液体流通，所述流道层设置有多个由双向毛细阀组成的爆发阀，所述流道层设置有多个反应腔室，当样本溶液流过流道时，只有充满当前反应腔室才突破所述爆发阀流向下一反应腔室，优选地，各反应腔室的容积相同，以实现样本溶液的定量分流；所述气道层设置有止回阀，以防止液体回流。

Images