CN113736643A - 一种核酸扩增检测微流控芯片 - Google Patents

一种核酸扩增检测微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及体外医学领域，尤其为一种核酸扩增检测微流控芯片，包括：微流控芯片；膜，分别覆盖在微流控芯片的上下表面；引物腔室，设于所述微流控芯片上，用于预置引物；反应扩增腔室，设于所述微流控芯片上，与所述引物腔室连接，用于预置扩增反应混合物；检测腔室，设于所述微流控芯片上，与所述反应扩增腔室联通，用于预置荧光检测试剂。本发明，核酸扩增检测微流控芯片采用膜结构封闭，样品不易外泄，不易造成气溶胶污染，影响检测结果，加样方便、样品用量少，且无需使用PCR管，操作方便，适合快速检测，可以精准控制前端与后端反应腔室之间的联通状态，整体结构更轻量化。

Description

一种核酸扩增检测微流控芯片
技术领域
本发明涉及体外医学检测技术领域，具体为一种核酸扩增检测微流控芯片。
背景技术
核酸检测目前广泛应用于疾病诊断、食品安全、环境检测领域，通常的核酸检测流程是：称量样本，使用试剂盒提取核酸，再将提取的核酸与扩增试剂混合，放入PCR仪器内进行扩增反应，然后进行数据分析。操作流程复杂，检测多个样品、多个指标时易造成人失误，耗时长效率低。
微流控芯片，是在芯片上对化学或生物样品进行操作和检测的一项新兴技术。微流控芯片可以把样品的制备、反应、分离和检测等操作单元集成到一张几平方厘米的芯片上，通过对微通道网络内流体的操纵和控制，自动完成分析过程。由于微流控芯片技术具有进样量小、集成度高、易实现自动化控制和高通量分析的特点，使得在微流控芯片上进行生化反应操作较常规的分析样品前处理更方便、快速、成本低廉。但是现有的微流控芯片在检测时还无法精准控制前端与后端反应腔室之间的联通状态，而且结构方面多为硬质壳体相互扣合，不利于轻量化，也有待进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核酸扩增检测微流控芯片，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种一体式核酸扩增检测设备，包括：
基架；
核酸提取装置，安装在基架上，用于裂解并提取核酸；
核酸扩增检测微流控芯片，安装在基架上，用于检测提取核酸的阴阳性；
电磁阀Ⅰ，安装在基架上，用于控制所述核酸提取装置与核酸扩增检测微流控芯片之间的联通状态；
电磁阀Ⅱ，安装在基架上，用于控制核酸扩增检测微流控芯片与外界大气的联通状态；
供压装置，安装在基架上，用于为核酸扩增检测微流控芯片上疏水阀提供正压作为阀控制；
控制板，用于驱动控制电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ以及供压装置。
进一步的，所述核酸提取装置包括：
裂解盒；
温度传感器夹具，套装在所述裂解盒的底部，并将该裂解盒可拆卸的安装到底座上；
加热片，安装在裂解盒内用于对裂解盒注入的裂解液加热；
温度传感模块，安装在温度传感器夹具上，用于探测加热片对裂解盒加热的温度。
进一步的，还包括：
导热垫，位于加热片上；
玻璃片，位于裂解盒底部，且位于导热垫上；
缓冲垫，位于加热片下；
裂解盒盖，安装在裂解盒的顶部；
弹簧夹具，该弹簧夹具套在温度传感器夹具上后通过螺钉连接到底座上。
进一步的，所述裂解盒的底部安装有裂解盒出口。
进一步的，所述核酸扩增检测微流控芯片，包括：
微流控芯片；
膜，分别覆盖在微流控芯片的上下表面；
引物腔室，设于所述微流控芯片上，用于预置引物；
反应扩增腔室，设于所述微流控芯片上，与所述引物腔室连接，用于预置扩增反应混合物；
检测腔室，设于所述微流控芯片上，与所述反应扩增腔室联通，用于预置荧光检测试剂。
进一步的，还包括：
阀孔，设于所述微流控芯片上；
疏水阀以及防水透气膜，设于所述微流控芯片上，疏水阀用于控制反应扩增腔室与检测腔室的联通状态，防水透气膜用于控制引物腔室、反应扩增腔室以及检测腔室与外界大气之间的联通状态。
进一步的，所述阀孔包括：
进样口，与引物腔室连接，用于接入正压进样；
薄膜阀孔，与疏水阀连接，在正压时关闭；
气孔，与防水透气膜处连接，用于通过控制防水透气膜实现引物腔室、反应扩增腔室以及检测腔室与外界大气联通。
进一步的，所述微流控芯片上具有分别用于对应容纳疏水阀和防水透气膜的阀槽和膜槽。
进一步的，所述膜槽内还有压敏膜，所述疏水阀包括位于阀槽内的阀部压敏膜和阀部疏水膜。
进一步的，所述核酸扩增检测微流控芯片通过芯片夹具安装到基架上，所述芯片夹具上在反应扩增腔室下方对应的位置有一陶瓷加热片用于对反应扩增腔室加热，在核酸扩增检测微流控芯片侧面通过LED灯射出激发光，检测腔室中的荧光通过芯片夹具上的光纤传导至光电二极管处，获取光学信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的设备，能够将核酸提取、核酸扩增和核酸检测三个步骤一次性完成，整个核酸检测流程流畅，具有操作便捷、效率高等特点，同时设备为小型的设计，方便携带，且设备为可抛设计，一次性使用。
本发明的核酸提取装置，裂解液在裂解盒形成完全密闭腔室中裂解，释放样品中核酸。
本发明的核酸提取装置，组装成型后体积小，结构相对简单，便于携带、转运，而且核酸提取操作步骤简便、快捷、提高了提取效率。
本发明的核酸提取装置，装置中部分零件使用后需更换其余零件可以重复使用，也可以作为一体式可抛的一次性使用耗材，为由于样品裂解后裂解盒中存在较大正压，此压力可作为后续液体驱动来源。
本发明的核酸扩增检测微流控芯片，采用膜结构封闭，样品不易外泄，不易造成气溶胶污染，影响检测结果，加样方便、样品用量少，且无需使用PCR管，操作方便，适合快速检测，可以精准控制前端与后端反应腔室之间的联通状态，整体结构更轻量化。
附图说明
图1为本发明带核酸提取扩增定性检测的(一次性)试剂盒示意图。
图2为本发明整体结构示意图。
图3为本发明芯片夹具检测部分结构示意图。
图4为本发明设备工作控制示意图。
图5为本发明核酸提取装置结构示意图。
图6为本发明图5中去掉加热片、底座等示意图。
图7为本发明图6的拆分示意图。
图8为本发明图5拆分示意图。
图9为本发明核酸扩增检测微流控芯片正面结构示意图。
图10为本发明核酸扩增检测微流控芯片背面结构示意图。
图11为本发明核酸扩增检测微流控芯片去掉膜结构示意图。
图12为本发明俯视方向的爆炸示意图。
图13为本发明仰视方向的爆炸示意图。
图中：1-裂解盒、2-温度传感器夹具、3-弹簧夹具、4-底座、5-缓冲垫、6-导热垫、7-玻璃片、8-加热片、9-温度传感模块、10-裂解盒盖、11-螺钉、12-裂解盒出口、13-缺口槽、14-触角、15-膜、16-引物腔室、17-反应扩增腔室、18-检测腔室、19-薄膜阀孔、20-进样口、21-气孔、22-疏水阀、23-防水透气膜、24-微流控芯片、25-接头、26-上膜、27-底膜、28-压敏膜、29-阀部压敏膜、30-阀部疏水膜、31-膜槽、32-阀槽、33-核酸提取装置、34-核酸扩增检测微流控芯片、35-基架、36-控制板、37-供压装置、38-电磁阀Ⅰ、39-电磁阀Ⅱ、40-芯片夹具、41-光纤、42-光电二极管、43-LED灯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的联通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：
一种一体式核酸扩增检测设备包含基架35，以及安装在基架35上的核酸提取装置33、电磁阀Ⅰ38、电磁阀Ⅱ39、供压装置37以及控制板36等，供压装置37采用充气泵。
下面做具体介绍：
核酸提取装置33，该装置用于核酸裂解，其中装置中零件使用后需更换其余零件可以重复使用，也可以全部作为一次性使用耗材。裂解盒1的顶部具有裂解盒盖10，底部具有底座4，裂解盒1通过底座4将依次放置的玻璃片7、导热垫6、加热片8、温度传感模块9以及缓冲垫5与温度传感器夹具2套装成一体式的核酸提取装置。其中，温度传感模块9采用红外温度传感器，缓冲垫5采用泡沫垫，裂解盒1与底座4为拆卸式安装，在将温度传感器夹具2套在裂解盒1放置到底座上后，再在温度传感器夹具2上套上弹簧夹具3，弹簧夹具3的触角14将温度传感器夹具2卡住，再通过螺钉11将弹簧夹具3与底座4固定，从而将装置装配成型，而在底座4上留有用于容纳加热片8连接线和裂解盒出口12的缺口槽13。
该装置在使用时，裂解盒1中会预置3ml裂解液，裂解盒出口13所连管路下游关闭，将取样咽拭子头部置入裂解盒1中，盖上裂解盒盖10使裂解盒1形成完全密闭腔室。加热片8通电加热使裂解液温度上升并维持在93℃，裂解液在此温度下开始工作裂解样品释放样品中核酸，此过程持续3分钟，裂解盒1中气压也逐渐上升。裂解完成后，加热片8电源关闭，裂解盒出口12下游阀打开，释放裂解盒1中的裂解液。
该装置的优点有，一个是装置中零件使用后需更换其余零件可以重复使用，也可以作为一体式可抛的一次性使用耗材，另一个为由于样品裂解后裂解盒1中存在较大正压，此压力可作为后续液体驱动来源。
核酸扩增检测微流控芯片34，包括微流控芯片24，该微流控芯片24上下两个面分别覆盖上膜26、底膜27，并且微流控芯片24上设有阀孔、引物腔室16、反应扩增腔室17、检测腔室18、疏水阀22以及防水透气膜23等。其中，阀孔包括进样口20、薄膜阀孔19和气孔21，分别对应安装接头25。气孔20联通大气，进样口20用作正压驱动，薄膜阀19正压关闭。
芯片工作时，芯片为图11中A方向竖直朝上方式放置，利用重力防止气泡进入反应扩增腔室17。
芯片整体工作流程如下：
初始状态下薄膜阀空孔(气孔21)连接气源，气源提供正压，使疏水阀22关闭，液体无法通过。引物腔室16中预置引物，反应扩增腔室17预置扩增反应混合物，检测腔室18预置荧光检测试剂。
含有核酸的样本液通过正压进入进样口20，分别进入5个引物腔室16，与腔室中引物混合。
因为芯片竖直放置的缘故，随着样品进入，引物腔室16液面逐渐提升达到反应扩增腔室17入口高度，样品流入反应扩增腔室17并与扩增反应物混合。
关闭进样口20正压，对反应扩增区域加热，使其温度稳定在65℃，核酸在该温度下扩增30分钟。
30分钟后关闭薄膜阀孔19连接的气源，使疏水阀22为打开状态。对进样口20提供正压使反应扩增区的液体通过疏水阀进入检测腔室18与检测试剂混合。样品的阴阳性可通过指定波长的光照射检测孔激发荧光，接收检测孔荧光强度得到结果。
具体的，如图9-13所示，初始状态下，气源提供正压，通过薄膜阀孔19使疏水阀22关闭：在阀槽32内阀部疏水膜30将阀部压敏膜正压，堵塞阀部压敏膜所形成的流道，从而使反应扩增腔室17(反应扩增区)和检测腔室18之间处于关闭状态。关闭薄膜阀孔19连接的气源，解除正压，薄膜阀孔19和疏水阀22打开，反应扩增区和检测腔室18之间处于联通状态。
由核酸提取装置33上的红外温控反馈的温度实现对其加热温控，裂解盒出口12通过软管与核酸扩增检测微流控芯片34的进样口20连接，软管通过电磁阀Ⅰ38控制连通状态，待机为常闭。微流控芯片24阀孔通过软管与一个三通连接头连接，连接头另外两个分别连接充气泵和外接(外界)空气，外接空气管通过电磁阀Ⅱ39控制连通状态，待机为常闭。
芯片夹具40负责固定微流控芯片24，使其能够保持竖立状态，此外夹具上在反应扩增腔室17下方对应的位置有一陶瓷加热片(未示出)负责对扩增腔室18加热。夹具检测区域如图3所示，在芯片侧面通过LED射出激发光，检测腔室18中的荧光通过夹具上的光纤41传导至光电二极管42处，获取光学信号。
这个设备上所有加热，阀开关，气泵开关，LED灯43及光电二极管信号等均由设备背部控制板36控制处理，实现自动控制。
整个设备按如下流程工作：
1.电磁阀Ⅰ38关闭，咽拭子样本塞入裂解盒1的腔室中，与腔室里预装的裂解液混合。
2.盖上裂解盒盖10，启动设备，腔室加热至93℃并保持3分钟，使样品裂解释放核酸。
3.3分钟后，开启供压装置37(气泵)，电磁阀Ⅱ39关闭，使芯片薄膜阀19关闭，打开电磁阀Ⅰ38。
4.由于裂解盒1腔室中温度高，气压大，裂解液样品在压力差作用下进入芯片的引物腔室16和反应扩增腔室17并与腔室中的试剂混合，由于薄膜阀19的存在，液体最终停留在反应扩增腔室17。
5.关闭电磁阀Ⅰ38，关闭裂解室加热，打开芯片夹具40上反应扩增加热片(即陶瓷加热片)，使芯片上反应扩增腔室17温度稳定在65℃并持续30分钟，核酸进入扩增阶段。
6.30分钟后，关闭反应扩增加热片，关闭气泵，打开电磁阀Ⅱ39，使芯片薄膜阀19打开，打开电磁阀Ⅰ38，打开裂解室加热片，使裂解室内气压上升推动液体向前流动，进入检测室，与检测室试剂混合。
7.关闭电磁阀1和裂解盒1的加热片8，使液体停留在检测腔室18，打开LED灯42，使光电二极管42接收检测腔室18内样品激发出的荧光。
该设备为一种更为小型的设计，方便携带，这个设备为可抛设计，一次性使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种核酸扩增检测微流控芯片，其特征在于，包括：
微流控芯片(24)；
膜(15)，分别覆盖在微流控芯片(24)的上下表面；
引物腔室(16)，设于所述微流控芯片(24)上，用于预置引物；
反应扩增腔室(17)，设于所述微流控芯片(24)上，与所述引物腔室(16)连接，用于预置扩增反应混合物；
检测腔室(18)，设于所述微流控芯片(24)上，与所述反应扩增腔室(17)联通，用于预置荧光检测试剂。
2.根据权利要求1所述的核酸扩增检测微流控芯片，其特征在于，还包括：
阀孔，设于所述微流控芯片(24)上；
疏水阀(22)以及防水透气膜(23)，设于所述微流控芯片(24)上，疏水阀(22)用于控制反应扩增腔室(17)与检测腔室(18)的联通状态，防水透气膜(23)用于控制引物腔室(16)、反应扩增腔室(17)以及检测腔室(18)与外界大气之间的联通状态。
3.根据权利要求2所述的核酸扩增检测微流控芯片，其特征在于，所述阀孔包括：
进样口(20)，与引物腔室(16)连接，用于接入正压进样；
薄膜阀孔(19)，与疏水阀(22)连接，在正压时关闭；
气孔(21)，与防水透气膜(23)处连接，用于通过控制防水透气膜(23)实现引物腔室(16)、反应扩增腔室(17)以及检测腔室(18)与外界大气联通。
4.根据权利要求3所述的核酸扩增检测微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片(24)上具有分别用于对应容纳疏水阀(22)和防水透气膜(23)的阀槽(32)和膜槽(31)。
5.根据权利要求4所述的核酸扩增检测微流控芯片，其特征在于，所述膜槽(31)内还有压敏膜(28)，所述疏水阀(22)包括位于阀槽(32)内的阀部压敏膜(29)和阀部疏水膜(30)。
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