CN114367321A - 基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，包括设于芯片台上的微流控混合器、超声换能器以及微流控检测器，所述微流控检测器下部设置电磁铁，所述微流控检测器上部设置光学检测单元，所述微流控混合器以及微流控检测器由PDMS微通道和玻璃基片键合而成。本发明可进行多指标的核酸序列/免疫检测，代替实验室的繁琐操作和大型检测设备，所需样品量少，检测时间短，利用探针分子标记的磁珠，免除芯片内部修饰的繁琐步骤，提高反应速度和灵活性，实现微流道内的液相反应，重复性好，精度高，能定量检测，芯片能重复使用。

Description

基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统及使用方法
技术领域
本发明涉及微流控检测领域，具体涉及一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统及使用方法。
背景技术
微流控芯片由微米/纳米级别的微通道和各种周围器件组成，是近年来新兴的一种POCT(point of care testing)检测方式。微流控技术是指通过设计各种微结构和微通道，对其内部流动的流体进行精确的路径控制，从而达到多种控制目的。微流控芯片可用于细胞分选、纯化、富集，也可作为微反应腔提供生物检测的反应容器。抗原-抗体免疫检测、核酸检测等都可以在微流控芯片中进行。和传统的大型仪器相比，微流控芯片具有操作简便、检测时限短、体积小、成本低廉、所需样品少的优势，逐渐成为一种有效的即时性检测手段。固相芯片是一种常见的生物检测元件。固相芯片的基底修饰阵列化的探针分子，当通道中流入含有待测物质的流体时，探针分子和待测分子特异性结合，进而产生各种待检测信号，如电化学信号、荧光信号等。固相芯片虽然有操作简便、易于产品化等优势，可是也有种种缺陷。如：固相芯片由于只有基底上的一层探针分子，所以检测速度偏慢；固相芯片完成检测后，基底上的探针分子难以去除，可复用性很低；固相芯片基底上修饰探针过程较为复杂，降低了检测灵活性，且增加了芯片成本。
由于微流控芯片内部流场多为斯托克斯流，不同流层间混合困难。设计一种混合器用于提高反应效率是必要的。常见的混合方式包括主动和被动混合。特斯拉阀是一种单向阀，可作为一种巧妙的混合结构，并结合超声微漩涡以提高混合效果。
编码微球是多指标检测的常见方式。微球的编码方式多种多样，包括化学编码、图像编码、光学编码等。微球的光学编码方式包括荧光染料编码、荧光量子点编码、拉曼光谱编码等。其中，量子点荧光编码微球是一种基于量子点纳米材料的新兴编码方式，常用于免疫检测和核酸检测等POCT检测场景。量子点微球拥有荧光效果稳定、激发波谱带宽、发射波谱带窄，易于制备等优势，有逐渐取代常规有机荧光染料的趋势。量子点可包埋在微球内部，也可以通过某种化学手段吸附在微球表面。基于量子点编码微球的检测手段包括流式细胞仪检测、光纤全反射检测、微流控检测等。其中，微流控芯片检测成本低，快速便捷，不需要流式细胞仪等大型仪器，非常适合开发为POCT检测设备。
将固相芯片和量子点编码微球结合，可达到多指标检测的目的。虽然量子点荧光编码微球/固相芯片是一种极为方便的多指标检测手段，可是其实际的检测应用却面临以下的困难：一、实验室操作较为繁琐，实用的一体化即时检测系统尚待开发；二、固相芯片的一次性使用回浪费大量的原材料，开发可重复实验的芯片迫在眉睫；三、固相芯片的检测速度受限于基底上标记的单层探针分子，如何提高检测速度是一个难题；四、如何将出入口、混合器、检测器等一体化地集成在微流控芯片上，仍需要探索。
发明内容
根据上述提出的技术问题，本发明的目的是提出一种基于荧光编码/磁微球的一体化可复用多指标微流控检测系统，能够方便快捷地实现多指标免疫/核酸检测。本发明采用探针分子标记的纳米磁珠代替微流控固相芯片的探针分子修饰，达到了反应腔内液相反应的目的，提高检测速度，同时可使芯片重复使用，利用自主设计的混合器，能够实现高效率、低成本的芯片内混合，利用自主设计的检测结构，能够实现基于智能手机的快捷的多指标荧光检测。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，包括设于芯片台上的微流控混合器、超声换能器以及微流控检测器，所述微流控检测器下部设置电磁铁，所述微流控检测器上部设置光学检测单元，所述微流控混合器以及微流控检测器由PDMS微通道和玻璃基片键合而成。
本发明可进行多指标的核酸序列/免疫检测，代替实验室的繁琐操作和大型检测设备，所需样品量少，检测时间短，利用探针分子标记的磁珠，免除芯片内部修饰的繁琐步骤，提高反应速度和灵活性，实现微流道内的液相反应，重复性好，精度高，能定量检测，芯片能重复使用。
进一步地，所述的微流控混合器的微通道包含一个基于逆向特斯拉阀的超声混合器，特斯拉阀的侧向通路可导致流体间的碰撞混合，减缓流体速度，增加混合时间和混合效率。特斯拉阀结构内部丰富的尖端部位可作为超声产生微漩涡的位点，微漩涡可以进一步增加混合效率，特斯拉单向阀+超声微漩涡结合的混合器能降低正向进样的速度，提高混合效率，同时不影响反向冲洗的效率。
进一步地，所述的微流控混合器包括PDMS微通道结构和玻璃基片，所述PDMS微通道由掩膜-接触式光刻-倒模的步骤制作而成，包含1-3个进样入口，用于待测样本和量子点编码微球的进样，包含8-12个可扩展的出口，每个出口连接一个不同的检测器芯片；
进一步地，所述玻璃基片为厚度为1-3mm的载玻片，PDMS通道和玻璃基底通过氧等离子体键合牢固。
进一步地，所述的微流控检测器包括PDMS微通道结构和玻璃基片，所述PDMS微通道包含一个进样入口，用于连接所述微流控混合器的反应腔和混合器的出口；包含一个出口，所述PDMS微通道由10-25个并联的逆向特斯拉阀构成，施加超声使量子点荧光微球和磁球充分反应。
进一步地，所述超声换能器采用44kHz的超声换能器，超声换能器与所述芯片台用胶粘连牢固。
进一步地，所述的芯片台包含一个混合器底座、一个检测器底座和几块组装的隔光挡板，芯片台由光敏复合树脂3D打印而成，所述混合器底座、检测器底座用于固定微流控混合器及微流控检测器。
进一步地，所述隔光挡板用于隔离每个待检指标的检测区域，所述隔光挡板上固定紫外激发光源和滤光片，与上部的透镜以及摄像头形成光学检测单元，所述芯片台、透镜以及摄像头安装在支撑架上。
进一步地，所述的电磁铁为铜线圈直流电磁铁，由12V直流电源供电，电磁铁和芯片台底面用胶粘连牢固；
所述的透镜为一凸透镜，所述摄像头与透镜中心间隔1.5倍焦距，所述微流控检测器与透镜中心间隔3倍焦距，使所述透镜使检测器芯片成倒立缩小的实像。
一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统的使用方法，包括以下步骤：
1)混合：从微流控混合器的入口分别注入两种不同的生物样本，启动超声换能器，使两种样本在微流控混合器中充分反应，微流控混合器入口注入的两种液体之一为待检样本溶液；
2)检测器芯片标记：从各个微流控检测器的出口反向注入不同的能够特异性识别特定指标的微球溶液，依据不同的待测物特性，微球溶液为荧光微球或磁性微球；
3)检测：微球溶液先进入微流控检测器，待其充满微流控检测器通道后，打开电磁铁开关将微球吸附于基底表面，再注入荧光微球，荧光微球充满微流控检测器后，断开电磁铁开关，启动超声换能器开关，在微流控检测器中混合反应，反应结束后通过检测光路用摄像头检测荧光信号；
4)冲洗：使用过程中，冲洗步骤进行两次：在注入微球溶液后冲洗多余的微球和杂质，在检测完成后洗去所有夹芯结构和杂质，冲洗时从微流控检测器(10)出口注入缓冲溶液，在超声的辅助下逆向冲洗。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、设计了微流控系统代替实验室的繁琐操作和大型检测设备，所需样品量少，检测时间短，快速便捷。
2、设计了探针分子标记的磁珠代替了固相芯片的基底探针标记，在利用固相芯片固有优势的前提下，免除了芯片内部修饰的繁琐步骤，大大提高反应速度和灵活性。
3、设计了检测器内电磁铁释放+超声的混合反应步骤，实现了固相芯片内的液相反应，实验重复性好，精度高，能定量检测。
4、设计了磁珠电磁铁固定+冲洗去除磁珠的步骤，使芯片的重复使用成为了可能。
5、设计了特斯拉单向阀+超声微漩涡结合的混合器，降低了正向进样的速度，提高了混合效率，同时不影响反向冲洗的效率。
6、设计了基于智能手机的光学检测系统，增大检测视野，方便快捷的实现多指标检测。
附图说明
图1为本发明设计的基于量子点编码/磁微球的一体化可复用多指标微流控检测系统的组成结构示意图。
图2为本发明设计的芯片台、微流控混合器和检测器芯片的安装组合示意图。
图3为微流控混合器的微通道结构示意图，放大部分微特斯拉阀的微结构。
图4为微流控检测器的微通道结构示意图，放大部分微特斯拉阀的微结构。
图1中，1-芯片台(混合器安装架)，2-微流控混合器，3-超声换能器，4-芯片台(检测器安装架/隔光挡板)，5-聚光透镜，6-智能手机摄像头，7-紫外激发光源，8-支撑架，9-电磁铁，10-微流控检测器，11-毛细导管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1示出该微流控检测系统示意图，具体描述了该检测系统的组成结构。基于荧光编码/磁微球的一体化可复用多指标微流控检测系统，其结构组成包括：微流控混合器2、微流控检测器10、超声换能器3、芯片台1/4、电磁铁9、紫外激发光源7、滤光片12、聚光透镜5、智能手机摄像头6、支撑架8、毛细导管11。
在使用本发明之前，应先制作微流控混合器2与检测器10，按照混合器2/检测器10的图纸设计制作掩模版后，用SU-8光刻并形成模板，之后进行PDMS倒模。通过氧等离子体将PDMS通道与玻璃基底键合牢固。将制作完成的微流控混合器与检测器固定在芯片台上，用毛细管连接为一体化的流道，用胶粘连牢固。
磁球和量子点荧光微球均为市售产品，磁球为聚合物包覆的Fe3O4纳米磁球，直径为300nm，量子点微球直径为100nm，两种微球都能够有效的标记探针分子。
如图3，微流控混合器2包括PDMS微通道结构和玻璃基片，PDMS微通道由掩膜-接触式光刻-倒模的步骤制作，包含两个进样入口，分别用于待测样本和量子点编码微球的进样；微通道包含10个可扩展的出口，出口是否打孔根据待检测指标数确定，每个出口连接一个不同的检测器芯片10；微通道包含一个基于逆向特斯拉阀的超声混合器。特斯拉阀的侧向通路可导致流体间的碰撞混合，减缓流体速度，增加混合时间和混合效率。特斯拉阀结构内部丰富的尖端部位可作为超声产生微漩涡的位点，进一步增加混合效率。玻璃片基底为厚度约2mm的载玻片，PDMS通道和玻璃基底通过氧等离子体键合牢固。
如图4，微流控检测器10包括PDMS微通道结构和玻璃基片，PDMS微通道包含一个进样入口，用于连接检测器的反应腔和混合器的出口；微通道包含一个出口；微通道包含一个基于逆向特斯拉阀的检测通道。检测通道由23个并联的逆向特斯拉阀构成，施加超声可以使量子点荧光微球和磁球充分反应。
超声换能器3采用普通的44kHz超声换能器，超声换能器和芯片台用胶粘连牢固。
如图2，芯片台1/4包含一个混合器底座、一个检测器底座和几块组装的隔光挡板，芯片台1/4由光敏复合树脂3d打印而成。混合器底座、检测器底座用于固定微流控混合器2和检测器10，隔光挡板用于隔离每个待检指标的检测区域，隔光挡板上固定紫外激发光源7和滤光片12，应保证紫外光源7能充分照射到检测器芯片10。
电磁铁9为铜线圈直流电磁铁，由12V直流电源供电，电磁铁9和芯片台1/4底面用胶粘连牢固。
聚光透镜5为一凸透镜，应安装在芯片台1/4检测器10部分的上方。
支撑架8应能够有效的支撑芯片台1/4、透镜5和智能手机摄像头6，使得上述的各个部分牢固的结合在一起，成为一个整体。进一步的，为使得智能手机摄像头6能够有效的检测荧光信号，支撑架8应使智能手机与透镜中心间隔1.5倍焦距，使微流控检测器10与透镜中心间隔3倍焦距。此时透镜能使检测器芯片10成倒立缩小的实像，起到聚光、扩大视野的作用。进一步的，支架外围应提供一个隔光罩，将上述部分完全包覆在内，隔绝周围环境光对检测的影响。
一种基于量子点编码/磁微球的一体化可复用多指标微流控检测系统，其使用方法为：
1、将制作完成的微流控混合器2与检测器10固定在芯片台1/4上，用毛细管11连接为一体化的流道，用胶粘连牢固；
2、从检测器10的出口注入探针分子标记的磁性纳米微球溶液，由于特斯拉阀的单向效应，反向注入时微球溶液将很快的充满检测器10。当检测器微通道被磁性纳米微球充满时，启动电磁铁9将磁球吸附在通道的底面，继续反向注入缓冲溶液，冲刷掉微球溶液的溶剂和混合器中残留的磁性微球。
3、取下检测器10出口的注射器，从混合器2的2个入口处分别注入待检样本和量子点荧光微球。启动超声换能器3，使样本和量子点微球在混合器2中充分反应。
4、待量子点微球/样本的混合溶液完全进入检测器通道后，混合器2的入口停止注入，断开电磁铁9开关使磁性微球悬浮，继续打开超声换能器3开关，使磁球与量子点微球充分混合反应，形成磁球-样本-量子点微球的夹芯结构。
5、反应结束后，关闭超声换能器3开关，启动电磁铁9开关，将夹芯结构吸附在检测器10通道的底面，从混合器2入口处注入缓冲溶液，洗去多余的样本分子和量子点微球。
6、待冲洗干净后，停止注入液体，打开紫外激发光源7，通过智能手机的摄像头6拍摄荧光的颜色和强度，进而达到定量的检测多种生物指标的目的。
7、检测完成后，关闭电磁铁9开关，打开超声换能器3开关，从检测器10的出口反向注入缓冲溶液，彻底清洗芯片内的夹芯结构和其他杂质，以达到重复使用芯片的目的。
注：以上步骤可根据检测物与探针分子的特性适当改变。
下面为两个具体示例：
实施例1
在本发明使用前，将寡核苷酸探针修饰在100nm的量子点荧光编码微球的表面，并在Fe3O4-聚合物包覆的300nm磁性纳米微球的表面修饰链霉亲和素，将待测核酸序列用生物素化的引物PCR，形成大量的生物素化ssDNA分子。制作一个混合器芯片和待检核酸序列数的检测器芯片，固定在芯片台上。
说明通过本发明进行核酸检测的过程，步骤如下：
1、从混合器的2个入口分别注入已修饰链霉亲和素的磁性微球溶液和生物素化ssDNA待测序列溶液。打开超声换能器开关，使二者在混合器内缓慢通过，充分混合反应。
2、待混合器内流体流过并充满检测器时，打开电磁铁开关，使纳米微球吸附在检测器基底，混合器入口停止注入液体，检测器出口注入缓冲溶液，利用特斯拉阀的单向性，快速冲洗掉未反应的ssDNA分子、混合器中的磁性微球和杂质。
3、停止注入缓冲溶液，从检测器出口注入不同寡核苷酸探针修饰的量子点荧光微球溶液，打开超声换能器，待荧光微球溶液充满检测器通道时，检测器出口停止注入，关闭电磁铁开关，将装置放入50℃烘箱反应1h。
4、反应结束后，关闭超声换能器开关，启动电磁铁开关，将夹芯结构吸附在检测器通道的底面，从混合器入口处注入缓冲溶液，洗去多余的样本分子和量子点微球。
5、待冲洗干净后，停止注入液体，打开紫外激发光源，通过智能手机的摄像头拍摄荧光的颜色和强度，进而达到定量的检测多种核酸序列的目的。
6、检测完成后，关闭电磁铁开关，打开超声换能器开关，从检测器的出口反向注入缓冲溶液，彻底清洗芯片内的夹芯结构和其他杂质，以达到重复使用芯片的目的。
实施例2
基于本发明的癌胚抗原(CEA)与甲胎蛋白(AFP)免疫检测方法
在本发明使用前，制备anti-CEA Ab1标记的红色量子点荧光微球溶液，制备anti-AFP Ab1标记的绿色量子点荧光微球溶液，将上述两种溶液等浓度等量混合；制备anti-CEAAb2标记的磁性纳米微球溶液，制备anti-AFP Ab2标记的磁性纳米微球溶液，制作一个混合器芯片和两个检测器芯片，固定在芯片台上。
1、从2个检测器10的出口分别注入2种不同标记的磁性微球溶液，当检测器微通道被磁性纳米微球充满时，启动电磁铁将磁球吸附在通道的底面，继续反向注入缓冲溶液，冲刷掉微球溶液的溶剂和混合器中残留的磁性微球。
2、取下检测器出口的注射器，从混合器2个入口处分别注入包含CEA/AFP的待检溶液和量子点荧光微球。启动超声换能器，使样本和量子点微球在混合器中充分反应。
3、待量子点微球/样本的混合溶液完全进入检测器通道后，混合器入口停止注入，断开电磁铁开关使磁性微球悬浮，继续打开超声换能器开关，使磁球与量子点微球充分混合反应，形成磁球-样本-量子点微球的夹芯结构。
4、反应结束后，关闭超声换能器开关，启动电磁铁开关，将夹芯结构吸附在检测器通道的底面，从混合器入口处注入缓冲溶液，洗去多余的样本分子和量子点微球。
5、待冲洗干净后，停止注入液体，打开紫外激发光源，通过智能手机的摄像头拍摄荧光的颜色和强度，进而达到定量的检测多种蛋白质的目的。
注：检测器芯片的制作数量可根据待检指标数自行调整。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，包括设于芯片台上的微流控混合器(2)、超声换能器(3)以及微流控检测器(10)，所述微流控检测器(10)下部设置电磁铁(9)，所述微流控检测器(10)上部设置光学检测单元，所述微流控混合器(2)以及微流控检测器(10)由PDMS微通道和玻璃基片键合而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述的微流控混合器(2)的微通道包含一个基于逆向特斯拉阀的超声混合器。
3.根据权利要求2所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述的微流控混合器(2)包括PDMS微通道结构和玻璃基片，所述PDMS微通道由掩膜-接触式光刻-倒模的步骤制作而成，包含1-3个进样入口，用于待测样本和量子点编码微球的进样，包含8-12个可扩展的出口，每个出口连接一个不同的检测器芯片(10)。
4.根据权利要求3所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述玻璃基片为厚度为1-3mm的载玻片，PDMS通道和玻璃基底通过氧等离子体键合牢固。
5.根据权利要求1所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述的微流控检测器(10)包括PDMS微通道结构和玻璃基片，所述PDMS微通道包含一个进样入口，用于连接所述微流控混合器(2)的反应腔和混合器的出口；包含一个出口，所述PDMS微通道由10-25个并联的逆向特斯拉阀构成，施加超声使量子点荧光微球和磁球充分反应。
6.根据权利要求1所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述超声换能器(3)采用44kHz的超声换能器，超声换能器与所述芯片台用胶粘连牢固。
7.根据权利要求1所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述的芯片台包含一个混合器底座、一个检测器底座和几块组装的隔光挡板，芯片台由光敏复合树脂3D打印而成，所述混合器底座、检测器底座用于固定微流控混合器(2)及微流控检测器(10)。
8.根据权利要求7所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，所述隔光挡板用于隔离每个待检指标的检测区域，所述隔光挡板上固定紫外激发光源(7)和滤光片(12)，与上部的透镜(5)以及摄像头(6)形成光学检测单元，所述芯片台、透镜(5)以及摄像头(6)安装在支撑架(8)上。
9.根据权利要求8所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统，其特征在于，
所述的电磁铁(9)为铜线圈直流电磁铁，由12V直流电源供电，电磁铁(9)和芯片台底面用胶粘连牢固；
所述的透镜(5)为一凸透镜，所述摄像头(6)与透镜(5)中心间隔1.5倍焦距，所述微流控检测器(10)与透镜中心间隔3倍焦距，使所述透镜(5)使检测器芯片(10)成倒立缩小的实像。
10.如权利要求1所述的一种基于编码微球的可复用多指标微流控检测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)混合：从微流控混合器(2)的入口分别注入两种不同的生物样本，启动超声换能器(3)，使两种样本在微流控混合器(2)中充分反应，微流控混合器(2)入口注入的两种液体之一为待检样本溶液；
2)检测器芯片标记：从各个微流控检测器(10)的出口反向注入不同的能够特异性识别特定指标的微球溶液，依据不同的待测物特性，微球溶液为荧光微球或磁性微球；
3)检测：微球溶液先进入微流控检测器(10)，待其充满微流控检测器(10)通道后，打开电磁铁(9)开关将微球吸附于基底表面，再注入荧光微球，荧光微球充满微流控检测器(10)后，断开电磁铁(9)开关，启动超声换能器(3)开关，在微流控检测器(10)中混合反应，反应结束后通过检测光路用摄像头检测荧光信号；
4)冲洗：使用过程中，冲洗步骤进行两次：在注入微球溶液后冲洗多余的微球和杂质，在检测完成后洗去所有夹芯结构和杂质，冲洗时从微流控检测器(10)出口注入缓冲溶液，在超声的辅助下逆向冲洗。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115245847A (zh) * 2022-08-09 2022-10-28 东南大学 一种基于特斯拉阀的微混合芯片
CN115646562A (zh) * 2022-09-27 2023-01-31 郑州大学 基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法
CN117732525A (zh) * 2024-02-19 2024-03-22 杭州联川生物技术股份有限公司 一种微流控芯片制造方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1431504A (zh) * 2003-01-23 2003-07-23 上海交通大学 磁分离型荧光成像免疫反应检测装置及检测方法
CN107328931A (zh) * 2017-05-16 2017-11-07 中山大学 一种基于纳米探针和磁性微纳米颗粒的快速连续检测技术
CN107583676A (zh) * 2016-07-07 2018-01-16 大连医科大学 一种微流控芯片及外泌体捕获和检测的研究方法
CN107655879A (zh) * 2017-09-01 2018-02-02 北京华科泰生物技术有限公司 用于检测性腺系列的磁微粒的微流控化学发光检测系统
US20180038820A1 (en) * 2015-02-18 2018-02-08 Fundación Tekniker Method and device for detection and quantification of analytes
CN108181458A (zh) * 2018-02-26 2018-06-19 北京华科泰生物技术有限公司 一种基于荧光免疫联合检测的微流控芯片及其制备方法和用途
CN108956558A (zh) * 2018-05-24 2018-12-07 深圳市帝迈生物技术有限公司 一种微流控芯片和免疫荧光分析仪
CN109001269A (zh) * 2018-09-19 2018-12-14 重庆大学 集成dep分离、磁性微球选择性富集和eis原位检测的细菌芯片及其检测方法
CN110170345A (zh) * 2019-05-31 2019-08-27 深圳市亚辉龙生物科技股份有限公司 微流控芯片及检测装置
CN110441520A (zh) * 2019-09-05 2019-11-12 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 免疫层析检测系统、样本成像方法及样本图像的分析方法
CN112237948A (zh) * 2019-07-18 2021-01-19 广州华澳生物科技有限公司 一种荧光磁珠微流控芯片及其分析仪器
WO2021068914A1 (zh) * 2019-10-11 2021-04-15 深圳华迈兴微医疗科技有限公司 一种磁微粒发光双层微流控芯片以及检测系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1431504A (zh) * 2003-01-23 2003-07-23 上海交通大学 磁分离型荧光成像免疫反应检测装置及检测方法
US20180038820A1 (en) * 2015-02-18 2018-02-08 Fundación Tekniker Method and device for detection and quantification of analytes
CN107583676A (zh) * 2016-07-07 2018-01-16 大连医科大学 一种微流控芯片及外泌体捕获和检测的研究方法
CN107328931A (zh) * 2017-05-16 2017-11-07 中山大学 一种基于纳米探针和磁性微纳米颗粒的快速连续检测技术
CN107655879A (zh) * 2017-09-01 2018-02-02 北京华科泰生物技术有限公司 用于检测性腺系列的磁微粒的微流控化学发光检测系统
CN108181458A (zh) * 2018-02-26 2018-06-19 北京华科泰生物技术有限公司 一种基于荧光免疫联合检测的微流控芯片及其制备方法和用途
CN108956558A (zh) * 2018-05-24 2018-12-07 深圳市帝迈生物技术有限公司 一种微流控芯片和免疫荧光分析仪
CN109001269A (zh) * 2018-09-19 2018-12-14 重庆大学 集成dep分离、磁性微球选择性富集和eis原位检测的细菌芯片及其检测方法
CN110170345A (zh) * 2019-05-31 2019-08-27 深圳市亚辉龙生物科技股份有限公司 微流控芯片及检测装置
CN112237948A (zh) * 2019-07-18 2021-01-19 广州华澳生物科技有限公司 一种荧光磁珠微流控芯片及其分析仪器
CN110441520A (zh) * 2019-09-05 2019-11-12 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 免疫层析检测系统、样本成像方法及样本图像的分析方法
WO2021068914A1 (zh) * 2019-10-11 2021-04-15 深圳华迈兴微医疗科技有限公司 一种磁微粒发光双层微流控芯片以及检测系统

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115245847A (zh) * 2022-08-09 2022-10-28 东南大学 一种基于特斯拉阀的微混合芯片
CN115245847B (zh) * 2022-08-09 2024-04-19 东南大学 一种基于特斯拉阀的微混合芯片
CN115646562A (zh) * 2022-09-27 2023-01-31 郑州大学 基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法
CN115646562B (zh) * 2022-09-27 2023-08-11 郑州大学 基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法
CN117732525A (zh) * 2024-02-19 2024-03-22 杭州联川生物技术股份有限公司 一种微流控芯片制造方法
CN117732525B (zh) * 2024-02-19 2024-05-14 杭州联川生物技术股份有限公司 一种微流控芯片制造方法

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