CN114574347B - 一种多指标检测装置及其多指标检测芯片与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多指标检测装置及其多指标检测芯片与使用方法，该多指标检测芯片包括芯片本体，芯片本体设置有多个反应单元，反应单元包括样本液体存储腔、密封体腔、反应腔及样本管道，反应腔及样本管道沿样本流动方向分别在样本液体存储腔的下游方位与样本液体存储腔连通，样本管道用于连接相邻两个反应单元的样本液体存储腔，密封体腔用于盛放密封体且密封体腔与样本管道连通；各反应单元的样本液体存储腔依次通过样本管道串联，位于两端的两个样本液体存储腔分别连接于进样口及出样口；上述多指标检测芯片能够不借助流体操控硬件即可实现样本液体的驱动，从而降低检测过程中对配套硬件的需求，降低使用成本，提高便携性，满足快速检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及体外诊断领域及微流控技术领域，特别涉及一种多指标检测装置及其多指标检测芯片与使用方法。
背景技术
微流控芯片是一种近年来发展迅速的技术手段，其特点为样本消耗低、自动化程度高、通量高、易集成，被广泛应用于生化检测、免疫分析、环境监测和食品安全检测领域。
疫情爆发时会产生大量的核酸检测需求，有适合中心实验室的批量化检测需要，也有现场快速检测的需要。而现场快速检测对于检测系统的便携性有着非常高的要求，同时对相关装置的成本也有很高要求。基于微流控芯片的多指标核酸检测技术目前已经获得大量发展，现有满足现场核酸快速检测的设备多采用微流控芯片或卡盒作为其核酸扩增检测的容器。然而，已有用于多指标核酸检测的微流控芯片一般需要较为复杂的流体操控硬件，如需要注射泵、离心电机等驱动芯片上的流体，从而导致硬件系统较为复杂且昂贵，不符合现场快速检测的需要。
发明内容
本专利获得“广州呼吸健康研究院开放课题 （中国恒大集团所提供资金资助）-2020GIRHHMS02”资助。
本发明的第一个目的在于提供一种多指标检测芯片，以降低检测过程中对配套硬件的需求，降低使用成本，提高便携性，满足快速检测的需求。
本发明的第二个目的在于提供一种包括上述多指标检测芯片的多指标检测装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多指标检测芯片，包括芯片本体，所述芯片本体设置有多个反应单元，所述反应单元包括样本液体存储腔、密封体腔、反应腔以及样本管道，所述反应腔以及所述样本管道沿样本流动方向分别在所述样本液体存储腔的下游方位，并与所述样本液体存储腔连通，所述样本管道用于连通相邻两个所述反应单元的所述样本液体存储腔，所述密封体腔用于盛放密封体且所述密封体腔与所述样本管道连通；
各所述反应单元中，所述样本液体存储腔依次通过所述样本管道串联构成反应单元阵列，位于所述反应单元阵列两端的两个所述样本液体存储腔分别连接于进样口以及出样口。
可选地，相邻两个所述样本液体存储腔之间的所述样本管道具有向远离位于下游方位的一个所述样本液体存储腔的方向拱起的起拱段，所述起拱段的顶点所在位置高于所述反应腔与所述样本液体存储腔的连通处所在位置以及所述样本管道与所述样本液体存储腔的连通处所在位置，所述反应腔与所述样本管道连通于所述起拱段的顶点。
可选地，所述反应腔的容积不小于所述样本液体存储腔的容积。
可选地，所述芯片本体设置有握持部，所述握持部的至少一个表面设置有间隔排列的多个沟槽或凸起以增加摩擦力。
可选地，所述芯片本体包括：
板主体，所述板主体上按照所述反应单元阵列的轮廓开设有槽状结构，所述板主体与所述槽状结构的开口相悖的一侧表面设置有所述进样口以及所述出样口；
第一封板，所述第一封板与所述板主体设置有所述槽状结构的开口一侧表面密封配合连接以围成所述反应单元阵列；
第二封板，所述第二封板用于与所述板主体设置有所述进样口以及所述出样口的一侧表面密封配合连接以封堵所述进样口以及所述出样口。
可选地，所述密封体为石蜡。
一种多指标检测装置，包括：
多指标检测芯片，所述多指标检测芯片为如上任意一项所述的多指标检测芯片；
生物反应装置，所述生物反应装置包括装置主体以及温控系统，所述装置主体设置有能够容置所述多指标检测芯片的插槽，所述温控系统设置于所述装置主体并用于对所述插槽内的所述多指标检测芯片进行加热。
可选地，所述装置主体包括主体构件以及盖板，所述主体构件与所述盖板可拆卸连接围成所述插槽，所述温控系统设置于所述主体构件和/或所述盖板。
可选地，所述温控系统包括设置于所述主体构件的第一温控装置以及第二温控装置，所述第一温控装置包括第一加热肋板、第一加热装置以及第一温度测量装置，多条所述第一加热肋板间隔并排布置，所述第一加热装置一一对应地设置于所述第一加热肋板，所述第一温度测量装置用于控制所述第一加热装置使所述第一加热肋板达到第一预设温度；
所述第二温控装置包括第二加热肋板、第二加热装置以及第二温度测量装置，多条所述第二加热肋板间隔并排布置且各所述第二加热肋板与各所述第一加热肋板相互间隔设置，所述第二加热装置一一对应地设置于所述第二加热肋板，所述第二温度测量装置用于控制所述第二加热装置使所述第二加热肋板达到第二预设温度；
各所述第一加热肋板在所述多指标检测芯片上的投影覆盖所述多指标检测芯片的各密封体腔所在区域，各所述第二加热肋板在所述多指标检测芯片上的投影覆盖所述多指标检测芯片的各反应腔所在区域。
一种基于如上任意一项所述的多指标检测装置的使用方法，包括步骤：
1）向多指标检测芯片内注入样本，使样本充满每一个串联连接的样本液体存储腔，密封所述多指标检测芯片的进样口以及出样口；
2）甩动所述多指标检测芯片，使所述样本液体存储腔内的样本进入与该样本液体存储腔对应的反应腔内，样本与反应腔内预先包埋的冻干LAMP试剂混合；
3）将所述多指标检测芯片放入生物反应装置，对多指标检测芯片进行分区加热，包括覆盖多指标检测芯片的密封体腔所在区域的高温加热区以及覆盖多指标检测芯片的反应腔所在区域的低温加热区，密封体腔内的密封体在高温加热区的作用下融化流入样本管道以及样本液体存储腔与反应腔之间的管道，并在低温加热区域内的管道处凝固，将反应腔封闭，多指标检测芯片的反应腔内部的样本与LAMP试剂混合物在低温加热区的作用下进行LAMP反应。
由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种多指标检测芯片，该多指标检测芯片包括芯片本体，芯片本体设置有多个反应单元，反应单元包括样本液体存储腔、密封体腔、反应腔以及样本管道，反应腔以及样本管道沿样本流动方向分别在样本液体存储腔的下游方位与样本液体存储腔连通，样本管道用于连接相邻两个反应单元的样本液体存储腔，密封体腔用于盛放密封体且密封体腔与样本管道连通；各反应单元的样本液体存储腔依次通过样本管道串联构成反应单元阵列，位于两端的两个样本液体存储腔分别连接于进样口以及出样口；在应用时，样本液体通过移液枪从多指标检测芯片的进样口开始注入，首先填充第一个样本液体存储腔，由于样本液体存储腔和反应腔直接通过管道相连，没有自通气管道，且由于进样口、出样口直接与大气相连，使得第一个样本液体存储腔到下方样本液体存储腔的流阻小于样本液体存储腔到反应腔的流阻。因此液体无法填充反应腔，而是继续填充下一个样本液体存储腔，类似的过程在每一个反应单元进行，最终样本完全填充每一个串联连接的样本液体存储腔，随后密封进样口以及出样口，密封完成后，甩动多指标检测芯片，此时由于多指标检测芯片完全密封，使得样本液体存储腔只能向下方的反应腔填充，使得手甩提供的离心力能够使样本液体存储腔的液体流向反应腔，最终使所有的反应腔被样本液体完全填充，样本与反应腔内预先包埋的冻干LAMP试剂进行混合，以准备后续的LAMP反应；上述多指标检测芯片的设计使其能够不借助流体操控硬件即可实现样本液体的驱动，从而降低检测过程中对配套硬件的需求，降低使用成本，提高便携性，满足快速检测的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
图1为本发明实施例提供的多指标检测芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多指标检测芯片的板主体的俯视图；
图3为本发明实施例提供的多指标检测芯片的板主体的仰视图；
图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）及图4（e）为本发明实施例提供的多指标检测芯片的样品填充过程示意图；
图5为本发明实施例提供的多指标检测装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的多指标检测装置的侧视图；
图7为本发明实施例提供的多指标检测装置的生物反应装置的爆炸图；
图8为本发明实施例提供的多指标检测装置的生物反应装置与多指标检测芯片的装配关系示意图；
图9（a）、图9（b）及图9（c）为本发明实施例提供的多指标检测装置的密封体的流动过程示意图。
其中：
100为多指标检测芯片，110为芯片本体；111为板主体；112为第一封板；113为第二封板；114为握持部；120为反应单元阵列；121为进样口；122为出样口；123为样本液体存储腔；124为密封体腔；125为反应腔；126为样本管道；200为生物反应装置；201为主体构件；202为盖板；203为隔热垫；204为第一加热装置；205为第一加热肋板；206为第二加热肋板；207为托板；208为卡槽。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种多指标检测芯片，该多指标检测芯片的结构设计使其能够降低多指标检测过程中对配套硬件的需求，降低使用成本，提高便携性，满足多指标快速检测的需求。
本发明的另一核心在于提供一种基于上述多指标检测芯片的多指标检测装置及其使用方法。
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。
请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的多指标检测芯片的结构示意图，图2为本发明实施例提供的多指标检测芯片的板主体的俯视图，图3为本发明实施例提供的多指标检测芯片的板主体的仰视图。
本发明实施例中公开了一种多指标检测芯片100，包括芯片本体110，芯片本体110设置有多个反应单元，反应单元包括样本液体存储腔123、密封体腔124、反应腔125以及样本管道126，反应腔125以及样本管道126沿样本流动方向分别在样本液体存储腔123的下游方位，并与样本液体存储腔123连通，样本管道126用于连通相邻两个反应单元的样本液体存储腔123，密封体腔124用于盛放密封体且密封体腔124与样本管道126连通；各反应单元中，样本液体存储腔123依次通过样本管道126串联构成反应单元阵列120，位于反应单元阵列120两端的两个样本液体存储腔123分别连接于进样口121以及出样口122。
在应用时，样本液体通过移液枪从多指标检测芯片100的进样口121开始注入，首先填充第一个样本液体存储腔123，如图4（a）所示，由于样本液体存储腔123和反应腔125直接通过管道相连，没有自通气管道，且由于进样口121、出样口122直接与大气相连，使得第一个样本液体存储腔123到下方样本液体存储腔123的流阻小于样本液体存储腔123到反应腔125的流阻。因此液体无法填充反应腔125，而是继续填充下一个样本液体存储腔123，如图4（b）所示，类似的过程在每一个反应单元进行，最终样本完全填充每一个串联连接的样本液体存储腔123，如图4（c）和图4（d）所示，随后密封进样口121以及出样口122，密封完成后，甩动多指标检测芯片100，此时由于多指标检测芯片100完全密封，使得样本液体存储腔123只能向下方的反应腔125填充，用户手持多指标检测芯片100甩动提供的离心力能够使样本液体存储腔123的液体流向反应腔125，最终使所有的反应腔125被样本液体完全填充，样本与反应腔125内预先包埋的冻干LAMP试剂进行混合，如图4（e）所示，以准备后续的LAMP反应。
芯片采用可视化LAMP对样本进行恒温扩增。在每一个反应腔125中预包埋有冻干的可视化LAMP反应体系。样本检测可以通过肉眼直接观察反应腔125的颜色变化，也可以使用成像单元对反应腔125进行实时或者末点检测。优选的，可以在上位机通过图像分析技术对反应腔125的颜色进行实时分析，以得到反应进行程度的实时曲线。
综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的多指标检测芯片100的设计使其能够不借助流体操控硬件即可实现样本液体的驱动，从而降低检测过程中对配套硬件的需求，降低使用成本，提高便携性，满足快速检测的需求。
作为优选地，相邻两个样本液体存储腔123之间的样本管道126具有向远离位于下游方位的一个样本液体存储腔123的方向拱起的起拱段，起拱段的顶点所在位置高于反应腔125与样本液体存储腔123的连通处所在位置以及样本管道126与样本液体存储腔123的连通处所在位置，且反应腔125与样本管道126连通于起拱段的顶点，这样当密封体融化后可以流入样本管道126以及样本液体存储腔123与反应腔125的连接管道，更便于反应腔125的密封。
在本发明实施例中，反应腔125的容积不小于样本液体存储腔123的容积，以容纳样本液体存储腔123内的所有样本。
为便于用户握持多指标检测芯片100甩动，在本发明实施例中，芯片本体110设置有握持部114，握持部114的至少一个表面设置有间隔排列的多个沟槽或凸起以增加摩擦力。
进一步优化上述技术方案，如图1所示，上述芯片本体110包括板主体111、第一封板112以及第二封板113，其中，板主体111上按照反应单元阵列120的轮廓开设有槽状结构，板主体111与槽状结构的开口相悖的一侧表面设置有进样口121以及出样口122；第一封板112与板主体111设置有槽状结构的开口一侧表面密封配合连接以围成反应单元阵列120；第二封板113用于与板主体111设置有进样口121以及出样口122的一侧表面密封配合连接以封堵进样口121以及出样口122。
具体地，在本发明实施例中，密封体为石蜡，石蜡的熔点高于拟进行的核酸扩增反应所需的温度，如进行环介导等温扩增（LAMP）时，石蜡的熔点即采用高于LAMP反应所需的65℃左右，而低于我们设置的高温温度。我们设置的高温温度一般不超过95℃。
本发明实施例还提供了一种多指标检测装置，如图5和图6所示，该多指标检测装置包括多指标检测芯片100以及生物反应装置200，多指标检测芯片100为如上述实施例所述的多指标检测芯片100；生物反应装置200包括装置主体以及温控系统，装置主体设置有能够容置多指标检测芯片100的插槽，温控系统设置于装置主体并用于对插槽内的多指标检测芯片100进行加热。
如图7所示，上述装置主体包括主体构件201以及盖板202，主体构件201与盖板202可拆卸连接围成插槽，温控系统设置于主体构件201和/或盖板202，盖板202与主体构件201之间设置有隔热垫203。
具体地，上述温控系统包括设置于主体构件201的第一温控装置以及第二温控装置，第一温控装置包括第一加热肋板205、第一加热装置204以及第一温度测量装置，第一加热装置204具有多条间隔并排布置的第一加热肋板205，第一加热装置204与主体构件201可拆卸连接且两者之间设置有隔热垫203，第一温度测量装置用于控制第一加热装置204使第一加热肋板205达到第一预设温度；第二温控装置包括第二加热肋板206、第二加热装置以及第二温度测量装置，多条第二加热肋板206间隔并排布置且各第二加热肋板206与各第一加热肋板205相互间隔设置，第二加热装置一一对应地设置于第二加热肋板206，第二温度测量装置用于控制第二加热装置使第二加热肋板206达到第二预设温度；各第一加热肋板205在多指标检测芯片100上的投影覆盖多指标检测芯片100的各密封体腔124所在区域，各第二加热肋板206在多指标检测芯片100上的投影覆盖多指标检测芯片100的各反应腔125所在区域，第一温控装置与第二温控装置可以独立运转以实现不同区域不同温度，满足使用需求。
本发明还提供了一种基于如上述实施例所述的多指标检测装置的使用方法，该使用方法包括步骤：
1）向多指标检测芯片100内注入样本，使样本充满每一个串联连接的样本液体存储腔123，密封多指标检测芯片100的进样口121以及出样口122；
2）甩动多指标检测芯片100，使样本液体存储腔123内的样本进入与该样本液体存储腔123对应的反应腔125内，样本与反应腔125内预先包埋的冻干LAMP试剂混合；
3）将多指标检测芯片100放入生物反应装置200，对多指标检测芯片100进行分区加热，包括覆盖多指标检测芯片100的密封体腔124所在区域的高温加热区以及覆盖多指标检测芯片100的反应腔125所在区域的低温加热区，密封体腔124内的密封体在高温加热区的作用下融化流入样本管道126以及样本液体存储腔123与反应腔125之间的管道，并在低温加热区域内的管道处凝固，将反应腔125封闭，多指标检测芯片100的反应腔125内部的样本与LAMP试剂混合物在低温加热区的作用下进行LAMP反应。
芯片使用前密封体被密封在密封体腔124中，常温呈固体状态。芯片使用时，被放置于生物反应装置200进行加热。如图9（a）所示，第一加热肋板205的设置温度为65℃，第二加热肋板206的设置温度为95℃。加热后，由于密封体位于95℃加热区域，高于熔点，此时石蜡融化，在重力作用下流向样本管道126以及样本液体存储腔123与反应腔125之间的管道，如图9（b）所示。之后，95℃加热区域的石蜡仍处于液体状态，而非95℃加热区域的石蜡冷却后逐渐凝固，最终形成图9（c）的状态。通过这种方式，可以实现所有反应腔125的完全隔离。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种多指标检测芯片，其特征在于，包括芯片本体，所述芯片本体设置有多个反应单元，所述反应单元包括样本液体存储腔、密封体腔、反应腔以及样本管道，所述反应腔以及所述样本管道沿样本流动方向分别在所述样本液体存储腔的下游方位，并与所述样本液体存储腔连通，所述反应腔的容积不小于所述样本液体存储腔的容积，所述样本管道用于连通相邻两个所述反应单元的所述样本液体存储腔，所述密封体腔用于盛放密封体且所述密封体腔与所述样本管道连通，所述密封体为石蜡；
各所述反应单元中，所述样本液体存储腔依次通过所述样本管道串联构成反应单元阵列，位于所述反应单元阵列两端的两个所述样本液体存储腔分别连接于进样口以及出样口；
相邻两个所述样本液体存储腔之间的所述样本管道具有向远离位于下游方位的一个所述样本液体存储腔的方向拱起的起拱段，所述起拱段的顶点所在位置高于所述反应腔与所述样本液体存储腔的连通处所在位置以及所述样本管道与所述样本液体存储腔的连通处所在位置，且所述密封体腔与所述样本管道连通于所述起拱段的顶点；
所述芯片本体包括板主体、第一封板以及第二封板，所述板主体上按照所述反应单元阵列的轮廓开设有槽状结构，所述板主体与所述槽状结构的开口相悖的一侧表面设置有所述进样口以及所述出样口；所述第一封板与所述板主体设置有所述槽状结构的一侧表面密封配合连接以围成所述反应单元阵列；所述第二封板用于与所述板主体设置有所述进样口以及所述出样口的一侧表面密封配合连接以封堵所述进样口以及所述出样口。
2.根据权利要求1所述的多指标检测芯片，其特征在于，所述芯片本体设置有握持部，所述握持部的至少一个表面设置有间隔排列的多个沟槽或凸起以增加摩擦力。
3.一种多指标检测装置，其特征在于，包括：
多指标检测芯片，所述多指标检测芯片为如权利要求1或2所述的多指标检测芯片；
生物反应装置，所述生物反应装置包括装置主体以及温控系统，所述装置主体设置有能够容置所述多指标检测芯片的插槽，所述温控系统设置于所述装置主体并用于对所述插槽内的所述多指标检测芯片进行加热，所述装置主体包括主体构件以及盖板，所述主体构件与所述盖板可拆卸连接围成所述插槽，所述温控系统设置于所述主体构件和/或所述盖板；
所述温控系统包括设置于所述主体构件的第一温控装置以及第二温控装置，所述第一温控装置包括第一加热肋板、第一加热装置以及第一温度测量装置，多条所述第一加热肋板间隔并排布置，所述第一加热装置一一对应地设置于所述第一加热肋板，所述第一温度测量装置用于控制所述第一加热装置使所述第一加热肋板达到第一预设温度；
所述第二温控装置包括第二加热肋板、第二加热装置以及第二温度测量装置，多条所述第二加热肋板间隔并排布置且各所述第二加热肋板与各所述第一加热肋板相互间隔设置，所述第二加热装置一一对应地设置于所述第二加热肋板，所述第二温度测量装置用于控制所述第二加热装置使所述第二加热肋板达到第二预设温度；
各所述第一加热肋板在所述多指标检测芯片上的投影覆盖所述多指标检测芯片的各密封体腔所在区域，各所述第二加热肋板在所述多指标检测芯片上的投影覆盖所述多指标检测芯片的各反应腔所在区域。
4.一种非疾病诊断的基于如权利要求3所述的多指标检测装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：
1）向多指标检测芯片内注入样本，使样本充满每一个串联连接的样本液体存储腔，密封所述多指标检测芯片的进样口以及出样口；
2）甩动所述多指标检测芯片，使所述样本液体存储腔内的样本进入与该样本液体存储腔对应的反应腔内，样本与反应腔内预先包埋的冻干LAMP试剂混合；
3）将所述多指标检测芯片放入生物反应装置，对多指标检测芯片进行分区加热，包括覆盖多指标检测芯片的密封体腔所在区域的高温加热区以及覆盖多指标检测芯片的反应腔所在区域的低温加热区，密封体腔内的密封体在高温加热区的作用下融化流入样本管道以及样本液体存储腔与反应腔之间的管道，并在低温加热区域内的管道处凝固，将反应腔封闭，多指标检测芯片的反应腔内部的样本与LAMP试剂混合物在低温加热区的作用下进行LAMP反应。
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