CN114778468A - 一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，包括光电系统组件、温浴控温组件、电机结构组件、屏幕显示组件和控制芯片电路板组件；本发明采用的是不同波长的单波长光源，降低了系统中光路系统的复杂度，且光源强度编程可控，使得仪器具有良好的一致性，本发明的系统无需对样本进行离心、稀释等额外预处理即可进行检测，具有精确细胞操作的能力，在改造和小型化传统生化分析系统方面具有巨大潜力，利用无刷直流电机提供离心力，高效率的分离出芯片内全血样本中的血细胞和血浆，并在虹吸和离心的作用下定量稀释血浆并转移稀释血浆至反应孔与试剂混合反应，使得系统可以实现全自动化，集成化。

Description

一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统

技术领域

本发明涉及生化分析技术领域，尤其涉及一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统。

背景技术

在对血糖血脂、肾功、肝功、心肌酶谱等几十项生化指标检验中，生化分析是临床体外诊断中最为常用的方法之一。通过对血液、尿液等体液中这些生化指标的检测，为疾病的诊断、治疗、愈后及健康状态提供可靠、准确的信息依据。随着计算机技术、光学、电子学、自动化技术和各种生物化学分析技术进步以及临床医学的进步，出现了全自动化生化分析仪。这种把生化分析中试剂盘取放、取样、稀释、加试剂、反应、去干扰、移液、加热和冷却控制、检测、结果计算、显示、存储等实现自动化的仪器具有精度高、重复性好、快速、标准化等优点。替代了绝大部分的手工操作、提高了工作效率、并且减少了主观误差。

传统的全自动生化分析仪一般适用于大中型医院中心检验实验室，其缺点是价格昂贵且体积庞大，需要专业的医学检验人员操作和维护，且这种生化分析仪无法覆盖基层医疗机构或偏远地区等医疗资源匮乏、条件有限的地方，局限性较大，应用范围有限，例如现有的一种全自动序控液滴阵列系统，其需要提供额外的泵压系统，不易于集成化，小型化，且芯片中的相邻水滴之间可能形成交叉污染，因此，本发明提出一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，解决传统的全自动生化分析仪价格昂贵、体积庞大、需要专业的医学检验人员操作和维护的问题以及应用范围有限的问题，解决现有的一种全自动序控液滴阵列系统不易于集成化、小型化以及芯片中的相邻水滴之间可能形成交叉污染的问题。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，包括光电系统组件、温浴控温组件、电机结构组件、屏幕显示组件和控制芯片电路板组件，所述光电系统组件包括LED光源、滤光片和硅光电二极管，所述LED光源输出端设有透镜，所述滤光片设于硅光电二极管上方；

所述温浴控温组件包括加热膜、温度传感器和离心式微流控芯片，所述温度传感器设于离心式微流控芯片的周围并用于检测离心式微流控芯片周围温度，所述加热膜设于离心式微流控芯片的上下两端，所述离心式微流控芯片包括芯片座、芯片盖和遮光膜，所述芯片盖位于芯片座和遮光膜之间，所述芯片座上设有稀释液杯、样本注入腔、样本定量腔、稀释液储存腔、稀释液定量腔、混合腔、废液腔、虹吸通道和比色孔，所述比色孔包括反应孔、样本指示孔、对比孔和材料孔；

所述电机结构组件包括有刷电机和无刷电机，所述有刷电机结合系统结构设计来驱动离心式微流控芯片进行装盘与卸盘，所述无刷电机为离心式微流控芯片提供离心力并分离全血样本的血细胞与血浆；

所述屏幕显示组件为镶嵌于系统外壳上的LCD显示屏；

所述控制芯片电路板组件包括复杂可编程逻辑器件、ADG1208八选一多路开关、AD芯片、FSMC协议、STM32嵌入式单片机、ARM处理器和用户程序。

进一步改进在于：所述稀释液杯位于芯片座顶端中心位置，所述样本注入腔和稀释液存储腔位于稀释液杯两侧，所述稀释液存储腔通过微通道与稀释液定量腔连通，所述对比孔位于芯片座顶端远离稀释液定量腔的一侧，所述样本注入腔通过微通道与样本定量腔连通，所述样本定量腔通过微通道与混合腔相连，所述稀释液定量腔的径向外侧和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，所述样本定量腔和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，所述反应孔呈弧形均匀分布于芯片座顶端周边并连通混合腔。

进一步改进在于：所述遮光膜上打印有用于确定待检测项目的二维码，所述反应孔内填充有冻干试剂，所述稀释液杯内存储有稀释液，所述样本注入腔内的血液样本通过移液器注入。

进一步改进在于：所述LED光源采用恒流源驱动电路驱动并提供340～850nm范围内的单一波长的单色光，所述恒流源驱动电路上连接有用于调节光源强度的数字电位计，所述数字电位计的输出管脚与恒流源驱动电路的A、W和B端口相连。

进一步改进在于：所述硅光电二极管采用S1133二极管作为光电转换器件，所述硅光电二极管光谱响应范围为320～1100nm，且响应时间小于0.5μS，所述硅光电二极管采用I-V转换电路和增益可调放大电路对光转换的电流信号进行转换和放大。

进一步改进在于：所述LED光源为五路光源，所述离心式微流控芯片旋转进行AD信号采集时对五路光源进行即时切换，所述复杂可编程逻辑器件驱动ADG1208八选一多路开关进行信号的切换，并驱动16位AD芯片进行信号的采集，所述FSMC协议将采集后的原始数据传送给STM32嵌入式单片机。

进一步改进在于：所述STM32嵌入式单片机对原始数据进行滤波处理并标记数据，处理后的数据通过串口发送给ARM处理器，所述用户程序通过QT软件开发并安装于ARM处理器上移植的Android系统上，所述用户程序调用数据库中对应的数据对来自STM32嵌入式单片机的数据进行处理，得到离心式微流控芯片中每一个反应孔中的生化指标的浓度，并通过LCD显示屏可视化显示出来。

进一步改进在于：所述芯片座和芯片盖采用PMMA颗粒注塑成型，所述芯片座和芯片盖通过超声焊接。

本发明的有益效果为：本发明采用离心式微流控芯片技术可以使得系统易于集成化、小型化、便携化，同时采用的是不同波长的单波长光源，降低了系统中光路系统的复杂度，且光源强度编程可控，使得仪器具有良好的一致性，无需对样本进行离心、稀释等额外预处理即可进行检测，具有精确细胞操作的能力，在改造和小型化传统生化分析系统方面具有巨大潜力，利用无刷直流电机提供离心力，高效率的分离出芯片内全血样本中的血细胞和血浆，并在虹吸和离心的作用下定量稀释血浆并转移稀释血浆至反应孔与试剂混合反应，使得系统可以实现全自动化，集成化，且凭借离心式微流控芯片的集成优势使得系统小型化。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的离心式微流控芯片结构分解图；

图3是本发明的芯片座俯视结构示意图；

图4是本发明的恒流源驱动电路结构示意图；

图5是本发明的增溢可调放大电路结构示意图；

图6是本发明的系统外壳结构示意图。

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作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。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，本实施例提供了一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，包括光电系统组件、温浴控温组件、电机结构组件、屏幕显示组件和控制芯片电路板组件，光电系统组件包括LED光源、滤光片和硅光电二极管，LED光源输出端设有透镜，滤光片设于硅光电二极管上方，在硅光电二极管上方引入滤光片的目的是降低其他波长光源信号对目标光源信号检测造成的干扰；

温浴控温组件包括加热膜、温度传感器和离心式微流控芯片，温度传感器设于离心式微流控芯片的周围并用于检测离心式微流控芯片周围温度，离心式微流控芯片直径为6.6cm，加热膜设于离心式微流控芯片的上下两端，以保证加热充分，离心式微流控芯片包括芯片座、芯片盖和遮光膜，芯片盖位于芯片座和遮光膜之间，芯片座上设有稀释液杯、样本注入腔、样本定量腔、稀释液储存腔、稀释液定量腔、混合腔、废液腔、虹吸通道和比色孔，比色孔包括反应孔、样本指示孔、对比孔和材料孔，反应孔有3种不同的深度，分别为5μm、4.3μm、2.5μm，以适应不同试剂的敏感性和分析物的浓度；

电机结构组件包括有刷电机和无刷电机，如图1所示，利用有刷电机配合结构设计完成离心式微流控芯片的装盘与卸盘，在完成离心式微流控芯片的装盘之后由无刷电机提供离心力；

屏幕显示组件为镶嵌于系统外壳上的LCD显示屏；

控制芯片电路板组件包括复杂可编程逻辑器件、ADG1208八选一多路开关、AD芯片、FSMC协议、STM32嵌入式单片机、ARM处理器和用户程序。

稀释液杯位于芯片座顶端中心位置，样本注入腔和稀释液存储腔位于稀释液杯两侧，稀释液存储腔通过微通道与稀释液定量腔连通，对比孔位于芯片座顶端远离稀释液定量腔的一侧，样本注入腔通过微通道与样本定量腔连通，样本定量腔通过微通道与混合腔相连，稀释液定量腔的径向外侧和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，样本定量腔和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，反应孔呈弧形均匀分布于芯片座顶端周边并连通混合腔。

遮光膜上打印有用于确定待检测项目的二维码，反应孔内填充有冻干试剂，稀释液杯内存储有稀释液，样本注入腔内的血液样本通过移液器注入。

LED光源采用恒流源驱动电路驱动并提供340～850nm范围内的单一波长的单色光，恒流源驱动电路如图4所示，恒流源驱动电路上连接有用于调节光源强度的数字电位计，数字电位计的输出管脚与恒流源驱动电路的A、W和B端口相连，通过编程控制W、B之间的输出电阻来改变运放的三管脚电压，因为虚短运放的二管脚电压与三管脚电压相同，因此通过电阻R2改变流经LED光源的电流大小，达到控制LED光源的发光强度。

硅光电二极管采用S1133二极管作为光电转换器件，硅光电二极管光谱响应范围为320～1100nm，且响应时间小于0.5μS，硅光电二极管采用I-V转换电路和增益可调放大电路对光转换的电流信号进行转换和放大,增溢可调放大电路如图5所示，前两级运放组成的电路将硅光电二极管感光产生的电流转换为电压，同时将转换后的电压放大了R3/R2倍，为了实现增益放大可调，增加了第三级运放，该运放的反馈电阻连接端W1、B1与6通道独立可编程的数字电位计相连，使放大倍数可由程序调控。

LED光源为五路光源，离心式微流控芯片旋转进行AD信号采集时对五路光源进行即时切换，复杂可编程逻辑器件驱动ADG1208八选一多路开关进行信号的切换，并驱动16位AD芯片进行信号的采集，FSMC协议将采集后的原始数据传送给STM32嵌入式单片机。

STM32嵌入式单片机对原始数据进行滤波处理并标记数据，处理后的数据通过串口发送给ARM处理器，用户程序通过QT软件开发并安装于ARM处理器上移植的Android系统上，用户程序调用数据库中对应的数据对来自STM32嵌入式单片机的数据进行处理，得到离心式微流控芯片中每一个反应孔中的生化指标的浓度，并通过LCD显示屏可视化显示出来。

芯片座和芯片盖采用PMMA颗粒注塑成型，芯片座和芯片盖通过超声焊接，在生产离心微流控芯片的时候将要检测的生化项目相应的冻干试剂装入芯片的反应孔中，以及将稀释液通过存储于小型储液容器的形式内嵌入芯片中。

该系统无需对样本进行离心、稀释等额外预处理即可进行检测，通常采集静脉血液样本进行生化分析，在添加样本的时候无需精确计算样本量，血液样本不多于50μL的样本注入腔容量，加样后使用者将离心式微流控芯片放入本发明的系统分析仪器。

使用时，通过移液器将血液样本注入样本注入腔，通过设置无刷电机转速实现全血样本的血细胞与血浆的分离，分离后的血浆储存在离心式微流控芯片样本定量腔内，通过毛细血管的虹吸作用和无刷电机产生的离心力将血浆和稀释液按一定比例混合稀释，稀释后的血浆在微通道的牵引下进入到反应孔中与试剂混合反应，反应过程中由加热膜提供37±0.3℃的温浴环境，反应后的溶液将等待后续的检测，在检测时，首先五路不同波长的单一波长光源(LED光源)发射出来的光束经过透镜汇聚成直径小于1.7mm的光束，调整光径方向使光束与硅光电二极管对齐，一旦离心式微流控芯片的反应孔进入该光束的光径位置，将会有光源透射至硅光电二极管上，硅光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，滤光片放置在硅光电二极管的上方，其作用类似于一个带通滤波器，每一片滤光片只能通过其正上方光源发射出来的中心波长范围内的光，由朗伯-比尔定律(Beer-Lambert Law)可知,物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度存在一定数学关系，因此，反应孔中不同浓度的溶液其透射后的光强度不同，硅光电二极管将不同强度的光信号转换为对应大小的电流信号，转换后的电流信号经过I-V增溢可调放大电路进行一定比例的放大，放大后的电压信号经16位的AD芯片采集，得到其AD值，从而可以间接描述出光源透射反映孔后的光强度大小，通过无刷电机带动芯片旋转，得到于离心式微流控芯片上所有不同功能孔的透射光强，物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系为：

式中，A为吸光度，在此系统中可由测量的I₀和I的AD值代数表示，K为摩尔系数，不同物质的摩尔系数不同，l在此系统中为芯片中反映孔的深度，C为反映孔中待测溶液的浓度，根据此原理可以准确的测量出不同反映孔中生化指标的浓度。

实施例二

当该检测系统检测到有盘加载时(即离心式微流控芯片的装盘)，当仪器检测到有盘加载时，点击LCD显示屏上的“开始”按钮，仪器会在预先设置好的流程下开始进行工作，前1s离心式微流控芯片以200rad/s逆时针方向转动，初始化完成，接下来无刷电机使芯片以3000rad/s逆时针转动9s，再加速至5500rad/s逆时针转动130s，离心力会使稀释液从稀释液储存腔进入稀释液定量腔，该定量腔径向最外侧的微通道使稀释液以预期的方式加载至该定量腔，剩余的稀释液会溢出稀释液定量腔，并沿着预定通道顺序填充四个对比孔，并且多余的稀释液会流入芯片中与其他部分隔离的废液腔中，且该废液腔留有穿透底部的通孔，用于排除稀释液转移过程中的空气，后续这4个对比孔将用于芯片内部的质量控制；

在稀释液定量并转移的过程中，无刷电机产生的离心力使血液样本经过微通道流入样本定量腔中，该样本定量腔的容积为14.3μL，多余的样本会在设定的微通道引导下一部分进入样本指示孔中，剩余部分流入隔离的废液腔中，同样该样本废液腔也留有穿透底部的通孔，用于排除样本转移过程中的空气，仪器会检测样本指示孔信号，检测到样本充足继续执行一下流程，否则中止检测，在样本定量腔中的血液样本会在离心力的作用下分离成血细胞和血浆。在130s的5500rad/s逆时针离心下，得到澄清的血浆；

在定量稀释液和定量样本离心分离血浆和血细胞之后，接下来的任务便是混合稀释液和分离出来的血浆，此时无刷电机停止旋转，芯片静止，半S型毛细血管微通道连接稀释液定量腔的径向外侧和混合腔的径向内测，另一个毛细血管微通道连接样本定量腔的一侧和混合腔的径向内测；

在虹吸作用下产生的毛细力使得稀释液定量腔中的稀释液和样本定量腔中的血浆流向混合腔，芯片静止30s后再顺时针以5000rad/s的速度旋转30s，使得稀释液和血浆从相应的腔室中完全流入混合腔中，当稀释液和血浆都流入混合腔后需要对其进行混匀操作，采用的方法是让芯片逆时针以1600rad/s旋转再升速至5400rad/s旋转，如此反复40次，这种急加速和急减速可以产生足够的切向力来混匀混合腔中的液体，此时芯片中混合腔内成功得到混合液，接下来同样利用虹吸作用产生的微通道毛细力和无刷电机产生的离心力使混匀后的液体依次流入17个反应孔，多余的液体会流入隔离的废液池中，此废液池也留有由底向上穿透的通孔来排除混匀液体转移至反应孔过程中产生的气体，当液体进入反应孔时，每一个孔里有预放的冻干试剂小球，此时开始发生显色反应，反应孔中试剂与混合液发生了显色反应，为了使反应充分需要使混合液与试剂混匀。采用方法类似于混匀稀释液和血浆类似，让芯片先顺时针以1000rad/s旋转再逆时针以1000rad/s旋转，反复执行72次，可以使混合液和试剂充分混合，此时反应更充分，混匀后使芯片以240rad/s顺时针旋转便可以利用上述介绍的系统流程来进行生化指标的检测。

首先进行扫码确定检测项目，将离心式微流控芯片放入芯片槽中，便可以在软件设置的流程下开始测量，对所有不同血细胞比容的血液样本，该系统的血细胞和血浆的分离效率超过99％，其中血浆纯度超过99％。根据医药行业标准YY/T 0654-2008规定，测量了该系统在重洛酸钾标准溶液(以蒸馏水为空白，允许偏差为±5％)的吸光度，重复测定三次，得到的cv变异系数为1.74％，其吸光度准确度满足其cv值小于2.5％(吸光度为0.5)的要求，同时也测量了该系统的杂散光(以蒸馏水作参考，在340nm处测定50g/L的亚硝酸钠标准溶液)以及吸光度线性范围等，均满足医药行业标准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：包括光电系统组件、温浴控温组件、电机结构组件、屏幕显示组件和控制芯片电路板组件，所述光电系统组件包括LED光源、滤光片和硅光电二极管，所述LED光源输出端设有透镜，所述滤光片设于硅光电二极管上方；

所述温浴控温组件包括加热膜、温度传感器和离心式微流控芯片，所述温度传感器设于离心式微流控芯片的周围并用于检测离心式微流控芯片周围温度，所述加热膜设于离心式微流控芯片的上下两端，所述离心式微流控芯片包括芯片座、芯片盖和遮光膜，所述芯片盖位于芯片座和遮光膜之间，所述芯片座上设有稀释液杯、样本注入腔、样本定量腔、稀释液储存腔、稀释液定量腔、混合腔、废液腔、虹吸通道和比色孔，所述比色孔包括反应孔、样本指示孔、对比孔和材料孔；

所述电机结构组件包括有刷电机和无刷电机，所述有刷电机结合系统结构设计来驱动离心式微流控芯片进行装盘与卸盘，所述无刷电机为离心式微流控芯片提供离心力并分离全血样本的血细胞与血浆；

所述屏幕显示组件为镶嵌于系统外壳上的LCD显示屏；

所述控制芯片电路板组件包括复杂可编程逻辑器件、ADG1208八选一多路开关、AD芯片、FSMC协议、STM32嵌入式单片机、ARM处理器和用户程序。

2.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述稀释液杯位于芯片座顶端中心位置，所述样本注入腔和稀释液存储腔位于稀释液杯两侧，所述稀释液存储腔通过微通道与稀释液定量腔连通，所述对比孔位于芯片座顶端远离稀释液定量腔的一侧，所述样本注入腔通过微通道与样本定量腔连通，所述样本定量腔通过微通道与混合腔相连，所述稀释液定量腔的径向外侧和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，所述样本定量腔和混合腔的径向内侧通过半S型毛细血管微通道连通，所述反应孔呈弧形均匀分布于芯片座顶端周边并连通混合腔。

3.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述遮光膜上打印有用于确定待检测项目的二维码，所述反应孔内填充有冻干试剂，所述稀释液杯内存储有稀释液，所述样本注入腔内的血液样本通过移液器注入。

4.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述LED光源采用恒流源驱动电路驱动并提供340～850nm范围内的单一波长的单色光，所述恒流源驱动电路上连接有用于调节光源强度的数字电位计，所述数字电位计的输出管脚与恒流源驱动电路的A、W和B端口相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述硅光电二极管采用S1133二极管作为光电转换器件，所述硅光电二极管光谱响应范围为320～1100nm，且响应时间小于0.5μS，所述硅光电二极管采用I-V转换电路和增益可调放大电路对光转换的电流信号进行转换和放大。

6.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述LED光源为五路光源，所述离心式微流控芯片旋转进行AD信号采集时对五路光源进行即时切换，所述复杂可编程逻辑器件驱动ADG1208八选一多路开关进行信号的切换，并驱动16位AD芯片进行信号的采集，所述FSMC协议将采集后的原始数据传送给STM32嵌入式单片机。

7.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述STM32嵌入式单片机对原始数据进行滤波处理并标记数据，处理后的数据通过串口发送给ARM处理器，所述用户程序通过QT软件开发并安装于ARM处理器上移植的Android系统上，所述用户程序调用数据库中对应的数据对来自STM32嵌入式单片机的数据进行处理，得到离心式微流控芯片中每一个反应孔中的生化指标的浓度，并通过LCD显示屏可视化显示出来。

8.根据权利要求1所述的一种基于离心式微流控芯片的血液生化指标自动检测系统，其特征在于：所述芯片座和芯片盖采用PMMA颗粒注塑成型，所述芯片座和芯片盖通过超声焊接。

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