CN115466670A - 一种用于核酸提取与检测的微控流芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，属于分子检测技术领域，包括顺次设置的核酸提取层和核酸检测层，所述核酸提取层包括顺次连通的进液口、核酸提取区以及气孔，所述进液口包括试剂加入口和样本加入口，所述气孔用于连接真空设备，所述真空设备用于产生驱动试剂和样本流动的负压动力，所述核酸检测层包括能够保持负压的核酸扩增区，所述核酸提取区与所述核酸扩增区通过连通孔连通，所述连通孔内设置有用于控制其通断的堵头。本发明将核酸提取层和核酸检测层通过连通孔连通，能够利用负压在核酸提取层提取核酸，并利用负压通过连通孔将提取的核酸通向核酸检测层进行扩增，能够简化操作步骤，快速、简单、准确的进行核酸提取和检测。
Description
技术领域
本发明涉及分子检测技术领域，特别是涉及一种用于核酸提取与检测的微控流芯片。
背景技术
新型冠状病毒因其具有极强的传染性给全球医疗带来了极大的挑战。如果可以快速的对有症状的患者进行检测可以在很大的程度上控制其传播。目前，RT-PCR已经成为检测新冠病毒的金标准。但是由于RT-PCR在反应中实现对温度的精准控制并且前处理过程需要专业人员进行操作，所以RT-PCR不适用于医院急诊和基层医疗机构。随着微流控技术以及基于固相膜核酸提取技术的发展，使得POCT技术可以在核酸检测领域中得到极大的应用。
然而，大多数用于核酸检测的微流控芯片非常依赖设备来驱动样本流动和完成相关试剂的加载，现有的微流控芯片中虽然可以实现部分核酸提取步骤，但是仍需要人工进行操作或者极其依赖大型设备，这些显然不利于在POCT中的应用。
例如，授权公告号为CN 109536366 B的中国专利公开了一种基于改性毛细管的核酸检测微流控芯片及核酸检测系统，微流控芯片内部包含改性毛细管，用于吸附待测溶液样本中的目标核酸，作为实现核酸吸附、纯化、扩增和检测的自动化实现方式的载体。该方案通过控制气源、电磁阀、注射泵等元器件实现对样本和解裂解等的流动控制，结构复杂，成本较高。
再如，授权公告号为CN 214088471 U的中国专利公开了一种核酸提取与检测结构，核酸提取与检测结构用于设置于芯片上，核酸提取与检测结构用于带动其内的流体随着芯片做离心运动，核酸检测单元用于对核酸进行检测；废液盛放单元与核酸提取单元连通并能够用于盛放核酸提取单元在进行吸附和清洗过程所产生的废液；该方案的核酸提取单元与核酸检测单元连通，核酸提取单元用于在离心力和毛细力的驱动下按照顺序进行核酸的吸附、清洗和洗脱并将洗脱后得到的核酸输送至核酸检测单元内；需要依赖于大型设备，并需要专业操作，不利于基层应用。
因此，如何能够快速、简单、准确的来检测新冠病毒等病毒，并适用于基层应用是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，以解决上述现有技术存在的问题，通过设置核酸提取层和核酸检测层，并将二者通过连通孔连通，能够利用负压在核酸提取层提取核酸，并利用负压通过连通孔将提取的核酸通向核酸检测层进行扩增，从而能够简化操作步骤，快速、简单、准确的进行核酸提取和检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，包括顺次设置的核酸提取层和核酸检测层，所述核酸提取层包括顺次连通的进液口、核酸提取区以及气孔，所述进液口包括试剂加入口和样本加入口，所述气孔用于连接真空设备，所述真空设备用于产生驱动试剂和样本流动的负压动力，所述核酸检测层包括能够保持负压的核酸扩增区，所述核酸提取区与所述核酸扩增区通过连通孔连通，所述连通孔内设置有用于控制其通断的堵头。
优选地，所述核酸提取层包括芯片顶层和微通道层，所述核酸检测层包括微阵列顶层和微阵列层。
优选地，所述芯片顶层上设置有呈三角形分布的裂解液预存区、洗涤液预存区和洗脱液预存区，且分别连通有不同的所述试剂加入口。
优选地，所述洗涤液预存区、所述裂解液预存区和所述洗脱液预存区分别呈阶梯孔结构，所述阶梯孔结构的小孔处设置有密封软膜。
优选地，所述微通道层设置有主通道和与所述主通道连通的若干支通道，不同所述试剂加入口和所述样本加入口分别连通不同所述支通道，所述主通道连通所述核酸提取区。
优选地，所述微通道层设置有所述核酸提取区，所述核酸提取区与所述气孔之间设置有废液区，所述废液区内设置有吸水材料。
优选地，所述核酸提取区低于与其连通的各通道，且所述核酸提取区设置有固相膜。
优选地，所述微阵列层上设置有所述核酸扩增区，所述核酸扩增区包括若干分扩增区，若干所述分扩增区分别顺次通过螺栓阀、反应物预存区连通所述连通孔。
优选地，所述微阵列顶层开设有与所述反应物预存区连通的反应物加入口，以及与所述螺栓阀连通的螺栓孔。
优选地，所述废液区与所述核酸扩增区的投影非重叠。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明通过设置核酸提取层和核酸检测层，并将二者通过连通孔连通，能够利用负压在核酸提取层提取核酸，并利用负压通过连通孔将提取的核酸通向核酸检测层进行扩增，从而能够简化操作步骤，快速、简单、准确的进行核酸提取和检测；
(2)本发明不同试剂加入口和样本加入口分别连通不同支通道，支通道连通主通道，再通过主通道连通核酸提取区，也就是说，不同试剂进入核酸提取区的路径和样本进入核酸提取区的路径是不同的，试剂和样本之间不会相互混合影响，从而能够保证检测结果的准确性；
(3)本发明核酸提取区低于与其连通的各通道，且核酸提取区设置有固相膜，能够保证样本与裂解液的混合液能够停留于固相膜所在区域，避免直接在负压作用下被吸走，充分保证裂解过程；当洗涤液进入固相膜所在的区域时，混合液会溢出固相膜所在区域并在负压的作用下移动至废液区；由于洗脱液的量大于裂解液与洗涤液，当洗脱液释放完毕后会将核酸提取区内的废液全部替换；
(4)本发明核酸扩增区包括若干分扩增区，若干分扩增区分别顺次通过螺栓阀、反应物预存区连通连通孔，通过螺栓阀和反应物预存区的配合控制，能够将反应物顺利进入核酸扩增区中的微腔中，在冻干机中完成反应物的冻干；不同的分扩增区可以储存不同的反应物，从而，能够同时进行不同病原体的检测；另外，通过控制连通孔的通断，能够将核酸提取区的核酸顺利进入核酸扩增区中进行扩增；
(5)本发明废液区与核酸扩增区的投影非重叠，也就是说，废液区不会形成对核酸扩增区的遮挡，从而能够避免干扰，能够顺利检测核酸扩增区微阵列中微孔处发出的荧光信号，保证最终检测结果的准确性。
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为本发明整体结构示意图；
图2为图1爆炸结构示意图；
图3为本发明芯片顶层结构示意图；
图4为本发明微通道层结构示意图；
图5为本发明微阵列顶层结构示意图；
图6为本发明微阵列层结构示意图；
图7为本发明工作流程图；
其中，1、芯片顶层；11、洗涤液预存区；12、裂解液预存区；13、洗脱液预存区；14、样本加入口；15、第一连通孔；16、气孔；2、微通道层；21、洗涤液支通道；22、裂解液支通道；23、洗脱液支通道；24、样本支通道；25、第二连通孔；26、气通道；27、废液区；28、核酸提取区；29、主通道；3、微阵列顶层；31、第三连通孔；32、反应物加入口；33、螺栓孔；4、微阵列层；41、第四连通孔；42、反应物预存区；43、螺栓阀；44、核酸扩增区。
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。
本发明的目的是提供一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，以解决现有技术存在的问题，通过设置核酸提取层和核酸检测层，并将二者通过连通孔连通，能够利用负压在核酸提取层提取核酸，并利用负压通过连通孔将提取的核酸通向核酸检测层进行扩增，从而能够简化操作步骤，快速、简单、准确的进行核酸提取和检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～6所示，本发明提供一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，包括顺次设置的核酸提取层和核酸检测层，核酸提取层主要用于完成对核酸的提取操作，核酸检测层主要用于完成对核酸的扩增和检测操作。具体的，核酸提取层包括顺次连通的进液口、核酸提取区28以及气孔16，进液口包括试剂加入口和样本加入口14，核酸提取区28作为核酸提取的核心区域，通过试剂加入口向核酸提取区28供入各步骤所需的试剂，通过样本加入口14向核酸提取区28供入待检测的样本；气孔16则用于连接真空设备以产生负压，利用负压动力驱动各试剂或样本流动到核酸提取区28。核酸检测层包括能够保持负压的核酸扩增区44，需要说明的是，核酸扩增区44内应预制有供核酸扩增的反应物，而在设置反应物后仍能保持核酸扩增区44的负压，可以通过设置连通孔以及堵头实现。至于核酸扩增区44内预制反应物的方法，可以直接注入，注入完成后再进行封闭，封闭后再进行抽真空保持负压；也可以初始就进行封闭，并抽真空产生负压，利用负压吸附的方式驱动进入，最后再抽真空并保持负压。核酸提取区28与核酸扩增区44通过连通孔连通，经过核酸提取区28提取的核酸能够通过连通孔进入到核酸扩增区44，连通孔内设置有用于控制其通断的堵头，通过控制堵头以控制核酸流动的时机，即在核酸提取完成后再打开堵头。堵头可以采用密封塞或螺栓等形式。本发明通过设置核酸提取层和核酸检测层，并将二者通过连通孔连通，能够利用负压在核酸提取层提取核酸，并利用负压通过连通孔将提取的核酸通向核酸检测层进行扩增，从而能够简化操作步骤，快速、简单、准确的进行核酸提取和检测。
核酸提取层和核酸检测层可以采用一体结构的方式，例如采用3D打印技术等进行制备；也可以通过分层制作再贴合连接的方式，例如，如图1～2所示，核酸提取层可以包括芯片顶层1和微通道层2，具体可以在微通道层2开设各连通通道和核酸提取区28，在芯片顶层1开设与各通道或核酸提取区28连通的开孔。核酸检测层包括微阵列顶层3和微阵列层4，具体可以在微阵列层4开设各连通通道和核酸扩增区44，在微阵列顶层3开设与各通道或核酸扩增区44连通的开孔。在制作过程中，可以先分别完成核酸检测层和核酸提取层，并将反应物填入到核酸扩增区44，再将核酸检测层和核酸提取层连接后形成整个芯片。
结合图3所示，芯片顶层1上设置有呈三角形分布的裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13，分别连通有不同的试剂加入口。通过裂解液预存区12预存裂解液并能够将裂解液通过试剂加入口流入核酸提取区28，通过洗涤液预存区11预存洗涤液并能够将洗涤液通过试剂加入口流入核酸提取区28，通过洗脱液预存区13预存洗脱液并能够将洗脱液通过试剂加入口流入核酸提取区28。各预存区分别设置有控制通断的阀门，能够控制各试剂流入核酸提取区28的先后顺序，阀门可以采用可拔出的塞子或可刺破的薄膜等形式。
裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13均可以呈阶梯孔结构的形式，阶梯孔结构可以形成各试剂的储存空间，在阶梯孔结构的小孔处设置密封软膜，利用密封软膜将小孔封闭，通过刺破密封软膜可以使得储存空间内的试剂进入核酸提取区28内，从而通过控制刺破不同密封软膜的顺序，可以控制各试剂进入核酸提取区28的顺序。另外，根据试剂用量的需求，不同的预存区的大小可以不同，便于控制用量，当然，也可以采用相同大小的预存区，而通过控制注入试剂的量的多少来控制最终用量。
结合图4所示，微通道层2可以设置有主通道29和与主通道29连通的若干支通道，支通道包括有洗涤液支通道21、裂解液支通道22、洗脱液支通道23以及样本支通道24，不同的支通道连通有不同的试剂加入口或样本加入口14，而主通道29连通核酸提取区28。因此，洗涤液、裂解液、洗脱液以及样本进入核酸提取区28的路径是不同的，样本不会流入试剂预存区的位置，不会在试剂释放后还留在预存区处而造成对样本处理步骤的影响，即试剂和样本之间不会相互混合影响，从而能够保证检测结果的准确性。
微通道层2设置有核酸提取区28，核酸提取区28除了连通有主通道29外，还连通有废液区27，而废液区27设置在核酸提取区28与气通道26之间，试剂不会直接进入废液区27，只有经过核酸提取区28被应用后才能进入废液区27，气通道26与芯片顶层1上所设置的气孔16连通，通过气孔16连接负压设备驱动废液流动，进而，废液区27能够用于储存核酸提取过程中所产生的废液，另外，废液区27内可以设置有吸水材料，以更好的储存并吸收废液。
在芯片的使用状态，核酸提取区28位置低于与其连通的各通道，样本和各试剂能够顺利进入核酸提取区28，进行停留和反应，只有在负压吸力作用下才能把多余的或经反应过的废液排出。另外，核酸提取区28还可以设置有固相膜，固相膜对核酸具有吸附作用，能够更好的将核酸限定在核酸提取区28进行相应的提取过程，避免直接在负压作用下被吸走。当洗涤液进入固相膜所在的区域时，核酸和裂解液组成的混合液会溢出固相膜所在区域并在负压的作用下移动至废液区27；由于洗脱液的量大于裂解液与洗涤液，当洗脱液释放完毕后会将核酸提取区28内的废液全部替换。
结合图6所示，微阵列层4上设置有核酸扩增区44，核酸扩增区44可以包括若干分扩增区，不同的分扩增区内可以设置不同的反应物，从而多个分扩增区的设置可同时进行多种不同病原体的检测。若干分扩增区分别顺次通过螺栓阀43、反应物预存区42连通连通孔。连通孔包括位于芯片顶层1上的第一连通孔15、位于微通道层2上的第二连通孔25、位于微阵列顶层3上的第三连通孔31以及位于微阵列层4上的第四连通孔41，第一连通孔15、第二连通孔25、第三连通孔31和第四连通孔41上下贯通形成连通孔。通过螺栓阀43和反应物预存区42的配合控制，能够将反应物顺利进入核酸扩增区44中的微腔中，在冻干机中完成反应物的冻干；另外，通过控制连通孔及其堵头，能够将核酸提取区28的核酸顺利进入核酸扩增区44中进行扩增。
结合图5所示，微阵列顶层3开设有与反应物预存区42连通的反应物加入口32，还开设有与螺栓阀43连通的螺栓孔33。反应物加入口32和螺栓孔33的设置主要用于向核酸扩增区44内注入反应物。
如图2、图4和图6所示，废液区27与核酸扩增区44的投影非重叠，也就是说，废液区27不会形成对核酸扩增区44的遮挡，从而能够避免干扰，能够顺利检测核酸扩增区44中微孔处发出的荧光信号，保证最终检测结果的准确性。
本发明芯片其中一具体实施例如下：
芯片顶层1厚约12mm；裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13的直径25mm、高10mm，可以分别固定有直径为25mm的密封软膜(该密封软膜可被钢针戳破)，随后可以依次加入1ml、1ml、2ml的裂解液、洗涤液和洗脱液；各台阶孔结构的小孔处直径5mm、高2mm；样本加入口14和气孔16直径5mm、高12mm；第一连通孔15直径6mm、高12mm。
微通道层2厚12mm；核酸提取区28直径12mm、高10mm，可以贴合有直径12mm的固相膜；废液区27长×宽×高20mm×12mm×8mm；气通道26与气孔16连通处直径5mm、高8mm；第二连通孔25直径6mm、高12mm。
微阵列顶层3厚5mm；第三连通孔31直径6mm、高5mm；各反应物加入口32和螺栓孔33均为直径1mm、高5mm。
微阵列层4厚5mm；第四连通孔41直径6mm、高2.5mm；各反应物预存区42长×宽×高2.5mm×0.9mm×2.5mm；各螺栓阀43直径1mm、高2.5mm。
本发明应用前的准备工作如下：
将微阵列顶层3与微阵列层4贴合，贴合后需要进行反应物存放操作，操作时需要对贴合后的微阵列顶层3和微阵列层4进行负压处理，并用螺栓阀43进行密封，然后将反应物通过反应物加入口32注入反应物预存区42，此时，打开螺栓阀43，反应物能够在负压作用下自动进入核酸扩增区44中的各个微孔中，再进行冻干处理，完成反应物的存放操作。
微通道层2在贴合前需要提前将固相膜固定于核酸提取区28，并在废液区27放置吸水材料，在废液区27与气通道26之间放置透气不透水的密封膜。
再然后可将芯片整体贴合并进行二次负压处理使得微阵列层4仍保持负压状态，使用贯穿第一连通孔15、第二连通孔25、第三连通孔31和第四连通孔41的螺栓对连通孔进行密封。
在裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13的各小孔处固定密封软膜，将核酸提取过程中所需的裂解液、洗涤液和洗脱液分别注入到裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13。
最后使用胶带将芯片顶层1进行覆盖。
如图7所示，本发明的整体工作流程如下：
首先将样本加入口14的胶带撕开，将样本注入样本加入口14中。
随后使用设备中不同长度的钢针依次戳破裂解液预存区12、洗涤液预存区11和洗脱液预存区13中的密封软膜以达到控制试剂释放顺序；将气孔16与真空泵相连使得试剂能够以匀速通过核酸提取区28的固相膜。
先戳破裂解液预存区12处的密封软膜，在真空泵的作用下推动裂解液从裂解液预存区12向微通道层2的废液区27移动。由于微通道层2中放置固相膜的区域低于周围区域，样本与裂解液的混合液会停留于固相膜所在区域，当洗涤液进入固相膜所在的区域时，混合液会溢出固相膜所在区域并在真空泵的作用下移动至废液区27。再依次戳破洗涤液预存区11和洗脱液预存区13处的密封软膜，由于洗脱液的量大于裂解液与洗涤液，当洗脱液释放完毕后会将核酸提取区28内的废液全部替换。
当完成核酸提取步骤后打开连通孔的螺栓，此时由于微阵列层4为负压状态，核酸会被自动吸入至核酸扩增区44中，即可进行核酸扩增与检测流程。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：包括顺次设置的核酸提取层和核酸检测层，所述核酸提取层包括顺次连通的进液口、核酸提取区以及气孔，所述进液口包括试剂加入口和样本加入口，所述气孔用于连接真空设备，所述真空设备用于产生驱动试剂和样本流动的负压动力，所述核酸检测层包括能够保持负压的核酸扩增区，所述核酸提取区与所述核酸扩增区通过连通孔连通，所述连通孔内设置有用于控制其通断的堵头。
2.根据权利要求1所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述核酸提取层包括芯片顶层和微通道层，所述核酸检测层包括微阵列顶层和微阵列层。
3.根据权利要求2所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述芯片顶层上设置有呈三角形分布的裂解液预存区、洗涤液预存区和洗脱液预存区，且分别连通有不同的所述试剂加入口。
4.根据权利要求3所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述洗涤液预存区、所述裂解液预存区和所述洗脱液预存区分别呈阶梯孔结构，所述阶梯孔结构的小孔处设置有密封软膜。
5.根据权利要求4所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述微通道层设置有主通道和与所述主通道连通的若干支通道，不同所述试剂加入口和所述样本加入口分别连通不同所述支通道，所述主通道连通所述核酸提取区。
6.根据权利要求2-5任一项所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述微通道层设置有所述核酸提取区，所述核酸提取区与所述气孔之间设置有废液区，所述废液区内设置有吸水材料。
7.根据权利要求6所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述核酸提取区低于与其连通的各通道，且所述核酸提取区设置有固相膜。
8.根据权利要求6所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述微阵列层上设置有所述核酸扩增区，所述核酸扩增区包括若干分扩增区，若干所述分扩增区分别顺次通过螺栓阀、反应物预存区连通所述连通孔。
9.根据权利要求8所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述微阵列顶层开设有与所述反应物预存区连通的反应物加入口，以及与所述螺栓阀连通的螺栓孔。
10.根据权利要求6所述的用于核酸提取与检测的微控流芯片，其特征在于：所述废液区与所述核酸扩增区的投影非重叠。
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|---|---|---|---|
| CN202211140043.0A CN115466670A (zh) | 2022-09-20 | 2022-09-20 | 一种用于核酸提取与检测的微控流芯片 |
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| CN (1) | CN115466670A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116103139A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-05-12 | 杭州霆科生物科技有限公司 | 一种全封闭式全集成核酸检测微流控芯片 |
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2022
- 2022-09-20 CN CN202211140043.0A patent/CN115466670A/zh not_active Withdrawn
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