CN115537320A - 全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片及其便携式系统 - Google Patents

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CN115537320A CN202211245252.1A CN202211245252A CN115537320A CN 115537320 A CN115537320 A CN 115537320A CN 202211245252 A CN202211245252 A CN 202211245252A CN 115537320 A CN115537320 A CN 115537320A
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Abstract

本发明公开全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片及其便携式系统，在全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层中扩增反应储液腔室通过第一微流道与样本和裂解液加样孔上段孔连通，扩增反应储液腔室与扩增液加样孔连通，扩增液加样孔内部对应设置有扩增液加样孔塞；中层中样本和裂解液加样孔中段孔通过第二微流道与储液室上腔室连通，样本和裂解液加样孔上段孔与样本和裂解液加样孔中段孔连通组成样本和裂解液加样孔，样本和裂解液加样孔内对应设置有反应腔室加样孔塞；下层中反应腔室通过第三微流道与储液腔室下腔室连通，检测腔室与储液腔室下腔室连通并在内部设置有核酸快速检测试纸，其中储液腔室下腔室与储液室上腔室连通组成储液室。

Description

全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片及其便携式系统
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片及其便携式系统。
背景技术
随着分子生物学技术的迅猛发展，分子诊断(Molecular diagnosis)技术发展快速并在医疗检验和临床医疗诊断方面得到了广泛应用。分子诊断技术是指利用分子生物学的方法，以生物分子为靶标，检测生物体内源性遗传物质(脱氧核糖核酸DNA或核糖核酸RNA)或外源性生物分子和体系的结构或表达水平的变化而做出诊断的技术。其主要应用在疾病特异性诊断、疾病的早期筛查和诊断、对感染的病原生物进行鉴别和分型、追踪疾病发展过程等方面，具有十分重要的科研价值和实际应用前景。病毒的分子诊断在分子诊断，以及实际的医疗检验和临床医疗诊断中均占有重要地位。病毒分子诊断可检测的病毒种类繁多，单就呼吸道病毒而言就有甲型流感病毒、乙型流感病毒、腺病毒、呼吸道合胞病毒、副流感病毒、人鼻病毒、人偏肺病毒、禽流感病毒、SARS-Cov病毒、COVID-19病毒、人博卡病毒等。
病毒的快速分子诊断或即时检测(point-of-care testing，POCT)是病毒分子诊断的重要研究内容之一和重要发展趋势之一。例如，对于COVID-19病毒的快速检测已发展出基于核酸检测的小型化或便携式检测仪器、基于抗原抗体检测的小型化或便携式检测仪器、基于核酸检测的免疫层析试纸、基于抗原抗体检测的免疫层析试纸等。由于病毒的快速分子诊断的主要要求为：(1)生物安全性高；(2)检测结果准确可靠；(3)检测时间短；(4)检测成本低；(5)检测操作便捷。上述检测方法中基于核酸检测的免疫层析试纸在检测结果可靠和检测成本低上相比于其他方法具有重大优势，因此其得到了相关研究人员和企业越来越多的重视。
但目前基于核酸检测的免疫层析试纸及系统在生物安全性方面，主要采用在检测系统的流体进出口设置滤膜的方式，防止高浓度核酸泄漏进环境中，或者并为充分考虑高浓度核酸泄漏问题。设置滤膜的方式或类似方式，并不能够彻底解决其在检测过程中和检测结束后处理废弃物时，仍然存在的高浓度核酸泄漏风险的问题，因为其本质上在检测系统的流体进出口处是存在与外界环境能够进行物质交换的，若发生高浓度核酸在泄漏只能在一定程度上减少的泄漏量，却无法彻底解决泄漏风险。而一旦发生高浓度的致病病毒泄漏，可能会造成严重的后果。
目前，基于核酸检测的免疫层析试纸及系统为了检测结果的准确性和检测操作的便捷性，往往将核酸扩增功能，甚至将核酸提取功能集成在一个小型化或便携式系统里。对于一个集成化系统，其集成的功能越多，往往对各功能的性能追求需要进行合理的平衡。例如，将裂解功能、核酸纯化功能、核酸扩增功能和核酸检测功能集成在一个小型化或便携式系统里，当其功能数量提升但并未将各功能结构进行深度整合时，往往会导致检测结果的准确性大打折扣。在充分考虑基于核酸检测的免疫层析试纸及系统在生物安全性的要求时，涉及到高浓度核酸的过程主要为核酸扩增和核酸检测，为此牺牲一部分检测操作便捷性或者牺牲核酸纯化功能，能够在一定程度换取提高检测结果的准确性的机会。为了提高检测结果的准确性还需要对裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能在结构设计上进行深度整合。而常见的整合方式为将裂解功能和核酸扩增功能整合在同一腔室，为保证扩增用的生物试剂活性，往往不能将温度加热到适合裂解的温度，最终会导致核酸检测的效果有所损失。
目前，集成裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能的基于核酸检测的免疫层析试纸及系统主要为一体化设计，其温度控制组件与流动控制组件和检测试纸集成在一个系统中，为追求小型化和低成本往往会导致温度控制功能在功能性和准确性上存在一定的损失；同时一体化设计中热及温度控制组件需要随着试纸一并抛弃，对于用户而言并不经济，也不利于对金属矿产的节约和有效利用，以及环境保护。为降低用户的整体使用和长期使用成本，采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，温度控制组件重复使用无需抛弃的方案，不仅可以显著的提高温度控制功能的性能，对于整体使用成本的降低、金属矿产的有效节约利用、环境保护等都具有重要意义。
综上，现有技术中存在问题如下：1.核酸快速检测过程中和核酸快速检测结束后处理废弃物时，存在的高浓度核酸泄漏的风险，高浓度的致病病毒泄漏后将会造成严重后果；2.在将裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能等进行整合时，未进行深度整合导致核酸快速检测的效果和性能有待提升；3.用户的整体使用和长期使用成本高，且不能灵活地适应居家核酸快速检测的人数或样本数变化。
公开号为CN 113512490A的专利中提出了一种自驱动微流控检测装置，该装置将裂解功能、恒温核酸扩增和核酸试纸检测功能进行了整合，可在一定程度进行病毒的快速检测。但该装置将裂解功能和恒温核酸扩增功能集成在一个腔室内未对其进行时间或空间隔离，为了保证裂解和等温核酸扩增功能发挥作用，以及保证生物试剂的活性不能使用较高的裂解温度，裂解液和扩增液同时处于同一腔室其生化反应的环境也难以达到各自最优，进而会影响检测效果。该装置在使用过程成需要两次加样，尤其是恒温扩增结束后需要加入稀释液体，使得储液池内液面提高反应后的液体与试纸进行接触，但恒温扩增后整个装置内已存在高浓度核酸，为防止高浓度核酸泄漏该采用了滤膜方案，但此方案无法消除泄漏风险。该装置将温度控制组件与流动控制组件和检测试纸集成在一个系统使用后一并抛弃，对于用户而言并不经济，也不利于对金属矿产的节约和有效利用，以及环境保护。该装置为自驱动微流控检测装置其驱动方式为毛细力驱动，而此驱动方式的优势为只需要存在毛细管结构，缺点为毛细力驱动的流体速度很小，不利于核酸快速检测对检测快速性的要求。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片及其便携式系统，能够有效解决上述问题并进行快速有效的核酸检测。
为实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：
一种全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片，包括：
封接成全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层，中层及下层；
其中上层设置有扩增液加样孔、扩增反应储液腔室，第一微流道及裂解液加样孔上段孔，其中扩增反应储液腔室通过第一微流道与样本和裂解液加样孔上段孔连通，扩增反应储液腔室与扩增液加样孔连通，扩增液加样孔内部对应设置有扩增液加样孔塞；
中层设置有中段样本和裂解液加样孔、第二微流道及储液室上腔室；样本和裂解液加样孔中段孔通过第二微流道与储液室上腔室连通，样本和裂解液加样孔上段孔与样本和裂解液加样孔中段孔连通组成样本和裂解液加样孔，样本和裂解液加样孔内对应设置有反应腔室加样孔塞；
下层设置有反应腔室、第三微流道、储液腔室下腔室及检测腔室，其中反应腔室通过第三微流道与储液腔室下腔室连通，检测腔室与储液腔室下腔室连通并在内部设置有核酸快速检测试纸，其中储液腔室下腔室与储液室上腔室连通组成储液室。
可选的，扩增液加样孔塞及反应腔室加样孔塞采用橡胶或硅胶材料。
为了更好的实现上述技术目的，本发明还提供了一种全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的便携式系统，包括：便携式多路高精度温度控制系统及全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片，其中便携式多路高精度温度控制系统包括：温度调整执行装置、传感模块、微控制器、触摸屏、降压模块、供电模块、功放电路；
其中供电模块通过降压模块分别与微控制器及触摸屏连接以实现分别对微控制器及触摸屏的供电；供电模块与功放电路连接；传感模块、微控制器、功放电路及温度调整器件依次连接；温度调整器件与金属块接触设置以实现对金属块的温度控制，传感模块与金属块对应设置；微控制器与触摸屏连接；微控制器用于根据传感模块获取的温度数据通过功放电路对温度调整器件进行控制，并将温度数据传输给触摸屏进行存储及显示；
温度调整执行装置与若干个全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片接触以实现对全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的便携式温度控制。
可选的，温度调整执行装置包括多路温度调整器件、金属块、多路温度调整执行装置间的隔热材料，以及支撑结构；金属块采用铜或铝材料。
可选的，传感模块包括温度传感器及ADC模块，其中温度传感器固定于金属块内部靠近表面处用于获取金属块的温度数据。
可选的，温度度调整执行装置中的多路温度调整执行装置间的隔热材料为轻质的多孔隔热材料、或纤维状隔热材料。
可选的，温度调整执行装置中的支撑结构的材料为耐高温阻燃材料。
可选的，温度调整执行装置中的支撑结构有对全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片进行定位和卡紧的结构。
可选的，功放电路包括加热功放电路、制冷功放电路及散热风扇功放电路。
可选的，温度调整器件包括加热器件、制冷器件及散热风扇，其中加热器件采用PI膜加热器、制冷器件采用耐高温半导体制冷芯片；其中加热器件与制冷器件贴合并与金属块接触。
可选的，供电模块包括直流开关电源及充电电池，其中直流开关电源与市电连接。
可选的，降压模块采用DC-DC降压模块。
本发明具有如下技术效果：
1.采用全封闭式结构设计，实现一次加样全程封闭，将有效地解决核酸快速检测过程中和核酸快速检测检测结束后处理废弃物时存在的高浓度核酸泄漏风险的问题；
2.对裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能进行整合，将裂解功能和核酸扩增功能进行时空分隔，可对裂解过程和扩增过程的温度和时间进行精密的控制，有效保证生物试剂的活性的同时能保证最优的裂解温度；裂解过程和扩增过程的生化反应环境也可以达到各自最优，将提升核酸快速检测的效果和性能；
3.采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，将降低用户的整体使用和长期使用成本，并能够灵活地适应居家核酸快速检测的人数或样本数变化，同时温度控制组件的功能性和准确性也容易进行很大提升。
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性的前提下，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全封闭式核酸快速试纸检测微流控及其便携式系统示意图；
图2为本发明实施例提供的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片整体结构剖视图；
图4为本发明实施例提供的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片上层结构示意图；
图5为本发明实施例提供的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片中层结构示意图；
图6为本发明实施例提供的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片下层结构示意图；
图7为本发明实施例提供的便携式多路高精度温度控制系统结构示意图；
图8为本发明实施例提供的温度曲线示意图；
图9为本发明实施例提供的工作原理示意图；
图10为本发明实施例提供的流体流动情况示意图；
图11为本发明实施例提供的液面凹面流体力学分析示意图；
图12为本发明实施例提供的液面凸面流体力学分析示意图；
对附图中的标号进行说明：1-便携式多路高精度温度控制系统、2-全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片、11-温度调整执行装置、21-全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层、22-全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的中层、23-全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的下层、24-为核酸快速检测试纸、211-扩增反应储液腔室、231-反应腔室、25-扩增液加样孔塞、26-反应腔室加样孔塞、212-扩增液加样孔、213-第一微流道、214-样本和裂解液加样孔上段孔、221-样本和裂解液加样孔中段孔、222-第二微流道、223-储液腔室上腔室、233-第三微流道、234-储液腔室下腔室、235为检测腔室。
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。
如图1所示，本方案对核酸快速试纸检测微流控芯片采用了全封闭式结构设计，实现一次加样全程封闭，有效解决了核酸快速检测过程中和核酸快速检测检测结束后处理废弃物时，存在的高浓度核酸泄漏风险的问题；并且采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，不仅对裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能进行整合，将裂解功能和核酸扩增功能进行时空分隔，还可以对裂解过程和扩增过程温度和时间进行精密的控制，能有效保证生物试剂的活性的同时保证最优的裂解温度，裂解过程和扩增过程的生化反应环境也可达到各自最优，在一定程度上提升了核酸快速检测的效果和准确性；同时也降低用户的整体使用和长期使用成本，并能够灵活地适应居家核酸快速检测的人数或样本数变化。
1)系统构成
全封闭式核酸快速试纸检测微流控便携式系统由两个子系统构成，采用温度控制组件即便携式多路高精度温度控制系统与流动控制组件和检测试纸组成的核酸快速试纸检测微流控芯片分别为一个子系统的方案，将降低用户的整体使用和长期使用成本，并能够灵活地适应居家核酸快速检测的人数或样本数变化，如图1所示，分别为便携式多路高精度温度控制系统1和全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2。其中，便携式多路高精度温度控制系统1的温度调整执行装置11(由多路温度调整器件、多路温度调整执行装置间的隔热材料，以及支撑结构组成，每一路可进行独立的局部高精度温度控制，且可避免进行多路温度控制时温度场空间分布不均问题，以保证温度精度)，与全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片1的特定部位接触，该特定部位为远离样本和裂解液加样孔的表面上反应腔室231垂直映射区域，只对全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2的局部加热，可尽量降低便携式多路高精度温度控制系统1的功率要求和外形尺寸的要求。
为解决核酸快速检测过程中和核酸快速检测检测结束后处理废弃物时，存在的高浓度核酸泄漏风险的问题，采用全封闭式结构设计，其全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片结构如图2所示，全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层21、全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的中层22、全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的下层23采用高精度数控机械加工方式或热压成型方式制备，且材质为具备良好生物性能和光学透明性能的塑料；并在制备完成后采用热压或超声波焊接或化学试剂处理后紫外照射或粘合剂粘接或螺栓紧固等方式封接成一个整体。
为了对裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能进行整合，将裂解功能和核酸扩增功能进行时空分隔。全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2的整体结构剖视图如图3所示，本发明在上层21中设置放置核酸扩增反应的扩增反应储液腔室211(加塞后密闭)，下层23设置前期放置样本及裂解液的反应腔室231(加塞后密闭)，通过扩增液加样孔塞25对扩增反应储液腔室211进行密封，通过反应腔室加样孔塞26对反应腔室231进行密封。其中，扩增液加样孔塞25、反应腔室加样孔塞26的材质为橡胶或硅胶等软体且具备一定力学性能材料，形状为柱体，同时与对应加样孔内壁面为过盈配合，实现密封；扩增反应储液腔室211是由扩增液加样孔212(通孔，位于多层微流控芯片的上层)通过多层微流控芯片中层封接形成底端封闭的储液腔室，且结构与反应腔室231不同，主要是考虑在进行操作后不残留(少残留)液体，而且在进行操作前液体由于表面张力作用会维持在扩增反应储液腔室211的矩形区域内。反应腔室231的下沉式(盲孔结构)考虑到传热和流动控制的需要进而设置。
全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层21如图4所示，其中，通过扩增液加样孔212添加扩增液，通过样本和裂解液加样孔上段孔214在前期添加样本和裂解液，将扩增液添加到扩增反应储液腔室211；第一微流道213用于连通扩增反应储液腔室211与样本和裂解液加样孔上段孔214，在样本裂解完成后，通过摇晃将扩增液通过样本和裂解液加样孔上段孔214输送到反应腔室231。
如图5所示为2全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片中层的结构。样本和裂解液加样孔中段孔221与样本和裂解液加样孔上段孔214组成样本和裂解液加样孔用于前期将样本和裂解液输送到反应腔室231，并再裂解完成后输送扩增液；第二微流道222连通样本和裂解液加样孔中段孔221与储液腔室上腔室223，并在反应腔室231向储液腔室输送裂解及扩增反应完成后的溶液时，将储液腔室中的空气通过第二微流道222输送到样本和裂解液加样孔中段孔221中，保证溶液转移过程中的顺利进行。
如图6所示为2全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片下层的结构。其中，通过反应腔室231前期对样本和裂解液混合，并通过加热进行裂解，之后通过上层21及中层23中设置的结构，将扩增液输送到反应腔室231进行扩增，完成对样本的处理，反应腔室中总液体的体积为5～50μL；通过第三微流道233将处理后的样本输送到储液腔室下腔室235，储液腔室下腔室与检测腔室235连通，检测腔室235中设置有核酸快速检测试纸24，通过核酸快速检测试纸24对储液腔室中的处理样本进行检测。
如图7所示为1便携式多路高精度温度控制系统1的结构。其中，包括便携式多路高精度温度控制系统1的温度调整执行装置11；传感模块，包括：温度传感器和配套的高精度数模转换器ADC；微控制器；串口触摸屏；DC-DC降压模块；供电模块，包括：直流开关电源和充电电池供电(带充电接口和电路)模块；功放电路，包括：加热器件、制冷器件和散热风扇的功率放大电路；温度调整器件，包括：加热器件、制冷器件和散热风扇。
便携式多路高精度温度控制系统1中的温度调整执行装置11由多路温度调整器件、多路温度调整执行装置间的隔热材料、金属块，以及支撑结构组成，每一路可进行独立的高精度温度控制，且可避免进行多路温度控制时温度场空间分布不均问题，以保证温度控制精度；
导热金属块即金属块的材质为铜或铝等高导热率金属，用以均衡温度场，并且金属块内部用于放置温度传感器；
便携式多路高精度温度控制系统1的导热金属块、加热执行元件、制冷执行元件的尺寸为根据温度控制需求，利用传热学理论计算和实验优化后与全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片局部的温度控制区域相匹配的尺寸；
便携式多路高精度温度控制系统1的温度调整执行装置11中的多路温度调整执行装置间的隔热材料为轻质的多孔隔热材料、或纤维状隔热材料，并且支撑结构的材料为耐高温阻燃材料；
便携式多路高精度温度控制系统1的温度调整执行装置11中的支撑结构有对全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片进行定位和卡紧的结构；
便携式多路高精度温度控制系统1的主控为微控制器，内置温度控制程序、串口触摸屏通信程序、起停控制程序；
便携式多路高精度温度控制系统1的触摸屏为串口触摸屏通，内置温度控制控制参数配置程序及人机交互界面、起停控制程序及人机交互界面、数据显示程序及人机交互界面、数据保存与导出程序及人机交互界面；
便携式多路高精度温度控制系统1的加热执行元件为特定尺寸的PI膜加热器(或其它加热时响应速度快的加热元件)，制冷执行元件为特定尺寸的耐高温半导体制冷芯片，并带有与其功率匹配的散热片与风扇。加热执行元件与制冷执行元件紧密结合在一起。半导体制冷芯片虽然通过改变通电极性能充当加热器，但较高的裂解温度下长时间工作会损害其使用寿命；
便携式多路高精度温度控制系统1温度控制检测元件为高精度铂热敏电阻或热电偶和带SPI总线通信或I2C总线通信的高精度数模转换器，传感器安置于导热金属块内部靠近上表面处；便携式多路高精度温度控制系统1的供电方式为同时具备充电电池供电和外接市电供电两种方式；
采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，温度控制组件在功能性方面不仅可以实现对裂解过程和恒温扩增过程的温度控制和时间控制，还可以实现对裂解过程和边温循环扩增过程的温度控制和时间控制。温度控制组件在准确性方面利用微控制器内置的定时器、计数器、高精度晶振和程序算法可以实现高精度的时间控制；利用微控制器内置的高速输入输出端口、高精度程序算法可以实现高精度的温度控制。如图8所示为便携式多路高精度温度控制系统进行温度控制时的典型温度曲线。图8中的(a)所示为典型的裂解加恒温扩增的温度-时间曲线，其中，T0为环境温度、T1为裂解温度、T2为恒温扩增温度、t1为裂解过程的时间(含温度调节的过渡时间和温度稳定的工作时间)、t2为恒温扩增过程的时间(含温度调节的过渡时间和温度稳定的工作时间)；图8中的(b)所示为典型的裂解加变温扩增的温度-时间曲线，其中，T0为环境温度、T1为裂解温度、T3为变温扩增中变性温度、T4为变温扩增中退火温度、T5为变温扩增中延伸温度、t1为裂解过程的时间(含温度调节的过渡时间和温度稳定的工作时间)、t2为变温扩增过程的时间(含变温过程中温度调节的过渡时间和温度稳定的工作时间)。
2)上述系统工作原理：
采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，并将裂解功能和核酸扩增功能的集成进行时间隔离，可有效保证生物试剂的活性同时使用最优裂解温度，也能保证其生化反应的环境处于各自最优。如图9所示为全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2在完成裂解过程和扩增过程后，转移反应液体进入储液腔室中，让反应液体与核酸快速检测试纸接触的过程原理。图示用户用拇指和食指捏住虚线方框的正面和背面，甩动全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2(过程类似于水银体温计在检测体温前的重置操作)。反应腔室内的液体在流体力学中毛细力、重力、外界施加的离心力的作用下，在全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2内部的封闭空间内，转移进入储液腔室。转移进储液腔室的液体被核酸快速检测试纸吸附，通过检测试纸的免疫层析法实现核酸检测功能。
如图10所示为全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片内部2的形成的封闭空间示意和流动情况，反应腔室231通过与气体第二微流道222、液体微流道233和储液腔室构成了一个连通且封闭的空间。
如图11和图12所示为全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2内部的反应腔室中的反应液体转移进入储液腔室过程的力学分析。根据流体力学中毛细现象的基本理论，依据液体接触角的不同范围，需要分为两种情况进行分析。因为在毛细现象导致的微流道内液面形状存在两种类型，第1种情况为凹面，第2种情况为凸面，并且，后述所有分析均需满足如下假设条件：(1)微流道的横截面形状为正方形；(2)液体能润湿微流道壁面；(3)正方形微流道内液体接触的四条边可假设为半圆形；(4)不考虑温度变化。
对第1种毛细管液面为凹面的情况，可建立如图11所示的分析模型，根据力学基本理论，可以获得y轴方向上的受力情况。此时，y轴方向上所受合力Fy为：
Figure BDA0003885952700000171
式中，θ,接触角，°；
h,微流道上方对应的液体柱的高度,m；d,横截面形状为正方形微流道的边长,m；γ,液体的表面张力,N/m；ρ,液体密度,kg/m3；gy,重力加速度在y轴的方向的分量,m/s2；ay,离心加速度在y轴的方向的分量,m/s2；m,受离心力影响到的液体质量,kg。
推论1：微流道内液体始终受到沿着图示y轴负方向的合力，进而导致在反应腔室的液体通过微流道沿着y轴负方向进入储液腔室中被核酸快速检测试纸吸附。
对第2种毛细管液面为凹面的情况，可建立如图12所示的分析模型，根据力学基本理论，可以获得y轴方向上的受力情况。此时，y轴方向上所受合力Fy为：
Figure BDA0003885952700000172
式中，θ,接触角，°；h,微流道上方对应的液体柱的高度,m；d,横截面形状为正方形微流道的边长,m；γ,液体的表面张力,N/m；ρ,液体密度,kg/m3；gy,重力加速度在y轴的方向的分量,m/s2；ay,离心加速度在y轴的方向的分量,m/s2；m,受离心力影响到的液体质量,kg。
对于公式(2)中的情况，当不受离心力Fcf作用且所受合力Fy＝0时，微流道上方对应的液体柱的高度h的临界值为：
Figure BDA0003885952700000181
推论2：当全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片不受离心力作用时，微流道内液体保持不沿着图示y轴负方向运动的液柱临界高度满足公式(3)；当全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片受加大离心力作用时，会导致在反应腔室的液体通过微流道沿着y轴负方向进入储液腔室中被核酸快速检测试纸吸附。
便携式多路高精度温度控制系统1的工作原理为通过串口触摸屏内置的参数配置功能对温度控制功能进行配置，将全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的反应腔室部分放置于便携式多路高精度温度控制系统的温度调整执行装置11上，之后启动串口触摸屏内置的开始/停止功能并通过串口将控制信号发送给微控制器；微控制器内置的温度控制和时间控制程序，在接收到配置指令和开始/停止指令后，便通过温度传感器和配套的高精度数模转换器ADC采集全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的温度，经微控制器内置的温度控制程序输出控制信号给加热器件、制冷器件和散热风扇的功率放大电路，进而驱动加热器件、制冷器件和散热风扇工作，实现温度控制，同时在微控制器内置的时间控制程序下实现时间控制。
3)系统具体工作步骤：
本方案对核酸快速试纸检测微流控芯片采用了全封闭式结构设计，实现一次加样全程封闭，有效解决了核酸快速检测过程中和核酸快速检测检测结束后处理废弃物时，存在的高浓度核酸泄漏风险的问题；并且采用温度控制组件与流动控制组件和检测试纸分别为一个子系统的方案，不仅对裂解功能、核酸扩增功能和核酸检测功能进行整合，将裂解功能和核酸扩增功能进行时空分隔，还可以对裂解过程和扩增过程温度和时间进行精密的控制，能有效保证生物试剂的活性的同时保证最优的裂解温度，裂解过程和扩增过程的生化反应环境也可达到各自最优，在一定程度上提升了核酸快速检测的效果和准确性；同时也降低用户的整体使用和长期使用成本，并能够灵活地适应居家核酸快速检测的人数或样本数变化。
其具体的工作步骤主要为以下6个步骤：
第1步：水平放置全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2，打开扩增液加样孔塞25、反应腔室加样孔塞26；
第2步：加样(样本、裂解液)，并盖好反应腔室加样孔塞26，加样(扩增液)，并盖好扩增液加样孔塞25；
第3步：将全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2放置于便携式多路高精度温度控制系统1，进行裂解；
第4步：下压扩增液加样孔塞25、上拉反应腔室加样孔塞26，扩增液进入反应腔，进行扩增；
第5步：扩增反应结束后，取下全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2，捏住并甩动芯片，让扩增后的液体与核酸快速检测试纸充分接触；
第6步：水平放置全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片2，等待试纸显示检测结果，并妥善处理芯片确保生物安全性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片，其特征在于，包括：
封接成全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的上层，中层及下层；
其中上层设置有扩增液加样孔、扩增反应储液腔室，第一微流道及裂解液加样孔上段孔，其中扩增反应储液腔室通过第一微流道与样本和裂解液加样孔上段孔连通，所述扩增反应储液腔室与扩增液加样孔连通，扩增液加样孔内部对应设置有扩增液加样孔塞；
中层设置有中段样本和裂解液加样孔、第二微流道及储液室上腔室；所述样本和裂解液加样孔中段孔通过第二微流道与储液室上腔室连通，所述样本和裂解液加样孔上段孔与样本和裂解液加样孔中段孔连通组成样本和裂解液加样孔，所述样本和裂解液加样孔内对应设置有反应腔室加样孔塞；
下层设置有反应腔室、第三微流道、储液腔室下腔室及检测腔室，其中所述反应腔室通过第三微流道与储液腔室下腔室连通，所述检测腔室与所述储液腔室下腔室连通并在内部设置有核酸快速检测试纸，其中所述储液腔室下腔室与储液室上腔室连通组成储液室。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：
所述扩增液加样孔塞及反应腔室加样孔塞采用橡胶或硅胶材料。
3.基于权利要求1-2任意一项所述的全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的便携式系统，其特征在于，包括：便携式多路高精度温度控制系统及全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片，其中便携式多路高精度温度控制系统包括：温度调整执行装置、传感模块、微控制器、触摸屏、降压模块、供电模块、功放电路；
所述供电模块通过降压模块分别与微控制器及触摸屏连接以实现分别对微控制器及触摸屏的供电；所述供电模块与功放电路连接；所述传感模块、微控制器、功放电路及温度调整器件依次连接；所述温度调整器件与金属块接触设置以实现对金属块的温度控制，所述传感模块与所述金属块对应设置；所述微控制器与触摸屏连接；所述微控制器用于根据传感模块获取的温度数据通过功放电路对温度调整器件进行控制，并将温度数据传输给触摸屏进行存储及显示；
所述温度调整执行装置与若干个全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片接触以实现对全封闭式核酸快速试纸检测微流控芯片的便携式温度控制。
4.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述温度调整执行装置包括多路温度调整器件、金属块、多路温度调整执行装置间的隔热材料及支撑结构，所述金属块采用铜或铝材料。
5.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述传感模块包括温度传感器及ADC模块，其中温度传感器固定于金属块内部靠近表面处用于获取金属块的温度数据。
6.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述功放电路包括加热功放电路、制冷功放电路及散热风扇功放电路。
7.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述温度调整器件包括加热器件、制冷器件及散热风扇，其中加热器件采用PI膜加热器、所述制冷器件采用耐高温半导体制冷芯片；其中所述加热器件与制冷器件贴合并与金属块接触。
8.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述供电模块包括直流开关电源及充电电池，其中直流开关电源与市电连接。
9.根据权利要求3所述的便携式系统，其特征在于：
所述降压模块采用DC-DC降压模块。
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