CN115612593A - 全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪 - Google Patents

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CN115612593A CN202211238425.7A CN202211238425A CN115612593A CN 115612593 A CN115612593 A CN 115612593A CN 202211238425 A CN202211238425 A CN 202211238425A CN 115612593 A CN115612593 A CN 115612593A
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Abstract

本发明提供一种全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪，其中检测芯片，包括：外壳，外壳内装设有各自密封的清洗液管、废液池管、试剂管，外壳外侧装设有预置核酸裂解液的样本管；流道板，连接于外壳的底部，其内构造有流道，流道板上还构造有反应腔室，反应腔室内具有核酸捕获滤纸；样本管中内容物能够被控制经由流道进入反应腔室内，并在核酸捕获滤纸处实现核酸捕获；清洗液管中内容物能够被控制经由流道进入反应腔室内清洗捕获的核酸；试剂管中内容物能够被控制经由流道进入反应腔室内；反应腔室中内容物能够被控制存储于废液池管内。本发明实现了核酸样本前处理、核酸裂解、核酸捕获、核酸清洗、核酸扩增的集成化设计。

Description

全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪
技术领域
本发明属于生物分析检测芯片设计技术领域，具体涉及一种全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪。
背景技术
传统的核酸检测方法如Southern blot印迹杂交、琼脂糖凝胶电泳等，具有费时费力、灵敏度低、难以实现高通量检测，甚至还需使用放射性试剂等缺点。核酸扩增的方法如聚合酶链式反应PCR、环介导等温扩增LAMP、重组酶聚合酶扩增RPA等，可极大地提高检测灵敏度，同时还因操作相对简单使其成为现代分子生物学实验常用方法。通过核酸扩增进行病原体检测一般包含样本前处理、核酸提取、扩增、检测四个步骤。传统的在实验室进行病原体检测的方法需要有专业人员在具有专业条件的实验室中完成，需要人工操作来完成试剂的转移和添加，依旧需要完成大量繁琐操作，在操作的过程中还可能会将反应试剂暴露在空气中，极易造成污染，而且还需借助于温度控制仪来提高精确地温度控制，因而限制了传统的实验室核酸检测实现对病原体的快速、灵敏检测。
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一个微尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为进行核酸检测的一个重要的载体工具之一。微流控芯片在核酸提取扩增检测上已有诸多引用，但是大多数都依旧停留在实验室阶段。究其因是其需要各种微阀、微泵和辅助设备，增加了芯片应用的复杂度，使得制造难度、成本大大升高，限制了其进一步在临床上的应用，而且难以实现全集成式的病原体核酸检测，因此急需一种全集成、高灵敏度的微流控芯片，在改进核酸检测过程的同时，降低检测时间和芯片制造难度与成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪，实现全集成式、高灵敏的病原微生物核酸检测。
为了解决上述问题，本发明提供一种全集成核酸检测微流控芯片，包括：
外壳，所述外壳内装设有各自密封的清洗液管、废液池管、试剂管，所述外壳外侧装设有预置核酸裂解液的样本管；
流道板，连接于所述外壳的底部，其内构造有流道，所述流道板上还构造有反应腔室，所述反应腔室内具有核酸捕获滤纸；
所述样本管中内容物能够被控制经由所述流道进入所述反应腔室内，并在所述核酸捕获滤纸处实现核酸捕获；
所述清洗液管中内容物能够被控制经由所述流道进入所述反应腔室内清洗捕获的所述核酸；
所述试剂管中内容物能够被控制经由所述流道进入所述反应腔室内；
所述反应腔室中内容物能够被控制存储于所述废液池管内。
在一些实施方式中，所述流道板上还设置有多根空心顶针，所述流道与所述清洗液管、废液池管、试剂管分别对应的位置处各设有一根所述空心顶针，且所述清洗液管、试剂管、废液池管的底部皆具有下密封胶塞，所述下密封胶塞具有包裹密封所述空心顶针的封堵位置以及空心顶针穿出以使相应的管阀与所述流道或者腔室连通的连通位置。
在一些实施方式中，所述清洗液管、试剂管、废液池管内还皆具有上密封胶塞，所述上密封胶塞处于所述下密封胶塞的上部区域，且能够被控制靠近所述下密封胶塞移动。
在一些实施方式中，所述上密封胶塞背离所述下密封胶塞的一侧设有硬质层。
在一些实施方式中，所述流道板具有伸出于所述外壳的外侧壁体的伸出部分，所述反应腔室构造于所述伸出部分上，所述伸出部分具有相对的第一侧面与第二侧面，其中，所述第一侧面与温控部件对应，所述第二侧面与荧光检测部件对应。
在一些实施方式中，所述第一侧面上具有凹陷，所述反应腔室处于所述凹陷所对应的区域内。
在一些实施方式中，所述伸出部分的外侧边缘设置有芯片卡扣。
在一些实施方式中，所述外壳内容置有管架，所述清洗液管、试剂管、废液池管置于所述管架内。
在一些实施方式中，所述外壳的顶部开口覆盖有盖板。
本发明还提供一种核酸检测仪，包括推杆，所述推杆与上述的全集成核酸检测微流控芯片配合使用，当所述全集成核酸检测微流控芯片包括上密封胶塞、空心顶针时，所述推杆能够施力于所述上密封胶塞，以使相应的管阀中的内容物流出或者使所述上密封胶塞包裹封堵相应的所述空心顶针。
本发明提供的一种全集成核酸检测微流控芯片及具有其的核酸检测仪，通过将清洗液管、废液池管、样本管、试剂管通过流道依据核酸提取工序依次控制相应管腔中的内容物的流出与存储，实现了核酸样本前处理、核酸裂解、核酸捕获、核酸清洗、核酸扩增的集成化设计，这利于更加快速地对病原体核酸进行检测，同时由于采用核酸捕获滤纸对核酸进行原位捕获及扩增具有更高的灵敏性。
附图说明
图1为本发明实施例的全集成核酸检测微流控芯片的一种拆解结构示意图 (部分拆解)；
图2为本发明实施例的全集成核酸检测微流控芯片的另一种拆解结构示意图(部分拆解)；
图3为图1中的废液池管的内部结构示意图(断面)；
图4为图1中的样本管的拆解结构示意图；
图5为图1中的流道板的俯视视角下的立体结构示意图；
图6为图2中的流道板的仰视视角下的立体结构示意图。
附图标记表示为：
1、外壳；101、管架；102、盖板；12、清洗液管；13、废液池管；131、出气孔；14、试剂管；15、样本管；151、上端帽；152、固定盖；153、样本管体；154、铝制压盖；2、流道板；21、流道；22、反应腔室；23、核酸捕获滤纸；24、空心顶针；25、芯片卡扣；300、下密封胶塞；301、上密封胶塞。
具体实施方式
结合参见图1至图6所示，根据本发明的实施例，提供一种全集成核酸检测微流控芯片，包括：外壳1，外壳1内装设有各自密封的清洗液管12、废液池管13、试剂管14，外壳1外侧装设有预置核酸裂解液的样本管15；流道板 2，连接于外壳1的底部，其内构造有流道21，流道板2上还构造有反应腔室22，反应腔室22内具有核酸捕获滤纸23；样本管15中内容物能够被控制经由流道21进入反应腔室22内，并在核酸捕获滤纸23处实现核酸捕获；清洗液管12中内容物能够被控制经由流道21进入反应腔室22内清洗捕获的核酸；试剂管14中内容物能够被控制经由流道21进入反应腔室22内；反应腔室22 中内容物能够被控制存储于废液池管13内，需要说明的是，通过对反应腔室 22内提取后的样本进行扩增(采用温控部件实现原位扩增)并采用相应的荧光检测设备(荧光检测部件)进行相应的检测，即可实现采用本发明的芯片对核酸检测的样本制备、核酸提取、核酸扩增过程的全流程集成目的。
该技术方案中，通过将清洗液管12、废液池管13、样本管15、试剂管14 通过流道21依据核酸提取工序依次控制相应管腔中的内容物的流出与存储，实现了核酸样本前处理、核酸裂解、核酸捕获、核酸清洗、核酸扩增的集成化设计，这利于更加快速地对病原体核酸进行检测，同时由于采用核酸捕获滤纸 23对核酸进行原位捕获及扩增具有更高的灵敏性。
具体而言，样本管15用于进行待测样本采集及裂解(样本可以是一定浓度的DNA/RNA，或者是病原微生物样本，包括细胞、病毒、组织、细菌、真菌)；清洗液管12用以清洗捕获核酸后的核酸捕获滤纸23(设置于反应腔室 22内)，去除一定的杂质和裂解液残留；试剂管14则用于存储液体反应试剂，具体例如聚合酶链式反应PCR、重组酶聚合酶反应RPA、环介导等温扩增 LAMP、核酸序列依赖性扩增NASBA反应试剂；反应腔室22用于进行核酸扩增(原位扩增)，如聚合酶链式反应PCR、重组酶聚合酶反应RPA、环介导等温扩增LAMP、核酸序列依赖性扩增NASBA等，通过与其匹配设置的荧光检测部件即可获取其内扩增后内容物的荧光信息；废液池管13用以存储废液。
核酸捕获滤纸23具体为一种壳聚糖修饰的捕获滤纸，其具有亲水性，在一些实施方式中，反应腔室22内还设置有压圈(图中未示出)，压圈用于固定核酸捕获滤纸，且压圈为C环结构，这种C环结构会让试剂贯穿流过滤纸时，先填充满压圈内部空间，再往旁侧C环出口处流动，进而可以保证反应腔室22内无气泡，不会对后续反应造成干扰。
在一些实施方式中，流道板2上还设置有多根空心顶针24，多根空心顶针 24通过针座孔实现固定，流道21与清洗液管12、废液池管13、试剂管14分别对应的位置处各设有一根空心顶针24，且清洗液管12、试剂管14、废液池管13的底部皆具有下密封胶塞300，下密封胶塞300具有包裹密封空心顶针 24的封堵位置以及空心顶针24穿出以使相应的管阀与流道21或者腔室连通的连通位置。具体通过外部推动部件(例如推杆)推动相关的管阀靠近处于下密封胶塞300顶部的空心顶针24移动，实现下密封胶塞300由封堵位置切换为连通位置，也即，当下密封胶塞300处于封堵位置时，相应的管阀中内容物被存储于该管阀内不能流出，而当下密封胶塞300处于连通位置时，相应的管阀中内容物并被迫出至流道21反应腔室22内，实现相应的核酸提取工艺，例如提取、清洗、试剂复溶、扩增反应等。该技术方案中，通过空心顶针24刺破下密封胶塞300的方式实现腔阀内容物的流出与封堵，该过程与相应的腔阀的注射(也即推动下压各个腔阀)动作保持一致，结构简单、控制简便。进一步而言，该芯片采用顶针刺破式结构，基于该刺破式阀结构，可将常规的核酸检测各种试剂操作集合在微小的芯片单元上，实现一种全新的核酸检测方式，并且可以满足试剂长期存储与远距离运输的需求。
在一些实施方式中，清洗液管12、试剂管14、废液池管13内还皆具有上密封胶塞301，上密封胶塞301处于下密封胶塞300的上部区域，且能够被控制靠近下密封胶塞300移动，从而在相应的管阀一直靠近空心顶针24运动时，当其内内容物完全流出时，可以将相应的管阀封堵，防止在其他的处理工序中的液体回流至该管阀内。在一种优选的实施例中，上密封胶塞301背离下密封胶塞300的一侧设有硬质层，例如在上密封胶塞301的顶面上设置硬质塑料，从而使上密封胶塞301形成一种软硬结合胶塞，具体而言，此时外部的推杆的末端可以直接施力于上密封胶塞301的顶面，硬质层的设置能够有效防止施力过程中的胶塞不均匀变形、不倾斜，保证相应的管阀的顺畅可靠稳定地下移。
具体参见图4所示，图中具体示出了一实施例中的样本管15的一种分解结构，其包括样本管体153，该样本管体153为一上下贯通的筒体结构，其上下两端分别塞装有上密封胶塞301、下密封胶塞300，两个胶塞之间在初始状态下具有间隔，该间隔构成了样本管的容置空间，下密封胶塞300的外侧还包括由铝制压盖154，其与下密封胶塞300配合对样本管15的顶端形成可靠密封，上密封胶塞301的外侧还套装有固定盖152以及与固定盖152结合的上端帽 151，固定盖152具有内螺纹，其与上端帽151结合密封样本管15。
具体参见图3所示，图中示出了一实施例中的废液池管13的一种内部结构，其内的下密封胶塞300与上密封胶塞301上下间隔布置，两者之间的间隔形成废液池管13的进液通道，该间隙在废液池管13下移过程中将被减小直至上密封胶塞301完全包裹封堵其下方的空心顶针24，实现废液池管13的密封，将废液池管13与反应腔室22隔开，避免扩增产物泄露造成核酸污染，其顶部具有出气孔131，以保证各个腔室顺畅进出液。
参见图5及图6所示，流道板2具有伸出于外壳1的外侧壁体的伸出部分，反应腔室22构造于伸出部分上，伸出部分具有相对的第一侧面与第二侧面，其中，第一侧面与温控部件对应，第二侧面与荧光检测部件对应，也即在进行核酸扩增检测的过程中，温控部件被设置于第一侧面处，荧光检测部件则可以被设置于第二侧面，如此，荧光检测部件的布置不会对温控部件的温控面积(受热区)构成占据，从而使反应腔室22内的内容物能够实现PCR循环变温扩增。在另一个具体的实施例中，第一侧面上具有凹陷，反应腔室22处于凹陷所对应的区域内，可以降低进行扩增反应时配套仪器对反应腔室22加热时的加热壁厚，进而可让反应腔室进行核酸扩增反应时的温度更加精准。
在一些实施方式中，伸出部分的外侧边缘设置有芯片卡扣25，可与配套检测仪器形成类似“SD”卡卡槽结构，当仪器配合芯片进行样本处理与检测时，可进行芯片的固定。
在一些实施方式中，外壳1内容置有管架101，清洗液管12、试剂管14、废液池管13置于管架101内，也即，外壳1内设置的管架101居于外壳1的内壁与各个管阀的外壁之间，能够对各个管阀实现有效可靠的固定，此时的外壳1具有提升整个芯片的外观美感性的效果，外壳1的顶部开口覆盖连接有盖板102，能够防止外壳1内的各个管阀从顶部开口处脱出，防止内部各个管阀的丢失，保证内部各个管阀的位置可靠稳定。
本发明还提供一种核酸检测仪，包括推杆，推杆与上述的全集成核酸检测微流控芯片配合使用，当全集成核酸检测微流控芯片包括上密封胶塞301、空心顶针24时，推杆能够施力于上密封胶塞301，以使相应的管阀中的内容物流出或者使上密封胶塞301包裹封堵相应的空心顶针24。
以下结合一具体实施例对本发明的技术方案进一步阐述。
以通过PCR检测口腔拭子病毒为例，该芯片具体实施方式如下：
存储试剂：每个独立的试剂管配合上胶塞(也即前述的上密封胶塞301，下同)与下胶塞(也即前述的下密封胶塞300，下同)即可进行试剂预存，以备后续实验，清洗液腔室(也即前述的清洗液管12，下同)试剂可为1mLDEPC 水(DNase、RNase free)(货号：R0022，生产商：碧云天)，试剂管(也即前述的试剂管14，下同)存储试剂可为PCR扩增MIX试剂；
样品采集：使用涂抹拭子进行样本采集，采集后直接涮洗在样本管15内，取出拭子后，在样本管15内进行核酸释放；此实验中选用假病毒核糖核酸标准物质代替(货号：NIM-RM5203，生产商：中国计量科学研究院)。
核酸释放：样本管15中存储液是裂解液，一旦样本进去后，便可进行病原体裂解，释放核酸。
核酸捕获：配合仪器(该仪器结构不唯一，只需满足以下三个条件即可：具有电机控制的推杆，可与检测芯片液体管内的胶塞(也即前述的上密封胶塞 301)形成类似注射器结构进行液体操控；具有温度控制模块(也即温控部件)，可供反应时所需温度；具有荧光检测模块(也即荧光检测部件)，对检测芯片反应腔室22及核酸捕获滤纸23处的荧光进行实时读取即可。推杆推动样本管 15中的软硬结合胶塞进行柱塞式压力驱动，将管内胶塞往下推动注射，会先让样本管往下移动一定距离的行程，使得下件管道层(也即前述的流道板2，下同)上固定的样本管顶针(也即空心顶针24，下同)刺破样本管下端胶塞(也即前述的下密封胶塞300，下同)，进而可让流体进入下件管道层中的流体管道，进一步流过核酸捕获滤纸23进行核酸捕获，液体流过滤纸后会进入到废液池(也即上述的废液池管13，下同)内，此过程中清洗液管与试剂管均为关闭状态。
核酸清洗：配合仪器推杆推动清洗液管内的软硬结合胶塞进行柱塞式压力驱动，注射时，会先让清洗液管往下移动一定距离的行程，使得下件管道层上固定的清洗液顶针刺破清洗液管下端胶塞，进而可让清洗液流入到流体管道内，再流过滤纸进行滤纸上杂质清洗，洗去滤纸上的杂质，液体流过滤纸后会进入到废液池内，此过程中样本管与试剂管均为关闭状态。
核酸扩增：配合仪器推杆推动试剂管内软硬结合胶塞进行柱塞式压力驱动，将试剂管内的流体打入反应腔室，接着配合仪器推杆将废液池下压一段距离，将废液池开关阀组件(也即下密封胶塞处于包裹封堵空心顶针24的状态) 关闭，再配合已经下压到管底端的试剂管内的胶塞，即可实现反应腔室的两端密封。再配合仪器进行变温温度控制即可进行核酸扩增。驱动试剂管流体时，样本管与清洗液管均为关闭状态。
输出检测结果：配合全集成仪器的荧光检测模块，对检测芯片下件管道层中的反应腔室与核酸捕获滤纸进行实时荧光检测，并不断绘制出荧光曲线，最终根据Ct值进行定量判断。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，包括：
外壳(1)，所述外壳(1)内装设有各自密封的清洗液管(12)、废液池管(13)、试剂管(14)，所述外壳(1)外侧装设有预置核酸裂解液的样本管(15)；
流道板(2)，连接于所述外壳(1)的底部，其内构造有流道(21)，所述流道板(2)上还构造有反应腔室(22)，所述反应腔室(22)内具有核酸捕获滤纸(23)；
所述样本管(15)中内容物能够被控制经由所述流道(21)进入所述反应腔室(22)内，并在所述核酸捕获滤纸(23)处实现核酸捕获；
所述清洗液管(12)中内容物能够被控制经由所述流道(21)进入所述反应腔室(22)内清洗捕获的所述核酸；
所述试剂管(14)中内容物能够被控制经由所述流道(21)进入所述反应腔室(22)内；
所述反应腔室(22)中内容物能够被控制存储于所述废液池管(13)内。
2.根据权利要求1所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述流道板(2)上还设置有多根空心顶针(24)，所述流道(21)与所述清洗液管(12)、废液池管(13)、试剂管(14)分别对应的位置处各设有一根所述空心顶针(24)，且所述清洗液管(12)、试剂管(14)、废液池管(13)的底部皆具有下密封胶塞(300)，所述下密封胶塞(300)具有包裹密封所述空心顶针(24)的封堵位置以及空心顶针(24)穿出以使相应的管阀与所述流道(21)或者腔室连通的连通位置。
3.根据权利要求2所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述清洗液管(12)、试剂管(14)、废液池管(13)内还皆具有上密封胶塞(301)，所述上密封胶塞(301)处于所述下密封胶塞(300)的上部区域，且能够被控制靠近所述下密封胶塞(300)移动。
4.根据权利要求3所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述上密封胶塞(301)背离所述下密封胶塞(300)的一侧设有硬质层。
5.根据权利要求1所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述流道板(2)具有伸出于所述外壳(1)的外侧壁体的伸出部分，所述反应腔室(22)构造于所述伸出部分上，所述伸出部分具有相对的第一侧面与第二侧面，其中，所述第一侧面与温控部件对应，所述第二侧面与荧光检测部件对应。
6.根据权利要求5所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述第一侧面上具有凹陷，所述反应腔室(22)处于所述凹陷所对应的区域内。
7.根据权利要求5所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述伸出部分的外侧边缘设置有芯片卡扣(25)。
8.根据权利要求1所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述外壳(1)内容置有管架(101)，所述清洗液管(12)、试剂管(14)、废液池管(13)置于所述管架(101)内。
9.根据权利要求8所述的全集成核酸检测微流控芯片，其特征在于，所述外壳(1)的顶部开口覆盖有盖板(102)。
10.一种核酸检测仪，其特征在于，包括推杆，所述推杆与权利要求1至9中任一项所述的全集成核酸检测微流控芯片配合使用，当所述全集成核酸检测微流控芯片包括上密封胶塞(301)、空心顶针(24)时，所述推杆能够施力于所述上密封胶塞(301)，以使相应的管阀中的内容物流出或者使所述上密封胶塞(301)包裹封堵相应的所述空心顶针(24)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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