CN115646562A - 基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法，其中，单微球操控芯片，包括芯片基板；芯片基板内部开设有微流道，芯片基板顶面设置有进样口和出样口，进样口和出样口分别与所述微流道的两端连通；芯片基板内位于微流道下方嵌设有一个微磁锥。单微球操控检测组件，包括：基于微磁作用的单微球操控芯片；以及设置于基于微磁作用的单微球操控芯片下方，并可调整与微磁锥的间距的磁体。检测系统包括与所述进样口连通，并用于存储待检测液的储液器；进口与出样口连通，并用于存储废液的废液池；与废液池的出口连通的负压泵；以及用于照射微球，以能够通过荧光信号检测法判断生物样本中是否存在目标检测物的光源。

Description

基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法

技术领域

本发明属于生物芯片技术领域，尤其涉及一种基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法。

背景技术

核酸及蛋白质的早期检测对于临床诊断、疾病预防、预后监测等具有重要意义。以检测COVID-19为例，通过合成一段与新型冠状病毒RNA互补的单链核酸序列作为检测探针，并将其与待测样本中的核酸进行混匀，若样本中含有COVID-19，则检测探针能与其特征核酸序列特异性互补杂交，即可观察到检测的信号。但是由于目标样本密度较低，极易产生假阴性信号，且现有检测技术操作过程繁琐、检测效率低。因此，建立灵敏度高、检测高效的自动化生物标志物检测平台具有重要意义。

现有方法中，核酸及蛋白质检测往往通过信号累积方法实现信号放大，如聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）、滚环扩增反应（Rolling CircleAmplification, RCA）等。然而这些方法仅从信号放大的角度实现目标物的高灵敏度检测。另外，将目标物预先富集的方法也被提出，如Liu等[Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,15186-15190]基于单微球荧光信号富集原理实现了蛋白激酶高灵敏度检测。由于单微球具有表面积大、易纯化处理、近似固-液相反应动力学等优点，逐渐成为研究热点。然而，现有的基于单微球荧光富集的检测方法仍然存在一些问题，如自动化程度较低、操作较为繁琐以及检测样本需求量大。另外，目前已有的基于微流控的单微球富集捕获芯片需借助精密的微纳加工技术，且芯片不可重复使用、检测灵活性较低致使单次检测成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，有必要提供一种基于微磁作用的操控芯片、检测组件和检测系统、方法。

本发明第一方面提供一种基于微磁作用的单微球操控芯片，包括芯片基板；

所述芯片基板内部开设有微流道，所述芯片基板顶面设置有进样口和出样口，所述进样口和出样口分别与所述微流道的两端连通；

所述芯片基板内位于所述微流道下方嵌设有一个微磁锥。

本发明第二方面提供一种基于微磁作用的单微球操控检测组件，包括：

如所述的基于微磁作用的单微球操控芯片；以及

设置于所述基于微磁作用的单微球操控芯片下方，并可调整与所述微磁锥的间距的磁体。

本发明第三方面提供一种基于所述基于微磁作用的单微球操控检测组件的检测系统，包括与所述进样口连通，并用于存储待检测液的储液器；

进口与所述出样口连通，并用于存储废液的废液池；

与所述废液池的出口连通的负压泵；以及

用于照射微球，以能够通过荧光信号检测法判断生物样本中是否存在目标检测物的光源。

本发明第四方面提供一种所述检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，调整所述磁体与所述微磁锥的间距至预定距离；

步骤2，打开所述负压泵，并调节所述分液器加入功能化磁性微球液，使单个功能化磁性微球被所述微磁锥形成的微磁场捕获；

步骤3，调节所述分液器加入生物样本；

步骤4，调节所述分液器加入荧光标记的检测试剂；

步骤5，关闭所述负压泵，用激发光照射；

步骤6，通过观察是否产生绿色荧光信号，获得是否存在目标检测物的检测结果；

步骤7，撤去所述磁体，以释放磁性微球；打开所述负压泵，并调节所述分液器加入洗脱液，以清洁单微球操控芯片。

本发明有益效果：

1、利用基于微流控技术的单微球富集手段，可高效地实现生物样本高灵敏、准确的自动化检测；

2、基于磁控实现了单个磁性微球的灵活捕获及释放，较传统一次性微球富集检测芯片相比具有高度的复用性，大大降低了检测成本和加工难度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明中基于微磁作用的单微球操控芯片的组装结构图。

图2是本发明中基于微磁作用的单微球操控芯片的爆炸结构示意图。

图3是本发明中磁体和微磁锥的磁场图。

图4是本发明中检测系统的具体实施图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例提出一种基于微磁作用的单微球操控芯片，包括芯片基板1；

所述芯片基板1内部开设有微流道5，所述芯片基板1顶面设置有出样口6和进样口7，所述出样口6和进样口7分别与所述微流道5的两端连通；

所述芯片基板1内位于所述微流道5下方嵌设有一个微磁锥8，所述微磁锥8包括团聚为锥体的磁纳米颗粒，其中，锥体的尖端可以指向所述微流道5，也可以背向所述微流道5。

特别的，开设的微流道5的宽度至少为单个微球直径的三倍。

需要说明的是，所述磁纳米颗粒优选为四氧化三铁磁纳米颗粒，在其它实施例中，也可以采用其它材质的磁纳米颗粒。

本实施例所述单微球操控芯片的工作原理为：

磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小区域就叫一个磁畴，每一个磁畴都有自己的磁矩。磁化前，各个磁畴的磁矩方向不同，磁场互相抵消，所以整个材料对外就不显磁性。当磁性材料被放进另一外部磁场中时，磁性材料中磁畴的磁矩方向变得一致，从而被磁化且对外显磁性。外部磁场越强，这些磁矩方向越趋于一致，磁化产生的磁场越强，反之亦然。

外部磁场的场强由近及远愈发衰弱，通过增大（减小）磁体与微磁锥的距离使外部场强变小（变大），进而弱化（强化）微磁锥内磁矩方向一致的趋势，从而削弱（增强）局域性微磁场场强。因此控制磁体与微磁锥的距离可以调节局域性微磁场的磁场强度。将磁体放置距微磁锥理论距离处，从而产生理论磁场强度的局域性微磁场。通过调整微磁锥体积的尺度大小可以确保该局域性微磁场捕获单个微球后不影响其他微球流出芯片。将磁体撤去后，微磁锥不再受外部磁场磁化影响，内部磁畴的磁矩方向恢复各向性相互抵消，局域性微磁场消失，微球被释放。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：提供了一种具体的芯片基板结构和微磁锥的制作方法，其中，

所述芯片基板1包括键合为一体的上基板3和下基板4；所述微流道5开设在上基板3，且底壁敞开设置；所述微磁锥8嵌设在所述下基板4内，并对应所述微流道5的中心处设置。

所述微磁锥的制作方法包括：

S1，制作含有10μm直径的小孔的第一模板，以及作为制作下基板的模具的第二模板；

S2，将磁纳米颗粒溶液滴加在所述小孔上；其中，磁纳米颗粒溶液优选以水为基液、油酸为活性剂的四氧化三铁磁纳米颗粒溶液；

S3，将所述第二模板置于所述第一模板下方，在所述第二模板下方放置未通电电磁铁；

S4，向所述电磁铁通入1A直流电1秒，使磁纳米颗粒溶液中的磁纳米颗粒受到磁场力的作用突破固液相界面张力穿越小孔落在所述第二模板上；

S5，撤去所述第一模板，再向所述电磁铁通入连续脉冲信号2秒，以利用磁场使捕获到的平铺的磁纳米颗粒团聚为锥体形；

S6，将PDMS聚合物溶液倾倒于所述第二模板上，加热使PDMS聚合物溶液固化为PDMS膜；

S7，剥离冷却固化后的PDMS膜作为所述下基板。

需要说明的是，步骤S4的操作决定了微磁锥的大小，如果小孔的直径小，单位时间穿越小孔的颗粒数就少，通电时间就需要很长。但是，对于本实施例来说，不管小孔直径大小几何，通电时间多长，电流多大，只要能获得合理数量的磁纳米颗粒即可。步骤S5的操作决定了微磁锥的底面直径和高度，主要与脉冲强度有关，信号越强，微磁锥越瘦高。

特别的，还包括步骤S8，将所述微磁锥8与所述上基板3中的微流道5中心对齐后，键合所述上基板3和所述下基板4，从而完成芯片基板1的制作。

实施例3

本实施例提供一种基于微磁作用的单微球操控检测组件，包括：

如实施例2所述的基于微磁作用的单微球操控芯片；以及

设置于所述基于微磁作用的单微球操控芯片下方，并可调整与所述微磁锥8的间距的磁体2。

具体的，所述磁体2为永磁体或电磁体。

本实施例中，磁体2置于微磁锥8下方，微磁锥8在磁体2的磁化作用下产生垂直于微流道5的局域性微磁场；众多磁性微球通过微流道5时，率先流经局域性微磁场上方的磁性微球16受到磁力作用被原位捕获，其余的磁性微球则绕过单个被捕获的磁性微球16流出芯片；当撤去磁体2后，微磁锥8产生的局域性微磁场消失，释放被捕获的磁性微球16，从而实现单磁性微球16捕获及释放的灵活操控。

需要说明的是，为实现单个磁性微球的原位捕获，微磁锥的底面直径大小（以50μm为例）与磁性微球直径（以50μm为例）有关，一般使它们大小相当即可。磁体与微磁锥的间距要求是使微磁锥受到0.5 T-0.7 T（以微球直径50μm为例）的外部场强磁化以形成微磁场。其中，微流道的宽度与磁性微球直径有关，宽度以区间(3d,4d]为佳（d表示磁性微球直径）。

实施例4

本实施例提供一种基于实施例3所述基于微磁作用的单微球操控检测组件的检测系统，如图4所示，包括与所述进样口7连通，并用于存储待检测液的储液器；

进口与所述出样口6连通，并用于存储废液的废液池14；

与所述废液池14的出口连通的负压泵15；以及

用于照射微球，以能够通过荧光信号检测法判断生物样本中是否存在目标检测物的光源。

具体的，所述储液器包括分液器9，用于存储功能化磁性微球液的第一储液池10，用于存储生物样本的第二储液池11，用于存储荧光标记的检测试剂的第三储液池12，以及用于存储洗脱液的第四储液池13；所述分液器9的多个入口同时与所述第一储液池10、所述第二储液池11、所述第三储液池12和所述第四储液池13连通；所述分液器9的出口与所述进样口7连通。

本实施例检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，调整所述磁体2与所述微磁锥8的间距至预定距离，以生成0.5T-0.7T的原磁场并磁化微磁锥形成微磁场；

步骤2，打开所述负压泵15，调节所述分液器9加入功能化磁性微球液，并使功能化磁性微球液以10μL/min-30μL/min的流速通过所述微流道5，使单个功能化磁性微球被所述微磁锥8形成的微磁场捕获；

步骤3，调节所述分液器9加入生物样本；

步骤4，调节所述分液器9加入荧光标记的检测试剂；

步骤5，关闭所述负压泵15，用激发光照射；

步骤6，通过观察是否产生绿色荧光信号，获得是否存在目标检测物的检测结果；

步骤7，撤去所述磁体2，以释放磁性微球16；打开所述负压泵15，并调节所述分液器9加入洗脱液，以清洁单微球操控芯片。

在其它实施例中，还可以在一片芯片基板上同理设置多条用于捕获单磁性微球的微流道，各条微流道在检测时通入不同的生物样本及对应的检测试剂，根据上述方法，即可实现在一片芯片基板上检测多种目标检测物。

实施例5

本实施例提供一种以前列腺癌检测为例的具体的单微球操控检测组件的检测系统及其检测方法。

单微球操控检测组件中，采用长宽均为2mm、高为8mm的永磁体2；单微球操控芯片中，上基板3和下基板4的均为尺寸60mm×60mm×5mm的PDMS聚合物板，微流道5长度为50mm、宽度为200μm、深度为200μm，出样口6、进样口7的内径为5mm；微磁锥8是由四氧化三铁磁纳米颗粒团聚而成的高60μm、底面直径50μm的锥体。

进样口7与分液器9出口连通，分液器9多个入口同时与第一储液池10、第二储液池11、第三储液池12和第四储液池13连通；出样口6与废液池14入口连通，废液池14出口与负压泵15连通。第一储液池10中含有浓度为5ng/mL的的功能化磁性微球液，其中，功能化磁性微球液中的磁性微球是表面被前列腺癌抗体所修饰的直径50μm的铁质微球；第二储液池11中含有浓度为5ng/mL的前列腺癌抗原样本，第三储液池12含有浓度5ng/mL用FITC修饰的前列腺癌检测抗体，第四储液池13含有洗脱液。

具体检测方法：

（1）永磁体2正对微磁锥8放置于下基板4下方2cm处，生成0.6T的原磁场以磁化微磁锥形成微磁场；

（2）打开负压泵15，调节分液器9加入功能化磁性微球液并以15μL/min的流速通过微流道5，使单个功能化磁性微球16被微磁锥8形成的局域性微磁场捕获；

（3）调节分液器9加入前列腺癌抗原样本；

（4）调节分液器9加入用FITC修饰的前列腺癌检测抗体；

（5）关闭负压泵15，用488nm激发光照射；

（6）观察可发现被捕获的磁性微球16产生明亮的绿色荧光信号；

（7）撤去永磁体2，释放磁性微球16；打开负压泵15，调节分液器加入洗脱液，清洁单微球操控芯片。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于微磁作用的单微球操控芯片，其特征在于：包括芯片基板；

所述芯片基板内部开设有微流道，所述芯片基板顶面设置有进样口和出样口，所述进样口和出样口分别与所述微流道的两端连通；

所述芯片基板内位于所述微流道下方嵌设有一个微磁锥。

2.根据权利要求1所述的基于微磁作用的单微球操控芯片，其特征在于：

所述微磁锥包括团聚为锥体的磁纳米颗粒。

3.根据权利要求2所述的基于微磁作用的单微球操控芯片，其特征在于：

所述芯片基板包括键合为一体的上基板和下基板；

所述微流道开设在上基板，且底壁敞开设置；

所述微磁锥嵌设在所述下基板内。

4.根据权利要求3所述的基于微磁作用的单微球操控芯片，其特征在于，所述微磁锥的制作方法包括：

S1，制作含有特定直径尺寸小孔的第一模板，以及作为制作下基板的模具的第二模板；

S2，将磁纳米颗粒溶液滴加在所述小孔上；

S3，将所述第二模板置于所述第一模板下方，在所述第二模板下方放置未通电电磁铁；

S4，向所述电磁铁通入一定的脉冲信号，使磁纳米颗粒溶液中的磁纳米颗粒受到磁场力的作用突破固液相界面张力穿越小孔落在所述第二模板上；

S5，撤去所述第一模板，再向所述电磁铁通入一定的信号，以利用磁场使捕获到的平铺的磁纳米颗粒团聚为锥体形；

S6，将PDMS聚合物溶液倾倒于所述第二模板上，加热使PDMS聚合物溶液固化为PDMS膜；

S7，剥离冷却固化后的PDMS膜作为所述下基板。

5.根据权利要求1所述的基于微磁作用的单微球操控芯片，其特征在于：所述微磁锥设置在所述微流道的中心处。

6.一种基于微磁作用的单微球操控检测组件，其特征在于，包括：

如权利要求1-5任一项所述的基于微磁作用的单微球操控芯片；以及

设置于所述基于微磁作用的单微球操控芯片下方，并可调整与所述微磁锥的间距的磁体。

7.根据权利要求6所述的基于微磁作用的单微球操控检测组件，其特征在于：所述磁体为永磁体或电磁体。

8.一种基于权利要求6或7所述基于微磁作用的单微球操控检测组件的检测系统，其特征在于：包括与所述进样口连通，并用于存储待检测液的储液器；

进口与所述出样口连通，并用于存储废液的废液池；

与所述废液池的出口连通的负压泵；以及

用于照射微球，以能够通过荧光信号检测法判断生物样本中是否存在目标检测物的光源。

9.根据权利要求8所述的检测系统，其特征在于：所述储液器包括分液器，用于存储功能化磁性微球液的第一储液池，用于存储生物样本的第二储液池，用于存储荧光标记的检测试剂的第三储液池，以及用于存储洗脱液的第四储液池；

所述分液器的多个入口同时与所述第一储液池、所述第二储液池、所述第三储液池和所述第四储液池连通；所述分液器的出口与所述进样口连通。

10.一种权利要求9所述检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，调整所述磁体与所述微磁锥的间距至预定距离；

步骤2，打开所述负压泵，并调节所述分液器加入功能化磁性微球液，使单个功能化磁性微球被所述微磁锥形成的微磁场捕获；

步骤3，调节所述分液器加入生物样本；

步骤4，调节所述分液器加入荧光标记的检测试剂；

步骤5，关闭所述负压泵，用激发光照射；

步骤6，通过观察是否产生绿色荧光信号，获得是否存在目标检测物的检测结果；

步骤7，撤去所述磁体，以释放磁性微球；打开所述负压泵，并调节所述分液器加入洗脱液，以清洁单微球操控芯片。

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