CN205687904U - 一种用于核酸提取的微流控装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于核酸提取的微流控装置及控制系统，其特征在于：它包括一裂解腔室，裂解腔室通过一第一流体通道连接一第一混合腔室，第一混合腔室通过一第二流体通道连接一洗脱腔室，在洗脱腔室上设置有一第一开口，在第一流体通道和第二流体通道上分别设置有一第二开口，在第一混合腔室和洗脱腔室内分别设置有一第一弹性膜。在裂解腔室和洗脱腔室上分别连接一温度控制装置，在各弹性膜上均连接一压力装置，第四开口和其中一第二开口分别通过管路共同连接一泵，泵通过管路连接试剂存储装置，在另一第二开口上并联多条管道支路，其中一管道支路与空气连通，其余的每一管道支路均连接试剂存储装置，第一开口通过管道连接试剂存储装置。

Description

一种用于核酸提取的微流控装置及控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于核酸提取的微流控装置及控制系统，属于微流体芯片技术领域。

背景技术

核酸分析包括提取、扩增和检测。其中，核酸提取操作过程最为繁琐，包括样本裂解、富集、纯化和洗脱，也是核酸分析自动化控制系统中最为复杂的一项技术。

目前的提取技术主要是基于硅膜和磁珠的提取和纯化。由于磁珠更为灵活，反应效率高且稳定性更高，因此应用更为广泛。而在集成化的微流体芯片或卡盒内实现复杂的核酸提取过程则是一项挑战。而简化的操作过程和控制系统容易影响提取质量。另外，由于操作过程中混合不充分、清洗不干净和洗脱液量不合适等都将会导致所提取的核酸的浓度和纯度不够，因此，试剂存储、腔室结构设计，磁珠混合方式和流体控制方法都是控制系统开发的技术关键点，且相应的实施方法也多种多样，各有优劣。US20090035847提出了一种离心力控制的碟式芯片平台，该平台动力系统虽然结构简单，但是却不便于与外部接触式控制装置对接。US8394608公开了一种通过挤压囊泡实现试剂在不同腔室间转移的核酸分析装置，然而该装置的控制系统结构复杂，每一个囊泡均需要一个独立的气压传动装置，虽然磁珠与裂解液结合、清洗和洗脱均在同一个腔室内，该方法能够减少磁珠的转移，但是，处理大量裂解液和洗液的腔室不适合处理少量洗脱液以获取较高浓度的核酸。CN101379180公开了一种卡盒装置，该装置首先通过插入磁棒将磁珠聚集在旋转阀的空腔中，然后再通过旋转相邻腔室中间的旋转阀实现磁珠转移。同样该方法也需要复杂的运动件控制，每一次溶液添加、混合抽吸、磁铁和阀控制均需要独立的控制部件。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种提取浓度、纯度高且结构简单的用于核酸提取的微流控装置及控制系统。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：它包括一设置在微流控芯片上且用于样本裂解的裂解腔室，所述裂解腔室通过一第一流体通道连接一第一混合腔室，所述第一混合腔室通过一第二流体通道连接一用于核酸洗脱的洗脱腔室，在所述洗脱腔室上设置有一第一开口，在所述第一流体通道和所述第二流体通道上分别设置有一第二开口，在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室内分别设置有一第一弹性膜。

在所述第二流体通道上设置有一第二混合腔室，所述第二混合腔室设置在所述第一混合腔室与位于所述第二流体通道上的所述第二开口之间；在所述第二混合腔室内设置有一第二弹性膜。

在所述第一混合腔室内设置有磁珠。

在所述第一混合腔室和所述第二混合腔室之间设置有一用于盛放磁珠的磁珠存储腔室，所述磁珠存储腔室的始端通过一第三流体通道与所述第二流体通道连接，在所述磁珠存储腔室的末端设置有一用于引入磁珠溶液的第三开口，在所述第三流体通道与所述第二流体通道的连接处设置有一第四开口。

在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的侧壁上分别设置有卡槽，各所述第一弹性膜分别设置在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的所述卡槽内。

在所述第一混合腔室、所述洗脱腔室和所述第二混合腔室的侧壁上分别设置有卡槽；各所述第一弹性膜分别设置在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的所述卡槽内，所述第二弹性模设置在所述第二混合腔室的所述卡槽内。

在所述第一流体通道上设置有一第一芯片阀，所述第一芯片阀位于所述裂解腔室与设置在所述第一流体通道上的所述第二开口之间；在所述第二流体通道上设置有一第二芯片阀，所述第二芯片阀位于所述洗脱腔室与设置在所述第二流体通道上的所述第二开口之间。

一种用于核酸提取的控制系统，其特征在于：它包括一微流控装置，在所述微流控装置内的所述裂解腔室和所述洗脱腔室上分别连接一温度控制装置，在每一所述弹性膜上均连接一用于挤压所述弹性膜的压力装置，所述第四开口和位于所述第一流体通道上的所述第二开口分别通过管路共同连接一泵，所述泵通过管路连接试剂存储装置，位于所述第二流体通道上的所述第二开口上并联有多条管道支路，其中一所述管道支路与空气连通，其余的每一所述管道支路均连接试剂存储装置，所述第一开口通过管道连接试剂存储装置。

在与所述泵连接的各所述管路上均设置有一阀体；在每一所述管道支路上均设置有一阀体；所述泵为柱塞泵，各所述试剂存储装置均为试剂瓶；各所述阀体均为夹管阀。

所述控制系统还包括一用于控制磁珠移动的磁力控制装置。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型设置了两混合腔室，能够保证裂解反应充分地进行，本实用新型能够适合血液等复杂样本。2、本实用新型在两混合腔室内分别设置有一弹性膜，通过挤压两混合腔室内的两弹性膜，能够使裂解样本、结合液与磁珠充分接触，混合效果好，能够提高核酸的提取浓度，结构简单，使用方便。3、本实用新型在第一流体通道和第二流体通道上分别设置有一第二开口，可以对磁珠进行多次清洗，同时避免了磁珠的转移操作。4、本实用新型在洗脱腔室和两混合腔室的侧壁上分别设置有卡槽，各弹性膜设置在相应的卡槽内，能够提高弹性模的稳定性和密封性。5、本实用新型在微流控装置上设置了一控制系统，能够实现流体的液路控制，操作性强。

附图说明

图1是本实用新型微流控装置的结构示意图

图2是本实用新型微流控装置两混合腔室和两弹性膜的结构示意图

图3是本实用新型控制系统的结构示意图

图4是本实用新型使用时弹性膜的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1、如图2所示所示，本实用新型提出了一种用于核酸提取的微流控装置，它包括一微流控芯片1，在微流控芯片1上设置有一用于样本裂解的裂解腔室2，裂解腔室2通过第一流体通道3连接一混合腔室4，用于核酸的富集和纯化。混合腔室4通过第二流体通道3连接一用于核酸洗脱的洗脱腔室5，在洗脱腔室5上设置有一第一开口6，用于引入洗脱液或输出洗脱后的核酸溶液。在第一流体通道3和第二流体通道3上分别设置有一第二开口7，其中一第二开口7用于引入结合液或清洗液，另一第二开口7用于输出裂解反应液、结合液与磁珠结合后的液体，或输出清洗液流经混合腔室4后的液体。在混合腔室4内设置有一弹性膜8，按压弹性膜8使裂解样本、结合液与磁珠充分接触，以实现裂解样本中的核酸在结合液的作用下富集在磁珠表面。在洗脱腔室5内也设置有一弹性膜(图中未示出)，在洗脱腔室5内按压弹性膜能够实现洗脱液与核酸富集后的磁珠充分接触。

上述实施例中，在第二流体通道3上设置有一混合腔室9，混合腔室9位于混合腔室4与设置在第二流体通道3上的第二开口7之间，混合腔室9分别与混合腔室4和位于第二流体通道3上的第二开口7连通。在混合腔室9内设置有一弹性膜8(如图2所示)，用于使裂解样本中的核酸充分地富集和纯化，且能够避免过多的磁珠转移操作。

上述实施例中，在混合腔室4内设置有磁珠。

上述实施例中，可以在混合腔室4和混合腔室9之间的位置设置有一用于盛放磁珠的磁珠存储腔室10，磁珠存储腔室10的始端通过一第三流体通道与所述第二流体通道3连接，在磁珠存储腔室10的末端设置有一用于引入磁珠溶液的第三开口11。

上述实施例中，微流控芯片1由聚合物材料制成。

上述实施例中，如图2所示，微流控芯片1包括一芯片底片12和一设置在芯片底片12上方的芯片盖片13。其中，第一、第二流体通道3和两混合腔室4、9分别设置在芯片底片12与芯片盖片13之间。其中，在两混合腔室4、9的侧壁上分别设置有卡槽，各弹性膜8分别设置在两混合腔室4、9的卡槽内。

上述实施例中，在洗脱腔室5的侧壁上设置有卡槽，位于洗脱腔室5内的弹性模设置在卡槽内。

上述实施例中，在第三流体通道与第二流体通道3连接的位置还设置有一第四开口14，第四开口14分别与两混合腔室4、9以及磁珠存储腔室10连通，用于将两混合腔室4、9内多余液体输送至外围流路或废液池。

上述实施例中，在第一流体通道3上设置有一芯片阀31，芯片阀31位于裂解腔室2与设置在第一流体通道3上的第二开口7之间，用于控制第一流体通道3的流通或断开。在第二流体通道3上设置有另一芯片阀31，另一芯片阀31位于洗脱腔室5与设置在第二流体通道3上的第二开口7之间，用于控制第二流体通道3的流通或断开。

上述实施例中，两芯片阀31均为下压阀、扭矩阀、气动阀和相变阀之一。

上述实施例中，每一弹性膜8均采用聚合物或硅胶制成。

上述实施例中，磁珠为带有磁性的金属粒子，可以为铁、镍、铬等金属或其氧化物。在磁珠的外部设置有对核酸有亲和力的金属氧化物，可以为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁、四氧化三铁等。

上述实施例中，裂解样本为血液样本、鼻咽试纸、口腔试纸、痰样等生物样本。

如图3所示，基于上述微流控装置，本实用新型提出的用于核酸提取的控制系统，它包括一微流控装置，在微流控装置中的裂解腔室2和洗脱腔室5上分别连接一温度控制装置15，在温度控制装置15的作用下，能够控制裂解腔室2中裂解反应所需的温度和洗脱腔室5中洗脱反应所需的温度。在每一弹性膜8上均连接一用于挤压弹性膜8的压力装置(图中未示出)。其中，第四开口14和位于第一流体通道3上的第二开口7分别通过管路共同连接泵16，泵16通过管路连接试剂存储装置17。位于第二流体通道3上的第二开口7上并联有多条管道支路，其中一管道支路与空气连通，其余的每一管道支路均连接试剂存储装置17。第一开口6通过管道连接试剂存储装置17。

上述实施例中，在与泵16连接的各管路上均设置有一阀体18，能够控制相应管路的开启和关闭。在每一管道支路上均设置有一阀体18，用于控制各管道支路的开启和关闭。

上述实施例中，泵16可以为柱塞泵，能够精密控制微升级单位体积。

上述实施例中，各试剂存储装置17均为试剂瓶。

上述实施例中，每一阀体18均为夹管阀。

上述实施例中，该控制系统中还设置有一用于控制磁珠移动的磁力控制装置。

上述实施例中，磁力控制装置可以为磁铁。

本实用新型使用时，通过以下步骤进行核酸提取实验，实验过程如下：

1)裂解

首先取一定量裂解样本加入到裂解腔室2中，再加入蛋白酶K和裂解液，用移液器吹吸混匀后盖上密封盖或密封膜。可以将充分混匀的磁珠溶液从磁珠存储腔室10的入口加入，通过磁珠存储室10下方的磁铁将其滞留，留待后续使用。然后关闭所有芯片阀31和阀体18，在外围加热器和连接裂解腔室2的温度控制装置15的作用下，加热微流控芯片1并保持在56摄氏度，10分钟后裂解腔室2内的裂解样本进行细胞裂解反应。其中，裂解样本可以为血液样本、鼻咽试纸、痰样等生物样本。

2)结合

完成裂解反应后，等待2～3分钟后，裂解反应液冷却至室温。首先打开位于第一流体通道3上的芯片阀31和位于第四开口14与泵16之间管路上的阀体18，启动泵16，将裂解腔室2中的裂解反应液输送至混合腔室4。接着关闭相应的芯片阀31，同时打开盛放有结合液的试剂存储装置17所在管道支路上的阀体18，将结合液输送至混合腔室9中。再次关闭位于第四开口14和泵16之间管路上的阀体18和盛放有结合液的试剂存储装置17所在管道支路上的阀体18。当两混合腔室4、9均处于密封状态时，挤压混合腔室4的弹性膜8，使得混合腔室9中的弹性膜8发生相反方向的形变(如图4所示)，反之亦然，从而能够得裂解反应液和结合液充分混合。继而再利用磁铁将磁珠存储腔室10内的磁珠转移至位于混合腔室4与混合腔室9之间的第二流体通道3上，或者在裂解反应液与结合液的作用下带动混合腔室4内的磁珠通过第二流体通道3进入混合腔室9。并通过挤压两混合腔室4、9内的弹性膜8，使得裂解反应液和结合液进一步与磁珠充分混合，裂解释放出的核酸结合在磁珠表面。完成结合反应后，利用磁铁将富集有核酸的磁珠聚集在微流控芯片1的表面。如果裂解反应液、结合液和磁珠溶液超过两混合腔室4、9和磁珠存储腔室10的容积，可以将多余液体通过第四开口14排出至外围流路或废液池。接着打开位于第一流体通道3上的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18和与空气连通的管道支路上的阀体18，将混合后的溶液从两混合腔室4、9中抽走。然后再关闭相应的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18和与空气连通的管道支路上的阀体18，打开位于泵16与试剂存储装置17之间管路上的阀体18，将废液排至废液池。最后关闭位于泵16与试剂存储装置17之间管路上的阀体18。

3)清洗

首先，打开位于第一流体通道3上的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18和盛放有清洗液的试剂存储装置17所在管道支路上的阀体18，启动泵16，将试剂存储装置17中的清洗液输送至两混合腔室4、9内。接着关闭相应的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18和盛放有清洗液的试剂存储装置17所在管道支路上的阀体18。同步骤2进行磁珠混合、磁铁聚集和溶液排出操作，完成清洗液对磁珠的清洗。然后，再通过控制盛放另一清洗液的试剂存储装置17所在的管道支路上的阀体18和相应的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18进行开启和关闭，完成另一清洗液的一到两次清洗。

4)洗脱

首先，打开位于第二流体通道3上的芯片阀32和位于第一流体通道3上的第二开口7与泵16之间管路上的阀体18，用磁铁将富集核酸的磁珠转移至洗脱腔室5。同时断开洗脱腔室5与外围流路的连接，加热微流控芯片1至65℃，并保持5分钟，使得磁珠表面残留的有机溶剂挥发。接着使洗脱腔室5上的第一开口6与盛放有洗脱液的试剂存储装置17连通，在泵16的作用下将试剂存储装置17内的洗脱液输送至洗脱腔室5，然后挤压洗脱腔室5内的弹性膜8，使洗脱腔室5内的洗脱液与富集核酸后的磁珠进行混合后，继续加热5分钟进行洗脱反应。最后吸附磁珠，并将洗脱后的核酸溶液排出洗脱腔室5，将排出后的核酸液体输送至试剂存储装置17内。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：它包括一设置在微流控芯片上且用于样本裂解的裂解腔室，所述裂解腔室通过一第一流体通道连接一第一混合腔室，所述第一混合腔室通过一第二流体通道连接一用于核酸洗脱的洗脱腔室，在所述洗脱腔室上设置有一第一开口，在所述第一流体通道和所述第二流体通道上分别设置有一第二开口，在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室内分别设置有一第一弹性膜。

2.如权利要求1所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第二流体通道上设置有一第二混合腔室，所述第二混合腔室设置在所述第一混合腔室与位于所述第二流体通道上的所述第二开口之间；在所述第二混合腔室内设置有一第二弹性膜。

3.如权利要求1所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第一混合腔室内设置有磁珠。

4.如权利要求2所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第一混合腔室和所述第二混合腔室之间设置有一用于盛放磁珠的磁珠存储腔室，所述磁珠存储腔室的始端通过一第三流体通道与所述第二流体通道连接，在所述磁珠存储腔室的末端设置有一用于引入磁珠溶液的第三开口，在所述第三流体通道与所述第二流体通道的连接处设置有一第四开口。

5.如权利要求1所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的侧壁上分别设置有卡槽，各所述第一弹性膜分别设置在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的所述卡槽内。

6.如权利要求2所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第一混合腔室、所述洗脱腔室和所述第二混合腔室的侧壁上分别设置有卡槽；各所述第一弹性膜分别设置在所述第一混合腔室和所述洗脱腔室的所述卡槽内，所述第二弹性模设置在所述第二混合腔室的所述卡槽内。

7.如权利要求1所述的一种用于核酸提取的微流控装置，其特征在于：在所述第一流体通道上设置有一第一芯片阀，所述第一芯片阀位于所述裂解腔室与设置在所述第一流体通道上的所述第二开口之间；在所述第二流体通道上设置有一第二芯片阀，所述第二芯片阀位于所述洗脱腔室与设置在所述第二流体通道上的所述第二开口之间。

8.一种基于权利要求1～7任一项所述的微流控装置的控制系统，其特征在于：它包括一微流控装置，在所述微流控装置内的所述裂解腔室和所述洗脱腔室上分别连接一温度控制装置，在每一所述弹性膜上均连接一用于挤压所述弹性膜的压力装置，所述第四开口和位于所述第一流体通道上的所述第二开口分别通过管路共同连接一泵，所述泵通过管路连接试剂存储装置，位于所述第二流体通道上的所述第二开口上并联有多条管道支路，其中一所述管道支路与空气连通，其余的每一所述管道支路均连接试剂存储装置，所述第一开口通过管道连接试剂存储装置。

9.如权利要求8所述的一种用于核酸提取的控制系统，其特征在于：在与所述泵连接的各所述管路上均设置有一阀体；在每一所述管道支路上均设置有一阀体；所述泵为柱塞泵，各所述试剂存储装置均为试剂瓶；各所述阀体均为夹管阀。

10.如权利要求8所述的一种用于核酸提取的控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括一用于控制磁珠移动的磁力控制装置。