CN207894807U - 一种基于磁珠的生化分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于磁珠的生化分析装置，包括磁体和生化分析芯片，生化分析芯片包括生物样品进样口、磁珠溶液进样口、微流道、样品混合反应微池和样品出口，所述微流道呈Y型走向，生物样品进样口和磁珠溶液进样口分别设置在微流道的两个支流，样品混合反应微池和样品出口依次设置在微流道的干流，样品混合反应微池内部成型有若干磁性微柱结构。本实用新型通过探究进、出样微管道设计，能使样品跟磁珠溶液在短时间内均匀、分散地进入反应微池，反应微池内利用合理的微结构改变流体的流型和流速，增加生物样品和反应液、磁珠的接触面积与接触机会，利用磁性微柱极化后形成高梯度磁场有效捕获纳米磁珠。

Description

一种基于磁珠的生化分析装置

技术领域

本实用新型涉及生物微流控芯片领域，具体地，涉及一种基于磁珠的生化分析装置。

背景技术

20世纪90年代初，瑞士的Manz与Widmer提出了微全分析系统(Micro TotalAnalysis Systems,μ-TAS)的概念。将微电子机械系统技术(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)和分析化学检测相结合，通过微细加工的方法,在面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片上,构建微型生物化学分析单元和系统。从本质上讲，就是将化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携式的分析设备中，最终实现分析实验室的个人化、家用化。因此，又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，被认为是21世纪最为重要的生化分析前沿技术之一。

近年来,着微加工技术的发展和生化分析领域的需求,流控芯片 (Mricrofluidicchips)成为继微阵列生物芯片(Microarray chips)之后，微全系统的发展前沿。微流控芯片以微管道网络为结构特征，目标是在微芯片上实现从样品预处理、液流混合、在线反应、样品分离和检测等一系列生物化学实验和检测。能减少试剂消耗，缩短反应时间，使自动化程度更高，实现高通量、大规模的检测，从而降低成本，并且检测结果也更加可靠。近几年,微流控分析系统已经取得了一定突破性的进展，但仍有许多问题有待解决，如研制集成度更高，可以同时进行多种复杂生化反应，真正实现微全分析系统。

目前，常规磁珠技术已趋于成熟，相应的磁珠制作及电磁仪器均有成熟的生产厂家和产品。出现了诸如Dynal,Bangs,Spherotech等生产应用于生物医学中的磁珠及其配套仪器的指明公司，其磁珠产品涵盖了DNA提取、蛋白分离、细菌分离、细胞捕获等方面的应用。

磁珠微系统的热点主要围绕磁珠操控，即磁珠分离微系统展开。目前芯片级磁珠操控技术主要分为两大类：采用电磁MEMS工艺在芯片上集成平面线圈的和基于外置磁场的操控，两者各有优劣。外置磁场操控方法简单，可根据需要选择合适的永磁铁或外置电磁线圈对磁珠进行控制。基于电磁MEMS技术的集成平面线圈工艺，由于非接触式操控简便，控制灵敏度高，集成度高，微器件体积小等特点在生物医学工程中有着广泛的应用，曾经一度成为研究热点。如基于磁致驱动和磁珠表面反应的蛋白或DNA分离检测、药物传输、巨磁阻(Giant Magnetoresistive,GMR)检测技术，以及基于电磁相关MEMS的微型医疗器械改进及其应用等。

基于外置磁场的磁珠操控主要使用的磁场操控元件是外置永磁铁或是常规的电磁线圈，缺点主要为集成度不高，磁场强度调节相对困难，无法对磁珠进行精确操控；优点则是工艺简单易行，成功率高，微通道的设计不受限制，应用广泛等。Kim等在微流体芯片上研究了层流条件下磁珠与样品混合及其流向操控。虽然成功制作了复合结构用于并行的磁珠生物反应及操控，实现了对两种不同IgG的分离检测，但是使用的是外置永磁铁，集成度不够高。

电磁MEMS工艺的磁场控制元件是集成在芯片上的平面线圈。Jin-Woo Choi等利用MEMS微加工技术，通过电镀将平面线圈制作在硅衬底上，并通过刻蚀、键合等制作微流路沟道，并将两者键合，得到集成的芯片上磁珠生物检测微系统。在后来的研究中，集成平面电磁线圈的诸多缺点也显现出来，限制了它在磁珠微系统中的进一步应用和发展，集成平面电磁线圈的缺点主要表现在以下几方面：

(1)集成电磁线圈的散热问题。

平面电磁线圈是通过施加电场，对外产生磁场进行磁珠捕获。然而，电磁线圈在通电后，也变为了一个不断发热的大电阻，而且其产生的热量同电流成正比。一般的集成式的平面线圈的有效捕获区域有限，捕获效率都较低，往往会通过加大控制电流来提高捕获效率，电流带来的热效应就凸现出来。然而，DNA、蛋白质分子以及各类细胞等生物医学试样均对外界温度非常敏感，只能在某一固定的温度区间内具有生物活性，如生物应用中，大部分酶需要工作在37℃，超过60℃就会失活，因而生物芯片对温度的控制需要非常精确。而平面微线圈由于通电后散发较多热量，容易影响生物实验正常进行。这就需要对芯片工作中的温度场分布进行模拟研究，增加了芯片设计的前期工作量，同时通道和基底材料的选择也受限制。

(2)芯片的微型化和良好的磁场性能和之间难达到平衡。

受到微细加工的工艺条件限制，电铸所制备的平面线圈的材质多为Cu 或Fe,Ni等材料，其磁感应强度不高，捕获磁珠效率不高。只能通过增加线圈匝数或者通过增加线圈铁芯来增强磁场强度，这就增加了工艺的难度，同时也增大了芯片的面积，限制了芯片的进一步微型化。

(3)工艺流程多，难度大，成功率不高。

平面电磁线圈基本都采用电镀加工工艺，为了提高电磁性能，会在电镀铜的同时，再电镀一层镍用以收集磁力线，因此，工艺流程多，难度大，成功率不高。而且，电镀工艺对加工高度也有限制，做厚胶电镀较困难，限制了从工艺上提高芯片性能的可能性。

(4)芯片不透明，不利于光学检测。

芯片上集成平面线圈多采用硅作为基底，整个芯片无法做到透明，在一定程度上影响了后期在片实验室光路的设计，不利于光学检测。

因此，鉴于以上原因，2001年以来，基于外置磁场的免疫磁珠工艺又逐渐成为研究热门。平面集成电磁线圈的操控方法和外置磁铁的操控方法各有优缺点，如何能避免复杂的加工工艺，而又能精确、有效地操控磁珠，是磁珠微系统研究中必须要考虑的一个问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于磁珠的生化分析装置，以解决上述技术问题中的至少一个。

根据本实用新型的一个方面，提供一种基于磁珠的生化分析装置，包括磁体和生化分析芯片，生化分析芯片包括生物样品进样口、磁珠溶液进样口、微流道、样品混合反应微池和样品出口，微流道呈Y型走向，生物样品进样口和磁珠溶液进样口分别设置在微流道的两个支流，样品混合反应微池和样品出口依次设置在微流道的干流，样品混合反应微池内部成型有若干磁性微柱结构。

优选地，样品混合反应微池内的微柱结构为直线排列或者交叉排列。

优选地，样品混合反应微池内的微柱结构为交叉排列。

优选地，样品混合反应微池内的微柱结构的形状为圆形、方形或三角形。

优选地，样品混合反应微池内的微柱结构为交叉排列的圆形微柱。

优选地，生物样品进样口、磁珠溶液进样口和样品出口采用单微管道结构或者多级分叉微管道结构。

优选地，生物样品进样口、磁珠溶液进样口和样品出口采用多级分叉微管道结构。

优选地，生物样品进样口、磁珠溶液进样口和样品出口采用三级分叉8 微管道结构。

优选地，采用聚二甲基硅氧烷作为生化分析芯片的加工基材。

优选地，生化分析芯片通过以玻璃基片作为基底，并在其上刻蚀微通道，将通过氧等离子体处理之后的聚二甲基硅氧烷与所述基底进行共价键合制成。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)利用生化分析芯片内的磁性微柱极化后形成高梯度磁场控制磁珠运动，既避免了平面电磁线圈的热效应,磁珠操控也比单纯外磁场操控更精确。

(2)采用多级分叉微管道，克服了截面积反应微池内液体流速度不均一，容易引起分散不均匀的问题，使液体能较好的在较短时间内均匀、分散进入反应微池。

(3)样品混合反应微池使用圆形微柱的交叉排列设计，破坏了液体的层流，起到被动混合的效果，能有效的促进样品与缓冲液的接触和混合，加快反应速度，提高反应效率；此外，与正方形和三角形微柱相比，圆形微柱的边缘为流线型曲线，所以圆形微柱周围的死体积范围小于其他形状的微柱结构。

(4)采用聚二甲基硅氧烷和玻璃材料制成作为制成生化分析芯片的材料，由于玻璃是亲水性材料，所以液体进样比较容易，此外，制得的生化分析芯片具有良好的透光性,可应用于多种光学检测系统。

附图说明

图1为基于磁珠的生化分析装置的基本工作原理图；

图2为基于磁珠的生化分析装置的结构示意图；

图3为交叉排列的圆形微柱的排布方式示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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的实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例中采用条形永磁铁作为磁体6提供外磁场，两个条形永磁铁极性相对地放置在生化分析芯片两端，提供均匀外加磁场，磁场方向与微通道方向垂直。基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)优异的物化性能，同时，考虑到PDMS属于疏水材料，不利于液体流动，而玻璃属于亲水材料，所以选择以玻璃基片作为基底，并在其上刻蚀微通道，将通过氧等离子体处理之后的聚二甲基硅氧烷与所述基底进行共价键合制备生化分析芯片。生化分析芯片包括生物样品进样口1、磁珠溶液进样口2、微流道3、样品混合反应微池4和样品出口5。如图1所示，基于磁珠的生化分析装置的基本工作原理如下：在磁珠表面包被配体(如DNA、抗体等)形成免疫磁珠溶液，在磁珠溶液进样口2滴加免疫磁珠溶液，在生物样品进样口1滴加含有相应靶物质(如DNA、抗原等)的待测样品液，免疫磁珠溶液和待测样品液通过微流道3汇合后进入样品混合反应微池4，这一过程中免疫磁珠与靶物质通过特异性结合形成新的复合物；该复合物在磁场中具有与其它组分不同的磁响应性，当外加磁场时，磁珠被极化，在磁力作用下，该复合物发生力学移动，从而达到分离目标样品的目的；而撤去外加磁场时，磁珠的磁性消失，磁珠重新分散在溶液中，洗脱下结合在磁珠表面的生物分子，并使其从样品出口排出，整个微系统可以再次使用。

如图2所示，本实施例中，微流道3成Y型走向，生物样品进样口1 和磁珠溶液进样口2分别设置在微流道3的两个支流，待测样品溶液和免疫磁珠溶液分别从相应的进样口进入系统，然后微流道3的干流汇合。生物样品进样口1和磁珠溶液进样口2皆为三级分叉形成的8个微管道结构，多级分叉微管道能够获得更均匀的流速分布，使得待测样品液及免疫磁珠溶液能均匀、分散进入样品混合反应微池4。

试液在微管道3干流汇合后进入样品混合反应微池4，在整个结构设计中，样品混合反应微池4是整个生化反应的关键部分。本实施例中，样品混合反应微池4的大小为10mm×4.5mm，内部成型有若干磁性微柱结构。在磁珠的体积一定时,它所受到的磁场力F_m和磁场梯度△B成正比。当△B 为零时，也就是当磁珠处在均匀磁场中时，不管磁场强度有多强，磁珠受到的磁场力为零。相反，在一个磁场强度较弱的非均匀磁场中，可以在不增强磁场强度的情况下，通过磁场的高梯度来产生捕获磁珠所需要的捕获力。因此，在样品混合反应微池4内部设计了一些顺磁性的微柱结构，用于提供磁珠捕获时所需要的高梯度磁场。当在生化分析芯片外部施加一个外加磁场时，样品混合反应微池4内部的磁性微柱会被磁化，微柱周围产生一个高梯度的磁场从而捕获磁珠。磁性微柱周围区域内产生了较强的非均匀磁场，磁珠在这一区域内将会受到较大的磁场力,也就是磁珠将会有向磁场高梯度方向运动的趋势。本实施例中，微柱结构为交叉排列的圆形微柱，圆形微柱半径为100μm，如图3所示。微柱阵列的交叉排列，使得在反应微池中，高流速区域和低流速区域交叉排列。因此，磁珠会绕着微柱曲线前进，增加了磁珠在样品混合反应微池4中停留的时间，延长了运动轨迹，增加了磁珠和待测样品溶液接触的几率。而且，交叉排列的设计破坏了液体的层流，起到被动混合的效果，能有效的促进样品与缓冲液的接触和混合，加快反应速度,提高反应效率。由于圆形微柱边沿为流线型结构，与其他形状的微柱相比，死体积范围减少，因此采用交叉排列的圆形微柱结构。

实施例2

蛋白质捕获实验

仪器与试剂：

PHD2000微量注射泵(HARVARD APPARATUS)；Olympus[X5]荧光显微镜；OlympusDP70CCD，磁珠为Dynabeads M-270Carboxylic Acid(Dynal Biotech)；去离子水；FITC-鼠抗人IgG(博奥森)，羊抗鼠IgG(华美)。

实验流程：

磁珠经过EDC活化后，,将羊抗鼠IgG固定在磁珠表面。用微量注射泵将2μL免疫磁珠溶液从磁珠溶液进样口2注入微管道3中。在芯片一侧放置磁铁。将8μL FITC标记的鼠抗人IgG通入微管道中(流速为3μL/min)。用注射泵来回抽拉，反应10分钟后，导入30μL洗液(l％Tween PBS)冲洗。用荧光显微镜观察结果。撤去外磁场后，再用洗液冲洗，用荧光显微镜观察结果。

结果分析：

通过蛋白捕获实验，验证芯片在生物反应应用中的可行性，在荧光显微镜中可以观察到被捕获的FITC标记的蛋白。当外磁场撤去后，磁珠会被洗脱液从圆形微柱上洗脱下来。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁珠的生化分析装置，包括磁体(6)和生化分析芯片，其特征在于：所述生化分析芯片包括生物样品进样口(1)、磁珠溶液进样口(2)、微流道(3)、样品混合反应微池(4)和样品出口(5)，所述微流道(3)呈Y型走向，所述生物样品进样口(1)和所述磁珠溶液进样口(2)分别设置在所述微流道(3)的两个支流，所述样品混合反应微池(4)和所述样品出口(5)依次设置在所述微流道(3)的干流，所述样品混合反应微池(4)内部成型有若干磁性微柱结构，所述磁性微柱结构在所述磁体(6)的作用下形成梯度磁场。

2.如权利要求1所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述样品混合反应微池(4)内的微柱结构为直线排列或者交叉排列。

3.如权利要求2所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述样品混合反应微池(4)内的微柱结构为交叉排列。

4.如权利要求1所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述样品混合反应微池(4)内的微柱结构的形状为圆形、方形或三角形。

5.如权利要求3或4任一项所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述样品混合反应微池(4)内的微柱结构为交叉排列的圆形微柱。

6.如权利要求1所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述生物样品进样口(1)、所述磁珠溶液进样口(2)和所述样品出口(5)采用单微管道结构或者多级分叉微管道结构。

7.如权利要求6所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述生物样品进样口(1)、所述磁珠溶液进样口(2)和所述样品出口(5)采用多级分叉微管道结构。

8.如权利要求7所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述生物样品进样口(1)、所述磁珠溶液进样口(2)和所述样品出口(5)采用三级分叉8微管道结构。

9.如权利要求1所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述生化分析芯片由聚二甲基硅氧烷制备。

10.如权利要求9所述基于磁珠的生化分析装置，其特征在于：所述生化分析芯片通过以玻璃基片作为基底，并在其上刻蚀微通道，将通过氧等离子体处理之后的聚二甲基硅氧烷与所述基底进行共价键合制成。