CN207933420U - 一种基因检测用的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物医药领域，涉及一种基因检测用的微流控芯片。本实用新型的微流控芯片包含DNA提取模块，与DNA提取模块相连的定量分流模块，与定量分流模块相连的PCR反应模块。待测样品进入DNA提取模块中，经过加热裂解，释放DNA，再通过过滤除杂后，被定量分流，最后进入PCR反应模块，进行PCR反应和检测。本实用新型的微流控芯片集DNA提取、定量分流和基因检测于一体，通过程序化的加热、过滤和分流，就可以实现基因检测的全自动化和实时分析。

Description

一种基因检测用的微流控芯片

技术领域

本发明涉及分子生物学领域，更具体地，涉及一种全自动基因检测用的微流控芯片。

背景技术

POCT(point-of-care testing,即时检测)因即时、快速、简便、便携而使得越来越多的临床检验不必在医院中心实验室完成，而可以在医院各临床科室、社区医院、社区诊所、甚至家里完成。这不仅可以大大缩短检验的总体时间而帮助医生快速作出诊断，而且还可以极大地方便病人。然而到目前为止，POCT主要应用于血液生化、血气、心肌标志物等参数。对于基因的检测，则较少涉及，这是因为，基因的检测如PCR反应需要复杂的前处理，如DNA提取，需要多次的离心吸附和洗脱；PCR加样繁琐；PCR反应需要依靠精准的温度循环装置和荧光检测分析系统。这些极大地限制基因检测在POCT方面的发展。

目前，基因检测的前处理主要依赖人工操作完成，不仅耗时耗力，而且前处理过程中易受到污染，一方面是样品受环境污染，另一方面环境或操作人易受到样本的污染；此外，人为操作容易带来误差。因此，急需一种能够实现自动化的基因检测装置或系统。

中国专利CN 104593255 A公开了一种即时检测EGFR突变的微流控芯片，该芯片集DNA提取、LAMP扩增(环介导等温扩增)、即时检测为一体。该微流控芯片只检测一种基因(EGFR)突变，只有三个平行系统，且检测过程中还存在部分人工操作，如样品需要在芯片外进行裂解。

为了解决现有技术中基因的检测分析难以实现POCT，传统基因分析耗时、耗力等缺点，本发明提供了一种基因检测用的微流控芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集DNA提取、定量分流、PCR反应于一体的微流控芯片。

本发明的目的还在于提供一种全自动化，封闭的微流控芯片。

本发明的目的还在于提供一种定量准确的微流控芯片。

本发明的目的通过以下技术手段实现：

本发明提供了一种DNA提取模块。

所述的DNA提取模块含有裂解腔，与裂解腔相连的过滤装置，与过滤装置相连的稀释腔。

裂解腔上设置有一进样口；进一步地，裂解腔还设置有加热装置。

裂解腔为预装有裂解液的腔体；或者，可以设一与裂解腔相连的裂解液储藏腔，用于预装裂解液；优选地，裂解液预装在裂解腔中。

所述的DNA提取装置还设有第一压力差机构。当裂解液预装在裂解腔中时，第一压力差机构直接与裂解腔相连，作用于裂解腔，使裂解腔中的液体泵入下游；当裂解液预装在裂解液储藏腔时，第一压力差机构经过裂解液储藏腔与裂解腔相连，先作用于裂解液储藏腔，使裂解液储藏腔的裂解液泵入裂解腔，与样品混合，再作用于裂解腔，使裂解腔中的液体泵入下游。

裂解腔还设有一加热装置，用于加热样品和裂解液的混合液，使样品中的细胞裂解，释放DNA。所述的加热装置，可以为加热片、加热块或加热丝；优选地，为加热片。

过滤装置位于裂解腔与稀释腔之间，用于过滤液体中的杂质、如颗粒物、血液凝块等，同时，使DNA溶液通过。所述的过滤装置可以选自过滤膜、过滤片、过滤网、过滤凝胶、或过滤柱；优选地，为过滤膜。

稀释腔与过滤装置相连，稀释腔为预装有稀释液的腔体；或者，可以设一与稀释腔相连的稀释液储藏腔，用于预装稀释液；优选地，稀释液预装在稀释腔中。

所述的DNA提取模块还设有第二压力差机构。当稀释液预装在稀释腔中时，第二压力差机构直接与稀释腔相连，作用于稀释腔，使稀释腔中液体泵入下游；当稀释液预装在稀释液储藏腔时，第二压力差机构经过稀释液储藏腔与稀释腔相连，先作用于稀释液储藏腔，使稀释液储藏腔中的稀释液泵入稀释腔，与DNA溶液混合，再作用于稀释腔，使稀释腔中的液体泵入下游。

当待检测样品经加样口进入裂解腔后，与裂解液混合。所述的裂解液可以预装在裂解腔中，也可以预装在裂解液储藏腔，经第一压力差机构的作用，进入裂解腔与待测样品混合。样品与裂解液的混合液，通过加热装置加热，样品中的细胞裂解并释放DNA。然后，在第一压力差机构的作用下，混合液经过滤装置，颗粒物或血液凝块等被截留，携带有DNA的溶液进入稀释腔，与稀释液混合。

目前的微流控芯片在用于基因检测领域的自动化程度很低。而本发明的微流控芯片中的 DNA提取模块，只需人工加入样品，就可实现提取自动化。DNA提取模块，通过自动化的加热、过滤和稀释获得基因扩增模板，极大的简化了DNA提取过程中，依赖多种试剂、多种仪器，多次离心、吸附和洗脱的工作流程。

现有的微流控芯片上的核酸提取模块大多是基于固相微萃取(SPE)的原理实现的，通过固相基质存在于芯片通道内，以压力或者电驱动对微量液体进行萃取。目前，常用的微流控芯片的核酸提取方法有：1)基于二氧化硅微球的核酸提取芯片：将微球填充到微通道中作为固定相以吸附核酸，然而，硅球在微通道内很难固定；2)基于微柱的芯片核酸抽提：在芯片通道通过深反应离子蚀刻制作了几千个具有二氧化硅表层的微柱；3)基于磁性微球的磁场诱导的微粒运动即磁泳对磁响应性粒子进行精细分离核酸；4)基于有机聚合物整体柱的芯片核酸抽提；5)基于通道表面处理的芯片核酸抽提。不管是上述的哪种方法，均基于SPE原理，均涉及到上样、吸附和洗脱。因此存在微流控通道设计复杂，或是吸附材料制备复杂等缺点。而本发明的微流控芯片，没有采用传统的DNA提取技术，只需通过裂解液和加热，对样品中的细胞进行裂解，释放DNA，然后再通过过滤装置，截留大部分的杂质，而含有DNA的溶液通过过滤装置，就可以获得理想的DNA模板。本发明的微流控芯片节省了吸附和洗脱的步骤，极大的简化的基因微流控芯片的结构和工作流程，降低了微流控芯片的成本，与现有技术相比，具有十分显著的进步，有实际的应用价值。

本发明还提供了一种微流控芯片，含有上述的DNA提取模块，还含有定量分流模块和 PCR反应模块。

所述的定量分流模块设有定量腔。

定量腔与DNA提取模块的稀释腔相连，用于DNA溶液的分流和定量。本发明的微流控芯片，可以设置一个或多个的定量腔；优选地，设置多个定量腔；进一步地，所述的定量腔的体积可相同或者不同；优选地，定量腔的体积相同。

所述的PCR反应模块设有一个或多个PCR反应腔；优选地，设有多个PCR反应腔；所述的PCR反应腔与定量分流模块的定量腔一一相连。进一步地，所述的PCR反应腔预装有PCR试剂；或者，可以设一与PCR反应腔一一相连的PCR试剂储藏腔，用于预装PCR试剂。

所述的定量分流模块还设有第三压力差机构，第三压力差机构与定量腔直接相连或间接相连。当PCR试剂预装在PCR反应腔时，第三压力差机构直接与定量腔一一相连，第三压力差机构直接作用于定量腔，使定量腔的DNA溶液泵入PCR反应腔，与PCR试剂混合；当PCR反应试剂预装在PCR试剂储藏腔时，第三压力差机构经过PCR试剂储藏腔与定量腔一一相连，第三压力差机构将PCR试剂储藏腔的PCR试剂和定量腔的DNA溶液泵入PCR 反应腔混合。

本发明的实施例5-6列出了两种定量分流模块的具体实施方式，其它现有技术中的任意的定量分流模块，只要能与本发明中其他模块或是芯片相配合，能够实现液体定量分流到各个定量腔，也可以适用于本发明。

作为一种优选的方案，PCR反应腔还可设有透气口；所述的透气口可以为自密封膜或阀门等。在本发明优选的实施例中，为自密封膜。自密封膜用作透气，上游的液体可以自由流动；当它接触到液体时，膜上的透气孔被封住，膜不再透气，上游的液体不能流动。

作为一种优选的方案，本发明的微流控芯片还可以含有废液储藏腔，与定量腔相连，用于储藏液体流通管道中的废液；更进一步的废液储藏腔还可以设有的透气口，所述的透气孔为自密封膜或阀门等；在本发明优选的实施例中，该透气口为自密封膜。

作为优选的方案，在PCR反应模块，可以设有温控装置，控制温度来实现PCR反应。温控装置具有升温和制冷的双重功能。

作为优选的方案，PCR反应模块进一步地还可以设有荧光检测装置；更具体地，荧光激励光纤和接收光纤通过荧光检测孔对PCR反应腔中的样品进行荧光检测。

本发明微流控芯片系统可以通过以下形式运行：

待测样品经进样口进入裂解腔后，与裂解液混合；在裂解腔中，样品中的细胞被加热裂解，释放DNA；然后，在第一压力差机构的作用下，液体流经过滤装置，过滤装置截流住大部分的杂质，DNA溶液通过过滤装置后进入稀释腔，与稀释液混合；稀释腔中的DNA溶液在第二压力差机构的作用下，进入微流控系统，在定量腔中被定量；定量腔中的DNA溶液在第三压力差机构的作用下，进入PCR反应腔，与PCR试剂混合；最后进行PCR反应和荧光检测。

本发明上述涉及的第一、第二、第三压力差机构，可以是独立的压力差机构，或者，是全部或部分共用的压力差机构。所述的压力差机构为施压装置，进一步地，为活塞或者膜片；或者，所述的压力差机构为负压装置，进一步地，为真空泵或可被拉伸的活塞或膜片。当所述的压力差机构为施压装置时，压力差机构位于需要被作用液体的上游；当所述的压力差机构为负压装置时，则压力差机构位于需要被作用的液体的下游。

本发明上述提及的模块与模块间，腔体与腔体间，通过液体流通管道相连。

本发明取得的有益效果：

1.自动化：本发明的微流控芯片集DNA自动提取，定量分流和PCR反应于一体，避免了传统基因检测中，复杂的前处理或需要依靠大型仪器，极大地简化了DNA提取步骤，通过一体式的加热及过滤装置获得理想的基因扩增的模板。同时本发明的微流控芯片还实现了DNA模板的自动定量分流。本发明的微流控芯片具有简单，快速，操作方便的优点。本发明中的所涉及的试剂，均为预装，无需单独进行加样操作。

2.封闭式：本发明的微流控芯片试剂全部预装，除进样口，整个系统处于密封状态，从样本加入到基因扩增和分析都在封闭体系中完成，即防止样本受外界污染，也防止基因扩增产物等对环境的污染。

3.高效：本发明的微流控芯片可设置多个定量分流腔和PCR反应腔，可以同时进行多个PCR反应。

附图说明

图1一种微流控芯片示意图

图2一种微流控芯片示意图

图3一种微流控芯片示意图

图4定量分流模块示意图 4A：第一活动状态图 4B：第二活动状态

图5定量分流模块示意图 5A：第一活动状态图 5B：第二活动状态

图6 DNA提取模块示意图

1.裂解腔 2.过滤装置

3.稀释腔 4.第一压力差机构

5.第二压力差机构 6.定量腔

7.第三压力差机构 8.PCR反应腔.

9.透气孔 10.进样口

11.裂解液储藏腔 12.稀释液储藏腔

13.PCR试剂储藏腔 14.定量板

15.废液储藏腔 16.自密封膜

17.定量盘 18.第四压力差机构

19.加热装置 20.第一液体流通管道

21.第二液体流通管道 22.辅助串联液体流通管道

23.第三液体流通管道

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，具体实施例不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

实施例1一种微流控芯片

如图1所示的微流控芯片，含有DNA提取模块，定量分流模块和PCR反应模块。DNA提取模块含有一裂解腔1，裂解腔1的上方设有一进样口10，在裂解腔1腔体外，设有加热装置19(加热片、加热块或加热丝)，用于加热裂解腔腔体内的液体。在加热和裂解液的作用下，样品中的细胞被裂解，释放DNA。与裂解腔1直接相连有第一压力差机构4(活塞、膜片等)，可作用于裂解腔，将裂解腔中的液体泵入下游。DNA提取模块还含有一过滤装置 2(过滤膜、过滤片、过滤网、过滤凝胶、或过滤柱)，用于过滤液体中的杂质。过滤装置2 与稀释腔3相连，被裂解后的DNA溶液经过滤装置2过滤后进入稀释腔3，与稀释液混合。稀释腔3直接连接有第二压力差机构5(活塞、膜片等)，用于将稀释腔中的DNA溶液泵入定量分流模块中的定量腔6。定量腔6可以设置有一个或者多个，在本实施例中，为四个平行的定量腔，每个定量腔设置有一相对应的第三压力差机构7(活塞或膜片等)。在第三压力差机构7的作用下，定量腔中的DNA溶液泵入PCR反应腔8。每个PCR反应腔8连通有一透气孔9(阀门或自密封膜)。

实施例2一种微流控芯片

如图2所示的微流控芯片，重复实施例1，有以下不同点：

1.裂解腔1与第一压力差机构4之间还设有一裂解液储藏腔11，裂解液不预装在裂解腔 1中，而预装在裂解液储藏腔11中。第一压力差机构4先作用于裂解液储藏腔，将裂解液泵入裂解腔，与样品混合，被加热，细胞被裂解，然后第一压力差机构4继续作用于裂解腔1，将裂解后的样品泵入下游。

2.稀释腔3与第二压力差机构5之间还设有一稀释液储藏腔12，稀释液不预装在稀释腔 3中，而预装在稀释液储藏腔12中。第二压力差机构5先作用于稀释液储藏腔，将稀释液泵入稀释腔，与DNA溶液混合。

3.定量腔6与第三压力差机构7之间还有PCR试剂储藏腔13，PCR试剂不预装在PCR反应腔8，而是预装在PCR试剂储藏腔13，第三压力差机构6先作用于PCR试剂储藏腔 13，将PCR试剂泵出，继续作用，使PCR试剂和DNA溶液进入PCR反应腔8。

实施例3一种微流控芯片

如图3所示的微流控芯片，重复实施例1，有以下不同点：

四个定量腔之间采用串联的关系，最下游的定量腔6连接有一废液储藏腔15，废液储藏腔用于储藏液体流通管道中多余的液体。废液储藏腔连接有一透气孔，在此实施例中为自密封膜16。自密封膜16用作透气，上游的液体可以自由流动；当它接触到液体时，膜上的透气孔被封住，膜不再透气，上游的液体不能流动。

实施例4芯片的运作示例

将液体样品注入裂解腔，与裂解腔中的裂解液混合，在裂解腔，样品中的细胞在裂解液和加热作用下被裂解，释放DNA；然后，在第一压力差机构的作用下，裂解腔中的液体通过过滤装置，进入稀释腔。在经过过滤装置时，样品凝块或大部分的蛋白质，细胞膜碎片等被截留，含有DNA的溶液进入稀释腔；在稀释腔中，DNA溶液被稀释液稀释；继续在第二压力差机构的作用下，被稀释的DNA溶液被泵入定量分流模块中的定量腔；然后，在第三压力差机构的作用下，被定量的DNA溶液泵入PCR反应腔与PCR反应试剂混合。当被定量的DNA溶液进入PCR反应腔与PCR反应试剂混合并被密封之后，PCR循环可通过温控装置控制温度来实现。温控装置具有升温和制冷的双重功能。荧光激励光纤和接收光纤通过荧光检测孔对PCR反应腔中的样品进行荧光检测。

实施例5定量分流模块

本实施例的定量分流模块中设有两个平行的定量腔6，定量腔6设置在一可旋转的定量盘17上。

第一活动状态下(图4A)，定量腔6与稀释腔3下游的第一液体流通管道20连通，定量腔中的DNA溶液在共用的第四压力差机构18(真空泵、可被拉伸的膜片或活塞)的作用下，通过负压吸入定量腔6，PCR试剂预装在PCR反应腔8；

第二活动状态下(图4B)，定量盘17旋转90°，定量腔6与PCR腔上游的第二液体流通管道21连通。第三压力差机构7将定量腔中的DNA溶液泵入PCR反应腔8。

实施例6定量分流模块

本实施例中的定量腔6设置在一块可以移动的定量板14上，定量板上设置有四个定量腔6，四个定量腔共用一个第三压力差机构7，PCR试剂预装在PCR反应腔8。

第一活动状态下(图5A)，定量腔6与辅助串联液体流通管道22连通，四个定量腔之间形成串联的状态。稀释腔3中的DNA溶液在第二压力差机构5的作用下逐个充满定量腔 6，此时串联的四个定量腔最下游连接有一废液储藏腔15，废液储藏腔连接有一透气孔，在此实施例中为自封闭膜16，气体可以自由通过，当自密封膜接触液体时，自动密封。

第二活动状态下(图5B)，推动定量板14，使定量腔6与PCR反应腔8上游的第三液体流通管道23相连通，此时四个定量腔之间不相连通；接下来，通过第三压力差机构7的作用，定量腔6中的DNA溶液泵入PCR反应腔8与预装在PCR反应腔的PCR试剂混合。

除了上述实施例5-6中的定量分流机构，其他现有技术中的定量分流机构也可用于本发明的基因芯片中，只要与本发明中的其他芯片是可以相配合的，能够实现液体的微定量。

Claims (26)

1.一种DNA提取模块，其特征在于：所述的DNA提取模块含有裂解腔，与裂解腔相连的过滤装置；所述的裂解腔设置有进样口和加热装置。

2.如权利要求1所述的提取模块，其特征在于：

所述的裂解腔为预装有裂解液的腔体；或者，所述的DNA提取模块还设有与裂解腔相连的裂解液储藏腔，所述的裂解液储藏腔预装有裂解液。

3.如权利要求1或2所述的DNA提取模块，其特征在于：所述的过滤装置还与稀释腔相连；所述的稀释腔为预装有稀释液的腔体；或者，所述的DNA提取模块还设有与稀释腔相连的稀释液储藏腔，所述的稀释液储藏腔预装有稀释液。

4.如权利要求3所述的DNA提取模块，其特征在于：

所述的DNA提取模块还设有第一压力差机构和第二压力差机构；

所述的第一压力差机构与裂解腔直接相连；或者，所述的第一压力差机构经过裂解液储藏腔与裂解腔相连；

所述的第二压力差机构与稀释腔直接相连；或者，所述的第二压力差机构经过稀释液储藏腔与稀释腔相连。

5.如权利要求1所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的加热装置选自加热片、加热块或加热丝；

所述的过滤装置选自过滤膜、过滤片、过滤网、过滤凝胶或过滤柱。

6.如权利要求5所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的加热装置选自加热片。

7.如权利要求5所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的过滤装置选自过滤膜。

8.如权利要求4所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的第一压力差机构、第二压力差机构为各自独立的压力差机构，或者，是全部或部分共用的压力差机构；

所述的压力差机构为施压装置；或者，所述的压力差机构为负压装置。

9.如权利要求8所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的施压装置为活塞或者膜片。

10.如权利要求8所述的DNA提取模块，其特征在于，所述的负压装置为真空泵、可被拉伸的活塞或膜片。

11.一种微流控芯片，其特征在于，含有权利要求1-10任一所述的DNA提取模块。

12.如权利要求11所述的微流控芯片，其特征在于，还含有定量分流模块和PCR反应模块。

13.如权利要求12所述的微流控芯片，其特征在于，所述的定量分流模块含有与稀释腔相连的定量腔。

14.如权利要求13所述的微流控芯片，其特征在于，所述的定量腔可以设置为一个或多个；所述的PCR反应模块设有一个或多个PCR反应腔。

15.如权利要求14所述的微流控芯片，其特征在于，设置多个定量腔。

16.如权利要求15所述的微流控芯片，其特征在于，所述的定量腔的体积相同或者不同。

17.如权利要求16所述的微流控芯片，其特征在于，所述的定量腔的体积相同。

18.如权利要求14所述的微流控芯片，其特征在于，设有多个PCR反应腔，所述的PCR反应腔与定量腔一一相连。

19.如权利要求14所述的微流控芯片，其特征在于，所述的PCR反应腔为预装有PCR反应试剂的腔体；或者，所述的PCR反应模块设有与定量腔一一相连的PCR试剂储藏腔；所述的PCR试剂储藏腔预装有PCR试剂。

20.如权利要求19所述的微流控芯片，其特征在于，所述的定量分流模块还设有第三压力差机构，第三压力差机构直接与定量腔一一相连；或者经过PCR试剂储藏腔与定量腔一一相连。

21.如权利要求20所述的微流控芯片，其特征在于，所述的第一压力差机构、第二压力差机构、第三压力差机构为各自独立的压力差机构，或者，是全部或部分共用的压力差机构；所述的压力差机构为施压装置；或者，所述的压力差机构为负压装置。

22.如权利要求21所述的微流控芯片，其特征在于，所述的施压装置为活塞或者膜片。

23.如权利要求21所述的微流控芯片，其特征在于，所述的负压装置为真空泵、可被拉伸的活塞或膜片。

24.如权利要求14所述的微流控芯片，其特征在于，所述的PCR反应腔设有透气口，所述的透气口可以为自密封膜或阀门。

25.如权利要求12所述的微流控芯片，其特征在于，所述的PCR反应模块设置有温控装置。

26.如权利要求25所述的微流控芯片，其特征在于，所述的PCR反应模块还设有荧光检测装置。