CN212199282U - 一种用于核酸提取的集成微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及核酸检测技术领域，更具体地，涉及一种用于核酸提取的集成微流控芯片，包括顺次连通的核酸提取芯片、片段化DNA及纯化芯片、单链DNA生物素标记芯片；所述核酸提取芯片用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；所述片段化DNA及纯化芯片用于将所述基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；所述单链DNA生物素标记芯片用于将片段化后的基因组DNA进行生物素标记得到双链DNA，然后对所述双链DNA进行解链。本实用新型能够将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可以多次使用；还能够实现核酸提取过程的自动化、全封闭，简化人工的操作过程，避免过程污染，提高核酸检测的效率和准确性。

Description

一种用于核酸提取的集成微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及核酸检测技术领域，更具体地，涉及一种用于核酸提取的集成微流控芯片。

背景技术

核酸是遗传信息的载体，是最重要的生物信息分子，是分子生物学研究的主要对象，因此，核酸的提取技术是研究分子生物学最重要、最基础的技术。目前，常用的DNA提取方法是CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)法、SDS(十二烷基硫酸钠)法、酚氯仿法。这些传统的核酸提取方法需要用到的有机试剂较多，其中不乏一些有毒有害物质，并且在核酸提取后，所使用高盐溶液会对后续的扩增反应产生抑制作用，因此需要使用复杂繁复的洗脱操作来保证提取产物的纯度。

微流控技术以芯片为操作平台，具有液体流动可控、消耗试剂少以及分析速度快等特点。目前已有将微流控技术运用到核酸提取上，但是仍需要使用其他仪器用以辅助，导致操作繁琐且不易携带。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有的微流控芯片操作繁琐且不易携带的不足，提供一种用于核酸提取的集成微流控芯片，能够将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可以多次使用；还能够实现核酸提取过程的自动化、全封闭，简化人工的操作过程，避免过程污染，提高核酸检测的效率和准确性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

提供一种用于核酸提取的集成微流控芯片，包括顺次连通的核酸提取芯片、片段化DNA及纯化芯片、单链DNA生物素标记芯片；所述核酸提取芯片用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；所述片段化DNA及纯化芯片用于将所述基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；所述单链DNA生物素标记芯片用于将片段化后的基因组DNA进行生物素标记得到双链DNA，然后对所述双链DNA进行解链。

本实用新型为一种用于核酸提取的集成微流控芯片，核酸提取芯片用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；片段化DNA及纯化芯片用于将所述基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；单链DNA生物素标记芯片用于将片段化后的基因组DNA与带有生物素标记的适配体连接以及对双链DNA进行解链，获得单链DNA。即能够依次完成细胞悬浮液制备、细胞裂解、DNA提取、DNA片段化、DNA标记和双链DNA解链的过程，不需要借助大型仪器，自动化、全封闭操作，便于DNA测序样本的提取。

优选地，所述核酸提取芯片包括顺次连通的细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统，所述细胞消化系统和细胞裂解系统之间还设有检测装置；所述片段化DNA及纯化芯片包括片段化反应系统和与片段化反应系统相连通的第二提纯系统；所述单链DNA生物素标记芯片包括加热系统和与加热系统相连通的生物素标记系统；所述第一提纯系统与片段化反应系统相连通，所述第二提纯系统与加热系统相连通。

优选地，所述细胞消化系统包括用于承装PBS缓冲液的第一试剂腔、用于承装胰酶溶液的第二试剂腔、细胞消化池、第一废液池，所述第一试剂腔、第二试剂腔、第一废液池均与细胞消化池相连通。

优选地，所述细胞裂解系统包括用于承装PBS缓冲液的第三试剂腔、细胞裂解池、用于承装细胞裂解液的第四试剂腔，所述第三试剂腔、第四试剂腔均与细胞裂解池相连通。

优选地，所述第一提纯系统包括第一吸附通道和与第一吸附通道相连通的DNA收集池、第二废液池。

优选地，所述片段化反应系统包括用于承装片段化试剂的第五试剂腔、用于承装PBS缓冲液的第六试剂腔、片段化反应池，所述第五试剂腔、第六试剂腔均与片段化反应池相连通。

优选地，所述第二提纯系统包括第二吸附通道和与第二吸附通道相连通的第三废液池。

优选地，所述加热系统包括加热池和设于加热池内的微加热器、温度传感器。

优选地，所述生物素标记系统包括的用于承装DNA连接酶的第七试剂腔、加热池、用于承装生物素标记的适配体的第八试剂腔、用于承装缓冲液的第九试剂腔，所述第七试剂腔、第八试剂腔、第九试剂腔均与加热池相连通。

优选地，所述细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统之间均设有第一阀门，所述片段化反应系统与第二提纯系统之间设有第二阀门；所述加热系统与生物素标记系统之间设有第三阀门。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统的设置，能够用于制备单细胞悬浮液，细胞裂解，DNA吸附、清洗、洗脱、收集，并得到基因组DNA。

(2)片段化反应系统、第二提纯系统的设置，能够用于将基因组DNA进行片段化，然后分离提纯。

(3)加热系统、生物素标记系统的设置，能够用于将片段化后的基因组DNA与带有生物素标记的适配体连接以及对双链DNA进行加热解链，获得单链DNA。

附图说明

图1为本实用新型一种用于核酸提取的集成微流控芯片的结构示意图。

图2为本实用新型核酸提取芯片的结构示意图。

图3为本实用新型片段化DNA及纯化芯片的结构示意图。

图4为本实用新型单链DNA生物素标记芯片的结构示意图。

图示标记说明如下：

1-核酸提取芯片，101-第一试剂腔，102-第二试剂腔，103-第一阀门，104-细胞消化池，105-第一废液池，106-第三试剂腔，107-细胞裂解池，108-第一吸附通道，109-DNA收集池，110-第四试剂腔，111-第二废液池，2-片段化DNA及纯化芯片，201-第五试剂腔，202-第六试剂腔，203-第二吸附通道，204-第三废液池，205-片段化反应池，206-第二微柱，3-单链DNA生物素标记芯片，301-第七试剂腔，302-加热池，303-第八试剂腔，304-第九试剂腔，305-微加热器，306-温度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图4所示为本实用新型一种用于核酸提取的集成微流控芯片的第一实施例，包括顺次连通的核酸提取芯片1、片段化DNA及纯化芯片2、单链DNA生物素标记芯片3；核酸提取芯片1用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；片段化DNA及纯化芯片2用于将基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；单链DNA生物素标记芯片3用于将片段化后的基因组DNA进行生物素标记得到双链DNA，然后对双链DNA进行解链。

核酸提取芯片1用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；片段化DNA及纯化芯片2用于将基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；单链DNA生物素标记芯片3用于将片段化后的基因组DNA与带有生物素标记的适配体连接以及对双链DNA进行解链，获得单链DNA。即能够依次完成细胞悬浮液制备、细胞裂解、DNA提取、DNA片段化、DNA标记和双链DNA解链的过程，不需要借助大型仪器，自动化、全封闭操作，便于DNA测序样本的提取。

如图1所示，本实施例中核酸提取芯片1、片段化DNA及纯化芯片2、单链DNA生物素标记芯片3之间可拆卸连接，使集成微流控芯片能够拆分成三块具有不同功能的微流控芯片，可以分别实现核酸提取、DNA片段化、单链DNA-biotin标记以及双链DNA解链成单链DNA的功能，便于DNA测序样本的提取。本实施例中核酸提取芯片1、片段化DNA及纯化芯片2、单链DNA生物素标记芯片3的横截面均呈扇形；需要说明的是，芯片还可以为其他形状，该形状用于与液池匹配。

其中，核酸提取芯片1包括顺次连通的细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统，细胞消化系统和细胞裂解系统之间还设有检测装置；片段化DNA及纯化芯片2包括片段化反应系统和与片段化反应系统相连通的第二提纯系统；单链DNA生物素标记芯片3包括加热系统和与加热系统相连通的生物素标记系统；第一提纯系统与片段化反应系统相连通，第二提纯系统与加热系统相连通。本实施例中检测装置为由一个微孔及两个电极、根据库尔特计数器原理组成的装置。

其中，细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统之间均设有第一阀门103，片段化反应系统与第二提纯系统之间设有第二阀门；加热系统与生物素标记系统之间设有第三阀门。本实施例中第一阀门103、第二阀门、第三阀门可以为使用电磁驱动的电磁阀，也可以为用热敏变形或气压驱动的阀门。

实施例2

本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中细胞消化系统包括用于承装PBS缓冲液的第一试剂腔101、用于承装胰酶溶液的第二试剂腔102、细胞消化池104、第一废液池105，第一试剂腔101、第二试剂腔102、第一废液池105均与细胞消化池104相连通。细胞裂解系统包括用于承装PBS缓冲液的第三试剂腔106、细胞裂解池107、用于承装细胞裂解液的第四试剂腔110，第三试剂腔106、第四试剂腔110均与细胞裂解池107相连通。第一提纯系统包括第一吸附通道108和与第一吸附通道108相连通的DNA收集池109、第二废液池111。

具体地，如图2所示，细胞消化池104用于制备单细胞悬浮液，细胞消化池104与第一试剂腔101之间、与第二试剂腔102之间、与第一废液池105之间均通过分微流道相连，每条分微流道上均设置有第一阀门103，用以控制液体的流动。

还有，细胞裂解池107用于将单细胞裂解，细胞裂解池107与第三试剂腔106之间、与第四试剂腔110之间均通过分微流道相连，每条分微流道上均设置有第一阀门103，用以控制液体的流动。

细胞消化池104与细胞裂解池107之间通过主微流道相连，该主微流道的两端也均设置有第一阀门103，用以控制液体的流动。检测装置(图中未画出)位于主微流道上，利用电信号对细胞进行计数并筛选。第一吸附通道108的一端与细胞裂解池107相连接且连通，另一端与DNA收集池109、第二废液池111相连接且连通；第一吸附通道108与DNA收集池109之间、与第二废液池111之间均设置有第一阀门103，用以控制液体的流动。第一吸附通道108呈蜿蜒的蛇形，且第一吸附通道108内阵列有若干第一微柱；第一微柱呈圆柱状，能够用于吸附DNA。

具体地，当需要使用集成微流控芯片时，第一试剂腔101装入PBS缓冲液；第三试剂腔106为具有三个的腔室的试剂腔，分别装入PBS缓冲液、清洗液、DNA洗脱液，且三个腔室互不连通；第二试剂腔102装入胰酶溶液；第四试剂腔110装入细胞裂解液；需要说明的是，PBS缓冲液为磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffer saline)，一般作为溶剂，起溶解保护试剂的作用。核酸提取芯片1部分的操作步骤为：

S1.将提取到的生物组织，即待测的单细胞，置于细胞消化池104中，然后通过第二试剂腔102向细胞消化池104中注入胰酶溶液进行消化组织，并静置一分钟左右，得到单细胞悬浮液；

S2.在步骤S1之后，通过第一试剂腔101向细胞消化池104中注入PBS缓冲液漂洗细胞，漂洗后的废液输送至第一废液池105中；

S3.在步骤S2之后，将步骤S2中得到的悬浮液引入主微流道，单细胞依次通过主微流道，利用电信号对细胞进行计数并筛选，然后输送至细胞裂解池107中；

S4.在步骤S3之后，通过第四试剂腔110向细胞裂解池107注入细胞裂解液，在细胞裂解池107中裂解单细胞，接着通过第三试剂腔106向细胞裂解池107中注入PBS缓冲液保护生物分子活性，得到破碎细胞液；

S5.在步骤S4之后，将破碎细胞液输送至第一吸附通道108，使其中的DNA吸附于第一微柱上；

S6.在步骤S5之后，通过第三试剂腔106向第一吸附通道108中注入清洗液，除去蛋白质等杂质，然后将该部分液体输送至第二废液池111中；

S7.在步骤S6之后，通过第三试剂腔106向第一吸附通道108中注入DNA洗脱液，使DNA从第一微柱上洗脱下来，得到DNA溶液；

S8.在步骤S7之后，将DNA溶液输送至DNA收集池109，实现核酸提取功能。

需要说明的是，在步骤S1至步骤S8中，液体的注入、输送均通过各处的第一阀门103进行控制。

实施例3

本实施例与实施例2类似，所不同之处在于，本实施例中片段化反应系统包括用于承装片段化试剂的第五试剂腔201、用于承装PBS缓冲液的第六试剂腔202、片段化反应池205，第五试剂腔201、第六试剂腔202均与片段化反应池205相连通。第二提纯系统包括第二吸附通道203和与第二吸附通道203相连通的第三废液池204。

具体地，如图3所示，片段化反应池205用于将DNA片段化，片段化反应池205与DNA收集池109之间通过第一微流道相连，第一微流道上设置有第二阀门，用以控制液体的流动；片段化反应池205与第五试剂腔201之间、与第六试剂腔202之间均通过分微流道相连，每条分微流道上均设置有第二阀门，用以控制液体的流动。第二吸附通道203的一端与片段化反应池205相连，另一端与第三废液池204、单链DNA生物素标记芯片3向相连；第二吸附通道203与片段化反应池205之间、与第三废液池204之间、与单链DNA生物素标记芯片3之间均通过分微流道相连，每条分微流道上均设置有第二阀门，用以控制液体的流动。第二吸附通道203呈蜿蜒的蛇形，且第二吸附通道203内阵列有若干第二微柱206；第二微柱206呈圆柱状，能够用于吸附DNA。

具体地，当需要使用集成微流控芯片时，第五试剂腔201装入片段化试剂；第六试剂腔202为具有三个腔室的试剂腔，分别装入PBS缓冲液、清洗液、DNA洗脱液，且三个腔室互不连通。片段化DNA及纯化芯片2部分的操作步骤为：

S9.将通过步骤S8得到的DNA溶液通过第一微流道输送至片段化反应池205中；

S10.在步骤S9之后，通过第五试剂腔201向片段化反应池205注入片段化试剂，使DNA片段化；

S11.将步骤S10中得到的片段化DNA输送至第二吸附通道203，然后通过第六试剂腔202向第二吸附通道203注入清洗液冲去杂质，然后将该部分液体输送至第三废液池204中；

S12.在步骤S11之后，通过第六试剂腔202向第二吸附通道203注入DNA洗脱液将附于第二微柱206上的DNA洗脱下来，然后通过第六试剂腔202向第二吸附通道203注入PBS缓冲液，得到纯化后的片段化DNA，实现片段化DNA及纯化功能。

需要说明的是，在步骤S9至步骤S11中，液体的注入、输送均通过各处的第二阀门进行控制。

实施例4

本实施例与实施例3类似，所不同之处在于，本实施例中加热系统包括加热池302和位于加热池302内的微加热器305、温度传感器306。生物素标记系统包括的用于承装DNA连接酶的第七试剂腔301、加热池302、用于承装生物素标记的适配体的第八试剂腔303、用于承装缓冲液的第九试剂腔304，第七试剂腔301、第八试剂腔303、第九试剂腔304均与加热池302相连通。

具体地，如图4所示，加热池302用于标记DNA，以及用于加热使双链DNA解链；加热池302与第二吸附通道203之间通过第二微流道相连，第二微流道上设置有第三阀门，用以控制液体的流动。加热池302与第七试剂腔301之间、与第八试剂腔303之间、与第九试剂腔304之间均通过分微流道相连，每条分微流道上均设置有第三阀门，用以控制液体的流动。

具体地，当需要使用集成微流控芯片时，第七试剂腔301为具有两个腔室的试剂腔，分别装入DNA连接酶、DNA聚合酶，且两个腔室互不连通；第八试剂腔303装入带有生物素标记的适配体；第九试剂腔304装入PBS缓冲液。单链DNA生物素标记芯片3部分的操作步骤为：

S13.将步骤S12得到的纯化后的片段化DNA通过第二微流道输送至加热池302中；

S14.通过第七试剂腔301向加热池302中注入DNA聚合酶，并通过第八试剂腔303向加热池302中注入带有生物素标记的适配体；在DNA聚合酶的作用下使DNA双链3’-末端分别加上一个碱基；其中，带有生物素标记的适配体中包含dNTP，dNTP在DNA聚合酶的催化作用下能够聚合成DNA；需要说明的是，dNTP是构成DNA的基本单元，dNTP是deoxy-ribonucleoside triphosphate(脱氧核糖核苷三磷酸)的缩写，是包括dATP、dGTP、dTTP、dCTP等在内的统称，N是指含氮碱基，代表变量指代A、T、G、C、U等中的一种；本实施例中dNTP可以为dATP、dGTP、dTTP、dCTP任意一种；还有，DNA聚合酶与带有生物素标记的适配体之间无注入顺序要求，也就是说，还可以先注入带有生物素标记的适配体、再注入DNA聚合酶，或者是DNA聚合酶与带有生物素标记的适配体同时注入；

S15.通过第七试剂腔301向加热池302中注入DNA连接酶，使带有生物素标记的适配体与末端碱基配对连接上DNA双链，实现DNA-生物素标记功能；其中，适配体指的是dNTP。

S16.通过第九试剂腔304向加热池302注入PBS缓冲液；

S17.通过微加热器使加热池302升温，使DNA双链变性，解链成DNA单链，实现双链DNA解链解链功能；另外，通过温度传感器306能够得知加热池302内的温度。

需要说明的是，在步骤S12至步骤S16中，液体的注入、输送均通过各处的第三阀门进行控制。

运用微流控提取方法提取核酸，试剂和样品的消耗量均减少，能够大大减小实验成本。同时，实现核酸提取过程的自动化、全封闭，简化操作过程，避免过程污染，提高核酸检测的效率和准确性。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，包括顺次连通的核酸提取芯片(1)、片段化DNA及纯化芯片(2)、单链DNA生物素标记芯片(3)；所述核酸提取芯片(1)用于裂解待测单细胞并得到基因组DNA；所述片段化DNA及纯化芯片(2)用于将所述基因组DNA进行片段化，然后分离提纯；所述单链DNA生物素标记芯片(3)用于将片段化后的基因组DNA进行生物素标记得到双链DNA，然后对所述双链DNA进行解链。

2.根据权利要求1所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述核酸提取芯片(1)包括顺次连通的细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统，所述细胞消化系统和细胞裂解系统之间还设有检测装置；所述片段化DNA及纯化芯片(2)包括片段化反应系统和与片段化反应系统相连通的第二提纯系统；所述单链DNA生物素标记芯片(3)包括加热系统和与加热系统相连通的生物素标记系统；所述第一提纯系统与片段化反应系统相连通，所述第二提纯系统与加热系统相连通。

3.根据权利要求2所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述细胞消化系统包括用于承装缓冲液的第一试剂腔(101)、用于承装胰酶溶液的第二试剂腔(102)、细胞消化池(104)、第一废液池(105)，所述第一试剂腔(101)、第二试剂腔(102)、第一废液池(105)均与细胞消化池(104)相连通。

4.根据权利要求3所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述细胞裂解系统包括用于承装缓冲液的第三试剂腔(106)、细胞裂解池(107)、用于承装细胞裂解液的第四试剂腔(110)，所述第三试剂腔(106)、第四试剂腔(110)均与细胞裂解池(107)相连通。

5.根据权利要求4所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述第一提纯系统包括第一吸附通道(108)和与第一吸附通道(108)相连通的DNA收集池(109)、第二废液池(111)。

6.根据权利要求2所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述片段化反应系统包括用于承装片段化试剂的第五试剂腔(201)、用于承装缓冲液的第六试剂腔(202)、片段化反应池(205)，所述第五试剂腔(201)、第六试剂腔(202)均与片段化反应池(205)相连通。

7.根据权利要求6所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述第二提纯系统包括第二吸附通道(203)和与第二吸附通道(203)相连通的第三废液池(204)。

8.根据权利要求2所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述加热系统包括加热池(302)和设于加热池(302)内的微加热器(305)、温度传感器(306)。

9.根据权利要求8所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述生物素标记系统包括用于承装DNA连接酶的第七试剂腔(301)、加热池(302)、用于承装生物素标记的适配体的第八试剂腔(303)、用于承装缓冲液的第九试剂腔(304)，所述第七试剂腔(301)、第八试剂腔(303)、第九试剂腔(304)均与加热池(302)相连通。

10.根据权利要求2所述的一种用于核酸提取的集成微流控芯片，其特征在于，所述细胞消化系统、细胞裂解系统、第一提纯系统之间均设有第一阀门(103)，所述片段化反应系统与第二提纯系统之间设有第二阀门；所述加热系统与生物素标记系统之间设有第三阀门。

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