CN212663595U - 一种小型微流控单细胞封装仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型微流控单细胞封装仪，包括微流控芯片模块，机械模块，壳体组件和电控模块，微流控芯片模块包括：包含一块带有置液腔室的连接模块，包含带有配合连接模块凸起的上盖以及包含一块微流控芯片；壳体组件包括一个带有特殊结构的底座；电控模块包含：电源，微处理芯片，电机驱动器以及线路板。本实用新型提供一种价格便宜、操作简便、自动化程度高的单细胞封装平台。本实用新型使用精密步进电机带动的进样针，既避免使用气泵，又能保持和微量注射泵类似的精度，同时降低了仪器的生产成本。本实用新型采用了集成化、模块化的试剂盒，使整个设计逻辑紧凑,实现更精确的闭环控制，并降低了仪器的制造难度。

Description

一种小型微流控单细胞封装仪

技术领域

本实用新型涉及C12M生物领域机械装置的技术领域，具体涉及一种小型微流控单细胞封装仪。

背景技术

伴随着生命科学在近几年的迅猛发展，测序技术逐渐走进大家的视野，从复杂组织的细胞多样性图谱的绘制到精准医疗的方案与实施，都是测序技术的发展在幕后推动着。但是由于人工操作的固有缺陷，如果每次只分析一个细胞，那显然对生命科学的发展是远远不够的。近年来，哈佛大学的两个团队将微流体技术引入单细胞RNA-Seq方法中，分别开发出Drop-seq和inDROP。2015年，这两种方法发表在同一期的《Cell》杂志上。这两种方法的出现，让快速、低成本地分析数千个单细胞的基因活性成为现实。Drop-seq由哈佛McCarroll 实验室开发(如图1)。通俗的将，Drop-seq技术就是，通过微流控技术，在微米量级宽度的管道内，形成“油包水”的液滴，理想状况下，每个液滴里有一个磁珠和一个细胞，通过后续收集、裂解等，获得所需要的的文库。Drop-seq的基础是微流控技术，微流控技术是对微量流体的精确操控的技术手段。而微流控芯片则是一款将微流控技术与生物及化学等学科相结合的一个产物。这种芯片一般是由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，能很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率，把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上。

Drop-seq的不仅成本低，而且速度快。利用Drop-seq分析单细胞的基因成本仅需7美分。此外，分析过程也相当高效，每日可测序的单细胞数量也上升到了10^5的数量级。类似的inDrop方法是由哈佛系统生物学教授Marc Kirschner领导团队开发的，与Drop-seq有些类似，但不完全相同。此处不再赘述。由于drop-seq的实验技术固有优势，使得其成为生产一款高通量、高效率、低成本单细胞封装与文库构建系统的最佳选择。目前来说，drop-seq 技术已经诞生很多年了，它的研究方法及其想换的结构设计趋于成熟，市场上最成功的产品就是10x genomics公司的chromium controller平台。这是一款基于drop-seq技术的单细胞处理平台，能自动化、稳定快速的制备“油包水”，并裂解、扩增以及文库的构建，最多支持8通道的细胞处理，也拥有自己成熟的耗材及试剂盒，在全世界占有了相当大的市场。但高昂的价格和不菲的使用费用使得许多科研人员迫切的需要其替代品，

实用新型内容

为了解决现有产品的不足，本实用新型的目的在于提供一种价格便宜、操作简便、自动化程度高的单细胞封装平台。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：一种小型微流控单细胞封装仪，包括微流控芯片模块，机械模块，壳体组件和电控模块，其中：

所述的微流控芯片模块，包含一块带有置液腔室的连接模块，包含带有配合连接模块凸起的上盖以及包含一块微流控芯片；所述的连接模块，有不同体积的腔室，用以放置不同体积的试剂，每个腔室都有漏斗形结构，便于试剂滑动，使其不会粘贴在腔室内壁，每个腔室底部都有小孔，用以安装注液钢针连接微流控芯片；所述的上盖，有适配连接模块腔室的突起，使其联结密封，不会泄压漏气；有突起的通气孔，以连接软管置进样针，使试剂能被压入微流控芯片；外围尺寸与连接模块相匹配，便于两者安装在底座上；

所述的机械模块，包含一个机械模块支架，包含一个带活塞的进样针，包含一个带丝杠的步进电机及与之匹配的滑块以及包含一套滑块与活塞之间的传动机构；

所述的壳体组件，其包括一个带有特殊结构的底座，所述的底座底部中空，有能够镶嵌电源、电子芯片等的凹槽，两侧有螺纹孔，能够固接机械模块，中间有滑槽，能够安放微流控芯片，滑槽底部有空间能够安放CMOS照相机，上部有凹槽能够匹配安放连接模块，顶部有卡扣能够卡住连接模块，且便于拆卸，底部的两个加强筋能够支撑起整个仪器的重量；

所述的电控模块，其包含：电源，微处理芯片，电机驱动器以及线路板，所述的电源能够给整个系统包括驱动器、芯片、步进电机供电；所述的电源大小能匹配底座的凹槽；所述的微处理芯片能够处理模拟信号并转换成数字信号传至步进电机，大小能够匹配底座的凹槽，所述的电机驱动器，能够满足驱动步进电机的要求，大小能够匹配底座底部的凹槽。

进一步地，所述的微流控芯片，使用光刻胶制成，内部有100微米量级深度的管道，且管道有其特殊的结构设计，尺寸与导槽相匹配，便于安装。

进一步地，所述的机械模块支架，能固接在底座上，并便于拆卸，有能固定进样针的卡扣以及安放传动机构的滑槽。

进一步地，所述的进样针，有气密性良好、使用寿命长的活塞，精度高，且活塞移动阻尼适当。

进一步地，所述的丝杠及步进电机，能绕轴做高精度的转动，且转动可控。

进一步地，所述的传动机构，一端能固接在进样针活塞上，另一端能与滑块相连，将运动传到活塞。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本实用新型使用精密步进电机带动的进样针，既避免使用气泵，又能保持和微量注射泵类似的精度，同时降低了仪器的生产成本。

(2)本实用新型采用了集成化、模块化的试剂盒，使整个设计逻辑紧凑, 实现更精确的闭环控制，并降低了仪器的制造难度。

(3)本实用新型选用较少的管路与紧凑连贯的设计，为进一步扩展了本实用新型后续延伸使用保留了空间。

附图说明

图1为由10X genomics提供的示意图；

图2为整个仪器的轴侧图；

图3为机械单元010的轴测图；

图4为步进电机015，丝杠014，滑块018，轴承013的装配结构图一；

图5为步进电机015，丝杠014，滑块018，轴承013的装配结构图二；

图6为机械单元010当中的进样针模块示意图；

图7为微流控芯片模块020中的连接模块0210示意图；

图8为连接模块的上盖0230示意图；

图9为连接模块0210和上盖0230的装配体示意图；

图10为微流控芯片0240的结构图；

图11为底座011示意图；

图12为底座-连接模块-芯片-机械单元的装配示意图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本实用新型。

如图2所示，是整个仪器的轴侧图，本实用新型单细胞封装平台100包括：机械单元010，微流控芯片单元020，电路单元030，以及机架011，本实用新型的外围尺寸是145*89*103 (单位mm)，采用分体设计、螺栓连接的方式组装，其中，机械模块对称安置在装置的两侧，连接模块安置在装置的上部，微流控芯片安置在连接模块和底座的中间，电路模块安置在装置的底部，图中未标明气控管路以及电路线路，不影响结构设计。另外，其中有四只进样针，只需要使用三只，考虑到平衡和力矩因素，还是安放四只，可做备用。

如图3所示是机械单元010的轴测图，其中包括：机械单元支架012，轴承013，丝杠014，步进电机015，进样针管016，进样针活塞017，滑块018，固定活塞的滑杆019，其中进样针模块对称安置在主轴两侧，由同一个滑块同步带动，整个装置的一面有四个凸脚，每个脚上有一个通孔，用以栓接在装置底座上。

如图4、图5所示，是步进电机015，丝杠014，滑块018，轴承013的装配结构图。如图所示，丝杠014上有固定螺距的螺纹，而滑块018上有与之匹配的螺纹，当丝杆转动固定角度时，滑块便可以滑动与之对应的距离，而滑块与进样针相互平行传动，所以进样针也可以抽/吸规定量程的气体。而轴承013安置在丝杠一端，外圈固定在机械单元支架012上，保证丝杠不发生径向偏移。考虑到丝杠基本不受轴向力，所以此处没必要使用成本较高的角接触轴承，只需要使用深沟球轴承。

如图6所示，是机械单元010当中的进样针模块，我们可以看到，进样针活塞017与滑杆019通过滑杆上的螺纹孔加以螺钉紧密连接，使之能够传动，而滑杆与进样针支架020上的半圆凹槽嵌合，使之能平行运动。而滑杆019上的垂直分支，可以与滑块018上的圆孔相配合，并被其带动。自此，由步进电机-丝杠-滑块-滑杆-进样针组成的机械单元布置完成。使进样针的抽/吸气变成一项定量的、可编程的运动。考虑到装配及误差问题，可以考虑垂直分支采用减小直径、增加硅胶覆膜的工艺，保证过盈配合，使传动误差最小化。

如图7所示，是微流控芯片模块020中的连接模块0210，结构上包括：四个腔室0221， 0222，0223，0224，分别连接四个孔0211，0212，0213，0214，四个腔室分别注入单细胞悬液(注入腔室0221)、磁珠(注入腔室0224)、油(注入腔室0222)、“油包水”收集物(由腔室0223收集)。

如图8所示，是连接模块的上盖0230，结构上包括四个凸起0231，0232，0233，0234，可以分别盖住连接模块0210上的四个腔室，并有每个凸起上的四个孔，其中0231，0232，0234分别通过三根软管连接三个进样针016，孔0233挂空，防止由于气压差而导致的堵塞。

如图9所示，是连接模块0210和上盖0230的装配体，将两者的凹凸槽位结合到一起，可得到整个连接模块整体。当细胞、磁珠和油分别从腔室0221，0224，0222压入芯片后，经过一段操作时间，所需要的“油包水”结构混合液会流入腔室0223，带流程结束后，若要继续之后的实验，可以使用移液枪从孔0233中抽取试剂，若之后没有其他实验，可以将连接模块取下来，移开上盖，进行移液。

如图10所示是微流控芯片0240的结构图。这些管道厚度均为100μm，蚀刻在厚度约为4mm的光刻胶微流控芯片内。

如图11所示是底座011，其结构包括螺纹孔0111，导槽0112，卡扣0113，凹槽0114，卡槽0115，具体实施方式是：螺纹孔0111用以固定机械模块011，机械模块011上的四个孔分别与之同心，使用相对应的螺钉可使两者固接，导槽0112用以安置微流控芯片0240，其下部空间可以安放CMOS摄像机，由于微流控芯片是透明的，外接光源后可以清楚地观察到管道内的状况。凹槽0114用以安放连接模块0230，使其四个孔能对应到微流控芯片0240 上的四个孔，完成试剂传输。并且卡扣0113可以将连接模块卡住，防止发生偏移和漏液。卡槽0115用以安放电路模块的四个电路板，分别包括微处理器0310，两个步进电机驱动器 0320，0330，电源0340，这些电路模块通过杜邦线连接，实现电路控制。

如图12所示是底座-连接模块-芯片-机械单元的装配示意图，可以看到，芯片0240由底座011上的导槽0112平行插入。连接模块0230自上而下安置入底座上的凹槽0114，并由卡槽0113卡住。机械单元100由四个螺纹孔0111定位拧紧，对称位置的机械模块也是如此。电路单元030自下而上插入卡槽0115并固定。若需要安装CMOS摄像机，将其安放在导槽0112下的空间里即可。最后得到总装的单细胞封装平台100，再后接管路，便可实现其该有的功能。

Claims (6)

1.一种小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：包括微流控芯片模块，机械模块，壳体组件和电控模块，其中：

所述的微流控芯片模块包括：包含一块带有置液腔室的连接模块，包含带有配合连接模块凸起的上盖以及包含一块微流控芯片；所述的连接模块，有不同体积的腔室，用以放置不同体积的试剂，每个腔室都有漏斗形结构，便于试剂滑动，使其不会粘贴在腔室内壁，每个腔室底部都有小孔，用以安装注液钢针连接微流控芯片；所述的上盖，有适配连接模块腔室的突起，使其联结密封，不会泄压漏气；有突起的通气孔，以连接软管置进样针，使试剂能被压入微流控芯片；外围尺寸与连接模块相匹配，便于两者安装在底座上；

所述的机械模块包括：包含一个机械模块支架，包含一个带活塞的进样针，包含一个带丝杠的步进电机及与之匹配的滑块以及包含一套滑块与活塞之间的传动机构；

所述的壳体组件包括一个带有特殊结构的底座，所述的底座底部中空，有能够镶嵌电源、电子芯片等的凹槽，两侧有螺纹孔，能够固接机械模块，中间有滑槽，能够安放微流控芯片，滑槽底部有空间能够安放CMOS照相机，上部有凹槽能够匹配安放连接模块，顶部有卡扣能够卡住连接模块，且便于拆卸，底部的两个加强筋能够支撑起整个仪器的重量；

所述的电控模块包括：电源，微处理芯片，电机驱动器以及线路板，所述的电源能够给封装仪供电；所述的电源大小能匹配底座的凹槽；所述的微处理芯片能够处理模拟信号并转换成数字信号传至步进电机，大小能够匹配底座的凹槽，所述的电机驱动器，能够满足驱动步进电机的要求，大小能够匹配底座底部的凹槽。

2.根据权利要求1所述的小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：所述的微流控芯片，使用光刻胶制成，内部有100微米量级深度的管道，且管道有其特殊的结构设计，尺寸与导槽相匹配，便于安装。

3.根据权利要求1所述的小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：所述的机械模块支架，能固接在底座上，并便于拆卸，有能固定进样针的卡扣以及安放传动机构的滑槽。

4.根据权利要求1所述的小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：所述的进样针，有气密性良好、使用寿命长的活塞，精度高，且活塞移动阻尼适当。

5.根据权利要求1所述的小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：所述的丝杠及步进电机，能绕轴做高精度的转动，且转动可控。

6.根据权利要求1所述的小型微流控单细胞封装仪，其特征在于：所述的传动机构，一端能固接在进样针活塞上，另一端能与滑块相连，将运动传到活塞。

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