CN215288792U - 一种核酸诊断微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种核酸诊断微流控芯片，包括：芯片顶层包括第一注入孔、第二注入孔、第三注入孔、第四注入孔和第五注入孔；芯片第一主体层包括分别与第一注入孔、第二注入孔、第三注入孔和第四注入孔相连通的裂解腔、第一洗涤腔、第二洗涤腔、第一洗脱腔和与裂解腔、第一洗涤腔和第二洗涤腔相连通的微流控区，微流控区与扩增腔相连通，扩增腔与第五注入孔相连通，多个反应微室间隔的与所述扩增腔和外界相连通；芯片第二主体层包括一端具有向内的凸缘的提取室、与第一洗脱腔和提取室相连通的第二洗脱腔和废液处理区，芯片底层包括与废液处理区相连通的第三气孔和与扩增腔相连通的第四气孔。本实用新型具有效率高和稳定性高特点。

Description

一种核酸诊断微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及生物监测技术领域，更具体的是，本实用新型涉及一种核酸诊断微流控芯片。

背景技术

目前核酸提取和检测需要分开单独操作，传统的检测仪器只能单一操作进行核酸提取，或单一进行核酸检测，操作繁琐，需要多种场所的切换，一次难以快速简便地完成核酸检测提取一体化。

并且现有的核酸提取和检测的仪器皆体积庞大，难以运输携带，因此必须在专业的实验室中进行操作，现场采取到的核酸样品要经过长时间的冷链运输转移到大型实验室中才能完成检测，而冷链运输过程中还存在高温暴露、交叉感染以及样品污损等问题，大大影响了核酸检测的效率以及检测结果的准确性。

传统PCR实验过程耗时长，操作繁琐，需要进行预变性和复杂的温度循环等过程，每完成一个循环需2～4分钟，共需要25～30个循环，2～3小时才能将待扩增的基因扩增完毕，后期验证复杂，一次试验难以完成对病原体的多个亚型的检测，并且传统PCR方法需要进行凝胶电泳验证和紫外观察结果，判读复杂，灵敏度相对较低的同时容易错检，在操作时，样品可随气溶胶或形成气溶胶而扩散到EP管外，造成样本之间的污染，导致假阳性的结果。还有可能产生靶序列或扩增产物的交叉污染，实验结果不准确。

采样的时间，样品运输的时间，实验室提取与检测的时间，对于大规模传染病来说，时间越长，风险越大，不仅仅是患者不能及时进行治疗，与患者接触的其他人风险也大大提升。

而且现有的检测仪器大多价格高昂，一台普通PCR仪价格约3万元，检测最灵敏的荧光定量PCR仪价格约40万。

因此，尽可能减少检测以及运输的环节，争取更多的治疗时间成为了目前研究的主要问题。

实用新型内容

本实用新型设计开发了一种核酸诊断微流控芯片，通过真空装置和多个注入孔与提取室、微流控区和LAMP扩增区的结合，将固相膜核酸提取、环介导等温扩增和微流控芯片结构相结合，实现了核酸提取和核酸检测一体化。

本实用新型提供的技术方案为：

一种核酸诊断微流控芯片，包括：

芯片顶层，其包括第一注入孔、第二注入孔、第三注入孔、第四注入孔和第五注入孔；

芯片第一主体层，其包括裂解腔、第一洗涤腔、第二洗涤腔、第一洗脱腔、微流控区和LAMP扩增区；

其中，所述裂解腔与所述第一注入孔相连通，所述第一洗涤腔与所述第二注入孔相连通，所述第二洗涤腔与所述第三注入孔相连通，所述第一洗脱腔与所述第四注入孔相连通，所述裂解腔、第一洗涤腔和第二洗涤腔均与所述微流控区相连通；

所述LAMP扩增区包括扩增腔和多个反应微室，所述扩增腔与所述第五注入孔和微流控区相连通，所述多个反应微室间隔的与所述扩增腔和外界相连通；

芯片第二主体层，其包括提取室、第二洗脱腔、废液处理区、洗脱通道和第二气孔；

其中，所述提取室为通孔结构且一端具有向内的凸缘，所述第二洗脱腔与所述第一洗脱腔相连通，所述废液处理区和洗脱通道均为凹槽结构，且所述洗脱通道的两端分别与所述提取室的一端和第二洗脱腔相连通，所述提取室的另一端用于放置固相提取膜，所述第二气孔与所述扩增腔相连通；

芯片底层，其包括与所述废液处理区相连通的第三气孔和与所述第二气孔相连通的第四气孔；

其中，所述第三气孔和第四气孔分别与真空装置相连接。

优选的是，所述芯片顶层还包括：

多个第一气孔，其等直径间隔设置在所述第五注入孔的四周，且所述多个第一气孔分别一一对应的与所述多个反应微室相连通。

优选的是，所述芯片第一主体层还包括：

汇通腔，其与所述裂解腔、第一洗涤腔和第二洗涤腔相连通，且所述汇通腔与所述提取室相连接。

优选的是，所述汇通腔的直径与所述凸缘的内直径相同。

优选的是，所述微流控区包括：

第一微流管，其为蛇形排列，且所述第一微流管的一端与所述汇通腔相连通；

第二微流管，其为螺纹型排列，且所述第二微流管的一端与所述第一微流管的另一端相连通，另一端与所述扩增腔相连通。

优选的是，所述LAMP扩增区还包括：

多个混合通道，其为凹槽结构，且所述多个混合通道分别一一对应的设置在所述扩增腔和多个反应微室之间。

优选的是，所述LAMP扩增区还包括：

第五气孔，其与所述扩增腔相连通，且所述第五气孔与所述第二气孔相连通。

优选的是，所述废液处理区包括：

废液释放通道，其为蛇形排列，且所述废液释放通道的一端与所述提取室的一端相连通；

废液腔，其与所述废液释放通道的另一端相连通；

第六气孔，其与所述废液腔和第三气孔相连通。

优选的是，所述第五气孔的直径小于所述扩增腔。

优选的是，所述废液腔中铺设有吸水材料。

本实用新型所述的有益效果：

(1)本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片，本装置将固相膜核酸提取技术、环介导等温扩增技术和微流控芯片技术相结合，微流控的多通道的形式可实现多种病原同时检测，检测效率高，实现了核酸提取和核酸检测一体化，无需冷链运输、摆脱了实验室和大型仪器，可以做到现场采样、现场检测、现场出结果。

(2)本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片，装置体积小巧，便于携带，价格低廉,仅一台小型设备即可完成一系列核酸的提取和检测,检测迅速，结果准确，可满足疫情现场大规模检测的所有需求，在保证灵敏度和检测效率的基础上，三十分钟即可在现场完成核酸提取检测全套流程，且不需要专业的操作人员，检测过程皆在仪器内部进行，不受外界环境影响，检测试剂具有更强的灵敏度和特异性，肉眼即可观察出结果。

(3)本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片，全自动化提取，只需要一步操作即可完成提取，并且利用固相膜法，大大缩短了提取的时间，而且性质稳定，高效提取。

附图说明

图1为本实用新型所述核酸诊断微流控芯片的整体结构示意图。

图2为本实用新型所述核酸诊断微流控芯片的俯视结构示意图。

图3为本实用新型所述核酸诊断微流控芯片的仰视结构示意图。

图4为本实用新型所述核酸诊断微流控芯片的爆炸示意图。

图5为本实用新型所述芯片顶层的结构示意图。

图6为本实用新型所述芯片第一主体层的整体结构示意图。

图7为本实用新型所述微控流区的结构示意图。

图8为本实用新型所述芯片第一主体层的俯视结构示意图。

图9为本实用新型所述芯片第一主体层的仰视结构示意图。

图10为本实用新型所述芯片第一主体层和芯片第二主体层装配的结构示意图。

图11为本实用新型所述芯片第二主体层的整体结构示意图。

图12为本实用新型所述芯片第二主体层的仰视结构示意图。

图13为本实用新型所述芯片底层的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2、图3、图4所示，本实用新型提供一种核酸诊断微流控芯片为四层结构，包括从上到下依次重叠设置的芯片顶层100、芯片第一主体层200、芯片第二主体层300和芯片底层400，芯片顶层100用于密封芯片第一主体层200内的反应试剂的流动通道同时通过多个注入孔添加反应所需的相关试剂；芯片第一主体层200中设置了试剂流通通道，微流控通道，LAMP扩增腔等腔体；芯片第二主体层300是固相提取膜的固定区域，通过流道的设计完成核酸提取过程，同时这一层中还设置了废液处理腔；微流控芯片中通过对微腔和微通道的设计，芯片底层400在微阀、微泵和外界驱动力的配合下完成流体驱动，实现核酸的自动提取、LAMP扩增等功能。

如图5所示，所述芯片顶层100包括：第一注入孔110、第二注入孔120、第三注入孔130、第四注入孔140、第五注入孔150和6个第一气孔160，所述第一注入孔110、第二注入孔120、第三注入孔130和第四注入孔140设置在所述芯片顶层100的一侧，所述第五注入孔150设置在所述芯片顶层100的另一侧，所述6个第一气孔160等直径间隔设置在所述第五注入孔150的四周。

如图6、图8、图9所示，所述芯片第一主体层200包括：裂解腔210、第一洗涤腔220、第二洗涤腔230、第一洗脱腔240、汇通腔250、微控流区和LAMP扩增区；所述微控流区包括：流通通道261、第一微流管262和第二微流管263；所述LAMP扩增区包括：扩增腔270、第五气孔280、6个混合通道291和6个反应微室292；所述裂解腔210与所述第一注入孔110相连通，所述第一洗涤腔220与所述第二注入孔120相连通，所述第二洗涤腔230与所述第三注入孔130相连通，所述第一洗脱腔240与所述第四注入孔140相连通，汇通腔250设置在所述裂解腔210、第一洗涤腔220、第二洗涤腔230和第一洗脱腔240的中心，且所述汇通腔250与所述裂解腔210、第一洗涤腔220和第二洗涤腔230相连通，所述流通通道261的一端与所述汇通腔250相连通，所述汇通通道261的另一端与所述第一微流管262的一端相连通，所述第二微流管263的一端与所述第一微流管262的另一端相连接，另一端与所述扩增腔270相连通，所述扩增腔270与所述第五注入孔150相连通，所述第五气孔280设置在所述扩增腔270的一侧且与所述扩增腔270相连通，所述第五气孔280的直径小于扩增腔270，所述6个混合通道291为凹槽结构，6个混合通道291为花瓣形状且间隔设置在所述扩增腔270的四周，所述6个反应微室292分别一一对应的设置在所述6个混合通道291上远离所述扩增腔270的一端，且所述6个反应微室292分别一一对应的与所述6个第一气孔160相连通，保持气压流通，使得液体能够流入6个反应微室292

如图7所示，在另一种实施例中，所述第一微流管262为蛇形排列。

在另一种实施例中，所述第二微流管263为螺纹型排列。

如图10、图11、图12所示，所述芯片第二主体层300包括：提取室310、第二洗脱腔320、废液处理区、第二气孔360和洗脱通道370，所述废液处理区包括：废液释放通道330、废液腔340和第六气孔350，所述提取室310为通孔结构且一端具有向内的凸缘，所述第二洗脱腔320与所述第一洗脱腔240相连通，所述废液处理区和洗脱通道370均为凹槽结构，且所述洗脱通道370的一端穿过所述凸缘与所述提取室310的一端相连通，所述洗脱通道370的另一端和第二洗脱腔320相连通，所述提取室310的另一端(凸缘上部)用于放置固相提取膜，所述提取室310与所述汇通腔250相连通，所述汇通腔250的直径与所述凸缘的内直径相同，所述废液释放通道330的一端与所述提取室310的一端相连通，另一端与所述废液腔340相连通，第六气孔350与所述废液腔340相连通，所述废液腔中铺设有吸水材料，所述第二气孔360与所述第五气孔280相连通；

如图13所示，所述芯片底层包括：第三气孔410和第四气孔420，所述第三气孔410的与所述第六气孔350相连通，所述第四气孔420与所述第二气孔360相连通，所述第三气孔和第四气孔分别与真空装置相连接。

在另一种实施例中，所述废液释放通道330为蛇形排列。

本实用新型提供的一种核酸诊断微流控芯片的使用过程包括如下步骤：

步骤一、在可以进行试剂按序自动添加的情况下，首先将核酸样本加入第一注入孔110，然后进行细胞裂解液的释放，裂解2分钟，此时，第三气孔410与外部接口的真空装置连接，打开微泵形成负压，裂解样本在负压的作用下，自第一注入孔110到汇通腔250垂直通过固定在提取室310的固相提取膜通过蛇排型废液释放通道330到废液腔340，通过控制真空的吸力进而控制试剂滤膜的速度以便提高固相膜的提取效率，在滤膜过程中，核酸模板已经被固相膜特异性捕获，滤过的液体通过废液释放通道330流进废液腔340被吸水材料吸收，完成核酸提取的模板吸附步骤。

步骤二、固相膜将核酸模板捕获后，释放第二步试剂WASH-A，依旧将第三气孔410连接的微泵打开，从第二注入孔120添加WASH-A经过汇通腔250竖直经过固相提取膜，将固相提取膜上附着的蛋白质等大分子杂质除去，废液流经蛇排型废液释放通道330至废液腔340完成废液处理。

步骤三、释放第三步试剂WASH-B，依旧将第三气孔410连接的微泵打开，从第三注入孔130添加WASH-B经过汇通腔250竖直经过固相提取膜，将固相提取膜上的有机及无机杂志进一步净化，此时固相提取膜上仅特异性吸附着纯化的核酸模板，废液流经蛇排型废液释放通道330至废液腔340完成废液处理。

步骤四、核酸提取的最后一步洗脱过程较为特殊，因为洗脱液滤膜后将固相提取膜上的模板洗脱下来，纯化模板会存在于洗脱液中，洗脱液要进行下一步LAMP扩增，所以既要避免前三步试剂的交叉污染问题，同时要将携带模板的洗脱液输送至扩增腔270内，如图4、图11所示，为洗脱液单独设置了试剂流通通道，在进行完洗脱液释放后，第四气孔420与真空装置相连接，打开洗脱液专用微泵，从第四注入孔140添加洗脱液经过第一洗脱腔240和第二洗脱腔320流经洗脱通道370从下至上经过固相提取膜，洗脱液自下而上通过固相提取膜后，洗脱液内已经包含纯化核酸模板，在负压的作用下经过第一微流管262和第二微流管263流进扩增腔270，等待下一步LAMP等温扩增，此时核酸提取过程全部完成。

步骤五、此时，纯化的核酸模板已在扩增腔270，从第五注入孔150加入引物试剂和核酸模板混合配对，再从第五注入孔150加入LAMP试剂到扩增腔270与核酸模板混合，最后混合液从扩增腔270经过四周的6个混合通道291流向相应的6个反应微室292，在60-65℃的恒温条件下进行核酸检测的反应，待出现特异性颜色变化时完成反应。

传统PCR实验过程耗时长，操作繁琐，后期验证复杂，一次试验难以完成对病原体的多个亚型的检测，本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片，实现了提取检测的一体化操作，与微流控芯片配合使用，微流控的多通道的形式可实现多种病原同时检测，检测效率高。

传统PCR实验过程复杂，检测耗时长，需要进行预变性和复杂的温度循环等过程，每完成一个循环需2～4分钟，共需要25～30个循环，2～3小时才能将待扩增的基因扩增完毕，本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片采用环介导等温扩增技术(LAMP)，免去了繁琐的核酸扩增步骤。

传统PCR方法需要进行凝胶电泳验证和紫外观察结果，判读复杂，本实用新型提供的核酸诊断微流控芯片反应结果可通过指示剂颜色变化(或紫外激发荧光)肉眼判断，为检测工作减少了时间和仪器的要求，是一种适合现场、基层快速检测的方法。

传统PCR仪容易错检，在操作时，样品可随气溶胶或形成气溶胶而扩散到EP管外，造成样本之间的污染，导致假阳性的结果，还有可能产生靶序列或扩增产物的交叉污染，实验结果不准确。本实用新型所述装置针对6个靶基因设计4条特异性引物，可达到零错检。

传统的酚-氯仿抽提法一般用于手工RNA提取，有机混合液可以令蛋白质变性，并且对核酸酶产生抑制作用，大大有损提取效率，还需要大量人工进行操作，本实用新型所述装置全自动化提取，只需要一步操作即可完成提取。

目前的离心柱法通过加入不同的裂解试剂、洗涤试剂并反复离心，以达到核酸与杂质分离的目的，获得纯化的核酸，该技术中所需的生物样本量较大，提取步骤较为繁杂，一次离心操作就需要3分钟左右，而完成整个离心操作需要反复多次进行，耗时量大，不能被市场普遍接受，本实用新型所述装置利用固相膜法，大大缩短了提取的时间。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种核酸诊断微流控芯片，其特征在于，包括：

芯片顶层，其包括第一注入孔、第二注入孔、第三注入孔、第四注入孔和第五注入孔；

芯片第一主体层，其包括裂解腔、第一洗涤腔、第二洗涤腔、第一洗脱腔、微流控区和LAMP扩增区；

其中，所述裂解腔与所述第一注入孔相连通，所述第一洗涤腔与所述第二注入孔相连通，所述第二洗涤腔与所述第三注入孔相连通，所述第一洗脱腔与所述第四注入孔相连通，所述裂解腔、第一洗涤腔和第二洗涤腔均与所述微流控区相连通；

所述LAMP扩增区包括扩增腔和多个反应微室，所述扩增腔与所述第五注入孔和微流控区相连通，所述多个反应微室间隔的与所述扩增腔和外界相连通；

芯片第二主体层，其包括提取室、第二洗脱腔、废液处理区、洗脱通道和第二气孔；

其中，所述提取室为通孔结构且一端具有向内的凸缘，所述第二洗脱腔与所述第一洗脱腔相连通，所述废液处理区和洗脱通道均为凹槽结构，且所述洗脱通道的两端分别与所述提取室的一端和第二洗脱腔相连通，所述提取室的另一端用于放置固相提取膜，所述第二气孔与所述扩增腔相连通；

芯片底层，其包括与所述废液处理区相连通的第三气孔和与所述第二气孔相连通的第四气孔；

其中，所述第三气孔和第四气孔分别与真空装置相连接。

2.如权利要求1所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述芯片顶层还包括：

多个第一气孔，其等直径间隔设置在所述第五注入孔的四周，且所述多个第一气孔分别一一对应的与所述多个反应微室相连通。

3.如权利要求2所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述芯片第一主体层还包括：

汇通腔，其与所述裂解腔、第一洗涤腔和第二洗涤腔相连通，且所述汇通腔与所述提取室相连接。

4.如权利要求3所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述汇通腔的直径与所述凸缘的内直径相同。

5.如权利要求4所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述微流控区包括：

第一微流管，其为蛇形排列，且所述第一微流管的一端与所述汇通腔相连通；

第二微流管，其为螺纹型排列，且所述第二微流管的一端与所述第一微流管的另一端相连通，另一端与所述扩增腔相连通。

6.如权利要求5所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述LAMP扩增区还包括：

多个混合通道，其为凹槽结构，且所述多个混合通道分别一一对应的设置在所述扩增腔和多个反应微室之间。

7.如权利要求6所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述LAMP扩增区还包括：

第五气孔，其与所述扩增腔相连通，且所述第五气孔与所述第二气孔相连通。

8.如权利要求7所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述废液处理区包括：

废液释放通道，其为蛇形排列，且所述废液释放通道的一端与所述提取室的一端相连通；

废液腔，其与所述废液释放通道的另一端相连通；

第六气孔，其与所述废液腔和第三气孔相连通。

9.如权利要求7所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述第五气孔的直径小于所述扩增腔。

10.如权利要求8所述的核酸诊断微流控芯片，其特征在于，所述废液腔中铺设有吸水材料。

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