CN219799456U - 一种用于生化诊断的离心式微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及医疗检测领域及微流控芯片技术领域，尤其是涉及一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，包括自上而下依次排布的流体结构层、薄膜层与气体结构层，所述的流体结构层包括腔室结构以及连通各腔室的流道，所述的腔室结构包括加样池、加样定量池、试剂储液池、试剂定量池、混合池、液体转移结构、分液定量池、多级反应池与废液池，所述的废液池包括试剂废液池与样品废液池；所述的气体结构层设有气体通道，气体通道上设有若干与间隔区位置对应设置的镂空腔室，所述的气体通道通过通气孔与气泵连接。本实用新型可自动化完成包括样品前处理、试剂定量、混合、反应等检测流程，体积小、通量高、使用方便、成本低。

Description

一种用于生化诊断的离心式微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及医疗检测领域及微流控芯片技术领域，尤其是涉及一种用于生化诊断的离心式微流控芯片。

背景技术

随着人们医疗保健意识的提升、老龄化的加剧，市场对生化诊断设备提出了现场采样分析、快速检测及自测等需求。为了满足这些需求，就必须往微型化、集成化、自动化、便携化方向发展。

目前生化诊断一般使用自动生化分析仪，经过半个多世纪的发展，自动生化分析仪能将取样、加试剂、混合、反应、检测及数据处理等步骤部分或全部集成化与自动化。但其体积庞大、价格昂贵、操作复杂，还需要配备其他专业设备进行样品的前处理，进一步增加了实验的复杂性，因此往往只有在大型医院或实验室内才能进行生化检测。另外常规的生化检测方法所需样品量大，消耗试剂多，且每次检测耗时长、成本高，难以满足现场采样分析、快速检测及自测等需求。

微流控技术是指利用微米级别的结构操控皮升到微升级体积的液体的技术。与传统的生化检测技术相比，其具有芯片体积小、试剂消耗少、分析速度快、易于集成化等优点。而离心式微流控芯片是其中一种微流控技术，其借助离心力为液体的移动提供驱动力。与其他驱动原理相比，离心力驱动微流体的主要优点是流速稳定易调，通过调节旋转频率可以很容易地调节驱动力的大小，从而精准控制从纳升到数百微升的液体；而且不需要复杂的液体驱动系统，结构简单，有助于实现设备的微型化、自动化以及成本可控。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有常规的生化检测方法所需样品量大，消耗试剂多，且每次检测耗时长、成本高的缺点，提供一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，可自动化完成包括样品前处理、试剂定量、混合、反应等检测流程，体积小、通量高、使用方便、成本低。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，所述的离心式微流控芯片包括自上而下依次排布的流体结构层、薄膜层与气体结构层，所述的流体结构层包括腔室结构以及连通各腔室的流道，所述的腔室结构包括加样池、加样定量池、试剂储液池、试剂定量池、混合池、液体转移结构、分液定量池、多级反应池与废液池，所述的废液池包括试剂废液池与样品废液池，所述的液体转移结构包括缓冲池、收集池，所述的缓冲池、收集池与混合池之间通过三通流体通道连接；所述的试剂定量池与样品定量池之间、样品定量池与样品废液池之间、样品定量池与混合池之间、混合池与缓冲池之间、缓冲池与收集池之间、第一反应池与第二反应池之间均设有间隔区，所述的气体结构层设有气体通道，气体通道上设有若干与间隔区位置对应设置的镂空腔室，所述的气体通道通过通气孔与气泵连接。

作为优选，所述的气体通道包括内圈气体通道与外圈气体通道，内圈气体通道与外圈气体通道上均设有镂空腔室。

作为优选，所述内圈气体通道上的镂空腔室位置分别对应试剂定量池与样品定量池之间的间隔区、样品定量池与混合池的间隔区、液体转移结构中缓冲池与收集池的间隔区，所述外圈气体通道上的镂空腔室位置分别对应样品定量池与样品废液池的间隔区、混合池与缓冲池的间隔区、第一反应池与第二反应池的间隔区。

作为优选，所述内圈气体通道的一端设有内圈供气孔，所述外圈气体通道的一端设有外圈供气孔。

作为优选，所述第一反应池与第二反应池尺寸与数目均相同，并且沿径向阵列排布。

作为优选，所述第一反应池到离心式微流控芯片圆心的距离小于所述第二反应池到离心式微流控芯片圆心的距离，所述第二反应池用于信号检测。

作为优选，所述的薄膜层为防水防透气弹性薄膜层。

作为优选，除缓冲池外，所述的腔室结构连通有通气孔。

作为优选，所述的缓冲池包括第一缓冲池与第二缓冲池，所述第一缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离小于所述第二缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离。

作为优选，所述第一缓冲池的体积大于所述第二缓冲池的体积。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：（1）本实用新型将气阀控制技术与离心式微流控技术相结合，提高了离心式微流控芯片的空间利用率，在有限的尺寸下允许更多功能集成。样品前处理及定量、试剂定量、混合、反应等流程均可在该芯片上一次性自动完成，极大地减少了使用操作，同时降低因操作导致的误差；（2）适用于多种类型样品，单次进样可进行多指标分析，检测时间短；（3）芯片结构设计简单，无需精确控制流体通道尺寸，加工成本低，且芯片可重复使用；（4）只需两路气体通道即可同时控制多个流体结构单元，提高了检测通量；（5）芯片使用简单，用户操作门槛低；（6）样品与试剂需求量小，降低成本的同时，减轻病患的痛苦与负担。

附图说明

图1是本实用新型的一种俯视透视示意图。

图2是本实用新型气体结构层的一种结构示意图。

图3是本实用新型薄膜层的一种结构示意图。

图4是本实用新型流体结构层的一种结构示意图。

图5是本实用新型气控阀区的一种横截面示意图。

图6是本实用新型气控阀区的一种工作示意图。

图7是本实用新型气控阀区的另一种工作示意图。

图中：1、气体结构层 11、内圈供气孔 12、外圈供气孔 13、内圈气体通道 14、外圈气体通道 15、镂空腔室 2、薄膜层 3、流体结构层 30、流体结构单元 311、试剂储液池312、试剂定量池 313、试剂废液池 314、试剂质控池 321、加样池 322、加样定量池 323、样品废液池 33、混合池 341、第一缓冲池 342、第二缓冲池 343、收集池 351、分液定量池352、混合液质控池 36、第一反应池 37、第二反应池 38、流体通道 39、通气孔 4、芯片中心孔 5、底部垫片。

实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

在如图1至图4所示的实施例中，一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，主要包括流体结构层1、薄膜层2与气体结构层3，分别位于上、中、下层，其中流体层设有多个流体结构单元30，每个流体结构单元设有各腔室结构及连通各腔室的流道，各腔室结构具体包括加样池321、加样定量池322、试剂储液池311、试剂定量池312、混合池33、液体转移结构、分液定量池351、第一反应池36、第二反应池37及各废液池，废液池包括了试剂废液池313、样品废液池323。所述的液体转移结构包括缓冲池、收集池343，所述的缓冲池、收集池与混合池之间通过三通流体通道38连接，配合气控阀区的开关控制可进行液体的径向向内转移，从而提高离心式芯片的空间利用率。加样池与加样定量池、试剂储液池与试剂定量池、收集池与分液定量池、分液定量池与第一反应池之间均由流道连通；试剂定量池与样品定量池之间、样品定量池与样品废液池之间、样品定量池与混合池之间、混合池与缓冲池之间、缓冲池与收集池之间、第一反应池与第二反应池之间存在间隔区。所述的缓冲池包括第一缓冲池341与第二缓冲池342，所述第一缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离小于所述第二缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离，并且所述第一缓冲池的体积大于所述第二缓冲池的体积。除缓冲池外，其余腔室结构均可设计各自的通气孔39，也可几个腔室并用1个通气孔，通气孔位于比对应腔室更接近中心的位置，并将通气孔与腔室连通。第一反应池与第二反应池尺寸一直、数目一致，且均为径向阵列排布，第一反应池位于更靠近中心的位置。试剂废液池与混合液废液池的末端具有与第二反应池相同的形状尺寸，相同半径的径向排布，作为质控检测池。第二反应池即是进行第二步反应的区域，也是进行信号检测的区域。

薄膜层位于气体结构层与流体结构层中间，不透气不透水有弹性，所用材料为TPE。

本实用新型的芯片中心设有芯片中心孔4，用于芯片在检测仪器上固定；底部设有底部垫片5。

如图4所示，气体结构层在不与薄膜层接触的一面设计有内圈气体通道13与外圈气体通道14，内圈气体通道的一端设有内圈供气孔11，所述外圈气体通道的一端设有外圈供气孔12，并通过供气孔与2路气泵相连。2路气体通道上有若干个贯穿结构层的镂空腔室15，当气体结构层与薄膜层贴合后，镂空腔室处形成气控阀区，其中内圈气体通道上的镂空腔室位置对应流体结构层上试剂定量池与样品定量池的间隔区、样品定量池与混合池的间隔区、液体转移结构中缓冲池与收集池的间隔区；外圈气体通道上的镂空腔室位置对应流体结构层上样品定量池与其废液池的间隔区、混合池与缓冲池的间隔区、第一反应池与第二反应池的间隔区。当气体通道内进气时，如图6所示，薄膜形变凸起封闭间隔区；当气体通道内抽气时，如图7所示，薄膜形变内凹敞开间隔区，以此用于控制流体层上各腔室之间的连通或封闭。

本实用新型的加样池用于加入待测样品，加样池的结构设计与采样方式有关。当手动加样时，加样池的形状不限，只需能容纳加入的样品体积即可。当自动进样时，加样口表面可以进行亲水处理或嵌入玻璃毛细管等方式。

试剂储液池用于容纳试剂，根据实验需要，试剂可以在实验前手动加入；也可以制备液囊预先封装在芯片内部，在需要时戳破液囊释放里面的试剂。

样品/试剂定量池用于定量样品/试剂体积，腔室体积与定量体积一致即可，多余的样品/试剂进入相应的废液池中。样品/试剂定量过程中，气体结构层中内圈气体通道为吹气状态，样品/试剂定量池后的气控阀门为关闭状态，如图5所示，流道被堵住，避免样品在离心过程中直接进入混合池内，而试剂直接进入样品定量池。

混合池用于混合经过定量的样品与试剂。为了尽可能减少定量后的样品残留在定量池表面，可将试剂定量池的出口流道设计为通向样品定量池，那么定量后的试剂将会流经样品定量池进行表面冲洗，再进入混合池内。此过程中，内圈气体通道为吸气状态，如图6所示，，从而打开样品/试剂定量池后的流道，而外圈气体通道为吹起状态从而堵住样品废液池的入口通道，以避免试剂进入样品废液池中。

由缓冲池与收集池及三通流道共同组成液体转移结构，配合气控阀门可将混合池内的混合液转移到更靠近芯片中心的收集池处，从而进行后续的定量分液及反应等步骤。此处结构弥补了常规离心式微流控芯片上流体只能径向向外移动的缺陷，在有限的芯片空间上可以进行更多的操作流程。具体的操作：首先保持混合池后的气控阀口打开，收集池前的气控阀门关闭，开始离心，此时混合池中的混合液将逐步转移到封闭的缓冲池中；在结束离心之前关闭混合池后的气控阀门，打开收集池前的气控阀门；当离心停止后，封闭的缓冲池内被压缩的气体逐渐将混合液泵送入收集池内。在使用全血作为样品的实施例中，此步骤可将离心条件设置为全血分离所需的转速及时间，离心的沉淀物将会保留在缓冲池下部结构中，而血浆与试剂混合液则会在离心停止后泵送入收集池中。

定量分液池用于事先对即将进入反应池的样品与试剂混合液进行定量分配。定量体积由定量池的大小决定。低转速下（一般1000rpm）即可实现。

第一反应池与定量分液池通过流体通道直接相连，此处的流体通道宽度较窄，流阻相对较大，以保证在混合液定量分液时（低转速时）不会直接进入第一反应池内，需要较高的转速（2000rpm）才能转移。第一反应池内预包埋了冻干形式的探针试剂，当混合液进入第一反应池后，探针试剂被溶解并与混合液中的待测物质结合。

第二反应池与第一反应池之间的流道由气控阀口控制其开关。混合液定量分液、转移入第一反应池过程中，此处的气控阀口均为关闭状态，避免混合液在离心过程中直接进入第二反应池内。当第一反应池内反应结束后，再打开此处的气控阀口，通过离心将第一反应池中的混合液转移入第二反应池。第二反应池内预包埋了冻干形式的能与探针结合的显色物质，反应结束后对各第二反应池进行吸光度检测。

根据不同实验需求，还可以增加不同类型的质控池，质控池具有与第二反应池相同的形状尺寸，并以相同半径的径向排布。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述的离心式微流控芯片包括自上而下依次排布的流体结构层、薄膜层与气体结构层，所述的流体结构层包括腔室结构以及连通各腔室的流道，所述的腔室结构包括加样池、加样定量池、试剂储液池、试剂定量池、混合池、液体转移结构、分液定量池、多级反应池与废液池，所述的废液池包括试剂废液池与样品废液池，所述的液体转移结构包括缓冲池、收集池，所述的缓冲池、收集池与混合池之间通过三通流体通道连接；所述的试剂定量池与样品定量池之间、样品定量池与样品废液池之间、样品定量池与混合池之间、混合池与缓冲池之间、缓冲池与收集池之间、第一反应池与第二反应池之间均设有间隔区，所述的气体结构层设有气体通道，气体通道上设有若干与间隔区位置对应设置的镂空腔室，所述的气体通道通过通气孔与气泵连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述的气体通道包括内圈气体通道与外圈气体通道，内圈气体通道与外圈气体通道上均设有镂空腔室。

3.根据权利要求2所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述内圈气体通道上的镂空腔室位置分别对应试剂定量池与样品定量池之间的间隔区、样品定量池与混合池的间隔区、液体转移结构中缓冲池与收集池的间隔区，所述外圈气体通道上的镂空腔室位置分别对应样品定量池与样品废液池的间隔区、混合池与缓冲池的间隔区、第一反应池与第二反应池的间隔区。

4.根据权利要求3所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述内圈气体通道的一端设有内圈供气孔，所述外圈气体通道的一端设有外圈供气孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述第一反应池与第二反应池尺寸与数目均相同，并且沿径向阵列排布。

6.根据权利要求5所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述第一反应池到离心式微流控芯片圆心的距离小于所述第二反应池到离心式微流控芯片圆心的距离，所述第二反应池用于信号检测。

7.根据权利要求1所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述的薄膜层为防水防透气弹性薄膜层。

8.根据权利要求1所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，除缓冲池外，所述的腔室结构连通有通气孔。

9.根据权利要求1所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述的缓冲池包括第一缓冲池与第二缓冲池，所述第一缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离小于所述第二缓冲池到离心式微流控芯片圆心的距离。

10.根据权利要求9所述的一种用于生化诊断的离心式微流控芯片，其特征是，所述第一缓冲池的体积大于所述第二缓冲池的体积。