TWM564596U - Microfluidic chip for gene detection - Google Patents

Abstract

本創作屬於生物醫藥領域，涉及一種基因檢測用的微流控晶片。本創作的微流控晶片包含DNA提取模組，與DNA提取模組相連的定量分流模組，與定量分流模組相連的PCR反應模組。待測樣品進入DNA提取模組中，經過加熱裂解，釋放DNA，再通過過濾除雜後，被定量分流，最後進入PCR反應模組，進行PCR反應和檢測。本創作的微流控晶片集DNA提取、定量分流和基因檢測於一體，通過程式化的加熱、過濾和分流，就可以實現基因檢測的全自動化和即時分析。

Description

一種基因檢測用的微流控晶片

本創作有關一種分子生物學領域，更具體地，關於一種全自動基因檢測用的微流控晶片。

POCT（point-of-care testing, 即時檢測）因即時、快速、簡便、便攜而使得越來越多的臨床檢驗不必在醫院中心實驗室完成，而可以在醫院各臨床科室、社區醫院、社區診所、甚至家裡完成。這不僅可以大大縮短檢驗的總體時間而幫助醫生快速作出診斷，而且還可以極大地方便病人。然而到目前為止，POCT主要應用於血液生化、血氣、心肌標誌物等參數。對於基因的檢測，則較少涉及，這是因為，基因的檢測如PCR反應需要複雜的前處理，如DNA提取，需要多次的離心吸附和洗脫；PCR加樣繁瑣；PCR反應需要依靠精準的溫度迴圈裝置和螢光檢測分析系統。這些極大地限制基因檢測在POCT方面的發展。

目前，基因檢測的前處理主要依賴人工作業完成，不僅耗時耗力，而且前處理過程中易受到污染，一方面是樣品受環境污染，另一方面環境或操作人員易受到樣本的污染；此外，人為操作容易帶來誤差。因此，急需一種能夠實現自動化的基因檢測裝置或系統。

中國專利CN 104593255 A公開了一種即時檢測EGFR 突變的微流控晶片，該晶片集DNA提取、LAMP擴增（環介導等溫擴增）、即時檢測為一體。該微流控晶片只檢測一種基因（EGFR）突變，只有三個平行系統，且檢測過程中還存在部分人工作業，如樣品需要在晶片外進行裂解。

為了解決現有技術中基因的檢測分析難以實現POCT，傳統基因分析耗時、耗力等缺點，本創作提供了一種基因檢測用的微流控晶片。

本創作之目的在於提供一種集DNA提取、定量分流、PCR反應於一體的微流控晶片。

本創作的另一目的還在於提供一種全自動化，封閉的微流控晶片。

本創作的另一目的還在於提供一種定量準確的微流控晶片。

本創作的目的通過以下技術手段實現：

本創作提供了一種DNA提取模組。

所述的DNA提取模組含有裂解腔，與裂解腔相連的過濾裝置，與過濾裝置相連的稀釋腔。

裂解腔上設置有一進樣口；進一步地，裂解腔還設置有加熱裝置。

裂解腔為預裝有裂解液的腔體；或者，可以設一與裂解腔相連的裂解液儲藏腔，用於預裝裂解液；優選地，裂解液預裝在裂解腔中。

所述的DNA提取裝置還設有第一壓力差機構。當裂解液預裝在裂解腔中時，第一壓力差機構直接與裂解腔相連，作用於裂解腔，使裂解腔中的液體泵入下游；當裂解液預裝在裂解液儲藏腔時，第一壓力差機構透過裂解液儲藏腔與裂解腔相連，先作用於裂解液儲藏腔，使裂解液儲藏腔的裂解液泵入裂解腔，與樣品混合，再作用於裂解腔，使裂解腔中的液體泵入下游。

裂解腔還設有一加熱裝置，用於加熱樣品和裂解液的混合液，使樣品中的細胞裂解，釋放DNA。所述的加熱裝置，可以為加熱片、加熱塊或加熱絲；優選地，為加熱片。

過濾裝置位於裂解腔與稀釋腔之間，用於過濾液體中的雜質，如顆粒物、血液凝塊等，同時，使DNA溶液通過。所述的過濾裝置可以選自過濾膜、過濾片、過濾網、過濾凝膠、或過濾柱；優選地，為過濾膜。

稀釋腔與過濾裝置相連，稀釋腔為預裝有稀釋液的腔體；或者，可以設一與稀釋腔相連的稀釋液儲藏腔，用於預裝稀釋液；優選地，稀釋液預裝在稀釋腔中。

所述的DNA提取模組還設有第二壓力差機構。當稀釋液預裝在稀釋腔中時，第二壓力差機構直接與稀釋腔相連，作用於稀釋腔，使稀釋腔中液體泵入下游；當稀釋液預裝在稀釋液儲藏腔時，第二壓力差機構經過稀釋液儲藏腔與稀釋腔相連，先作用於稀釋液儲藏腔，使稀釋液儲藏腔中的稀釋液泵入稀釋腔，與DNA溶液混合，再作用於稀釋腔，使稀釋腔中的液體泵入下游。

當待檢測樣品經加樣口進入裂解腔後，與裂解液混合。所述的裂解液可以預裝在裂解腔中，也可以預裝在裂解液儲藏腔，經第一壓力差機構的作用，進入裂解腔與待測樣品混合。樣品與裂解液的混合液，通過加熱裝置加熱，樣品中的細胞裂解並釋放DNA。然後，在第一壓力差機構的作用下，混合液經過濾裝置，顆粒物或血液凝塊等被截留，攜帶有DNA的溶液進入稀釋腔，與稀釋液混合。

目前的微流控晶片在用於基因檢測領域的自動化程度很低。而本創作的微流控晶片中的DNA提取模組，只需人工加入樣品，就可實現提取自動化。DNA提取模組，通過自動化的加熱、過濾和稀釋獲得基因擴增範本，極大的簡化了DNA提取過程中，依賴多種試劑、多種儀器，多次離心、吸附和洗脫的工作流程。

現有的微流控晶片上的核酸提取模組大多是基於固相微萃取（SPE）的原理實現的，通過固相基質存在於晶片通道內，以壓力或者電驅動對微量液體進行萃取。目前，常用的微流控晶片的核酸提取方法有：1）基於二氧化矽微球的核酸提取晶片：將微球填充到微通道中作為固定相以吸附核酸，然而，矽球在微通道內很難固定；2）基於微柱的晶片核酸抽提：在晶片通道通過深反應離子蝕刻製作了幾千個具有二氧化矽表層的微柱；3）基於磁性微球的磁場誘導的微粒運動，即磁泳對磁響應性粒子進行精細分離核酸；4）基於有機聚合物整體柱的晶片核酸抽提；5）基於通道表面處理的晶片核酸抽提。不管是上述的哪種方法，均基於SPE原理，均涉及到上樣、吸附和洗脫。因此存在微流控通道設計複雜，或是吸附材料製備複雜等缺點。而本創作的微流控晶片，沒有採用傳統的DNA提取技術，只需通過裂解液和加熱，對樣品中的細胞進行裂解，釋放DNA，然後再通過過濾裝置，截留大部分的雜質，而含有DNA的溶液通過過濾裝置，就可以獲得理想的DNA範本。本創作的微流控晶片節省了吸附和洗脫的步驟，極大的簡化的基因微流控晶片的結構和工作流程，降低了微流控晶片的成本，與現有技術相比，具有十分顯著的進步，有實際的應用價值。

本創作還提供了一種微流控晶片，含有上述的DNA提取模組，還含有定量分流模組和PCR反應模組。

所述的定量分流模組設有定量腔。

定量腔與DNA提取模組的稀釋腔相連，用於DNA溶液的分流和定量。本創作的微流控晶片，可以設置一個或多個的定量腔；優選地，設置多個定量腔；進一步地，所述的定量腔的體積可相同或者不同；優選地，定量腔的體積相同。

所述的PCR反應模組設有一個或多個PCR反應腔；優選地，設有多個PCR反應腔；所述的PCR反應腔與定量分流模組的定量腔一一相連。進一步地，所述的PCR反應腔預裝有PCR試劑；或者，可以設一與PCR反應腔一一相連的PCR試劑儲藏腔，用於預裝PCR試劑。

所述的定量分流模組還設有第三壓力差機構，第三壓力差機構與定量腔直接相連或間接相連。當PCR試劑預裝在PCR反應腔時，第三壓力差機構直接與定量腔一一相連，第三壓力差機構直接作用於定量腔，使定量腔的DNA溶液泵入PCR反應腔，與PCR試劑混合；當PCR反應試劑預裝在PCR試劑儲藏腔時，第三壓力差機構經過PCR試劑儲藏腔與定量腔一一相連，第三壓力差機構將PCR試劑儲藏腔的PCR試劑和定量腔的DNA溶液泵入PCR反應腔混合。

本創作的實施例5-6列出了兩種定量分流模組的具體實施方式，其它現有技術中的任意的定量分流模組，只要能與本創作中其他模組或是晶片相配合，能夠實現液體定量分流到各個定量腔，也可以適用於本創作。

作為一種優選的方案，PCR反應腔還可設有透氣口；所述的透氣口可以為自密封膜或閥門等。在本創作優選的實施例中，為自密封膜。自密封膜用作透氣，上游的液體可以自由流動；當它接觸到液體時，膜上的透氣孔被封住，膜不再透氣，上游的液體不能流動。

作為一種優選的方案，本創作的微流控晶片還可以含有廢液儲藏腔，與定量腔相連，用於儲藏液體流通管道中的廢液；更進一步的廢液儲藏腔還可以設有的透氣口，所述的透氣孔為自密封膜或閥門等；在本創作優選的實施例中，該透氣口為自密封膜。

作為優選的方案，在PCR反應模組，可以設有溫控裝置，控制溫度來實現PCR反應。溫控裝置具有升溫和製冷的雙重功能。

作為優選的方案，PCR反應模組進一步地還可以設有螢光檢測裝置；更具體地，螢光激勵光纖和接收光纖通過螢光檢測孔對PCR反應腔中的樣品進行螢光檢測。

本創作微流控晶片系統可以通過以下形式運行：

待測樣品經進樣口進入裂解腔後，與裂解液混合；在裂解腔中，樣品中的細胞被加熱裂解，釋放DNA；然後，在第一壓力差機構的作用下，液體流經過濾裝置，過濾裝置截流住大部分的雜質，DNA溶液通過過濾裝置後進入稀釋腔，與稀釋液混合；稀釋腔中的DNA溶液在第二壓力差機構的作用下，進入微流控系統， 在定量腔中被定量；定量腔中的DNA溶液在第三壓力差機構的作用下，進入PCR反應腔，與PCR試劑混合；最後進行PCR反應和螢光檢測。

本創作上述涉及的第一、第二、第三壓力差機構，可以是獨立的壓力差機構，或者，是全部或部分共用的壓力差機構。所述的壓力差機構為施壓裝置，進一步地，為活塞或者膜片；或者，所述的壓力差機構為負壓裝置，進一步地，為真空泵或可被拉伸的活塞或膜片。當所述的壓力差機構為施壓裝置時，壓力差機構位於需要被作用液體的上游；當所述的壓力差機構為負壓裝置時，則壓力差機構位於需要被作用的液體的下游。

本創作上述提及的模組與模組間，腔體與腔體間，通過液體流通管道相連。

本創作取得的有益效果：

1.自動化：本創作的微流控晶片集DNA自動提取，定量分流和PCR反應於一體，避免了傳統基因檢測中，複雜的前處理或需要依靠大型儀器，極大地簡化了DNA提取步驟，通過一體式的加熱及過濾裝置獲得理想的基因擴增的範本。同時本創作的微流控晶片還實現了DNA範本的自動定量分流。本創作的微流控晶片具有簡單，快速，操作方便的優點。本創作中的所涉及的試劑，均為預裝，無需單獨進行加樣操作。

2.封閉式：本創作的微流控晶片試劑全部預裝，除進樣口，整個系統處於密封狀態，從樣本加入到基因擴增和分析都在封閉體系中完成，即防止樣本受外界污染，也防止基因擴增產物等對環境的污染。

3.高效：本創作的微流控晶片可設置多個定量分流腔和PCR反應腔，可以同時進行多個PCR反應。

1‧‧‧裂解腔

2‧‧‧過濾裝置

3‧‧‧稀釋腔

4‧‧‧第一壓力差機構

5‧‧‧第二壓力差機構

6‧‧‧定量腔

7‧‧‧第三壓力差機構

8‧‧‧PCR反應腔

9‧‧‧透氣孔

10‧‧‧進樣口

11‧‧‧裂解液儲藏腔

12‧‧‧稀釋液儲藏腔

13‧‧‧PCR試劑儲藏腔

14‧‧‧定量板

15‧‧‧廢液儲藏腔

16‧‧‧自密封膜

17‧‧‧定量盤

18‧‧‧第四壓力差機構

19‧‧‧加熱裝置

20‧‧‧第一液體流通管道

21‧‧‧第二液體流通管道

22‧‧‧輔助串聯液體流通管道

23‧‧‧第三液體流通管道

第1圖為一種微流控晶片示意圖。

第2圖為一種微流控晶片示意圖。

第3圖為一種微流控晶片示意圖。

第4A圖為定量分流模組之第一活動狀態示意圖。

第4B圖為定量分流模組之第二活動狀態示意圖。

第5A圖為定量分流模組之第一活動狀態示意圖。

第5B圖為定量分流模組之第二活動狀態示意圖。

第6圖為DNA提取模組示意圖。

以下通過具體的實施例進一步說明本創作的技術方案，具體實施例不代表對本創作保護範圍的限制。其他人根據本創作理念所做出的一些非本質的修改和調整仍屬於本創作的保護範圍。

實施例1 一種微流控晶片

如第1圖所示的微流控晶片，含有DNA提取模組，定量分流模組和PCR反應模組。DNA提取模組含有一裂解腔1，裂解腔1的上方設有一進樣口10，在裂解腔1腔體外，設有加熱裝置19(加熱片、加熱塊或加熱絲)，用於加熱裂解腔1腔體內的液體。在加熱和裂解液的作用下，樣品中的細胞被裂解，釋放DNA。與裂解腔1直接相連有第一壓力差機構4(活塞、膜片等)，可作用於裂解腔1，將裂解腔1中的液體泵入下游。DNA提取模組還 含有一過濾裝置2(過濾膜、過濾片、過濾網、過濾凝膠、或過濾柱)，用於過濾液體中的雜質。過濾裝置2與稀釋腔3相連，被裂解後的DNA溶液經過濾裝置2過濾後進入稀釋腔3，與稀釋液混合。稀釋腔3直接連接有第二壓力差機構5(活塞、膜片等)，用於將稀釋腔3中的DNA溶液泵入定量分流模組中的定量腔6。定量腔6可以設置有一個或者多個，在本實施例中，為四個平行的定量腔6，每個定量腔6設置有一相對應的第三壓力差機構7(活塞或膜片等)。在第三壓力差機構7的作用下，定量腔6中的DNA溶液泵入PCR反應腔8。每個PCR反應腔8連通有一透氣孔9(閥門或自密封膜)。

實施例2 一種微流控晶片

如第2圖所示的微流控晶片，重複實施例1，有以下不同點：

1、裂解腔1與第一壓力差機構4之間還設有一裂解液儲藏腔11，裂解液不預裝在裂解腔1中，而預裝在裂解液儲藏腔11中。第一壓力差機構4先作用於裂解液儲藏腔11，將裂解液泵入裂解腔1，與樣品混合，被加熱，細胞被裂解，然後第一壓力差機構4繼續作用於裂解腔1，將裂解後的樣品泵入下游。

2、稀釋腔3與第二壓力差機構5之間還設有一稀釋液儲藏腔12，稀釋液不預裝在稀釋腔3中，而預裝在稀釋液儲藏腔12中。第二壓力差機構5先作用於稀釋液儲藏腔12，將稀釋液泵入稀釋腔3，與DNA溶液混合。

3、定量腔6與第三壓力差機構7之間還有PCR試劑儲藏腔13，PCR試劑不預裝在PCR反應腔8，而是預裝在PCR試劑儲藏腔13，第三壓力差機構6先作用於PCR試劑儲藏腔13，將PCR試劑泵出，繼續作用，使PCR試劑和DNA溶液進入PCR反應腔8。

實施例3 一種微流控晶片

如第3圖所示的微流控晶片，重複實施例1，有以下不同點：四個定量腔之間採用串聯的關係，最下游的定量腔6連接有一廢液儲藏腔15，廢液儲藏腔15用於儲藏液體流通管道中多餘的液體。廢液儲藏腔15連接有一透氣孔，在此實施例中為自密封膜16。自密封膜16用來透氣，上游的液體可以自由流動；當它接觸到液體時，膜上的透氣孔被封住，膜不再透氣，上游的液體不能流動。

實施例4 晶片的運作範例

將液體樣品注入裂解腔，與裂解腔中的裂解液混合，在裂解腔，樣品中的細胞在裂解液和加熱作用下被裂解，釋放DNA；然後，在第一壓力差機構的作用下，裂解腔中的液體通過過濾裝置，進入稀釋腔。在經過過濾裝置時，樣品凝塊或大部分的蛋白質，細胞膜碎片等被截留，含有DNA的溶液進入稀釋腔；在稀釋腔中，DNA溶液被稀釋液稀釋；繼續在第二壓力差機構的作用下，被稀釋的DNA溶液被泵入定量分流模組中的定量腔；然後，在第三壓力差機構的作用下，被定量的DNA溶液泵入PCR反應腔與PCR反應試劑混合。當被定量的DNA溶液進入PCR反應腔與PCR反應試劑混合並被密封之後，PCR迴圈可通過溫控裝置控制溫度來實現。溫控裝置具有升溫和製冷的雙重功能。螢光激勵光纖和接收光纖通過螢光檢測孔對PCR反應腔中的樣品進行螢光檢測

實施例5 定量分流模組

本實施例的定量分流模組中設有兩個平行的定量腔6，定量腔6設置在一可旋轉的定量盤17上。

第一活動狀態下(第4A圖)，定量腔6與稀釋腔3下游的第一液體流通管道20連通，定量腔中的DNA溶液在共用的第四壓力差機構18(真空泵、可被拉伸的膜片或活塞)的作用下，通過負壓吸入定量腔6，PCR試劑預裝在PCR反應腔8；第二活動狀態下(第4B圖)，定量盤17旋轉90°，定量腔6與PCR腔上游的第二液體流通管道21連通。第三壓力差機構7將定量腔中的DNA溶液泵入PCR反應腔8。

實施例6 定量分流模組

本實施例中的定量腔6設置在一塊可以移動的定量板14上，定量板14上設置有四個定量腔6，四個定量腔6共用一個第三壓力差機構7，PCR試劑預裝在PCR反應腔8。

第一活動狀態下(第5A圖)，定量腔6與輔助串聯液體流通管道22連通，四個定量腔6之間形成串聯的狀態。稀釋腔3中的DNA溶液在第二壓力差機構5的作用下逐個充滿定量腔6，此時串聯的四個定量腔6最下游連接有一廢液儲藏腔15，廢液儲藏腔15連接有一透氣孔，在此實施例中為自封閉膜16，氣體可以自由通過，當自密封膜接觸液體時，自動密封。

第二活動狀態下(第5B圖)，推動定量板14，使定量腔6與PCR反應腔8上游的第三液體流通管道23相連通，此時四個定量腔6之間不相連通；接下來，通過第三壓力差機構7的作用，定量腔6中的DNA溶液泵入PCR反應腔8與預裝在PCR反應腔的PCR試劑混合。

除了上述實施例5-6中的定量分流機構，其他現有技術中的定量分流機構也可用於本創作的基因晶片中，只要與本創作中的其他晶片是可以相配合的，能夠實現液體的微定量。

Claims (11)

1. 一種DNA提取模組，包括有一裂解腔，與該裂解腔相連的一過濾裝置；該裂解腔設置有進樣口和一加熱裝置。
2. 如請求項第1項所述之DNA提取模組，其中該裂解腔為預裝有裂解液的腔體；或者，該DNA提取模組更設有與該裂解腔相連的裂解液儲藏腔，該裂解液儲藏腔預裝有裂解液。
3. 如請求項第2項所述之DNA提取模組，其中該過濾裝置更與一稀釋腔相連；該稀釋腔為預裝有稀釋液的腔體；或者，該DNA提取模組還設有與該稀釋腔相連的稀釋液儲藏腔，該稀釋液儲藏腔預裝有稀釋液。
4. 如請求項第3項所述之DNA提取模組，更包括設有第一壓力差機構和第二壓力差機構；該第一壓力差機構與該裂解腔直接相連；或者，該第一壓力差機構透過該裂解液儲藏腔與該裂解腔相連；該第二壓力差機構與該稀釋腔直接相連；或者，該第二壓力差機構透過該稀釋液儲藏腔與該稀釋腔相連。
5. 如請求項第1項所述之DNA提取模組，其中該加熱裝置選自加熱片、加熱塊或加熱絲，優選地，為加熱片。
6. 如請求項第1項所述之DNA提取模組，其中該過濾裝置選自過濾膜、過濾片、過濾網、過濾凝膠或過濾柱；優選地，為過濾膜。
7. 一種微流控晶片，其係含有請求項4所述之DNA提取模組，進一步地，還含有一定量分流模組和一PCR反應模組，該DNA提取模組係連通該定量分流模組，且該定量分流模組係連通該PCR反應模組； 優選地，該定量分流模組含有與該稀釋腔相連的定量腔；進一步地，該定量腔可以設置為一個或多個；優選地，設置多個該定量腔；更進一步優選地，該定量腔的體積可以相同或者不同；優選地，該定量腔的體積相同；該PCR反應模組設有一個或多個PCR反應腔；優選地，設有多個該PCR反應腔，該PCR反應腔與該定量腔一一相連；優選地，該PCR反應腔為預裝有PCR反應試劑的腔體；該定量分流模組更設有第三壓力差機構，該第三壓力差機構與該定量腔一一相連。
8. 如請求項第7項所述之微流控晶片，其中該第一、第二、第三壓力差機構為各自獨立的壓力差機構，或者，是全部或部分共用的壓力差機構；該壓力差機構為施壓裝置，進一步地，為活塞或者膜片；或者，該壓力差機構為負壓裝置，進一步地，為真空泵、可被拉伸的活塞或膜片。
9. 如請求項第7項所述之微流控晶片，其中該PCR反應腔設有透氣口，該透氣口可以為自密封膜或閥門。
10. 如請求項第7項所述之微流控晶片，其中，該PCR反應模組設置有一溫控裝置；優選地，還設有螢光檢測裝置。
11. 如請求項第7項所述之微流控晶片，其中，該PCR反應模組更設有與該定量腔一一相連的PCR試劑儲藏腔，該PCR試劑儲藏腔預裝有PCR試劑；且該第三壓力差機構透過該PCR試劑儲藏腔與該定量腔一一相連。