CN104232469A - 基于磁珠的样品处理及核酸自动提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于磁珠吸附原理的核酸自动提取系统，包括微流控芯片及微型电机驱动装置。微流控芯片包括：一层盖片、两层底片及两层结构片。芯片可以自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等操作过程，最终得到核酸样品。芯片基于虹吸原理，或微流体表面张力特性，设计了无需外界驱动力的从动式驱动泵，实现了检测样品、反应试剂、反应废液的流动与转移。在微型振动电机的混合强化下，通过外部磁铁提供的周期性交变磁场和恒定磁场，实现了反应腔中，磁珠与反应样品、反应试剂之间的有效混合，以及废液排除过程中磁珠的固定。芯片与一个全自动、微型电机驱动装置相配合，自动完成多个反应步骤，为基因扩增反应提供高纯度的核酸样品模板。

Description

基于磁珠的样品处理及核酸自动提取系统

技术领域

本发明涉及微流控生物芯片技术领域，可以自动完成样品处理及核酸提取过程。本发明基于磁珠对核酸的吸附作用，通过微流控芯片及其配套驱动装置之间的相互配合，自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个反应步骤，得到适合基因扩增反应的核酸模板。芯片基于虹吸原理，或微流体表面张力特性，设计了无需外界驱动力的从动式驱动泵，实现了检测样品、反应试剂、反应废液的流动与转移。通过驱动装置对外部磁铁的周期性运动控制，产生并提供周期性外部交变磁场，以及对微型振动电机的驱动，实现了芯片反应腔中，磁珠与反应样品、反应试剂之间的有效混合，以及废液排除过程中磁珠的固定。本发明技术对原始样品，如血液、唾液进行自动处理，得到高纯度核酸模块，用于后续的基因扩增反应，如PCR扩增，或等温LAMP扩增，实现疾病诊断、基因测序、食品检测、动植物检测等多种功能。

背景技术

自20世纪90年代初，Manz等人提出微全分析系统(μ-TAS)的概念以来，微全分析研究引起了人们广泛的兴趣，微流控芯片(Microfluidics)，或芯片实验室(Lab on a Chip)正发展成为当今最为前沿、热点的科学研究领域之一，该技术指的是在一块几平方厘米甚至更小的芯片上构建的化学或生物反应器。微流控芯片技术可以把化学或生物等领域中所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元移植到在一块很小的芯片上，或者将多个功能模块集成到一个统一芯片上，将可控流体贯穿整个芯片的微通道网络，构建生物、化学微反应器或微系统。其基本特征是多种模块技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。这种芯片集成的直接好处包括：通过自动化、流水式的工作模式，大幅度缩短样品处理时间，提高反应效率，简化操作流程，提高检测效率，降低出错概率，提高检测分辨率/灵敏度，降低反应试剂和样品消耗、及检测成本。

作为最基本的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两种。由于核酸基因信息的唯一性，基于核酸检测原理的分子诊断技术是迄今为止，灵敏度最高、特异性最好的检测手段，在生命科学、医学检验中，占据了极其重要的位置。原始样品，如血液、唾液中，存在的病毒颗粒往往不能够被直接检测，需要对其进行处理，得到高纯度的核酸模板，再由后续的基因扩增反应来实现检测。样品处理与核酸提取过程，包括了数个复杂的生物反应步骤，往往需要通过手工来完成，检测效率较低，而且容易出错。因此，研究自动化的样品处理与核酸提取方法，对于提高核酸诊断的效率与准确性，具有重要的现实意义。由于在样品处理方面的突出优势，基于微流控芯片的核酸自动提取技术日益为人们所重视。微流控芯片通过其集成的多个微反应器，以及由微阀、微泵、微通道构成的可控性微流体网络，为样品处理及核酸自动提取所涉及的样品流动、样品混合、核酸纯化、废液移除等多个步骤提供了一个理想平台。通过微流控芯片的自动化操作，实现样品处理与核酸提取的自动化，可以为构建集样品处理、基因扩增及检测于一体的全自动核酸诊断集成系统打下扎实的基础。

发明内容

本发明目的在于设计一种用于样品处理与核酸自动提取的系统，包括微流控芯片及其微型电机驱动装置。该系统可以对原始样品，如血液、唾液中的病毒颗粒进行裂解，纯化核酸，最后洗脱得到高纯度的核酸，为后续基因扩增反应，如PCR、或等温LAMP扩增，提供核酸样品模板。

本发明设计了一种基于磁珠吸附原理的核酸自动提取系统，包括微流控芯片及其微型电机驱动装置。

微流控芯片包括：一层盖片、上层结构片，第一底片，下层结构片，第二底片。盖片设有通孔，即第一反应腔；上层结构片包括通孔，即第二反应腔；第一反应腔和第二反应腔大小相同且相连通，两者构成了芯片反应器的反应腔，第二反应腔通过微通道与下层结构片的连接孔互连；下层结构片包括内部废液腔、连接废液腔与上层结构片的连接孔，以及连接废液腔与外界的气孔；第一底片封闭上层结构片中第二反应腔的底部，使其与第一反应腔一起构成一个半封闭式的芯片反应器，其截面形状可以是圆形，也可以是方形；第二底片封闭下层结构片中废液腔的底部，使其成为一个全封闭的废液存储结构，防止废液泄漏污染。

微型电机驱动装置包括：微型步进电机、微型振动电机、振动电机支架、触控开关、微型磁铁、Y形摆臂、芯片定位座、电机座、控制器及显示模块等。芯片定位座是驱动装置与芯片之间的接口，为一个方形凹槽，工作时，芯片下层结构片及第二底片半嵌入芯片定位座的凹槽，实现芯片与驱动装置之间的相互定位与固定。

微流控芯片中，盖片、底片及结构片的材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或是其它聚合物材料。

微流控芯片中，盖片、底片及结构片，既可以采用有机溶剂、或热粘接实现化学粘接，也可以采用压敏双面胶实现物理粘接。

微流控芯片中，基于不同的无泵式流体驱动原理，上层结构片中连接芯片反应器与废液腔的微通道既可以是一个连通器型水坝通道，也可以是一个简单结构通道。

其中，基于虹吸原理的从动式驱动方式中，连通器型水坝通道，为一个倒U形通道，其水平通道液面高度应低于反应腔高度，通过控制调节水平通道液面高度与反应腔实际液面高度之间的关系来实现反应试剂的流动控制。具体工作原理如下：当反应腔液面高度低于倒U形通道的水平液面高度时，基于连通器工作原理，反应样品或反应试剂被封闭在反应腔中，进行与样品处理及核酸提取相关的混合反应；当反应结束后，给反应腔加入一定体积的反应试剂，使得其液面高度高于倒U形通道的水平液面高度时，基于连通器、及虹吸效应工作原理，反应样品或反应试剂从反应腔中连续流出，经U形通道后，流入废液腔。由此，实现了无需外界驱动泵的从动式流体驱动。

其中，基于微流体表面张力效应的从动式驱动方式中，简单结构通道为一个水平通道，通过开启/关闭该水平通道下游废液腔的气孔，实现反应腔中反应试剂的流动控制。具体工作原理如下：往反应腔中注入反应试剂以前，关闭废液腔的气孔。反应试剂注入反应腔后，当微流体表面张力(反应腔中的表面张力、微尺度水平通道的表面张力)，及下游封闭空气产生的阻力，两者的共同作用大于反应试剂的流动驱动力，如重力时，反应试剂停留在反应腔中；反应结束后，开启废液腔的气孔，由于微流体表面张力单独无法对抗反应试剂的重力作用，反应试剂从反应腔中连续流出，经水平通道后，流入废液腔。由此，实现了无需外界驱动泵的从动式流体驱动。

微流控芯片上集成了一个与外界相通的开放式反应腔，允许通过手工、或由自动加样针、或由芯片自身的试剂存储模块，加入反应样品或反应试剂，实现半/全自动，开发式或封闭式的加样与检测。

微流控芯片中，通过外部磁铁对反应腔内的磁珠实施周期性的往复运动控制，即可实现磁珠与反应样品、反应试剂之间的高效混合，又可在废液排除过程中固定磁珠。具体工作原理如下：驱动装置Y形摆臂固定在微型步进电机轴上，在Y形摆臂的左右子臂上，不同高度位置，各固定一个微型磁铁，步进电机转动时，带动Y形摆臂围绕微流控芯片的反应器进行旋转，使得两个微型磁铁轮流靠近芯片反应器的前后两侧，并停留一定时间，产生提供交变磁场，分时吸附反应腔内的磁珠，使其在某个时刻往反应腔前侧运动，下个时刻往反应腔后侧运动，如此周期往复，实现了磁珠在反应器内的周期性往复运动，并由此实现磁珠与反应样品、反应试剂之间的有效混合，其中，用来吸附磁珠的两个磁铁被配置在两个高度不同的位置，有利于强化垂直方向上的混合效果，另外，通过一个与芯片底部相贴合的微型振动电机来振动反应腔，起到强化混合效果的作用。每步反应结束后，在废液自芯片反应器的排出过程中，其中一个磁铁靠近芯片反应器，通过外界磁场来吸附固定磁珠，防止磁珠流失。

微流控芯片上集成了一个与外界相连通的废液腔，通过一个微气孔与外界大气环境相连。废液腔用来存储、封闭检测过程中产生的各类废液，避免检测污染。废液腔形状可以为方形或者圆形，内部可以放置吸水纸来防止废液流出。

微型电机驱动装置中，微型步进电机及微型振动电机的运动受控于一个基于微处理器的控制器。其中，触控开关用来在Y形摆臂的子臂运动到芯片反应器的前侧或者后侧时，提供位置检测信号给微控制器，使其停止电机转动，让Y形摆臂上的微型磁铁停留在芯片反应器附近，等待一定时间，通过提供交变磁场，实现磁珠在芯片反应器中，两个相对方向上的轮流定向运动，由此实现了磁珠与反应样品、反应试剂之间的有效混合，同时通过一个与芯片底部相贴合的微型振动电机来振动反应腔，起到强化混合的作用。通过驱动装置的触控屏操作界面，可以设定微型步进电机的转动周期，即混合次数，微型磁铁在反应腔侧面的停留时间，即允许的磁珠运动时间，以及微型振动电机的工作电压与时间，由此，获取最佳的混合效果。每步反应结束后，反应废液从反应腔排出以前，控制Y形摆臂，让某个子臂靠近反应腔的侧面，由微型磁铁吸附固定磁珠，防止废液排除过程中，磁珠从反应腔中流失。因此，核酸自动提取系统中，基于程序化的运动控制，通过外部磁铁提供的周期性交变磁场和恒定磁场，一方面帮助实现了磁珠与反应试剂之间的有效混合，另一方面实现了对磁珠的吸附固定。

本发明的有益效果：本发明设计了一种基于磁珠吸附原理的样品处理及核酸自动提取系统，基于磁珠对核酸的吸附作用，通过微流控芯片及其配套驱动装置之间的相互配合，自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等多个反应步骤，得到适合基因扩增反应的核酸模板。

本发明提出了两种从动式流体驱动方法，其中一个基于虹吸作用，另外一个基于微流体的表面张力特性，在微流控芯片上，实现了样品处理及核酸自动提取过程中，反应废液的自动移除，使系统在无外界驱动泵的条件下工作，简化了操作过程，降低了系统复杂度。

基于虹吸原理的从动式驱动方式中，一个倒U形通道连接了反应腔与废液腔，其水平通道液面高度应低于反应腔高度，通过控制调节水平通道液面高度与反应腔内实际液面高度之间的关系来实现反应试剂的流动控制。具体工作原理如下：当反应腔液面高度低于倒U形通道的水平液面高度时，基于连通器工作原理，反应样品或反应试剂被封闭在反应腔中，与磁珠一起，进行与样品处理及核酸提取相关的混合反应；当反应结束后，给反应腔加入一定体积的反应试剂，使得其液面高度高于倒U形通道的水平液面高度时，基于连通器、虹吸效应工作原理，反应样品或反应试剂从反应腔中连续流出，经U形通道后，流入废液腔。由于废液腔入口处低于反应腔底面，反应腔液面与废液腔入口处之间的液位差产生的液体压强，会驱动反应腔内的反应试剂不断流入废液腔，直至流完为止。由此，实现了无需外界驱动泵的从动式流体驱动。

基于微流体表面张力效应的从动式驱动方式中，一个水平通道连接了反应腔与废液腔，通过开启/关闭该水平通道下游废液腔的气孔，实现反应腔中反应试剂的流动控制。具体工作原理如下：往反应腔中注入反应试剂以前，关闭废液腔的气孔。反应试剂注入反应腔后，当微流体表面张力(反应腔中的表面张力、微尺度水平通道的表面张力)，及下游封闭空气产生的阻力，两者的共同作用大于反应试剂的流动驱动力，如重力时，反应试剂停留在反应腔中；反应结束后，开启废液腔的气孔，由于微流体表面张力单独无法对抗反应试剂的重力作用，反应腔与废液腔之间的液位差产生的压强驱动反应腔内的反应试剂连续流出，经水平通道后，流入废液腔。由此，实现了无需外界驱动泵的从动式流体驱动。

微流控芯片上集成了一个与外界相通的开放式反应腔，允许通过手工、或由自动加样针、或由芯片自身的试剂存储模块，加入反应样品或反应试剂，实现半/全自动、开放式或封闭式的加样与检测。

驱动装置中的微型电机带动外部磁铁作程序化的周期运动控制，通过提供一种交变的、周期性外部磁场，实现了磁珠在反应腔内，周期性双向运动，另外，通过一个与芯片底部相贴合的微型振动电机来振动反应腔，起到强化混合效果的作用，由此实现磁珠与反应样品、反应试剂之间的高效混合。每步反应结束后，由外部磁铁在废液排除过程中固定磁珠，防止磁珠流失。具体工作原理如下：在微型驱动装置Y形摆臂的左右子臂上，不同高度位置，各固定一个微型磁铁，在步进电机驱动下，让两个微型磁铁轮流靠近芯片反应器的前后两侧，提供了一个围绕芯片反应器的交变磁场，分时吸附反应腔内的磁珠，使其在某个时刻往反应腔前侧运动，下个时刻往反应腔后侧运动，如此周期往复，实现磁珠与反应样品、反应试剂之间的有效混合，其中，用来吸附磁珠的两个磁铁被配置在两个高度不同的位置，有利于强化垂直方向上的混合效果，同时，贴合在芯片底部的微型振动电机对反应腔施加持续的振动作用来加强混合效果。每步反应结束后，在废液自芯片反应器的排出过程中，其中一个磁铁靠近芯片反应器，通过外界磁场来吸附固定磁珠，防止磁珠流失。

附图说明

图1：为本发明核酸自动提取系统装置结构示意图。

图2：为本发明核酸自动提取系统的微型电机驱动装置示意图。

图3：为本发明核酸自动提取微流控芯片示意图。

图4：为本发明基于虹吸原理的核酸自动提取微流控芯片示意图。

图5：为本发明基于微流体表面张力特性的核酸自动提取微流控芯片示意图。

图6：为本发明基于虹吸作用的反应废液自动移除原理示意图。

图7：为本发明基于微流体表面张力特性反应废液自动移除原理示意图。

图8：为本发明核酸自动提取系统中磁珠混合过程的原理示意图。

图9：为本发明带有试剂存储模块的微流控芯片结构示意图。

本发明摘要附图为图1。

附图标记说明:

上层结构片—a       下层结构片—b       盖片—c

底片—d             底片—e             步进电机—f

电机座—g           Y形摆臂—h          微型磁铁—i

微型磁铁—j         芯片底座—k         触控开关—m

触控开关—n         微型振动电机—p     振动电机支架—q

样品反应腔—1       样品反应腔—2       流通通道—3

流通通道—4         通孔—5             通孔—6

通孔—7             气孔—8             废液腔—9

流通通道—10        软塞—11            存储模块—12

软膜—13            存储腔—14          上层结构片—15

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，通过结合附图对各组成部分的详细说明将会更好地描述实现本发明。应该指出，所描述的实施例仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

图1展示了核酸自动提取系统的装配结构示意图，包括微流控芯片及其配套的微型电机驱动装置。

图2为微型电机驱动装置的示意图，由步进电机f、电机座g、微型振动电机p、振动电机支架q、Y形摆臂h、微型磁铁i、微型磁铁j、触控开关m、触控开关n及芯片底座k组成。其中，底座k用于定位放置微流控芯片，触控开关m、触控开关n依据触控点向外的方式固定在底座k上，电机座g固定在底座k上，步进电机f固定在电机座g上，Y形摆臂h上具有一个圆形的固定孔，Y形摆臂通过该固定孔与步进电机f的旋转轴相固定，通过控制步进电机f的运动，带动Y形摆臂h转动。Y形摆臂h的两个子臂上各有一个圆形凹槽，微型磁铁i、j分别嵌入固定在这两个圆形凹槽内，微型振动电机p通过振动电机支架q固定在电机座g上。因此，通过控制、切换电机的转动方向，带动Y形摆臂上的微型磁铁在芯片反应腔的两侧作周期性运动，通过磁铁对反应磁珠提供的交变磁场，带动磁珠在反应腔内作周期性往复运动，同时，通过对微型振动电机进行实时驱动，从而实现磁珠与反应试剂之间的有效混合，具体实施方式与图解见图8。

图3为微流控芯片组合结构图，芯片各结构的组合、标注，如图4、图5所示。

图4所示为具有倒U形通道，即利用虹吸原理实现反应废液自动排除的微流控芯片示意图。图4A为芯片结构示意图，芯片由上层结构片a、下层结构片b、盖片c、底片d(第一底片)和底片e(第二底片)组成。图4B为上层结构片a的底面示意图，如图4A与图4B所示，上层结构片上具有样品反应腔2、流通通道3、流通通道4、通孔5及通孔6，其中，流通通道3、通孔5及通孔6组成倒U形通道。图4C为下层结构片b的底面示意图，如图4A与图4C所示，下层结构片上具有通孔7、气孔8及废液腔9，其中，通孔7为连接孔。如图4A所示，盖片c上具有一个样品反应腔1(第一反应腔)，样品反应腔1与上层结构片a上的样品反应腔2(第二反应腔)具有相同的截面形状及尺寸，盖片c处于上层结构片a的上方，两者样品反应腔进行对接，构成芯片的样品反应腔。底片d及底片e上均不具有任何结构。底片d处于上层结构片a的底面，同时位于样品反应腔2的正下方，即作为样品反应腔的底面，底片d的尺寸应该大于样品反应腔的截面积，能够完全封闭样品反应腔的底面。底片e处于下层结构片b的底面，作为废液腔9的底面。上层结构片a处于下层结构片b的上方，两层结构片对接时，上层结构片a的通孔6与下层结构片b的通孔7实现相互对接，使得样品反应腔2通过流通通道4、通孔5、流通通道3、通孔6(上层结构片)及通孔7(下层结构片)与废液腔9相互连接。

图5所示为基于微流体表面张力特性实现反应废液自动排除的微流控芯片示意图。图5A为芯片结构示意图，芯片由上层结构片a、下层结构片b、盖片c、底片d(第一底片)和底片e(第二底片)组成。图5B为上层结构片a的底面示意图，如图5A与图5B所示，上层结构片上具有样品反应腔2及流通通道10。图5C为下层结构片b的底面示意图，如图5A与图5C所示，下层结构片上具有通孔7、气孔8及废液腔9，其中，通孔7为连接孔。如图5A所示，盖片c上具有一个样品反应腔1(第一反应腔)，样品反应腔1与上层结构片a上的样品反应腔2(第二反应腔)具有相同的截面形状及尺寸，以方便对接，盖片c处于上层结构片a的上方，两者的样品反应腔进行对接，构成芯片的样品反应腔。这种工作模式下，微流控芯片可以包括或不包括盖片c。底片d及底片e上均不具有任何结构。底片d处于上层结构片a的底面，处于样品反应腔2的正下方，即作为样品反应腔的底面。底片e处于下层结构片b的底面，作为废液腔9的底面。上层结构片a处于下层结构片b的上方，两层结构片对接时，上层结构片a的流通通道10的末端与下层结构片b的通孔7完成对接，使得样品反应腔2通过流通通道10、及通孔7与废液腔9相连。

图6为本发明基于虹吸作用，实现无外界驱动泵的反应试剂驱动方式的工作原理示意图。如图6所示，样品反应腔1经由一个包括水平微沟道3、4和通孔的倒U形通道，连接至废液腔9。注入反应试剂后，由于反应腔内的液位高度低于倒U形通道的水平微沟道3的高度，试剂会停留在反应腔内进行反应，如图6所示。当反应完成后，注入反应试剂，使得样品反应腔的液面高度高于倒U形通道的水平微沟道3的高度，整个流通通道充满试剂，如图6所示，基于虹吸原理，由于废液腔入口处低于反应腔底面，反应腔液面与废液腔入口处之间的液位差产生的液体压强，会驱动反应腔内的反应试剂不断流入废液腔，直至流完为止，同时废液腔内的空气由气孔8排出，实现无外部驱动泵的反应试剂自动移除。

图7为本发明基于微流体表面张力特性，实现无外界驱动泵的反应试剂驱动方式的工作原理示意图。如图7所示，在向样品反应腔1注入试剂之前，先用软塞11关闭废液腔9的气孔8，此时的软塞充当阀的作用，也可用其它能够达到同样效果的方法来代替。反应试剂注入反应腔后，此时，当微流体表面张力(反应腔中的表面张力、微尺度水平通道的表面张力)，及下游封闭空气产生的阻力，两者的共同作用大于反应试剂的流动驱动力，如重力时，反应试剂停留在反应腔中；反应结束后，移除软塞，开启废液腔的气孔，由于微流体表面张力单独无法对抗反应试剂的重力作用，反应腔与废液腔之间的液位差产生的压强驱动反应腔内的反应试剂连续流出，经水平通道10后，流入废液腔，直至流完为止，同时废液腔内的空气由气孔8排出，如图7所示。

图8为本发明磁珠混合及磁珠固定工作原理示意图。如图8所示，Y形摆臂的两个子臂上分别具有一个圆形凹槽，凹槽内嵌入固定一个微型磁铁，Y形摆臂固定在步进电机的转动轴上。通过微型电机驱动装置控制步进电机转动来带动Y形摆臂上的微型磁铁运动，通过切换电机转动方向，使得Y形摆臂交替停留在图8所示的(a)、(d)位置，即使得两个微型磁铁交替靠近芯片的盖片与上层结构片的两侧，提供外部交变磁场，吸引盖片与上层结构片的样品反应腔内的磁珠，实现周期性往复运动，达到混合磁珠与反应试剂的目的，另外，通过一个与芯片底部相贴合的微型振动电机来振动反应腔，起到强化混合效果的作用。通过设定微型电机驱动装置中Y形摆臂的往复摆动周期数与在芯片一侧停留的时间，以及微型振动电机的工作电压与时间，可以优化混合效果。Y形摆臂在运动过程中，当子臂碰到触控开关的触点时，即到达图8中的(d)、(h)位置时，会产生一个位置检测中断信号，微型电机驱动装置由此判断Y形摆臂所处的位置，实现子臂及微型磁铁的定位控制。单步反应结束后，让Y形摆臂处于如图8中(d)所示位置后，让反应废液从反应腔中自动排除，此时，靠近反应腔侧面的微型磁铁会吸附固定磁珠，防止磁珠的流失。

图9为本发明带有试剂存储模块的微流控芯片结构示意图。存储模块12的结构片上具有四个凹半球形的存储腔14，每个存储腔上方具有一个凸半球形的软膜13，凹凸半球之间形成的封闭空间用于存储反应试剂。每个存储腔底面具有一个连接孔16，用于灌入或者导出反应试剂。芯片组装时，存储腔底面的连接孔16与上层结构片15上对应的连接孔17相互对接，经过上层结构片15上的微通道与连接孔，最终，将存储腔与样品反应腔相连，为实现反应试剂的导出提供了微流体通路。

实施例1

一种基于磁珠吸附原理的核酸自动提取系统，可以自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等操作过程，最终得到适合基因扩增反应的核酸样品模板。其生物反应原理如下：通过裂解液裂解反应样品中的病毒颗粒，同时由磁珠吸附细胞裂解后释放出的核酸，再利用各种洗液，将样品中的各类生物杂质，如细胞壁等各类蛋白去除，纯化核酸，最后，用洗脱液将核酸从磁珠上分离出来，获得高纯度的核酸模板。在芯片内设计倒U形的连通器型水坝通道，将反应腔与废液腔相连，基于虹吸原理，实现每步反应后，反应废液的自动排除。

如图4所示，该微流控芯片的尺寸为65mm×14mm×14mm(长×宽×高)。芯片材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或是其它聚合物材料。样品反应腔的直径为10mm，流通通道的宽度与高度、通孔5、6、7的直径皆为1mm，气孔8的直径为2mm。芯片由上层结构片a、下层结构片b、盖片c、底片d和底片e组成。上层结构片上具有样品反应腔2、流通通道3、流通通道4、通孔5及通孔6，下层结构片上具有通孔7、气孔8及废液腔9，其中，通孔7为连接孔。盖片c上具有一个样品反应腔1。盖片c用于封闭上层结构片上的通道，提高样品反应腔的高度，促使虹吸现象产生。

微流控芯片制备过程如下：(1)利用数控铣床将各结构片、盖片加工为相应的形状。(2)底片为厚度0.1mm的薄片，可以直接裁剪。(3)结构片、盖片及底片在清理、清洗之后，按照如图4A所示结构组成进行粘接。(4)盖片、底片及结构片之间的粘合，既可以采用有机溶剂、或热粘接实现化学粘接，也可以采用压敏双面胶实现物理粘接。

核酸提取过程中，将检测样品、裂解液及磁珠注入到盖片与上层结构片的样品反应腔内。磁珠的周期性往复运动次数，如1-1000次，以及磁铁在芯片反应腔侧面的停留时间，如1-100秒，微型振动电机的工作电压，如3-5V，工作时间1-1000秒，均可以通过驱动装置的触控屏操作界面来进行设置，整个驱动装置受控于一个基于微处理器的控制器。启动驱动装置，由步进电机与微型振动电机的程序化运动控制来实现磁珠与检测样品、反应试剂之间的高效混合，提高磁珠对核酸的捕获效率，改善检测灵敏度。细胞裂解反应完成后，注入一定量的反应试剂，使得样品反应腔的实际液面高度超出倒U形通道的水平通道高度，基于虹吸原理，反应废液会从反应腔中自动排除，并流至废液腔。然后，再往反应腔中，依次加入多步清洗试剂，以及最后的核酸洗脱试剂，重复上述操作步骤，逐步完成核酸自动提取的反应过程，最终得到适合基因扩增反应的高纯度核酸模板。

实施例2

一种基于磁珠吸附原理的核酸自动提取系统，可以自动完成细胞裂解、核酸纯化及核酸洗脱等操作过程，最终得到适合基因扩增反应的核酸样品模板。在一种全自动、封闭加样工作模式下，微流控芯片上集成了一个反应试剂存储模块，反应过程中，根据核酸提取反应的操作步骤，将各个反应试剂逐步注入反应腔，实现了基于集成微流控芯片的全自动核酸提取。其生物反应原理如下：通过裂解液裂解反应样品中的病毒颗粒，同时由磁珠吸附细胞裂解后释放出的核酸，再利用各种洗液，将样品中的各类生物杂质，如细胞壁等各类蛋白去除，纯化核酸，最后，用洗脱液将核酸从磁珠上分离出来，获得高纯度的核酸模板。芯片试剂储存模块上包括凹半球形的存储腔，其上方为凸半球形的软膜。凹凸半球形成了一个封闭式空间，用于存储反应试剂。反应试剂平时被完全封闭在存储模块中，反应前，通过反应试剂存储模块与微流控芯片之间的快速连接，建立反应试剂存储腔到芯片反应腔之间的流体通道。通过外界作用力，如借助微型直线电机，驱动存储腔上方的软膜，可以实现反应试剂的释放与注入。往反应腔中自动注入反应试剂以前，用一个软塞关闭废液腔的气孔。反应试剂注入反应腔后，当微流体表面张力(反应腔中的表面张力、微尺度水平通道的表面张力)，及下游封闭空气产生的阻力，两者的共同作用大于反应试剂的流动驱动力，如重力时，反应试剂停留在反应腔中；反应结束后，移动软塞，开启废液腔的气孔，由于微流体表面张力单独无法对抗反应试剂的重力作用，反应腔与废液腔之间的液位差产生的压强驱动反应腔内的反应试剂连续流出，经水平通道后，流入废液腔。由此，实现了无需外界驱动泵的从动式流体驱动。

如图9所示，该微流控芯片尺寸为65mm×51mm×14mm(长×宽×高)，包括结构片、盖片、底片及连接片，芯片材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或是其它聚合物材料。存储模块12的结构片上具有四个凹半球形的存储腔14，每个存储腔上方具有一个凸半球形的软膜13，凹凸半球之间形成的封闭空间用于存储反应试剂。每个存储腔底面具有一个连接孔16，用于灌入或者导出反应试剂。上层结构片15上具有连接孔17。存储腔底面的连接孔16与上层结构片15上对应的连接孔17相互对接，经过上层结构片15上的微通道与连接孔，最终，将存储腔与样品反应腔相连，为实现反应试剂的导出提供了微流体通路。样品反应腔通过微通道，再由下层结构片b上的连接孔与下层结构片b上的废液腔相连。

微流控芯片制备过程如下：(1)利用数控铣床将各结构片、盖片加工为相应的形状。(2)盖片、底片及连接片为厚度0.1mm的薄片，可以直接裁剪。(3)结构片、盖片、连接片及底片在清理、清洗之后，按照如图9所示结构进行粘接。(4)盖片、底片、连接片及结构片之间的粘合，既可以采用有机溶剂、或热粘接实现化学粘接，也可以采用压敏双面胶实现物理粘接。

核酸提取过程中，首先，通过微型电机驱动装置控制一个微型直线电机关闭微流控芯片的气孔，然后将检测样品手工加入到样品反应腔内，此时，磁珠已经通过干燥保存方法存储在样品反应腔中，再通过驱动装置，将裂解试剂从存储腔释放到反应腔，设定磁珠混合的次数、磁铁停留时间、微型振动电机工作电压与工作时间参数，由步进电机与微型振动电机的程序化运动控制实现磁珠与检测样品、反应试剂之间的高效混合，提高磁珠对核酸的捕获效率，改善检测灵敏度。裂解反应完成后，控制微型直线电机开启微流控芯片的气孔，反应废液会自动由反应腔移除至废液腔。按照上述步骤，由微型直线电机关闭芯片气孔，并依次控制相应的微型直线电机，逐步释放各个洗液、以及最后的核酸洗脱液，重复混合反应及废液移除过程，逐步完成各步反应，最终得到适合基因扩增反应的高纯度核酸模板。

上述附图及具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。如样品反应腔的形状、尺寸，各类功能性及连接性沟道、通孔、连接孔的形状、尺寸等。

Claims (10)

1.一种基于磁珠吸附原理的核酸自动提取系统，其特征在于，包括：微流控芯片及配套的微型电机驱动装置，通过驱动装置与微流控芯片之间的相互配合，实现从动式无外界驱动泵的核酸自动提取。

2.如权利要求1所述核酸自动提取系统，其特征在于：微流控芯片的结构包括：一层盖片、上层结构片，第一底片，下层结构片，第二底片；

盖片设有通孔，即第一反应腔；

上层结构片包括通孔，即第二反应腔；第一反应腔和第二反应腔大小相同且相连通，两者构成了芯片反应器的反应腔，第二反应腔通过微通道与下层结构片的连接孔互连；

下层结构片包括废液腔、连接废液腔与上层结构片的连接孔，以及连接废液腔与外界的气孔；

第一底片封闭上层结构片中第二反应腔的底部，使其与第一反应腔一起构成一个半封闭式的芯片反应器，所述半封闭式是因为第一底片仅仅封闭上层结构片中第二反应腔的底部；

第二底片封闭下层结构片中废液腔的底部，使其成为一个全封闭的废液存储结构。

3.如权利要求1所述核酸自动提取系统，其特征在于：微型电机驱动装置包括：微型步进电机、微型振动电机、振动电机支架、触控开关、微型磁铁、Y形摆臂、芯片定位座、电机座、控制器及显示模块；

芯片定位座是驱动装置与芯片之间的接口，为一个方形凹槽，工作时，芯片下层结构片及第二底片半嵌入芯片定位座的凹槽，实现芯片与驱动装置之间的相互定位与固定。

4.如权利要求1或2所述的核酸自动提取系统，其特征在于：其中的微流控芯片，上层结构片中连接芯片反应器与废液腔的微通道是一个连通器型水坝通道，或者是一个简单结构通道。

5.如权利要求1或2所述的核酸自动提取系统，其特征在于：微流控芯片上集成了一个与外界相通的开放式反应器，允许手工、或由自动加样针、或由芯片自身的试剂存储模块，加入反应样品或反应试剂，实现半/全自动、开放式或封闭式的加样与检测。

6.如权利要求1或2所述的核酸自动提取系统，其特征在于：所述盖片、底片及结构片，采用有机溶剂、或热粘接实现化学粘接，或者采用压敏双面胶实现物理粘接。

7.如权利要求1或3所述核酸自动提取系统，其特征在于：微型电机驱动装置中，所述Y形摆臂的左右子臂上各固定一个微型磁铁，在步进电机驱动下，让两个微型磁铁轮流靠近芯片反应器的前后两侧，产生交变磁场，轮流吸附反应腔内的磁珠，使其在某个时刻往反应腔前侧运动，下个时刻往反应腔后侧运动，如此周期往复，实现磁珠与反应样品、反应试剂之间的混合，另外，在芯片底部有一个相贴合的微型振动电机，通过振动反应腔来强化混合效果；微型振动电机的工作电压与时间，磁珠的周期性往复运动次数，以及磁铁在芯片反应器侧面的停留时间均能设置。

8.如权利要求4所述核酸自动提取系统，其特征在于：所述连通器型水坝通道，为一个倒U形通道，其水平通道液面高度应低于反应腔高度，通过控制调节水平通道液面高度与反应腔实际液面高度之间的关系来实现从动式反应试剂的流动控制。

9.如权利要求4所述核酸自动提取系统，其特征在于：所述简单结构通道，为一个水平通道，通过开启/关闭该水平通道下游废液腔的气孔，实现从动式反应试剂的流动控制。

10.如权利要求1或2所述核酸自动提取系统中的微流控芯片，其特征在于：所述废液腔位于芯片的下层结构片上，通过一个微气孔与大气环境相连，内部放置吸水纸来防止废液流出，避免检测污染。