CN113617400A - 离心式微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心式微流控芯片,该检测芯片具有旋转中心,且该检测芯片包括至少一个可独立进行检测的检测单元,所述检测单元包括用于提供反应空间的混合培育槽,所述检测芯片的外部的下方固定设置有弹簧,所述弹簧的自由端连接有磁铁;所述检测芯片不旋转时,所述磁铁处于工作区域之外;所述检测芯片绕所述旋转中心以一定速度旋转时,磁铁完全覆盖工作区域。本发明通过设计移动式磁场对混合培育槽内的磁性颗粒进行操作,在冲洗过程中,对混合培育槽内的磁性颗粒产生吸引作用,使磁性颗粒能保持在混合培育槽内不被冲走;本发明将固体试剂和液体试剂预封在芯片中,仅需一次性注入样本,即可自动完成复杂的加样及反应步骤。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域,特别涉及一种离心式微流控芯片。
背景技术
为了简化传统检测步骤存在冗长且繁杂的缺陷,常结合微流控芯片技术进行检测(如:生化检测、免疫检测、分子检测等)。然而,微流控检测芯片仍有许多难点无法攻克,(一)、加样步骤繁杂(检测流程常需进行多次加样步骤,如:样本、质控品/校准品、稀释液、清洗液、多种试剂等。(二)、现有技术中常将需参与反应的抗体/抗原连接在磁性颗粒表面,以在反应槽内与样本进行反应,而在清洗步骤时,为了避免磁性颗粒被冲刷出反应槽通常采用的方案为:通过磁场发生设备,在反应槽区域产生磁场,在清洗阶段控制磁场加入导反应槽,以通过磁力使磁性颗粒保留在反应槽中,而在其他阶段,如混合阶段,则需控制撤去磁场。该方案存在的缺点有:需要增加控制磁场有无的步骤,增加了反应过程的控制操作;由于需要控制磁场加入或撤去,通常或者是采用移动机构控制磁场进行移动或是采用电控的磁场发生设备,这样会导致设备复杂性和成本上升。
所以如何设计微流控芯片的结构,至少解决上述之一问题,以将传统的冗长、繁杂的检测方案整合成简单、快速、适用工业化量产的检测方案是一项重要的课题。
发明内容
为了解决上述至少之一的技术问题,本发明提供一种离心式微流控芯片。
本发明采用的技术方案是:一种离心式微流控芯片,该检测芯片具有旋转中心,且该检测芯片包括至少一个可独立进行检测的检测单元,所述检测单元包括用于提供反应空间的混合培育槽,所述检测芯片的外部的下方固定设置有弹簧,所述弹簧的自由端连接有磁铁;
其中,所述检测芯片不旋转时,所述磁铁与所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影无重合区域;所述检测芯片绕所述旋转中心以一定速度旋转时,磁铁因离心作用而使所述弹簧的自由端压缩或伸长,使所述混合培育槽在正下方的投影区域可被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖;
其中,所述弹簧压缩或伸长方向的延长线会通过所述旋转中心。
优选的是,所述弹簧的固定端远离所述旋转中心,所述弹簧的自由端和磁铁靠近所述旋转中心;
所述检测芯片不旋转时,所述弹簧处于自然状态,所述弹簧的自由端上的磁铁朝向所述旋转中心方向越过所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方区域;
所述检测芯片旋转时,所述弹簧被压缩,所述磁铁背向所述旋转中心方向移动至所述混合培育槽的正下方区域,且所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖。
优选的是,所述弹簧的固定端靠近所述旋转中心,所述弹簧的自由端和磁铁远离所述旋转中心;
所述检测芯片不旋转时,所述弹簧处于自然状态,所述弹簧的自由端上的磁铁处于所述旋转中心和所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域之间的区域;
所述检测芯片旋转时,所述弹簧被伸长,所述磁铁背向所述旋转中心方向移动至所述混合培育槽的正下方区域,且所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖。
优选的是,所述检测单元还包括全血存储槽、与所述全血存储槽连通的供待测血样注入的全血注入孔、通过全血传输通道与所述全血存储槽连通的血浆血清定量槽、将所述血浆血清定量槽连通至所述混合培育槽的血浆血清传输通道、通过废液传输通道与所述混合培育槽连通的废液槽以及与所述废液槽连通的通气孔。
优选的是,所述全血传输通道上处于所述定量槽上游的位置连通有剩余血球储存槽;
所述血浆血清定量槽的靠近所述旋转中心的一侧设置有溢流口,所述溢流口上连通有血浆血清废液槽。
优选的是,所述全血传输通道包括与所述全血存储槽的出口端连通的径向段通道和与所述径向段通道的末端连通的周向段通道,所述周向段通道的末端与所述血浆血清定量槽连通,所述血浆血清定量槽处于所述周向段通道的靠近所述旋转中心的一侧;
所述剩余血球储存槽与所述周向段通道的中部连通,且所述剩余血球储存槽处于所述周向段通道的远离所述旋转中心的一侧。
优选的是,与所述混合培育槽的出口端处连通的所述废液传输通道上设置有微流阀门;
所述血浆血清传输通道具有第一倒U型段,所述废液传输通道具有第二倒U型段。
优选的是,所述混合培育槽内设置有存储着N种不同的固体试剂的固体试剂存储槽;
其中,所述固体试剂包括外部均包覆有保护膜的第一、第二、...、第N固体试剂,所述第一固体试剂的外部包覆有第一保护膜,所述第二固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜和第二保护膜,以此类推,所述第N固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜、第二保护膜、...、第N保护膜;
所述第一至第N保护膜均可于所述混合培育槽中在所述检测单元提供的溶解试剂的作用下溶解,使所述第一至第N固体试剂外部包覆的保护膜具有不同的溶解时间。
优选的是,还包括与所述混合培育槽连通的至少一个溶解试剂存储槽和至少一个反应试剂存储槽;
所述第一至第N保护膜设置为相同的且可被所述溶解试剂存储槽中存储的溶解试剂溶解的材质。
优选的是,所述溶解试剂存储槽和反应试剂存储槽中的液体试剂均通过预封袋密封包装,所述预封袋可在外力作用下而局部破裂,释放其中的液体试剂,并提供至所述混合培育槽中。
优选的是,该检测芯片的本体包括底板、上盖和开设在底板上的微流道,上盖密封扣合在所述底板上,使所述底板和上盖之间的微流道形成所述检测单元;
处于所述液体试剂存储槽上方的所述上盖上开设有穿刺孔,所述预封袋可通过外部的刺破装置穿过所述穿刺孔而刺破,以释放其中的液体试剂。
本发明至少包括以下有益效果是:
1、本发明的离心式微流控芯片通过设计移动式磁场对混合培育槽内的磁性颗粒进行操作,在冲洗过程中,对混合培育槽内的磁性颗粒产生吸引作用,使磁性颗粒能保持在混合培育槽内不被冲走;整个过程是依据反应过程中是否需要旋转条件而自动匹配,不需要额外增加对磁场进入与撤离的控制操作,即冲洗时,检测芯片需要旋转,而通过旋转正好能将磁场加入工作区域,吸引住磁性颗粒;当混合使,不需要磁场,检测芯片也不需要旋转,此时磁铁能自动从工作区域退出;
2、本发明将固体试剂和液体试剂预封在芯片中,仅需一次性注入样本,即可自动完成复杂的加样及反应步骤;
3、本发明仅需少量样本(几十微升)即可进行检测。
附图说明
图1为本发明的总体构思中的离心式微流控芯片的结构示意图;
图2为本发明的总体构思中的移动式磁场的方案1的示意图;
图3为本发明的总体构思中的移动式磁场的方案2的示意图;
图4为本发明的实施例1中的检测单元的结构示意图;
图5为本发明的实施例1中的离心式微流控芯片的结构示意图;
图6为本发明的实施例2中的原理示意图。
附图标记说明:
1—全血注入孔;2—全血存储槽;3—全血传输通道;4—剩余血球储存槽;5—血浆血清废液槽;6—血浆血清定量槽;7—血浆血清传输通道;8—溶解试剂存储槽;9—第一反应试剂存储槽;10—第二反应试剂存储槽;11—混合培育槽;12—固体试剂存储槽;13—微流阀门;14—废液传输通道;15—废液槽;16—通气孔;70—第一倒U型段;100—检测单元;101—检测芯片的本体;102—旋转中心;110—弹簧;111—磁铁;112—工作区域;140—第二倒U型段。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明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。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示,本实施例的一种离心式微流控芯片,该检测芯片具有旋转中心102,且该检测芯片包括至少一个可独立进行检测的检测单元100,检测单元100包括用于提供反应空间的混合培育槽11,检测芯片的外部的下方固定设置有弹簧110,弹簧110的自由端连接有磁铁111;
其中,检测芯片不旋转时,磁铁111与混合培育槽11在沿检测芯片厚度方向的正下方的投影无重合区域;检测芯片绕旋转中心102以一定速度旋转时,磁铁111因离心作用而使弹簧110的自由端压缩或伸长,使混合培育槽11在正下方的投影区域(称为工作区域112,此时磁铁111能对混合培育槽11中的磁性颗粒产生磁力作用,以吸住磁性颗粒)可被磁铁111沿检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖;
其中,弹簧110压缩或伸长方向的延长线会通过旋转中心102。
样品和相关试剂在混合培育槽11进行反应,通常在反应中会采用磁性颗粒作为载体,试剂吸附在磁性颗上,藉由外部磁场对磁性颗粒进行操作。一般而言,在混合阶段,芯片不旋转,磁性颗粒上的试剂在混合培育槽11与样本进行反应,此时不需要外部磁场;当进入冲刷阶段时,需要引入外部磁场,通过外部磁场操控磁性颗粒,使磁性颗粒保持在混合培育槽11中,防止磁性颗粒被冲刷液带走。现在的常规技术中,通常是采用可产生磁场的设备,在混合培育槽11区域产生磁场,通过开关或是通断电等操作,控制磁场的有无。其缺陷包括:1、增加设备、导致成本和外部辅助设备增大;2、增加了控制磁场的有无的操作步骤。
本发明中,通过移动式磁场的设计可解决上述问题,本发明的主体思路是:混合培育槽11需要磁场时,磁铁111自动进入到混合培育槽11的下方区域(工作区域112);需要撤去磁场时,磁铁111从工作区域112)自动退出。本发明通过设计弹簧110连接磁铁111的移动式磁场结构方案实现,整个过程是依据反应本身是否需要旋转条件而自动匹配,不需要额外增加对磁场的控制操作,即冲洗时,检测芯片需要旋转,而通过旋转正好能将磁场加入到混合培育槽11的下方区域(工作区域112);当混合时,不需要磁场,检测芯片也不需要旋转,此时磁铁111能自动从工作区域112退出,使工作区域112的磁场撤去。
本发明的方案具体为:在芯片厚度方向下方设置一固定的弹簧110,弹簧110的自由端固顶连接磁铁111,弹簧110的固定端可直接与芯片连接或是与芯片下方的用于提供旋转的工作台面连接,只需保证弹簧110、磁铁111能与芯片一起旋转即可。弹簧110的伸缩方向需与芯片旋转圆的径向相同,也即弹簧110两端、磁铁111、旋转中心102在一条直线上。检测芯片绕旋转中心102以一定速度旋转时,磁铁111因离心作用而使弹簧110的自由端压缩或伸长,从而使磁铁111进入工作区域112,故磁铁111可由远旋转中心102端进入,也可由近旋转中心102端进入,所以至少包括以下两种可选的方案。
参照图2,在一种实施例中,移动式磁场选择方案1,具体为:
弹簧110的固定端远离旋转中心102,弹簧110的自由端和磁铁111靠近旋转中心102;
检测芯片不旋转时,弹簧110处于自然状态,弹簧110的自由端上的磁铁111朝向旋转中心102方向越过工作区域112;也即磁铁111与工作区域112无重合区域;
检测芯片旋转时,弹簧110被压缩,磁铁111背向旋转中心102方向移动至混合培育槽11的正下方区域,即进入工作区域112,且混合培育槽11在沿检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被磁铁111沿检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖,也即磁铁111的尺寸能够完全覆盖工作区域112。
参照图3,在另一种实施例中,移动式磁场选择方案2,具体为:弹簧110的固定端靠近旋转中心102,弹簧110的自由端和磁铁111远离旋转中心102;
检测芯片不旋转时,弹簧110处于自然状态,弹簧110的自由端上的磁铁111处于旋转中心102和混合培育槽11在沿检测芯片厚度方向的正下方的投影区域之间的区域;也即磁铁111在旋转中心102和工作区域112之间;
检测芯片旋转时,弹簧110被伸长,磁铁111背向旋转中心102方向移动至混合培育槽11的正下方区域,即进入工作区域112,且混合培育槽11在沿检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被磁铁111沿检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖,也即磁铁111的尺寸能够完全覆盖工作区域112。
以上为本发明的总体构思,以下在其基础上提供进一步的实施例,以对本发明做更为详细的说明。
实施例1
参照图4-5,检测单元100还包括全血存储槽2、与全血存储槽2连通的供待测血样注入的全血注入孔1、通过全血传输通道3与全血存储槽2连通的血浆血清定量槽6、将血浆血清定量槽6连通至混合培育槽11的血浆血清传输通道7、通过废液传输通道14与混合培育槽11连通的废液槽15以及与废液槽15连通的通气孔16。
进一步的,全血传输通道3上处于定量槽上游的位置连通有剩余血球储存槽4;
血浆血清定量槽6的靠近旋转中心102的一侧设置有溢流口,溢流口上连通有血浆血清废液槽5。
其中,全血传输通道3包括与全血存储槽2的出口端连通的径向段通道和与径向段通道的末端连通的周向段通道,周向段通道的末端与血浆血清定量槽6连通,血浆血清定量槽6处于周向段通道的靠近旋转中心102的一侧;
剩余血球储存槽4与周向段通道的中部连通,且剩余血球储存槽4处于周向段通道的远离旋转中心102的一侧。
进一步的,与混合培育槽11的出口端处连通的废液传输通道14上设置有微流阀门13;微流阀门13为常闭阀,微流阀门13可以具有各种形状,可以是毛细管阀,当预定的压力被施加时,毛细管阀被动打开;或者微流阀门13是通过操作信号从外部接收电动力或能量而主动操作的阀门。
血浆血清传输通道7具有第一倒U型段70,废液传输通道14具有第二倒U型段140。第一倒U型段70、第二倒U型段140均为细长状,提供的功能为:当芯片本体旋转的转速达到一定值时,液体才可从中通过;即通过虹吸作用与离心作用配合,使只有当芯片本体旋转的转速达到一定值时,才允许液体通过。
本实施例中,芯片本体上至少具有8个检测单元100,可同时进行至少8个项目检测。
实施例2
作为进一步改进,本实施例中,混合培育槽11内设置有存储着N种不同的固体试剂的固体试剂存储槽12;其中,固体试剂存储槽12中还可以存储有多种不溶解的微球,如磁性免疫微球。
其中,固体试剂包括外部均包覆有保护膜的第一、第二、...、第N固体试剂,第一固体试剂的外部包覆有第一保护膜,第二固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜和第二保护膜,以此类推,第N固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜、第二保护膜、...、第N保护膜;
第一至第N保护膜均可于混合培育槽11中在检测单元100提供的溶解试剂的作用下溶解,使第一至第N固体试剂外部包覆的保护膜具有不同的溶解时间。
进一步优选的该高效微流控检测芯片还包括与混合培育槽11连通的至少一个溶解试剂存储槽8和至少一个反应试剂存储槽;
第一至第N保护膜设置为相同的且可被溶解试剂存储槽8中存储的溶解试剂溶解的材质。
溶解试剂存储槽8和反应试剂存储槽中的液体试剂均通过预封袋密封包装,预封袋可在外力作用下而局部破裂,释放其中的液体试剂,并提供至混合培育槽11中。
本发明的芯片主要是用于血样检测,检测过程中通常需要多种固体试剂与样品依次进行反应(过程中还需加入液体试剂),传统方案中,是在反应过程中依次加入,比较繁琐。本发明中,预先将固体试剂装于固体试剂存储槽12中,将液体试剂预封装于溶解试剂存储槽8和反应试剂存储槽中,只需要一次性加入,反应过程中,通过操作使预封袋破裂从而按照需求依次释放液体试剂;固体试剂则是通过设计保护膜而具有不同的溶解时间,从而也能按照需求依次进行反应。在以下实施例中会进一步作出具体举例说明。
其中,设计保护膜一方面是用于包覆固体试剂,以实现固体试剂的成型与封装,另一方面,更重要是在于使不同的固体试剂具有需要的溶解时间。所有保护膜均采用相同的材质,且设计为能被预封装在芯片中的溶解试剂在一定的时间能溶解。显然,保护膜的厚度与溶解时间是呈正相关的,所以,通过控制不同的保护膜厚度和/或保护膜的层数,即可获得不同的溶解时间。所以本发明的芯片,相关反应试剂可一次性加入,并能按照设计需求依次进行反应。以上为本发明的总体构思,对于保护膜更为具体的设计方案,本发明还提供以下两种具体实施例。
首先需要理解的是,对于反应的试剂为固体试剂的情况,反应中的过程为:固体试剂先溶解,完全溶解后再进行反应。所以单个反应所需的时间包括固体试剂溶解的时间加上进行反应的时间。
本实施例中,设计的方案是:前一个反应完成后,后一个反应才开始进行(即参与后一个反应的固体试剂外部的保护膜正好完全溶解,其固体试剂能进入溶液体系,开始反应),若干反应完全串联式进行。
为方便理解,通过以下引入相关符合、公式进行描述。
假设共需要依次进行N个反应:F1、F2、...、Fn;
参与N个反应的固体试剂依次为第一、第二、...、第N固体试剂;第一固体试剂的外部包覆有第一保护膜,第二固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜和第二保护膜,以此类推,第N固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜、第二保护膜、...、第N保护膜;所有保护膜均可被溶解试剂在一定时间内溶解;
反应过程需要第一至第N固体试剂依次溶解并反应,即要求当第N-1个反应完成时,第N固体试剂外部所有的保护膜(第一、第二、...、第N-1、第N保护膜)正好全部溶解,使第N固体试剂本体可以开始溶解进入反应体系反应;
第一反应F1需要的总时间T1为第一保护膜的溶解时间tm1加上第一固体试剂本体的反应时间tz1,即T1=tm1+tz1;
第二反应F2需要的总时间T2为第一保护膜的溶解时间tm1和第二保护膜的溶解时间tm2加上第一固体试剂本体的反应时间tz2,即T2=tm1+tm2+tz2;
...
第N-1反应Fn-1需要的总时间TN-1为第一至第N-1保护膜的溶解时间之和:(tm1+tm2+...+tmN-1)加上第N-1固体试剂本体的反应时间tzN-1,即TN-1=(tm1+tm2+...+tmN-1)+tzN-1;
第N反应Fn需要的总时间TN为第一至第N保护膜的溶解时间之和:(tm1+tm2+...+tmN-1+tmN)加上第N固体试剂本体的反应时间tzN,即TN=(tm1+tm2+...+tmN-1+tmN)+tzN;参照图6;
满足以下关系:tm1+tm2+...+tmN-1+tmN=TN-1=(tm1+tm2+...+tmN-1)+tzN-1;
即tmN=tzN-1,即后一个反应中的固体试剂的最内一层保护膜的溶解时间正好与前一个反应的固体试剂本体的反应时间相同,所以通过控制各保护膜的厚土即可实现使保护膜具有要求的反应时间。例如对于第一和第二反应,满足:tm1+tm2=T1=tm1+tz1,tm2=tz1。
所有反应总时间T=tm1+tz1+tz2+...+tzN-1+tzN;与常规相比,相当于仅多一个tm1(第一保护膜的溶解时间),但反应试剂一次性加入,减小了操作步骤和复杂度。
例如,在一种实施例中,包括需要依次进行的A、B、C三个反应,各个反应时间依次为5分钟、10分钟、15分钟,三个反应中,参与的固体试剂依次为固体试剂1、固体试剂2、固体试剂3;
固体试剂1外部具有第一保护膜,第一保护膜的溶解时间为1分钟,固体试剂1本体反应时间总共为4分钟;
固体试剂2外部由外向内依次具有第一保护膜和第二保护膜,第一保护膜的溶解时间为1分钟,则需要设计使第二保护膜的溶解时间为4分钟,即固体试剂2本体反应时间总共为5分钟;
固体试剂3外部由外向内依次具有第一保护膜、第二保护膜、第三保护膜,第一保护膜的溶解时间为1分钟,第二保护膜的溶解时间为4分钟,则需要设计使第三保护膜的溶解时间为5分钟;即固体试剂3本体反应时间总共为5分钟;
反应时,固体试剂1、固体试剂2、固体试剂3是先预装在芯片本体的固体试剂存储槽12内,当溶解试剂浸没所有固体试剂后,固体试剂1、固体试剂2、固体试剂3外部的第一保护膜同时开始时间,1分钟后所有第一保护膜完全溶解;固体试剂1本体与溶液体系开始反应(此时若需要液体试剂,则通过使存储在反应试剂存储槽中的液体试剂进入溶液体系即可),4分钟后A反应完成;此时固体试剂2、固体试剂3外部的第二保护膜完全溶解(此时若需要液体试剂,则通过使存储在反应试剂存储槽中的液体试剂进入溶液体系即可),固体试剂2本体与溶液体系开始反应,5分钟后,B反应完成;此时固体试剂3外部的第三保护膜完全溶解(此时若需要液体试剂,则通过使存储在反应试剂存储槽中的液体试剂进入溶液体系即可),固体试剂3本体与溶液体系开始反应,5分钟,C反应完成。3个反应总时间为1+5+10+15=31分钟,与原本相比仅多了1分钟。
例如,在一种可选的方案中,对于上述保护膜,材质选择海藻糖薄膜,溶解试剂为去离子水,第一保护膜的厚度为0.01-0.05mm,溶解时间为1分钟;第二保护膜的厚度为第一保护膜的4倍,溶解时间为4分钟;第三保护膜的厚度为第一保护膜的5倍,溶解时间为5分钟。
在一种优选的实施例中该检测芯片的本体101包括底板、上盖和开设在底板上的微流道,上盖密封扣合在底板上,使底板和上盖之间的微流道形成检测单元100;
处于液体试剂存储槽上方的上盖上开设有穿刺孔,预封袋可通过外部的刺破装置穿过穿刺孔而刺破,以释放其中的液体试剂。
当然,在另外的实施例中,预封袋的破裂也可通过采用外部挤压力实现。例如,不再设置穿刺孔,通过挤压设备挤压液体试剂存储槽上方,从而使预封袋破裂,释放其中的液体试剂。
本实施例中,芯片本体上设置有一个溶解试剂存储槽8和2个反应试剂存储槽,溶解试剂存储槽8中存储预封装的稀释液(即溶解试剂),2个反应试剂存储槽中分别存储预封装的第一液体试剂、第二液体试剂。
以下提供本发明的芯片的一种具体操作步骤:
1、全血样本(静脉血、末梢血)由全血注入孔1注入,储存于全血储存槽,以第一转速(第一加速度)操控微流控芯片绕其旋转中心102进行旋转,全血样本通过过全血传送通道被传送至剩余血球储存槽4及血浆血清废液槽5,其中的大部分血球则储存于剩余血球储存槽4。
2、以第二转速(第二加速度)操控微流控芯片进行旋转,多余的血浆/血清被传送至血浆血清废液槽5。
3、以第三转速(第三加速度)操控微流控芯片进行旋转,已定量的血浆/血清透过血浆血清传送通道被传送至混合培育槽11。
稀释液(即溶解试剂)、第一液体试剂、第二液体试剂分别预封装于溶解试剂存储槽8、第一反应试剂存储槽9、第二反应试剂存储槽10,可藉由外部尖刺装置操纵,将液体试剂预封装依序刺破,配合离心转速,可达到液体试剂依序释放(释放顺序:稀释液、第一液体试剂、第二液体试剂);固体试剂预封装于固体试剂储存槽,包括磁性免疫微球(抗体连结于微球表面)、冻干试剂小球等,且反应可搭配震荡条件(震幅、频率)操控微流控芯片进行震荡混合,可将多种固体试剂小球(此处为多种冻干试剂小球)依序溶解,与样本进行培育/反应。需要理解的是,固体试剂储存槽中除了包括N种可溶解的固体试剂(即冻干试剂小球)外,还包括磁性免疫微球,其中需要溶解的试剂是多种冻干试剂小球,以下相同。
4、操纵外部尖刺装置穿过穿刺孔,刺破稀释液预封袋,释放稀释液,以第四转速(第四加速度)操控微流控芯片进行旋转,可将稀释液传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。其中需溶解的多种冻干试剂小球按上述方案可实现依次溶解;反应过程中若需要加入其它试剂,则通过操纵外部尖刺装置刺破装有相应试剂的预封袋即可。当然,反应过程中,还可以配置多种震荡条件(包括设定的震幅、频率、操作时间等)操控微流控芯片进行震荡混合,以辅助反应进行,使冻干试剂小球依序与样本进行反应。试剂依次性加入,大大简化了操作。
5、以第五转速(第五加速度)操控微流控芯片进行旋转,将混合后的液体突破微流阀门13,由于液体压力大于微流阀门13,会将液体由混合培育槽11(12)透过液体传送通道传送至废液槽15。混合培育槽11中,试剂冻干小球溶解进行反应(可藉由操控微流控芯片进行震荡促进溶解)。对于其中的磁性的免疫微球则通过外部移动式磁场操控(参照图,本实施例中移动式磁场选择方案1),可避免于清洗步骤丢失磁性免疫微球,具体为:1、混合阶段,通过使芯片来回震荡进行操控,芯片不会连续旋转,磁铁111会停留于高位(如图1所示,磁铁111处于工作区域112的近旋转中心102侧),而不会吸引磁性免疫微球;2、冲刷阶段,系使用离心转速驱动液体通往废液槽15,此时芯片连续旋转,磁铁111因受离心力驱动而压缩弹簧110,停留于低位处(磁铁111完全覆盖工作区域112),可将磁性免疫微球吸引至混合培育槽11,而不会被冲刷至废液槽15。
6、操纵外部尖刺装置刺破第一液体试剂的预封袋,以第六转速(第六加速度)操控微流控芯片进行旋转,可将第一液体试剂传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。反应过程中还可提供一定的震荡条件操控微流控芯片进行震荡混合,待反应完成后,以第七转速(第七加速度)操控微流控芯片进行旋转,将混合后的液体突破微流阀门13,由于液体压力大于微流阀门13,会将液体由混合培育槽11透过液体传送通道传送至废液槽15。同样的,对于其中的磁性的免疫微球则通过外部移动式磁场操控(参照图,本实施例中移动式磁场选择方案1),可避免于清洗步骤丢失磁性免疫微球。
7、操纵外部尖刺装置刺破第二液体试剂的预封袋,以第八转速(第八加速度)操控微流控芯片进行旋转,可将第二液体试剂传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。反应过程中还可提供一定的震荡条件操控微流控芯片进行震荡混合,待反应完成后,即可透过外部检测系统(如:光学、荧光、化学发光设备等)进行检测。
实施例3
提供本发明的芯片用于甲型肝炎病毒抗体化学发光检测的应用实例。
操作步骤为:
1、将50微升,带有柠檬酸钠抗凝剂的静脉全血(男性样本,血容比为69%,即血浆占比31%、血球占比69%)透过全血注入孔1注入全血储存槽,以3,000RPM(加速度为10,000RPM/s)操控盘式芯片进行旋转60秒钟,使全血样本透过全血传送通道被传送至剩余血球储存槽4及血浆血清定量槽6(定量至10微升),大部分血球则储存于剩余血球储存槽4。以1,200RPM(加速度为3,400RPM/s)操控盘式芯片进行旋转10秒钟,多余的血浆被传送至血浆血清废液槽5。以600RPM(加速度为1,250RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,10微升的血浆透过血浆/血清传送通道被传送至混合培育槽11。
稀释液(溶解试剂)、清洗液(第一液体试剂)、底物(第二液体试剂)分别预封装于溶解试剂存储槽8、第一液体试剂储存槽、第二液体试剂储存槽。磁性免疫微球(超顺磁性微粒上包被链霉亲和素)、HAV抗原/冻干试剂小球、抗HAVAg抗体/冻干试剂小球预封装于固体试剂储存槽。
2、操纵外部尖刺装置刺破稀释液预封装,以2,500RPM(加速度为3,000RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,可将稀释液传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。以震幅370度、频率10Hz操控微流控芯片进行震荡混合15次,可将HAV抗原/冻干试剂小球溶解,并与样本进行反应2分钟;以震幅250度、频率8Hz操控微流控芯片进行震荡混合15次,将磁性免疫微球与前置液体进行反应3分钟;以震幅135度、频率5Hz操控微流控芯片进行震荡混合20次,可将抗HAVAg抗体/冻干试剂小球溶解,并与前置液体进行反应3分钟。以3,500RPM(加速度为5,250RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,混合后的液体由于液体压力大于微流阀门13,会突破微流阀门13透过液体传送通道传送至废液槽15。磁性免疫微球可透过外部移动式磁场操控,可避免于清洗步骤丢失磁性免疫微球。
3、操纵外部尖刺装置刺破清洗液预封装,以2,500RPM(加速度为3,000RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,可将清洗液传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。以震幅180度、频率15Hz操控微流控芯片进行震荡混合20次,待清洗完成后,以3,500RPM(加速度为5,250RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,清洗后的废液由于液体压力大于微流阀门13,会突破微流阀门13透过液体传送通道传送至废液槽15。磁性免疫微球可透过外部移动式磁场操控,可避免于清洗步骤丢失磁性免疫微球。
4、操纵外部尖刺装置刺破底物预封装,以2,500RPM(加速度为3,000RPM/s)操控盘式芯片进行旋转5秒钟,可将底物传送至混合培育槽11,此时混合培育槽11内的液体因受到微流阀门13的阻挡作用,可被保留于混合培育槽11。以震幅180度、频率15Hz操控微流控芯片进行震荡混合20次,待反应300秒后即可进行侦测,测得发光值为7,318RLU,代入反应曲线可得浓度值为31.2IU/L,与罗氏Elecsys2010免疫测定分析仪所测数值29.8IU/L相差不大,皆判定为甲肝病毒感染现在或过去感染过或者注射甲肝疫苗后存在抗体。
实施例4混合效率分析
操控微流控芯片进行来回震荡,以达到快速混合的功能。实验参数:震幅(300度、200度、100度)、频率(15Hz、12Hz、8Hz)、混合槽深度(800μm、600μm、400μm);固定参数:工作液体积共计50微升,包含25微升的无色去离子水(黏度1cP)及25微升的有色甘油(黏度5cP)、震荡次数固定为5次;实验分析:使用高速摄影机与影像分析软件,藉由图片分析混合效率(0%表示未混合、100%表示完全混合)。
(实验一)、固定频率15Hz、混合槽深度800μm、震荡次数5次,分别以震幅300度、200度、100度操控微流控芯片进行震荡混合,藉由高速摄影机进行截图并分析。实验数据:以震幅300度操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为98%;以震幅200度操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为45%;以震幅100度操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为12%。实验结果:震幅越大、混合效率越佳。除此之外,震幅与混合效率呈现二次方正比关系。
(实验二)、固定震幅300度、混合槽深度800μm、震荡次数5次,分别以频率15Hz、12Hz、8Hz操控微流控芯片进行震荡混合,藉由高速摄影机进行截图并分析。实验数据:以频率15Hz操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为98%;以频率12Hz操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为51%;以频率8Hz操控微流控芯片进行震荡混合,混合效率为15%。实验结果:频率越大、混合效率越佳。除此之外,频率与混合效率呈现三次方正比关系。
(实验三)、固定震幅300度、固定频率15Hz、震荡次数5次,分别于混合槽深度800μm、600μm、400μm进行震荡混合测试,藉由高速摄影机进行截图并分析。实验数据:混合槽深度为800μm,混合效率为98%;混合槽深度为600μm,混合效率为42%;混合槽深度为400μm,混合效率为13%。实验结果:混合槽深度越深、混合效率越佳。除此之外,混合槽深度与混合效率呈现三次方正比关系。
尽管本发明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发明的领域,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,本发明并不限于特定的细节。
Claims (11)
1.一种离心式微流控芯片,该检测芯片具有旋转中心,且该检测芯片包括至少一个可独立进行检测的检测单元,所述检测单元包括用于提供反应空间的混合培育槽,其特征在于,所述检测芯片的外部的下方固定设置有弹簧,所述弹簧的自由端连接有磁铁;
其中,所述检测芯片不旋转时,所述磁铁与所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影无重合区域;所述检测芯片绕所述旋转中心以一定速度旋转时,磁铁因离心作用而使所述弹簧的自由端压缩或伸长,使所述混合培育槽在正下方的投影区域可被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖;
其中,所述弹簧压缩或伸长方向的延长线会通过所述旋转中心。
2.根据权利要求1所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述弹簧的固定端远离所述旋转中心,所述弹簧的自由端和磁铁靠近所述旋转中心;
所述检测芯片不旋转时,所述弹簧处于自然状态,所述弹簧的自由端上的磁铁朝向所述旋转中心方向越过所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方区域;
所述检测芯片旋转时,所述弹簧被压缩,所述磁铁背向所述旋转中心方向移动至所述混合培育槽的正下方区域,且所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖。
3.根据权利要求1所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述弹簧的固定端靠近所述旋转中心,所述弹簧的自由端和磁铁远离所述旋转中心;
所述检测芯片不旋转时,所述弹簧处于自然状态,所述弹簧的自由端上的磁铁处于所述旋转中心和所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域之间的区域;
所述检测芯片旋转时,所述弹簧被伸长,所述磁铁背向所述旋转中心方向移动至所述混合培育槽的正下方区域,且所述混合培育槽在沿所述检测芯片厚度方向的正下方的投影区域被所述磁铁沿所述检测芯片厚度方向的投影区域完全覆盖。
4.根据权利要求2或3所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述检测单元还包括全血存储槽、与所述全血存储槽连通的供待测血样注入的全血注入孔、通过全血传输通道与所述全血存储槽连通的血浆血清定量槽、将所述血浆血清定量槽连通至所述混合培育槽的血浆血清传输通道、通过废液传输通道与所述混合培育槽连通的废液槽以及与所述废液槽连通的通气孔。
5.根据权利要求4所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述全血传输通道上处于所述定量槽上游的位置连通有剩余血球储存槽;
所述血浆血清定量槽的靠近所述旋转中心的一侧设置有溢流口,所述溢流口上连通有血浆血清废液槽。
6.根据权利要求5所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述全血传输通道包括与所述全血存储槽的出口端连通的径向段通道和与所述径向段通道的末端连通的周向段通道,所述周向段通道的末端与所述血浆血清定量槽连通,所述血浆血清定量槽处于所述周向段通道的靠近所述旋转中心的一侧;
所述剩余血球储存槽与所述周向段通道的中部连通,且所述剩余血球储存槽处于所述周向段通道的远离所述旋转中心的一侧。
7.根据权利要求6所述的离心式微流控芯片,其特征在于,与所述混合培育槽的出口端处连通的所述废液传输通道上设置有微流阀门;
所述血浆血清传输通道具有第一倒U型段,所述废液传输通道具有第二倒U型段。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述混合培育槽内设置有存储着N种不同的固体试剂的固体试剂存储槽;
其中,所述固体试剂包括外部均包覆有保护膜的第一、第二、...、第N固体试剂,所述第一固体试剂的外部包覆有第一保护膜,所述第二固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜和第二保护膜,以此类推,所述第N固体试剂的外部由外向内依次包覆有第一保护膜、第二保护膜、...、第N保护膜;
所述第一至第N保护膜均可于所述混合培育槽中在所述检测单元提供的溶解试剂的作用下溶解,使所述第一至第N固体试剂外部包覆的保护膜具有不同的溶解时间。
9.根据权利要求8所述的一次性注入的高效微流控检测芯片,其特征在于,还包括与所述混合培育槽连通的至少一个溶解试剂存储槽和至少一个反应试剂存储槽;
所述第一至第N保护膜设置为相同的且可被所述溶解试剂存储槽中存储的溶解试剂溶解的材质。
10.根据权利要求9所述的一次性注入的高效微流控检测芯片,其特征在于,所述溶解试剂存储槽和反应试剂存储槽中的液体试剂均通过预封袋密封包装,所述预封袋可在外力作用下而局部破裂,释放其中的液体试剂,并提供至所述混合培育槽中。
11.根据权利要求10所述的一次性注入的高效微流控检测芯片,其特征在于,该检测芯片的本体包括底板、上盖和开设在底板上的微流道,上盖密封扣合在所述底板上,使所述底板和上盖之间的微流道形成所述检测单元;
处于所述液体试剂存储槽上方的所述上盖上开设有穿刺孔,所述预封袋可通过外部的刺破装置穿过所述穿刺孔而刺破,以释放其中的液体试剂。
Priority Applications (1)
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CN202010373822.XA CN113617400A (zh) | 2020-05-06 | 2020-05-06 | 离心式微流控芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
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