快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置

摘要

本发明的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置，包括：芯片式微流道组件、样品容器阵列、制冷器阵列、数据采集仪和计算机；芯片式微流道组件包括至少带有样品进口、保护剂进口的多级相互连通的分流式微流道，微流道出口与样品容器相连通，靠近每一样品容器下端面处分别设有制冷器；制冷器电源为可调节电流大小的调节电源；每一样品容器内设置一对微电极及一枚温度传感器，并分别与数据采集仪和计算机相连。该装置只需一次加载样品，就可同时完成多种冷却过程，快速确定生物样品最佳低温保存参数，具有结构紧凑，响应速度快，成本低等特点，且连续性较好，操作简便。

说明书

技术领域

本发明属于生物样品低温保存领域，特别涉及一种基于微流道的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置，可对生物样品与冷冻保护剂进行分配、掺混，再利用半导体制冷器对之加以降温后，进行活性的快速在线检测的装置。

背景技术

低温生物学是近年来新兴并得到迅猛发展的交叉学科，随着研究的深入，其在各行各业的应用引人注目。医学方面，冷冻保存医用生物材料并进行移植是当前低温医学中最活跃的领域之一。医用生物材料的冷冻保存对象包括：血液细胞、造血细胞、生殖细胞、皮肤、角膜、骨与软骨、心脏瓣膜和大血管、内分泌腺以及器官等。在农、林、医药、食品等行业中，低温生物学也为此带来了巨大效益，比如在挽救濒危珍稀植物、保护生物等方面产生了深远的影响。

生物材料可以在低温下长期保存，但却极易在降温和复温过程中受溶液冻结、融化，以及溶液渗透压力变化等因素的作用而损害。因而，在各类生物样品的冷冻与复温过程中，一方面，建立合适的降温程序及添加理想的保护剂溶液是实施成功保存生物材料的关键，另一方面，成功的冻存技术还必须包括对冻存的生物材料复温后进行准确的活性检测，否则该冻存技术就没有普及推广意义，也就是说，筛选一个成功的低温保存程序，对冻存生物材料的质量进行检测必不可少。

然而，目前获取一种成功的保存程序，即找出理想的低温保护剂浓度、降温速率及程度等，往往需要进行大量繁琐的实验过程(刘金刚，刘作斌主编，低温医学，北京：人民卫生出版社，1993)。且各方法由于操作者不同，检测途径存在差异等因素，都存在客观定量性不够、检测周期长、操作程序复杂繁琐，仪器昂贵等不理想之处，而且，因样品特性的差异，所得结论一般不具有普遍推广意义。

纵览现有的一些筛选冻存生物样品的成功方法，大多显得程序相当复杂而繁琐，影响因素多，客观性稍差，涉及仪器较多，且昂贵。因此，发展快速、廉价而有效的筛选措施对于推动低温生物医学技术的发展极具意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中确定生物样品最佳低温保存参数时的繁琐、复杂且费用昂贵等缺陷，而提供一种操作简便，定量化程度高，检测结果准确，而且对几乎所有待冻存生物样品均适用的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置。

本发明的实施方案如下：

本发明提供的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置，包括：芯片式微流道组件100、样品容器阵列6、制冷器阵列9、数据采集仪12和计算机13；

所述的芯片式微流道组件100包括至少带有样品进口1、保护剂进口2的多级相互连通的分流式微流道4，所述分流式微流道4的多级出口与样品容器阵列6中的一样品容器相连通，所述样品进口1、保护剂进口2、其它溶液进口3及每一样品容器分别设有阀门开关5；

所述每一样品容器内分别安装有微搅拌器11；

靠近样品容器阵列6中的每一样品容器下端面处分别设有制冷器，制冷器构成制冷器阵列9；所述制冷器阵列9的电源为可调节电流大小的调节电源；

所述的每一样品容器内设置一对微电极及一枚温度传感器；所述的微电极和温度传感器分别构成微电极阵列8和温度传感器阵列7；所述微电极阵列8中的微电极和温度传感器阵列7中的温度传感器分别与数据采集仪12和计算机13相连。

所述微流道4为在硅基质芯片上、玻璃芯片上或金属芯片上通过蚀刻或其他加工方法制成的管径和长度均为2微米到5毫米的微流道，所述微流道4的分级级数为1到200之间。所述微流道4内设置有微泵驱动源。

所述的制冷器阵列9中的每一制冷器为由1-5级Peltier半导体制冷元件构成的平面制冷器。每一制冷器的发热面上贴有散热肋片，散热肋片上设有可将散热肋片表面的热量移走的小型风扇。

所述温度传感器7为电极式温度传感器、铜-康铜热电偶式温度传感器或薄膜电阻式温度传感器。所述电极式温度传感器为铜、铝或铂电极式温度传感器。

使用本发明的芯片式测定装置快速确定生物样品最佳低温保存参数的检测步骤如下：

1、将待测生物样品溶液及低温保护剂分别通过样品进口1、保护剂进口2和其对应的微流道4加入到样品容器阵列6中的样品容器中，由于微流道4在空间结构上设置成多级分流式结构，因此，生物样品和低温保护剂沿各自流道可轻易地对样品及保护剂加以定量重新分配，从而可随意地获得不同配比的加载保护剂后的生物样品；

2、生物样品溶液及低温保护剂流入样品容器后，通过设置在该容器内的微搅拌器对之加以混合均匀，之后启动设置在样品容器下端的制冷器陈列9的每一制冷器，通过调节输入功率对每个样品容器启动降温、复温程序，在室温至零下110度范围内同时进行降温复温操作；

3、启动微电极阵列8中每一微电极，对完成降温及复温作用后的样品容器6内的生物样品溶液，在降温状况下进行温度及电阻抗测量，通过数据采集仪12和计算机13进行数据采集和分析处理，并与正常生物样品溶液的降温曲线及电阻抗进行比较，得出相差最小的生物样品所采用的低温保存程序，即为该生物样品的最佳的低温保存参数。

本发明提供的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置，包括：可分别对生物样品及冷冻保护剂按配比要求进行分配、掺混等自动操作的微流道阵列，微流道阀门，微流道搅拌器，样品容器阵列，电极阵列，温度传感器阵列，半导体制冷器阵列，数据采集仪及计算机。其中微流道呈多分叉结构，流体在其内可自动实现多种形式的分配；样品容器阵列则对应于微流道的输出端，样品与保护剂在此处掺混，完成降温前的准备；半导体制冷器置于容器底部，可为1-5级，并通过控制输入功率来实现不同的降温速率；每一容器内设置有一对电极及一枚温度传感器，它们分别与数据采集仪及计算机连通，用于监测保存样品的温度及电阻抗特性，从而实现对生物样品活性的在线评价。该芯片只需一次加载样品，就可同时完成多种冷却过程，因而可快速筛选出适宜于保存生物材料的最佳降温程序及保护剂，具有定量程度和通用性高，操作简便及适用范围广等特点。

以往，要想得出最佳的低温保存程序和最佳的低温保护剂配比，必须做大量的重复性的类似实验。本发明提供的用于筛选最佳低温保存程序的生物芯片，可利用微流道和微半导体制冷阵列实现不同的生物样品的多种降温程序，并可添加不同的低温保护剂，再对结果进行批处理，只需要简单的实验操作就可得出需经大量实验才能得出的结果，因而较具有应用价值。

本发明的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置具有结构紧凑，响应速度快，成本低廉，且操作十分简便等特点，其可方便地通过改变制冷器输入电压而对生物样品实施不同的降温速率，且连续性较好，操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为样品室、电极、温度传感器及制冷器示意图，即图1中a部分的放大图；

图3为微流道的结构布置示意图，即图1中b部分的放大图。

其中：芯片式微流道组件100    样品容器阵列6    制冷器阵列9

      数据采集仪12           计算机13         样品进口1

      保护剂进口2            分流式微流道4

      阀门开关5              微搅拌器11       温度传感器阵列7

      微电极阵列8            导热肋片10

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明：

本发明提供的快速确定生物样品最佳低温保存参数的芯片式测定装置，包括：芯片式微流道组件100、样品容器阵列6、制冷器阵列9、数据采集仪12和计算机13；

所述的芯片式微流道组件100包括至少带有样品进口1、保护剂进口2的多级相互连通的分流式微流道4，所述分流式微流道4的多级出口与样品容器阵列6中的一样品容器相连通，所述样品进口1、保护剂进口2及每一样品容器分别设有阀门开关5；

所述每一样品容器内分别安装有微搅拌器11；

靠近样品容器阵列6中的每一样品容器下端面处分别设有制冷器，以构成制冷器阵列9；所述制冷器阵列9的电源为可调节电流大小的调节电源；

所述的每一样品容器内设置一对微电极及一枚温度传感器；所述的微电极和温度传感器分别构成微电极阵列8和温度传感器阵列7；所述微电极阵列8中的微电极和温度传感器阵列7中的温度传感器分别与数据采集仪12和计算机13相连。

所述微流道4为在硅基质芯片上、玻璃芯片上或金属芯片上通过蚀刻或其他加工方法制成的管径和长度均为2微米到5毫米的微流道。所述微流道4的分级级数为1到200之间。所述微流道4内设置的微泵驱动源。

本实施例中的制冷器阵列9中的每一制冷器均为由1-5级Peltier半导体制冷元件构成的平面制冷器。每一制冷器的发热面上贴有散热肋片，散热肋片上设有可将散热肋片表面的热量移走的小型风扇。

所述温度传感器7为电极式温度传感器、铜-康铜热电偶式温度传感器或薄膜电阻式温度传感器。所述电极式温度传感器为铜、铝或铂电极式温度传感器。

本实施例中的微流道4呈分流式(多分叉)结构，可由有机聚合物材料或玻璃等制成，其直径范围可在2微米到5毫米之间，长度则在2微米到2厘米之间，流道也可为矩形、圆形等形状，每一流道的尺寸不要求完全相同，以使流量的控制更方便；如图3所示，根据所设计的流道分叉结构及尺寸调控，流体可在微流道内实现多种形式的分配和混合；样品容器阵列6中的每一个样品容器则对应于微流道4的输出端(如图1所示)，用以盛装样品和低温保护剂的混合溶液，样品与保护剂在此处掺混，容器阵列内设微流道搅拌器，下置半导体制冷器、温度传感器阵列7和微电极阵列8，是整个芯片的核心部分，在样品容器中完成溶液的混合、降温、升温、以及过程中的温度、电阻抗检测。半导体制冷器置于容器底部，可为1-5级，并通过输入功率对其加以控制，以实现不同的降温速率。本发明的制冷器采用由Peltier半导体制冷元件构成，市场上极易购买到，将一系列这样的元件集成封装在两金属平板之间，则可形成具有加热面和制冷面的平面制冷器，Peltier半导体制冷元件可以多级串联以增大制冷或加热功率，并对生物样品实施足够强度的冷却。一旦该集成的制冷器接通电源(与变压器连接，以获得安全电压和电流)，则一侧平面发热，另一侧降温，接冷端者即起制冷作用，用于对生物样品进行降温冻结，接发热端则为加热作用，通过改变电流方向，可调整加热或制冷面的相对位置。但热面温度会很快上升，为避免温度过高并保证器件获得足够的降温能力，要尽量将产生的热量移走，本发明采用在制冷器发热面上紧贴一由高热导率材料如铜、铝等制成的导热肋片10，可置于冷却水中，并在散热肋片上布置有一小风扇，通过迫使肋片周围水对流，将肋表面上热量迅速移走，由此可保证整个装置的安全使用；每一样品容器内设置有一对电极8及一枚温度传感器7(见图2)，它们分别与数据采集仪12及计算机13连通，用于监测冻存样品的温度及电阻抗特性，从而实现对生物样品活性的在线评价。计算机13可对生物样品具体选定及实施一定的升温或降温程序，并对所获曲线作出判定。该芯片只需一次加载样品，就可同时完成多种冷却过程，也可完成不同浓度的低温保护剂的筛选，因而可快速筛选出适宜于保存生物材料的最佳降温-升温程序及保护剂，具有定量程度和通用性高，操作简便及适用范围广等特点。这种芯片也可用作对更多样品性能的筛选，如制冷剂、具有不同热物性要求的工业流体的高效配备等。  使用时，将待测生物样品溶液及低温保护剂分别加入样品入口1和低温保护剂入口2；使其流过设计好的微流道4、微阀门和微搅拌器11，启动半导体制冷阵列9，利用计算机13控制调节输入功率对每个微样品容器启动降温复温程序，在室温至零下110度范围内同时进行降温复温；启动微电极阵列8及温度阵列7，对流出的生物样品溶液进行温度及电阻抗测量，通过数据采集仪12和计算机13进行数据采集和分析处理，再与正常生物样品溶液的降温曲线及电阻抗相比较，得出相差最小的生物样品所采用的低温保存程序是最合适的低温保存程序。其温度差在0.1-2℃时的待测冻存生物样品属生物医学中质量合格的生物样品。本发明从简化仪器的角度出发采用了半导体制冷方式，实际上，降温途径也可采用其他方式如液氮等，而且整个微流道及微容器池可制作在一个平面基底上，也可设置在不同平面；而且，流道的分支结构也可多样化，如可有之字形、分叉等多种形状；整个芯片的制作可用硅基底进行蚀刻加工，也可用其他微流道的加工方法，根据不同的需求进行加工和设计。

实施例1：蛋清与固定浓度的低温保护剂混合溶液最佳降温程序的测定

关闭出口端阀门，开启生物样品入口1阀门，将一定量蛋清溶液加入溶液进口1，待其完全流入样品容器阵列6的样品容器之后，再将低温保护剂由低温保护剂进口2注入，待其完全流入样品容器阵列6的样品容器之后，开启搅拌器11，使之充分搅拌，混合；这样就得到了几组容量不同但浓度相同的溶液。放置1到100分钟，开启计算机降温程序，对每个制冷器设计不同的低温保护程序，控制输入功率，实施特定的降温和升温过程。待完毕后，再次实施特定的降温程序，开启电极阵列8中的电极和温度传感器阵列7中温度传感器进行温度和电阻抗检测，将所得结果与前述降温复温曲线进行比较，得出相差最小的为合适的降温复温程序。

实施例2：一定降温程序下低温保护剂浓度的筛选

关闭出口端阀门，开启样品入口阀门，将一定量蛋清溶液加入溶液进口1，待其完全流入样品容器阵列6之后，再将低温保护剂由溶液进口2注入，待其完全流入样品容器阵列6之后，开启搅拌器11，使之充分搅拌，混合。这样得到了几组不同浓度的蛋清一低温保护剂混合溶液。其浓度由样品容器阵列6的位置决定。其浓度计算按照一分为二，均匀混合计算，即一个流道分叉成两个，其流量按照平均分配。这样很容易根据初始浓度计算出样品溶液的浓度。根据不同的需要，还可选用流道的分叉管径不同的芯片，以实现浓度配比的多样化。其余步骤同实施例1。