一种POCT即用型微流控芯片及应用方法

摘要

本发明公开一种POCT即用型微流控芯片及应用方法。该芯片包含若干平行的同轴套管结构，位于内层的核心管包含由若干相互隔离的舱段及相应的狭缝用于试剂装载和功能操作，位于外层的管套设置有若干开口或半开口的狭缝或通孔，通过核心管与套管的相对运动包括轴向运动、旋转及其组合操作进行生物分析。本发明的芯片具有如下优点：可满足试剂预装载及储运要求，分析前仅需加注样品即可使用；分析操作简单，无需外部复杂泵阀控制；能够以全集成方式实现某些生物分析的平行多步操作，便于实现分析仪器的自动化；无复杂微通道，加工简单便于批量制作。该芯片能在对蛋白、核酸等的生物样品进行提取和分析。

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体为微流控技术以及POCT产品技术，尤其涉及一种POCT即用型微流控芯片及应用方法。

背景技术

POCT(Point-of-care testing，现场即时检测或床旁检测)是指在采样现场进行的、利用便携式分析仪器及配套试剂快速得到检测结果的一种检测方式。

传统上，生物检测过程大多在分立的反应管或反应板中进行，其试剂、样品的加载一般需要专业人员或者自动化工作站以“移液”方式完成。对于涉及多步操作流程的生物检测，人工操作往往费时、费力，还存在人为因素导致结果不稳定的风险；自动化移液工作站虽然可以满足高通量快速精准分析需求，但由于涉及泵阀管路控制及机械臂移位操作而导致系统复杂、设备笨重昂贵、维护要求高。因此，这类传统上依赖复杂移液操作的生物检测大多限于在专业实验室或大型检测中心开展，而难以适应POCT应用需求。

作为一种利用微通道操控或处理微量流体的系统科学技术，微流控(microfluidics)可以为面向POCT应用的生物分析提供极为有利的流体操作工具。它可以在一片几平方厘米的芯片上实现生物分析所需功能单元(如样品制备、反应、分离、检测)灵活组合和规模集成，大大减小试剂/样品的消耗，加快反应分析速度，易于高通量操作及自动化和便携化。这些优势与POCT产品所要求的仪器微型化、操作简便化、结果及时化、样品微量化等特性不谋而合，因此，越来越多的POCT产品以微流控芯片作为核心技术平台。

然而，现有的微流控芯片POCT产品依然面临诸多挑战，具体包括：(1)流体操作方式依然相对复杂，大多依赖精密的泵阀操作；(2)芯片在材料或结构上的特殊要求(如生物兼容性和微加工工艺)导致批量生产困难、成本偏高；(3)集成度、测试通量与检测性能之间平衡，在现有微流控POCT产品中，大多数具备多重检测能力的未能实现定量检测或全集成，而全集成且具备定量检测功能的往往检测指标单一应用受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低，生产工艺简单，不受检测指标单一应用受限的POCT即用型微流控芯片及应用方法。

为了克服上述现有技术中的缺陷本发明采用如下技术方案：

一种POCT即用型微流控芯片，包括管套芯片，位于管套芯片内部的管套上形成若干平行的同轴套管结构的核心管；所述管套芯片包括位于管套上的操作段定位孔、初始限位段、核心管动作段、核心管终止限位段和限位螺丝，操作段定位孔位于管套最前端，初始限位段、核心管动作段和核心管终止限位段位于管套内部，限位螺丝位于管套最末端；所述核心管由操作段和主体段组成，主体段与操作段一体化或有固定连接，二者结构上整体呈同轴串联圆柱体布局，主体段圆柱体直径略大于操作段圆柱体直径；主体段底部设置有若干狭缝，操作段的外周面设有旋转位置标识，其中与狭缝同侧的一面指示“加载”，与狭缝完全异侧的一面指示“分析”，加载与分析之间的两面军均为“存储”。

进一步地，所述管套芯片的底部设置有收集池、操作孔、光学检测孔；管套芯片的顶面设有旋转位置指示窗、加样孔、密封片卡槽和加样孔密封片。加样孔密封片与加样孔重合部分的材料可为易穿刺的塑料疏水薄膜或包含疏水层的铝箔。

操作杆定位孔的内径与核心管的操作段外径相当，用于外部操作杆与芯片核心管操作段的定位对接；核心管动作段内径与核心管主体段外径相当，与核心管配合形成密封结构用于试剂预存储、废液回收和提供核心管操作运动所需空间；核心管动作段与操作杆定位孔之间的内径突变区即形成初始限位段，用于核心管操作初始位置的定位和防止核心管从操作杆定位孔滑出；加样孔为通孔结构，位于核心管动作段的顶面，加样孔数目与核心管舱段数目的两倍，即每一个舱段对应两个加样孔，分别用于试剂/样品的加注口和加注时的排气操作，加样孔的孔距比例于对应舱段的长度；收集池位于核心管动作段的底部，为半开口结构，开口侧可与核心管的狭缝相通，用于特定试剂的收集和转运；操作孔与检测孔位于核心管动作段的底部，为半开口结构，开口方向朝向芯片外部，用于操作单元和检测单元的定位；终止限位段和限位螺丝用于核心管操作终止位置的限制，未安装限位螺丝时，核心管可以通过终止限位段一侧插入管套芯片中；管套芯片上设置有密封片卡槽，其位于加样孔的上方，与加样孔密封片嵌合用于加样孔的永久或暂时封闭。

进一步地，所述主体段还设置有若干体积不等的舱段和发光检测舱，舱段分为样品舱、一次洗涤舱、二次洗涤舱。

进一步地，所述舱段之间的厚度(隔断结构)不小于管套芯片收集池平行于轴线方向的长度，以达到较好的分离和阻隔串流作用。

所述狭缝宽度不超过1毫米，狭缝内侧面平滑且与核心管径向方向的夹角为锐角，以达到较好的分离效果。

所述收集池平行于轴线方向的截面呈边角平滑过渡的等角梯形且近轴心一侧为宽边，收集池池底的有效厚度不超过1毫米，以达到较好的分离和舱段密封作用。

进一步地，所述核心管和管套芯片材质是疏水性聚合物材料或者是溶液接触面进行表面疏水处理的材料。

进一步地，所述核心管为黑色或深色不透明材料，管套为光学透明材料或局部包含光学透明材料。

进一步地，POCT即用型微流控芯片应用在生物样品分析中，生物分子优选为蛋白和核酸。

进一步地，所述生物样品分析包括生物分子提取，以及定性分析和/或定量分析。

一种POCT即用型微流控芯片的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将核心管的各个狭缝开口旋转至与套管顶面的加样孔重合时，可向核心管内各个舱段中分别加入含有样品或试剂的水相溶液；

(2)将核心管的各个狭缝开口旋转至与套管顶面的加样孔错位90°时，可实现核心管内各个舱段中样品或试剂的水相溶液的密封储运；

(3)将核心管的各个狭缝开口旋转至与套管顶面的加样孔错位180°时，核心管与管套相对运动可使核心管内各个舱段中样品或试剂的水相溶液依次与套管底面的收集池内物质发生融合、交换或分离，进而完成多步生物分析。

进一步地，在加入试剂前向各个舱段注入一定量的油相，已达到较好的生物兼容性、密封和润滑效果。

本发明提供的POCT即用型微流控芯片及应用方法设计科学合理，具有以下优点：

(1)本发明提供的POCT即用型微流控芯片能预装载试剂，使用时仅需加入待检样品，使用方便，节约分析时间。

(2)本发明提供的POCT即用型微流控芯片通过简单地相对移位操作即可实现复杂多步的生物分析，降低目前这类微流控芯片对操作控制支持设备的要求。

(3)本发明提供的POCT即用型微流控芯片无复杂的微流体管路，加工简单成本低，便于批量化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明一种POCT即用型微流控芯片实施例示意图；

图2是POCT即用型微流控芯片的管套芯片结构板示意图；

图3是POCT即用型微流控芯片的单元核心管结构示示意图；

图4为图3的POCT即用型微流控芯片的核心管剖面示意图；

图5是POCT即用型微流控芯片的旋转操作示意图；

图6是POCT即用型微流控芯片用于磁酶免化学发光分析的轴向操作示意图；

图7是POCT即用型微流控芯片的用于“样品进结果出”核酸分析的轴向操作示意图；

附图中：1、管套芯片；2、核心管；1-1、操作段定位孔；1-2、初始限位段；1-3、收集池；1-4、操作孔；1-5、检测孔；1-6、核心管动作段；1-7、核心管终止限位段；1-8、限位螺丝；1-9、旋转位置指示窗；1-10、加样孔；1-11、密封片卡槽；1-12、加样孔密封片；2-1、核心管主体；2-2、狭缝；2-3、操作段；2-4、舱段；2-5、隔断结构；2-6、操作段插槽；2-7、核心管狭缝开口边缘；w、核心管狭缝开口宽度；α、核心管的狭缝边缘内侧面与径向夹角。

具体实施方式

下面将具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种POCT即用型微流控芯片及其用于磁酶免化学发光分析的方法，如图1和图2所示，透明特氟龙材质的管套芯片1包含操作段定位孔1-1、初始限位段1-2、核心管动作段1-6、核心管终止限位段1-7、限位螺丝1-8，用于核心管的定位、旋转和推进操作；管套芯片1的顶面设有旋转位置指示窗1-9、加样孔1-10、密封片卡槽1-11和加样孔密封片1-12；管套芯片1的底部设置有收集池1-3、磁操作孔1-4、光学检测孔1-5。如图3和图4所示，黑色特氟龙材质的核心管2由操作段2-3和顶部设有系列狭缝2-2的主体段2-1组成，其中主体段2-1设置有体积不等的舱段2-4：—样品舱、一次洗涤舱、二次洗涤舱和发光检测舱，分别用于样品抗原与辣根过氧化酶抗体及磁珠抗体共孵育、抗原-抗体复合物的洗涤和辣根过氧化酶催化的化学发光检测。操作段2-3沿轴线方向设有六角形操作段插槽2-6，操作段2-3外周分别设有“加载”、“存储”、“分析”和“存储”的指示标志。各舱段之间的隔断结构2-5厚度为3毫米。狭缝2-2宽度w为1毫米，狭缝2-2开口内侧面与对应径向夹角α为60°。收集池1-3的长度为2毫米，开口宽度为1毫米，深度为0.5毫米。

其使用方法如下：

首先，如图5所示的I中，将管套芯片1上的加样孔1-10的开口朝上放置，确认旋转位置指示窗1-9显示“加样”，按分析需求将试剂和一定比例的油相先后注入核心管3各舱段2-4；然后，如图5所示的II中，旋转核心管2至旋转位置指示窗1-9显示“储存”，将加样孔密封片1-12嵌入密封片卡槽1-11封闭，储存待用；使用前，旋转核心管2至旋转位置指示窗1-9显示“加样”，将管套芯片1上的加样孔1-10的开口朝上放置并撕去加样孔密封片1-12，将待测样品注入核心管样品舱段2-4；分析时，如图5所示的III中，先将核心管2旋转至“分析”位。

其用于磁酶免化学发光分析的操作方法如下：

(1)待抗原抗体充分反应后，在磁操作孔1-4施加磁场使磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物穿过狭缝2-2聚集于收集池1-3处，如图6中的I所示；

(2)驱动核心管2相对管套芯片1运动，维持磁场，直至样品舱与一次洗涤舱之间的隔断通过收集池1-3，此时磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物与样品舱废液分离，如图6中的Ⅱ所示；

(3)驱动核心管2相对管套芯片1运动，直至收集池1-3位于一次洗涤舱下方，撤去磁场，磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物在表面张力作用下与一次洗涤液融合，如图6中的Ⅲ所示；

(4)驱动核心管2相对管套芯片1运动，维持磁场，直至一次洗涤舱与二次洗涤舱之间的隔断经过收集池1-3正上方，此时磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物与一次洗涤舱废液分离；

(5)驱动核心管2相对管套芯片运动，直至收集池1-3位于二次洗涤舱下方，撤去磁场，磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物在表面张力作用下与二次洗涤液融合；

(5)驱动核心管2相对管套芯片1运动，维持磁场，直至二次洗涤舱与发光检测舱之间的隔断通过收集池1-3，此时磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物与二次洗涤舱废液分离；

(6)驱动核心管2相对管套芯片1运动至收集池1-3位于发光检测舱下方，撤去磁场，磁珠-抗原-辣根过氧化物酶的复合物在表面张力作用下与底物反应液融合，触发化学发光，此时用于检测化学发光的光电转换器件位于光学检测孔1-5，如图6中的Ⅳ所示。

实施例2

一种POCT即用型微流控芯片及其用于“样品进结果出”等温核酸扩增分析的方法，如图1和图2所示，透明聚丙烯材质的管套芯片1包含操作段定位孔1-1、初始限位段1-2、核心管动作段1-6、核心管终止限位段1-7、限位螺丝1-8，用于核心管的定位、旋转和推进操作；管套芯片的顶面设有旋转位置指示窗1-9、加样孔1-10、密封片卡槽1-11和加样孔密封片1-12；管套芯片1的底部设置有收集池1-3、磁操作孔1-4、光学检测孔1-5。如图3所示，深色聚丙烯材质的核心管2由操作段2-3和顶部设有系列狭缝2-2的主体段2-1组成，其中主体段2-1设置有体积不等的舱段2-4：—样品舱、一次洗涤舱、二次洗涤舱和扩增检测舱，分别用于样品细胞裂解-核酸磁捕获、核酸磁珠复合物的洗涤和等温扩增及荧光检测。操作段沿轴线方向设有六角形操作段插槽2-6，操作段2-3外周分别设有“加载”、“存储”、“分析”和“存储”的指示标志。各舱段2-4之间的隔断结构2-5厚度为3毫米。狭缝2-2宽度w为0.5毫米，狭缝2-2开口内侧面与对应径向夹角α为45°。收集池1-3的长度为1.6毫米，开口宽度为0.5毫米，深度为0.3毫米。

其使用方法如下：

首先，如图5中的I所示，将管套芯片1上的加样孔1-10的开口朝上放置，确认旋转位置指示窗1-9显示“加样”，按分析需求将一定比例的油相和试剂先后注入核心管各舱段；然后，如图5中的II所示，旋转核心管2至旋转位置指示窗1-9显示“储存”，将加样孔密封片1-12嵌入密封片卡槽1-11封闭，储存待用；使用前，旋转核心管2至旋转位置指示窗1-9显示“加样”，将管套芯片1上的加样孔1-10的开口朝上放置并刺穿样品舱上方加样孔密封片1-12，将待测样品注入核心管样品舱段2-4；分析时，如图5中的III所示，先将核心管旋转至“分析”位。

其用于“样品进结果出”等温核酸扩增分析的操作方法如下：

(1)待细胞裂解释放的核酸与功能修饰的磁珠充分结合后，在磁操作孔1-4施加磁场使携带核酸的磁性粒子穿过狭缝2-2聚集于收集池1-3处，如图7中的I所示；

(2)驱动核心管2相对管套芯片运动，维持磁场，直至样品舱与一次洗涤舱之间的隔断通过收集池1-3，此时携带核酸的磁性粒子与样品舱的废液分离，如图7中的Ⅱ所示；

(3)驱动核心管2相对管套芯片1运动，直至收集池1-3位于一次洗涤舱下方，撤去磁场，携带核酸的磁性粒子在表面张力作用下与一次洗涤液融合，如图7中的Ⅲ所示；

(4)驱动核心管2相对管套芯片1运动，维持磁场，直至一次洗涤舱与二次洗涤舱之间的隔断通过收集池1-3，此时携带核酸的磁性粒子与一次洗涤舱废液分离；

(5)驱动核心管2相对管套芯片运动，直至收集池1-3位于二次洗涤舱下方，撤去磁场，携带核酸的磁性粒子在表面张力作用下与二次洗涤液融合；

(5)驱动核心管2相对管套芯片1运动，维持磁场，直至二次洗涤舱与等温扩增检测舱之间的隔断通过收集池1-3，此时磁携带核酸的磁性粒子与二次洗涤舱废液分离；

(6)驱动核心管2相对管套芯片运动，直至收集池1-3位于等温扩增检测舱下方，撤去磁场，携带核酸的磁性粒子在表面张力作用下与扩增反应预混液融合，核酸从磁性粒子表面解离释放到扩增预混液中；

(7)在磁操作孔1-4施加磁场，使磁性粒子与扩增反应液分离并被聚集至收集池1-3中，如图7-Ⅳ所示；

(8)驱动核心管2相对管套芯片1运动，直至光学检测孔1-5位于等温扩增检测舱正下方，加热等温扩增检测舱至等温扩增所需的温度，同时位于光学检测孔1-5处的荧光激发与采集模块持续采集扩增过程中的荧光信号，生成实时定量扩增曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。