本发明涉及用于生物检测的医疗器械，具体涉及一种液滴芯片核酸分析系统及其分析方法。
背景技术
核酸分析可以检测遗传物质，具有快速、准确、灵敏的优势。典型的核酸分析步骤包括：样品裂解、核酸提取和纯化、核酸扩增和检测。随着荧光定量pcr的推广，核酸检测得到了广泛应用。尽管如此，核酸分析技术的推广还是被一些因素所制约，如：1)场地要求严格，试剂准备、核酸提取和扩增需要分别在独立房间内进行，极大限制了该技术在医疗资源有限条件下的开展；2)采用离线式分析，操作复杂、分析周期较长；3)测试信息通量有限，现有的荧光定量pcr方法只是针对单一指标检测设计，对于多指标的基因检测无论是操作繁琐程度还是测试成本均是难以接受的。
微流控(microfluidic)技术具有设计灵活的优势，有利于在微小尺寸平台上实现分析单元的功能集成和灵活组合。微流控芯片被广泛用于核酸分析，相比较传统分析平台具有操作简便、分析快速快和试剂消耗低的优势。尽管微流控核酸分析技术取得了重要的进展，该技术尚有一些方面有待完善，例如：(1)需要在功能集成与测试通量之间达到平衡。目前，绝大多数全集成式微流控装置每次只能分析一个样品，而高通量分析装置则未能集成核酸分析的整个过程，发展具有较高通量的集成化分析装置则会更好满足应用需求；(2)需要更为简便灵活的液体转移方案。试剂和样品的定量和定位转移是微流控芯片面临的另一个挑战。虽然之前报导了一系列芯片微泵微阀技术，但是由于加工成本高，控制系统复杂等问题而难于推广。现实应用需要一种应用更为简便灵活的液体转移方案；(3)需要解决芯片-试管对接问题，存储于试管中试剂和样品如何引入封闭的芯片中，是微流控芯片走向实际应用需要解决的另一个难题。实际应用中往往是批量样品分析，因而需要自动化液体转运操作实现芯片-试管对接。上述几个问题的解决，将有助于推进微流控核酸分析技术走向实际应用。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种通过全集成方式完成核酸分析的液滴芯片核酸分析系统及其分析方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种液滴芯片核酸分析系统，包括：作为基础安装平面的安装平台、承载核酸分析样品的样品承载台、承载核酸分析试剂的试剂承载台、承载开放式芯片的芯片承载台、在样品承载台、试剂承载台、芯片承载台之间平移的取样针、对芯片进行温度控制的温度控制模块、对芯片中的内容物进行磁珠转移的磁控模块、对芯片中的内容物进行核酸分析的光学检测模块、对光学检测模块进行信号采集的信号采集模块。光学检测模块用于检测核酸分析芯片液滴中的光学信号；样品承载台、试剂承载台、芯片承载台、取样针、温度控制模块、磁控模块、光学检测模块、信号采集模块均集成设置在安装平台上，核酸分析的样品裂解、核酸提取和纯化、核酸扩增和检测步骤均在该集成的分析系统上进行。
作为一种优选，一种液滴芯片核酸分析系统，还包括空间平移机构、直线平移机构、暗仓；样品承载台、试剂承载台、芯片承载台固定在安装平台上，光学检测模块位于暗仓内，暗仓架设在安装平台上，取样针和磁控模块通过空间平移机构安装在安装平台上；直线平移机构包括承载芯片的滑动平台，滑动平台进入或离开光学检测模块的正下方，温度控制模块安装在滑动平台内。
作为一种优选，样品承载台、芯片承载台、直线平移机构从前往后依次设置，试剂承载台位于芯片承载台的一侧，直线平移机构驱动滑动平台前后平移，光学检测模块位于直线平移机构的后端的正上方；空间平移机构包括一组前后平移机构、一组左右平移机构和两组上下平移机构，两组上下平移机构分别驱动取样针和磁控模块上下平移，左右平移机构同时驱动取样针和磁控模块左右平移，前后平移机构同时驱动取样针和磁控模块前后平移。
作为一种优选，磁控模块包括多根磁钢针和与磁钢针一一对应设置的电磁铁；磁钢针沿着左右方向排列，多根磁钢针在上下平移机构的作用下同步上下平移；前后平移机构、左右平移机构、上下平移机构均为由电机驱动的丝杠滑块机构。
作为一种优选，光学检测模块包括光源、激发光滤光片、二向色性滤光片、发射光滤光片、光电传感器，当芯片位于光学检测模块的正下方时，沿着入射光的方向，光源、激发光滤光片、二向色性滤光片、芯片依次设置，沿着出射光的方向，芯片、二向色性滤光片、发射光滤光片、光电传感器从下往上依次设置。
作为一种优选，一种液滴芯片核酸分析系统，还包括平面平移机构、转动升降臂、暗仓；样品承载台和试剂承载台均为回转式结构，安装在安装平台上；芯片承载台通过平面平移机构安装在安装平台上，进入或离开暗仓；转动升降臂安装在安装平台上，带动取样针升降，以及带动取样针在样品承载台、试剂承载台、芯片承载台之间转动；磁控模块设置在平面平移机构范围内；温度控制模块和光学检测模块设置在暗仓内。
作为一种优选，样品承载台和试剂承载台位于转动升降臂的左前方和右前方，平面平移机构位于转动升降臂的后方，暗仓位于平面平移机构的左端；平面平移机构包括前后平移机构和左右平移机构，驱动芯片承载台在水平面上平移；转动升降臂包括转动臂和带动转动臂升降的上下平移机构。
作为一种优选，磁控模块为磁柱阵列，固定在安装平面上；前后平移机构、左右平移机构均为由电机驱动的丝杠滑块机构。
作为一种优选，光学检测模块包括蓝光led灯泡、激发光滤光片、发射光滤光片、光电传感器；当芯片位于光学检测模块的正下方时，沿着入射光的方向，蓝光led灯泡、激发光滤光片、芯片依次设置，沿着出射光的方向，芯片、发射光滤光片、光电传感器从下往上依次设置。
一种液滴芯片核酸分析系统的分析方法，样品承载台、试剂承载台、芯片承载台、取样针、温度控制模块、磁控模块、光学检测模块、信号采集模块均集成安装在安装平台上，核酸分析步骤均可在液滴芯片核酸分析系统中完成；取样针抽取样品承载台的核酸分析样品至芯片承载台的芯片上，取样针抽取试剂承载台的核酸分析试剂至芯片承载台的芯片上，或取样针将芯片中的内容物在芯片的不同区域内转移，磁控模块对芯片中的内容物进行磁珠转移，温度控制模块对芯片中的内容物进行温度控制，光学检测模块对芯片中的内容物进行核酸分析，分析结果由信号采集模块进行采集。
芯片为开放式结构，表面具有图形化亲水-疏水分区或承载液体的微结构。材料优选为玻璃、塑料、聚四氟乙烯和硅胶，芯片面积优选为10～100平方厘米。
本发明的发明机理为，在具有图形化亲水-疏水分区，或特定疏水表面微结构如微池、微坑的开放式芯片表面，加载水相和油相溶液后可以在表面张力作用下可以形成油包水型微液滴。借助于取样针和芯片的相对三维运动，可以在芯片表面定位定量形成一系列液滴。通过取样针进行的液体转移，以及磁控模块控制的磁珠转移，能够以集成化方式实现批量核酸分析操作。
本发明的特点是：(1)使用开放式芯片，便于试剂的装载；(2)在芯片上定位定量形成包含试剂或样品的油包水型液滴；(3)结合微量移液和磁珠操控，以全集成方式完成核酸分析过程；(4)应用灵活，满足单一或多个样品平行分析；(5)相比较传统分析方法，显著降低试剂消耗。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供的基于微液滴技术的生物分析系统在芯片上集成了核酸分析的全过程，具有操作自动化、分析速度快、测试通量高的优势。
(2)该系统应用灵活，满足单一或多个样品平行分析。
(3)本发明提供的基于微液滴技术的核酸分析方法，试剂存储和反应均在油相覆盖液滴中进行，不仅提高反应效率还保持了反应条件的稳定，有效避免了样品之间的交叉污染和因表面吸附造成的反应抑制。
(4)使用液滴反应器降低试剂消耗，有助于节省测试成本。
(5)系统采用微量移液方式实现流体操控，可以消除死体积。
(6)使用集成式的安装平台结构，有利于减小仪器体积。
综上所述，本发明提供的液滴芯片核酸分析系统具有体积小、试剂消耗量低、操作灵活和分析速度快的优点，尤其适合于基层医疗单位和现场快速检测应用。该系统显著降低了该类设备的购买和运行成本，有助于提高医疗服务质量，可以更好地满足广大人民群众的就医需求。
附图说明
图1是实施例一的一种液滴芯片核酸分析系统的立体图。
图2是图1中光学检测模块的结构示意图。
图3是实施例二的一种液滴芯片核酸分析系统的立体图。
图4是图2中光学检测模块的结构示意图。
图5是利用图1系统实现的在具有微坑阵列芯片上基于荧光定量pcr的乙型肝炎病毒dna检测分析流程示意图。
图6是利用图2系统实现的在具有微池阵列芯片上基于实时荧光核酸恒温扩增检测(sat)的肺炎支原体rna检测分析流程示意图。
图7是利用图1系统实现的在具有图形化亲水-疏水区芯片上基于环介导等温扩增的结核杆菌基因检测分析流程示意图。
其中，1为样品承载台，2为试剂承载台，3为丝杠，4为电机，5为芯片承载台，6为芯片，7为取样针，8为电磁铁，9为磁钢针，10为暗仓，11为温度控制模块，12为光源或蓝光led灯泡，13为激发光滤光片，14为二向色性滤光片，15为发射光滤光片，16为光电传感器，17为磁珠阵列，18为转动升降臂。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种液滴芯片核酸分析系统，包括：作为基础安装平面的安装平台、承载核酸分析样品的样品承载台、承载核酸分析试剂的试剂承载台、承载开放式芯片的芯片承载台、在样品承载台、试剂承载台、芯片承载台之间平移的取样针、对芯片进行温度控制的温度控制模块、对芯片中的内容物进行磁珠转移的磁控模块、对芯片中的内容物进行核酸分析的光学检测模块、对光学检测模块进行信号采集的信号采集模块、空间平移机构、直线平移机构、安装光学检测模块的暗仓。
本实施例通过空间平移机构实现取样针和磁控模块相对于样品承载台、试剂承载台、芯片承载台的空间位置平移。通过直线平移机构实现芯片进入或离开暗仓。具体结构如下：
样品承载台、试剂承载台、芯片承载台固定在安装平台上，光学检测模块位于暗仓内，暗仓架设在安装平台上，取样针和磁控模块通过空间平移机构安装在安装平台上；直线平移机构包括承载芯片的滑动平台，滑动平台进入或离开光学检测模块的正下方，温度控制模块安装在滑动平台内。样品承载台、芯片承载台、直线平移机构从前往后依次设置，试剂承载台位于芯片承载台的一侧，直线平移机构驱动滑动平台前后平移，光学检测模块位于直线平移机构的后端的正上方；空间平移机构包括一组前后平移机构、一组左右平移机构和两组上下平移机构，两组上下平移机构分别驱动取样针和磁控模块上下平移，左右平移机构同时驱动取样针和磁控模块左右平移，前后平移机构同时驱动取样针和磁控模块前后平移。磁控模块包括多根磁钢针和与磁钢针一一对应设置的电磁铁；磁钢针沿着左右方向排列，多根磁钢针在上下平移机构的作用下同步上下平移；前后平移机构、左右平移机构、上下平移机构均为由电机驱动的丝杠滑块机构。光学检测模块包括光源、激发光滤光片、二向色性滤光片、发射光滤光片、光电传感器，当芯片位于光学检测模块的正下方时，沿着入射光的方向，光源、激发光滤光片、二向色性滤光片、芯片依次设置，沿着出射光的方向，芯片、二向色性滤光片、发射光滤光片、光电传感器从下往上依次设置。
操作方式为：通过前后平移机构和左右平移机构控制取样针和磁控模块的平面位置，通过两套上下平移机构分别控制取样针和磁控模块的升降；取样针完成样品在样品承载台至芯片承载台的芯片转移，完成试剂在试剂承载台至芯片承载台的芯片转移，完成内容物在承载台的芯片至滑动平移机构的芯片转移；磁控模块完成芯片承载台的芯片的磁珠转移；直线平移机构完成滑动平台进出暗仓；温度控制模块装于滑动平台上。通过施加电流可以控制电磁铁和磁钢针的磁力，具有磁力的磁钢针可以驱动磁珠在液滴间转移。
实施例二
一种液滴芯片核酸分析系统，包括：作为基础安装平面的安装平台、承载核酸分析样品的样品承载台、承载核酸分析试剂的试剂承载台、承载开放式芯片的芯片承载台、在样品承载台、试剂承载台、芯片承载台之间平移的取样针、对芯片进行温度控制的温度控制模块、对芯片中的内容物进行磁珠转移的磁控模块、对芯片中的内容物进行核酸分析的光学检测模块、对光学检测模块进行信号采集的信号采集模块、平面平移机构、转动升降臂、安装光学检测模块的暗仓。
本实施例通过转动升降臂实现取样针相对于样品承载台、试剂承载台、芯片承载台的空间位置变化。通过平面平移机构实现芯片承载台与取样针位置适配，实现芯片与磁控模块的适配，实现芯片进出暗仓。具体结构如下：
样品承载台和试剂承载台均为回转式结构，安装在安装平台上；芯片承载台通过平面平移机构安装在安装平台上，进入或离开暗仓；转动升降臂安装在安装平台上，带动取样针升降，以及带动取样针在样品承载台、试剂承载台、芯片承载台之间转动；磁控模块设置在平面平移机构范围内；温度控制模块和光学检测模块设置在暗仓内。样品承载台和试剂承载台位于转动升降臂的左前方和右前方，平面平移机构位于转动升降臂的后方，暗仓位于平面平移机构的左端；平面平移机构包括前后平移机构和左右平移机构，驱动芯片承载台在水平面上平移；转动升降臂包括转动臂和带动转动臂升降的上下平移机构。磁控模块为磁柱阵列，固定在安装平面上；前后平移机构、左右平移机构均为由电机驱动的丝杠滑块机构。光学检测模块包括蓝光led灯泡、激发光滤光片、发射光滤光片、光电传感器；当芯片位于光学检测模块的正下方时，沿着入射光的方向，蓝光led灯泡、激发光滤光片、芯片依次设置，沿着出射光的方向，芯片、发射光滤光片、光电传感器从下往上依次设置，蓝光led灯泡的发射光束与芯片平面呈45度角。
操作方式为：通过转动升降臂实现取样针的平面位置移动以及升降，配合平面平移机构，实现取样针与芯片承载台上芯片的准确对位，同时平面平移机构使得芯片与磁控模块适配，使得芯片进出暗仓。温度控制模块安装于暗仓内，光学检测模块安装于暗仓内且位于温度控制模块的正上方。磁控模块为永磁体，配合芯片的运动，可以驱动磁珠在液滴间转移。
实施例三
本实施例采用实施例一分析系统实现的在具有微坑阵列芯片上基于荧光定量pcr的乙型肝炎病毒dna检测分析。
实验使用玻璃材质的芯片，尺寸为10×10cm。芯片具有一组4×12微坑阵列，每个微坑的体积为50μl。芯片表面做疏水疏油涂层处理。
具体步骤如下：
(1)取样针顺序吸取10μl矿物油，5μl磁珠悬液和10μl样品裂解液，重复操作12次，依次加载于第一列的各个微坑。
(2)取样针顺序吸取20μl矿物油，10μl洗涤液，重复操作12次，依次加载于第二列的各个微坑。
(3)取样针顺序吸取20μl矿物油，10μl洗涤液，重复操作12次，依次加载于第三列的各个微坑。
(4)取样针顺序吸取10μl矿物油，5μl洗脱液，重复操作12次，依次加载于第四列的各个微坑。
(5)取样针顺序吸取10μl矿物油和10μl待检血清样品。重复操作，依次吸取12个样品，分别加载于第一列的各个微坑，保存5分钟。
(6)驱动12阵列磁钢针插入液滴，施加电流诱导磁钢针磁性，磁珠聚集在磁钢针尖。
(7)驱动磁钢针阵列顺序进入第二列和第三列微坑，各停留1分钟。
(8)驱动磁钢针阵列进入第四列微坑，停留1分钟。
(9)移除磁钢针，取液针吸取2μl矿物油和5μl2×pcr预混液，重复操作12次，依次加载于第四列的各个微坑。pcr预混液除常规反应组份外，还含有引物和taqman探针。
(10)液滴芯片移入暗仓，启动热循环扩增，并实时检测液滴中荧光信号。
实施例四
本实施例采用实施例二分析系统实现在具有微池阵列芯片上基于实时荧光核酸恒温扩增检测(sat)的肺炎支原体rna检测分析。
实验使用聚四氟乙烯材质芯片，尺寸为4×2.5cm。芯片具有一组8个串联微池阵列。微池宽2mm，深4mm，微池串联区为长3mm，宽300微米的狭缝。
(1)取样针顺序吸取5μl矿物油，5μlrna捕获磁珠悬液和10μl裂解液。重复操作8次，依次加载于第一列的各个微池。
(2)取样针顺序吸取5μl矿物油，10μl洗涤液。重复操作8次，依次加载于第二列的各个微池。
(3)取样针顺序吸取5μl矿物油，10μl洗涤液。重复操作8次，依次加载于第三列的各个微池。
(4)取样针顺序吸取5μl矿物油，4μlsat反应液，依次加载于第四列各个微池。每个微池中sat反应液分别包含针对肺炎支原体、结核杆菌、甲型流感病毒、乙型流感病毒、腺病毒、呼吸道合胞病毒、副流感病毒鼻病毒、冠状病毒的引物。
(5)取样针顺序吸取5μl矿物油，1μl含有聚合酶溶液，重复操作8次，依次加载于第五列的各个微池。
(6)取样针顺序吸取10μl矿物油和5μl咽拭子洗脱液。重复操作8次，依次加载于第一列的各个微池，保存5分钟。
(7)将芯片转移至磁铁上方，往返拖动芯片1分钟，使磁珠在第一列微池中振荡。
(8)驱动芯片在磁铁上方运动，拖动磁珠从第一列微池进入第二列微池中含有洗涤液的液滴，并在该处停留30秒。
(9)驱动芯片在磁铁上方运动，使磁珠从第二列微2进入第三列微池中含有洗涤液的液滴，并在该处停留30秒。
(10)驱动芯片在磁铁上方运动，使磁珠从第三列微池进入第四列微池中含有sat反应液的液滴。反应液除常规反应组份外，还含分子信标(molecularbeacon，mb)探针，但不包含酶。液滴在60摄氏度下保持10min。
(11)液滴芯片移入暗仓，42摄氏度下启动等温扩增，并实时检测液滴中荧光信号。
实施例五
本实施例采用实施例一分析系统实现在具有图形化亲水-疏水区芯片上基于环介导等温扩增的结核杆菌基因检测分析。
实验使用玻璃材质芯片，尺寸为5×10cm。芯片具有一组4×12亲水点阵，每个亲水点的直径为3mm。芯片亲水区使用线性丙烯酰胺涂层。疏水区做疏水疏油涂层处理。
(1)取样针顺序吸取5μl矿物油，2μl磁珠悬液和5μl样品裂解液。重复操作12次，依次加载于第一列的亲水点。
(2)取样针顺序吸取5μl矿物油，5μl洗涤液。重复操作12次，依次加载于第二列的亲水点。
(3)取样针顺序吸取5μl矿物油，5μl洗涤液。重复操作12次，依次加载于第三列的亲水点。
(4)取样针顺序吸取5μl矿物油，2.5μl洗脱液。重复操作12次，依次加载于第四列的亲水点。
(5)取样针顺序吸取3μl矿物油和5μl待检样品。重复操作12次，依次加载于第一列的亲水点，保留5min。
(6)驱动阵列磁钢针插入第一列亲水区位置的液滴，施加电流诱导磁钢针磁性，磁珠聚集在磁钢针尖，驱动磁钢针顺序进入第二列亲水区，保留10秒。
(7)驱动磁钢针顺序进入第三列亲水区，保留10秒。
(8)驱动磁钢针顺序进入第四列亲水区，保留30秒。
(9)移除磁钢针，取液针吸取2μl矿物油和2.5μl2×lamp反应预混液，分别加载于第四列亲水区。每个亲水点含有不同引物，分别针对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、变形杆菌、阴沟肠杆菌、鲍曼不动杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、凝固酶阴性葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、无乳链球菌和白色念球菌。
(10)液滴芯片移入暗仓，65摄氏度下启动lamp等温扩增，并实时检测液滴中荧光信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。