一种基于微流控芯片的连续磁分离装置及方法与流程

本发明属于生物样品检测前期处理的技术手段，尤其涉及了一种基于微流控芯片的连续磁分离装置及方法。

背景技术：

现在的国内外的生物样品检测大多数采用免疫磁分离法，生物样品检测溶液大多数是细菌、抗生素、细胞还有一些杂质等物质的混合，通过对磁珠表面修饰特定的抗体，以求抗原和抗体的结合，能够特异性吸附目标物质，最后对吸附目标物的磁珠进行后续的检测。而针对免疫磁分离方法中如何实现抗原抗体的快速结合以及最后取得的磁珠粒子的捕获成为问题。在目前的研究中，

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于微流控芯片的连续磁分离装置及方法，通过借助微流控技术实现对微小流量的生物样品进行快速操作，从而实现对待检测样品的结合和磁珠捕获。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于微流控芯片的连续磁分离装置

本发明装置包括高速摄像机、机架、芯片底板、第一滑台组、第二滑台组、电源及控制模块和微流控组件；机架上端其中两侧均安装有第一连接板，芯片底板底部通过支撑柱固定于两块第一连接板上；机架上端另两侧内侧面均安装有第二连接板，芯片底板下方前后两侧分别设有第一滑块组、第二滑台组，第一滑块组、第二滑台组分别固定于两块第二连接板上；芯片底板上端面中间有一长方形凹槽，凹槽底部设有圆形通孔与方形通孔，凹槽内嵌装有微流控组件；机架下部固定有两根相互平行的横梁，两根横梁下端面安装有电源及控制模块；相机支撑架主要由支撑杆和固定于支撑杆上部的安装座组成，机架后侧的上端面中间固定有支撑杆，安装座底部安装有高速摄像机，高速摄像机通过相机支撑架安装于芯片底板正上方，高速摄像机的镜头朝下正对芯片底板的凹槽。

所述第一滑台组位于远离支撑杆的一侧，所述第一滑台组包括第一支承座、第一滑块、第一l型连接板、搅拌子电机、滑台电机ⅰ、磁铁套筒和第一磁铁，第一支承座为由上、下底板和位于上、下底板之间的支撑板组成的u型槽，滑台电机ⅰ、上端与第一支承座下底板相连，滑台电机ⅰ的丝杆输出轴穿过第一支承座下底板与第一支承座上底板下端面相连，位于第一支承座u型凹槽内的丝杆输出轴滑动套装有第一滑块；第一l型连接板的竖直板与第一滑块相连，第一l型连接板的水平板下端面安装有搅拌子电机，搅拌子电机的输出轴穿过第一l型连接板的水平板与磁铁套筒下端相连，磁铁套筒上端开有的圆柱形凹槽内过盈安装有第一磁铁。

所述第二滑台组位于靠近支撑杆的一侧，所述第二滑台组包括第二支承座、第二滑块、第二l型连接板、滑台电机ⅱ、磁铁固定座、第二磁铁；第二支承座为由上、下底板和位于上、下底板之间的支撑板组成的u型槽，滑台电机ⅱ上端与第二支承座的下底板相连，滑台电机ⅱ的丝杆输出轴穿过第二支承座的下底板与第二支承座的上底板下端面相连，位于第二支承座u型凹槽内的丝杆输出轴滑动套装有第二滑块；第二l型连接板的竖直板与第二滑块相连；第二l型连接板的水平板上端面通过安装有磁铁固定座，磁铁固定座中间开有的方形凹槽内过盈安装有第二磁铁，方形凹槽四周开有四个用于与第二l型连接板螺纹相连的圆形通孔。

所述滑台电机ⅰ、滑台电机ⅱ分别安装于两根横梁上端面。

所述微流控组件包括玻璃底板和位于玻璃底板上表面的pdms薄膜，玻璃底板位于芯片底板的长方形凹槽底面，pdms薄膜上沿同一直线依次设有进料口、混合池、磁分离池、出料口，进料口包括三个位于同一直线上的位于混合池同一侧的进料口，分别为第三进料口、第一进料口和第二进料口，第一进料口位于第三进料口和第二进料口之间，混合池一侧延伸出三个分别与第三进料口、第一进料口、第二进料口相连的通道，混合池另一侧延伸出与磁分离池一端相连的通道，磁分离池另一端延伸出与出料口相连的通道，磁性搅拌棒位于混合池内。

所述第一滑台组的第一磁铁正下方为混合池，第二滑台组的第二磁铁正下方为磁分离池，混合池为与第一磁铁圆心相对应的圆形，磁分离池为与第二磁铁形状相对应的方形。

所述第一支承座与第二支承座的开口方向相对。

所述进料口和出料口的上端与外界相通，混合池、磁分离池和通道均设于pdms薄膜内部且与外界不相通。

所述玻璃底片和pdms薄膜之间通过键合方式牢固贴合。

所述磁性搅拌棒在玻璃底片和pdms薄膜键合之前预先放入混合池内。

所述磁性搅拌棒采用以下方法制备而成：首先在毛细塑料管中填充顺磁性物质，然后通过火焰烧结封住毛细塑料管管口制备形成棒状物质即为磁性搅拌棒。

所述混合池为与下方的第一磁铁圆心相对应的圆形，磁分离池正下方对应第二磁铁，磁分离池为与第二磁铁形状相对应的方形。

所述进料口和出料口均通过过盈连接的毛细钢管与外置泵相连。

所述第一进料口通入磁珠溶液，第二进料口通入待测生物样品溶液，第三进料口通入pbs溶液或无水乙醇溶液，第三进料口通过阀门进行切换选择所通入的溶液。

所述芯片底板采用黑色材料制成。

所述高速摄像机的视野集中在微流控组件表面的图像数据。

所述混合池高度大于磁性搅拌棒的厚度。

二、一种基于上述装置的连续磁分离方法

包括以下步骤：

s1：通过毛细钢管分别从第一进料口、第二进料口以一定流速通入磁珠溶液、待测生物样品溶液，磁珠溶液、待测的生物样品溶液沿通道流入混合池，待高速摄像机观察到混合池填充满液体，停止磁珠溶液和待测生物样品溶液的通入；

s2：初始状态时第一磁铁和第二磁铁远离微流控组件；启动滑台电机ⅰ，第一滑块在滑台电机ⅰ的作用下向上移动从而带动位于第一l型连接板上的搅拌子电机向上移动，磁铁套筒在搅拌子电机的带动下伸入芯片底板的圆形通孔使得第一磁铁与玻璃底片下表面相贴合；启动搅拌子电机，搅拌子电机带动位于磁铁套筒上端的第一磁铁快速旋转，从而带动位于第一磁铁正上方的磁性搅拌棒旋转，混合池内的溶液在磁性搅拌棒的作用下快速混合；

s3：混合一段时间后，在滑台电机ⅰ的作用下带动第一滑块下降并且停止搅拌子电机的旋转，使得第一磁铁远离微流控组件并且停止旋转；

s4：通过毛细钢管从第三进料口通入pbs缓冲液，推动混合池内的液体向前流动至磁分离池中；

s5：当高速摄像机观察到磁分离池充满液体时，停止pbs缓冲液的通入，启动滑台电机ⅱ的旋转，第二滑块在滑台电机ⅱ的作用下向上移动从而带动位于第二l型连接板上的磁铁固定座向上伸入芯片底板的方形通孔，使得磁铁固定座凹槽内的第二磁铁与玻璃底片下表面相贴合，实现磁分离池内磁珠溶液中磁珠粒子的捕获；

s6：经过磁珠粒子的捕获后，磁珠溶液中的磁珠粒子固定至磁分离池内，保持第二磁铁的贴合状态，继续通入pbs溶液将磁分离池内上层的废液从出料口洗出，待高速摄像机清晰观察到磁分离池有磁珠粒子的图像，通过滑台电机ⅱ控制第二磁铁下降，磁珠粒子在磁分离池内变为浮动状态，然后加快pbs溶液的流速，使和待测生物样品溶液中的抗原结合好的磁珠粒子从出料口通出；

s7：当高速摄像机观察到磁分离池无磁珠粒子的图像时，通过调节阀门控制第三进料口通入无水乙醇溶液对pdms薄膜内的整个通道进行杀菌消毒，最后使第一磁铁和第二磁铁复位至初始状态。

本发明的有益效果：

本发明在高速摄像机的视觉辅助下实现了对纳米级别的磁性粒子的动态混合和磁分离，提高了待检测样品的混合速度和磁珠吸附效率。

附图说明

图1是本发明装置的立体图。

图2是本发明装置的主视图。

图3是本发明装置的侧视图。

图4是本发明微流控组件的结构图；(a)为微流控组件的平面结构图；(b)为微流控组件的立体结构图。

图5是本发明芯片底板的结构图。

图6是本发明磁铁固定座的结构图。

图7是本发明磁铁套筒的结构图。

图中：高速摄像头(1)；芯片底板(2)；支撑柱(3)；第一连接板(4)；第二连接板(5)；第一滑台组(6)；第二滑台组(7)；电源和控制模块(8)；相机支撑架(9)；微流控组件(10)；第一滑块(6.1)；第一l型连接板(6.2)；搅拌子电机(6.3)；滑台电机ⅰ(6.4)；磁铁套筒(6.5)；第一磁铁(6.6)；第二滑台组(7)、第二滑块(7.1)、第二l型连接板(7.2)；滑台电机ⅱ(7.3)；磁铁固定座(7.4)；第二磁铁(7.5)；电源及控制模块(8)；相机支撑架(9)；微流控组件(10)；第一进料口(10.1)；第二进料口(10.2)；第三进料口(10.3)；混合池(10.4)；磁性搅拌棒(10.5)；磁分离池(10.6)、出料口(10.7)；玻璃底片(10.8)；毛细钢管(10.9)；pdms薄膜(10.10)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，机架上端其中两侧均安装有第一连接板4，芯片底板2底部通过支撑柱3固定于两块第一连接板4上；机架上端另两侧内侧面均安装有第二连接板5，芯片底板2下方前后两侧分别设有第一滑块组6、第二滑台组7，第一滑块组6、第二滑台组7分别固定于两块第二连接板5上；机架下部固定有两根相互平行的横梁，两根横梁下端面安装有电源及控制模块8；相机支撑架9主要由支撑杆和固定于支撑杆上部的安装座组成，机架后侧的上端面中间固定有支撑杆，安装座底部安装有高速摄像机1，高速摄像机1通过相机支撑架9安装于芯片底板2正上方，高速摄像机1的镜头朝下正对芯片底板2的凹槽。

如图3所示，第一滑台组6位于远离支撑杆的一侧，第一滑台组6包括第一支承座、第一滑块6.1、第一l型连接板6.2、搅拌子电机6.3、滑台电机ⅰ6.4、磁铁套筒6.5和第一磁铁6.6，第一支承座为由上、下底板和位于上、下底板之间的支撑板组成的u型槽，滑台电机ⅰ6.4、上端与第一支承座下底板相连，滑台电机ⅰ6.4的丝杆输出轴穿过第一支承座下底板与第一支承座上底板下端面相连，位于第一支承座u型凹槽内的丝杆输出轴滑动套装有第一滑块6.1；第一l型连接板6.2的竖直板与第一滑块6.1相连，第一l型连接板6.2的水平板下端面安装有搅拌子电机6.3。

如图3所示，第二滑台组7位于靠近支撑杆的一侧，第二滑台组7包括第二支承座、第二滑块7.1、第二l型连接板7.2、滑台电机ⅱ7.3、磁铁固定座7.4、第二磁铁7.5；第二支承座为由上、下底板和位于上、下底板之间的支撑板组成的u型槽，滑台电机ⅱ7.3上端与第二支承座的下底板相连，滑台电机ⅱ7.3的丝杆输出轴穿过第二支承座的下底板与第二支承座的上底板下端面相连，位于第二支承座u型凹槽内的丝杆输出轴滑动套装有第二滑块7.1；第二l型连接板7.2的竖直板与第二滑块7.1相连；第二l型连接板7.2的水平板上端面通过安装有磁铁固定座7.4。

如图7所示，搅拌子电机6.3的输出轴穿过第一l型连接板6.2的水平板与磁铁套筒6.5下端相连，磁铁套筒6.5上端开有的圆柱形凹槽内过盈安装有第一磁铁6.6。

如图4所示，微流控组件10包括玻璃底板10.8和位于玻璃底板10.8上表面的pdms薄膜10.10，玻璃底板10.8位于芯片底板2的长方形凹槽底面；如图4a，pdms薄膜10.10上沿同一直线依次设有进料口、混合池10.4、磁分离池10.6、出料口10.7，进料口包括三个位于同一直线上的位于混合池10.4同一侧的进料口，分别为第三进料口10.3、第一进料口10.1和第二进料口10.2，第一进料口10.1位于第三进料口10.3和第二进料口10.2之间，混合池10.4一侧延伸出三个分别与第三进料口10.3、第一进料口10.1、第二进料口10.2相连的通道，混合池10.4另一侧延伸出与磁分离池10.6一端相连的通道，磁分离池10.6另一端延伸出与出料口10.7相连的通道，磁性搅拌棒10.5位于混合池10.4内。如图4b，进料口和出料口10.7均通过过盈连接的毛细钢管10.9与外置泵相连。

如图5所示，芯片底板2上端面中间有一长方形凹槽，凹槽底部设有圆形通孔与方形通孔，凹槽内嵌装有微流控组件10。

如图6所示，磁铁固定座7.4中间开有的方形凹槽内过盈安装有第二磁铁7.5，方形凹槽四周开有四个用于与第二l型连接板7.2螺纹相连的圆形通孔。

本发明具体实施的测试方式如下：

s1：通过毛细钢管10.9分别从第一进料口10.1、第二进料口10.2以一定流速通入磁珠溶液、待测生物样品溶液，磁珠溶液、待测的生物样品溶液沿通道流入混合池10.4，待高速摄像机1观察到混合池10.4填充满液体，停止磁珠溶液和待测生物样品溶液的通入；

s2：初始状态时第一磁铁6.6和第二磁铁7.5远离微流控组件10；启动滑台电机ⅰ6.4，第一滑块6.1在滑台电机ⅰ6.4的作用下向上移动从而带动位于第一l型连接板6.2上的搅拌子电机6.3向上移动，磁铁套筒6.5在搅拌子电机6.3的带动下伸入芯片底板2的圆形通孔使得第一磁铁6.6与玻璃底片10.8下表面相贴合；启动搅拌子电机6.3，搅拌子电机6.3带动位于磁铁套筒6.5上端的第一磁铁6.6快速旋转，从而带动位于第一磁铁6.6正上方的磁性搅拌棒10.5旋转，混合池10.4内的溶液在磁性搅拌棒10.5的作用下快速混合；

s3：混合一段时间后，在滑台电机ⅰ6.4的作用下带动第一滑块6.1下降并且停止搅拌子电机6.3的旋转，使得第一磁铁6.6远离微流控组件10并且停止旋转；

s4：通过毛细钢管10.9从第三进料口10.3通入pbs缓冲液，推动混合池10.4内的液体向前流动至磁分离池10.6中；

s5：当高速摄像机1观察到磁分离池10.5充满液体时，停止pbs缓冲液的通入，启动滑台电机ⅱ7.3的旋转，第二滑块7.1在滑台电机ⅱ7.3的作用下向上移动从而带动位于第二l型连接板7.2上的磁铁固定座7.4向上伸入芯片底板2的方形通孔，使得磁铁固定座7.4凹槽内的第二磁铁7.5与玻璃底片10.8下表面相贴合；

s6：经过磁捕获后，磁珠溶液中的磁珠粒子固定至磁分离池10.5内，保持第二磁铁7.5的贴合状态，继续通入pbs溶液将磁分离池10.5内上层的废液从出料口10.7洗出，待高速摄像机1清晰观察到磁分离池10.5有磁珠粒子的图像，通过滑台电机ⅱ7.3控制第二磁铁7.5下降，磁珠粒子在磁分离池10.5内变为浮动状态，然后加快pbs溶液的流速，使和待测生物样品溶液中的抗原结合好的磁珠粒子从出料口10.7通出，并做好收集工作；

s7：当高速摄像机1观察到磁分离池无磁珠粒子的图像时，通过调节阀门控制第三进料口10.3通入无水乙醇溶液对pdms薄膜10.10内的整个通道进行杀菌消毒，最后使第一磁铁6.6和第二磁铁7.5复位至初始状态，准备下一次检测。

由此可见，通过本发明能够结合图像处理，实现在微流控芯片下快速对纳米级别免疫磁珠粒子充分的抗原抗体混合、分离过程。