一种微流控核酸提取检测盒、检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及分子检测技术领域，具体而言，涉及一种微流控核酸提取检测盒、检测系统。


背景技术：

2.微流控芯片是一类以微机电加工技术为基础的，在各类材质如硅基、玻璃、塑料等基底上形成网络化的流道，并用于生物、化学等领域的分析检测的技术。微流控芯片通常在芯片上需要集成微泵、微阀等部件，实现液体的驱动控制。近年来，由于微流控芯片的可集成特性，在微流控芯片上实现核酸提取、扩增等功能成为微流控领域研究的热点。
3.而在微流控芯片上若要实现核酸的提取和扩增，需要结合微阀和泵等较为复杂的配合。如cn107129939b专利记载的内容，在芯片上设有旋转导流阀，导流阀与存储试剂的凹槽、废液池。吸附池、扩增池、称量池、捕获池等多个腔室连接，根据核酸提取的流程，依次通过旋转导流阀连实现裂解池、清洗池、洗脱池与废液池的连通，最后再连通扩增池进行扩增。该技术方案涉及到多次的选旋转导流阀的切换，且对导流阀的操作精度要求较高，因此整体的操作较为复杂，耗时较高，不利于微流控核酸提取的时效快速的要求。此外，由于导流阀与众多的腔室相连，对导流阀的设计要求较高，设计更加复杂，如专利cn110857743b和cn 112958173a中记载的内容，该类的旋转导流阀设计及材料使用要求较高，涉及到多个通孔及材料的使用，加大了微流控芯片的成本。
4.鉴于此，特提出本实用新型。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种微流控核酸提取检测盒、检测系统以解决上述技术问题。
6.本实用新型是这样实现的：
7.本实用新型提供了一种微流控核酸提取检测盒，其包括：自上而下依次设置的上盖板、芯片层和下盖板，上盖板开设有进样口，芯片层上设置有样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔、混合腔、扩增腔、缓冲腔、旋转切换阀、废液腔和流道；
8.样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔和洗脱液存储腔均通过微通道与混合腔连通，混合腔通过设置两个流道分别与扩增腔和缓冲腔连通，且两个流道的出液端均与旋转切换阀相连，旋转切换阀与废液腔通过微通道相连以控制混合腔中液体的排出；缓冲腔设置于混合腔与旋转切换阀的流道上；
9.废液腔还设置有外部驱动接口。
10.本实用新型将旋转切换阀设计在液体混合腔室后，使得旋转阀无需单独的连接全部的腔室，因此无需频繁切换旋转阀的导流方向。经过上述提取检测盒，本实用新型提供的旋转切换阀只涉及到扩增腔、提取液路(包括裂解、清洗和洗脱)和废液的两路相连，因此只需实现三通即可。本实用新型提供的阀体结构设计简单，可以极大程度上降低芯片及检测
盒的成本。此外，旋转切换阀操作简化，有助于提高导流分液效率，可加快核酸扩增和提取的效率，将核酸提取、扩增和检测集成于一体，具有良好的应用前景。
11.具体地，上盖板可由如pdms等弹性塑料组成，或者是普通塑料膜片等材料组成，该部分主要用于与芯片层上各腔室的密封，上盖板上至少设有一个进样口以方便进样。弹性塑料例如聚二甲基硅氧烷(pdms)、乳胶、热塑性橡胶(tpr)、热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、硅胶和聚氯乙烯(pvc)中的一种或多种。
12.芯片层可由透明的塑料材质组成，如pc，pmma，pdms，abs等。该部分用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。
13.下盖板材料可以选用和芯片层材料一致的塑料材质，也可由不同的塑料材质组成，该部分用于芯片层内流道层的密封以及提供穿刺结构(即凸起)和阀体材料容纳腔室。
14.需要说明的是，在实际实施时，可根据各部分不同材料的选择可以选择不同的加工和密封方式。上盖板例如可以是普通的塑料膜片，可以选择冲切或者激光切割成型，可以选择用双面胶与中间芯片层密封。若上盖板为弹性塑料可以选择3d打印，模具浇筑或者注塑成型等工艺加工，可以选择用胶粘连与中间芯片层连接。
15.特殊地，如上盖板与中间芯片层均为pdms时可以采用等离子耦合(plasma)键合密封。中间层可以通过3d打印或者注塑等方式加工成型，下层盖板由于结构较为简单，除3d打印与注塑亦可通过cnc加工或者模具浇筑等方式，如可通过3d打印出pc材料的下盖板，cnc加工pmma的下盖板，或是以su-8为阳模进行浇筑的pdms盖板。下盖板与中间层的粘接除了胶粘键合及plasma方式外还可以通过超声键合等方式进行密封。
16.本实用新型使用到的核酸提取试剂以泡罩的方式预先封装在对应的腔室内，包括裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔。使用时，可通过启动外部试剂释放模块，通过按压裂解液腔室的位置，使得腔室内的泡罩在压力和下盖板底部对应位置的凸起结构作用下破裂，释放裂解液、清洗液或洗脱液。
17.混合腔作为各类试剂与样本混合反应及核酸提取的场所，缓冲腔用于对混合腔中液体进行缓冲，扩增腔室内作为扩增试剂预封装以及核酸扩增和检测的场所。废液腔吸取核酸提取提供过程中产生的废液。可根据需要设置易吸水的海绵等材料实现快速吸水。
18.设置外接的驱动接口，这样通过外接驱动，实现核酸提取试剂对样本的提取，以及样本进行分配进入扩增区域实现扩增检测。
19.在本实用新型应用较佳的实施方式中，混合腔的进液侧的微通道上还设置有膨胀阀。膨胀阀常开，该阀腔室内含有对应的应激材料，只有受到外部的刺激后，该阀会关闭，阻断流道。例如应激材料可为热应激的膨胀材料，当加入洗脱液后可关闭此阀，使得液体进入扩增腔进行扩增。
20.在本实用新型应用较佳的实施方式中，扩增腔靠近混合腔的流道上设置有膨胀阀。当分配完扩增样本后，对阀的位置局部加热到一定的温度范围内，膨胀材料发生膨胀，阻断流道，使扩增腔室形成密闭独立腔室进行扩增反应。膨胀材料可以是发泡微球材料或是其与弹性塑料的复合体。
21.在本实用新型应用较佳的实施方式中，扩增腔的数目至少为两个，且多个扩增腔并联设置。例如扩增腔的数目为2-10个，例如3个，5个或8个。
22.在一种可选的实施方式中，每个扩增腔均设置有进液流道支路和出液流道支路，
出液流道支路与流道连通，进液流道支路与扩增腔靠近混合腔的流道上的膨胀阀连通。
23.在本实用新型应用较佳的实施方式中，外部驱动接口与外部的驱动模块连接，驱动模块选自活塞杆、液压活塞、活塞球、泵、按压球和按压膜。驱动模块可以是活塞泵或是气动泵，为芯片内液体的驱动提供正负压。
24.在本实用新型应用较佳的实施方式中，外部驱动接口上还设有透气隔水膜。防止液体的过度吸出。
25.在本实用新型应用较佳的实施方式中，下盖板在裂解液存储腔、清洗液存储腔和洗脱液存储腔下方均设置有凸起，以刺破位于裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔中底部封装的试剂薄膜。凸起的形状包括不限于倒三角锥形、棱柱状等。
26.在一种可选的实施方式中，清洗液存储腔的数目为至少两个。可根据需要设置清洗液存储腔的数目。
27.本实用新型还提供了一种微流控核酸提取检测系统，其包括上述的微流控核酸提取检测盒。该系统可以通过外部各模块与微流控检测盒在结构上进行配合，可以实现芯片上试剂的有序释放，液体的有序驱动，对样本进行核酸的提取、核酸的扩增及检测。
28.在本实用新型应用较佳的实施方式中，系统还包括试剂释放模块、裂解辅助模块、液路驱动模块、切换阀控制模块、磁吸运动模块、温控模块、膨胀阀刺激模块和荧光检测模块。
29.在一种可选的实施方式中，裂解辅助模块为超声模块或磁力搅拌模块，膨胀阀刺激模块为红外激光模块。
30.本实用新型还提供了一种根据上述微流控核酸提取检测盒的使用方法，包括以下步骤：
31.将样本从进样口上样至检测盒中，调节旋转切换阀使得缓冲腔与废液腔连通，在外部驱动的作用下提供负压使得裂解液从裂解液存储腔流入混合腔中，使得样本从样本腔进入混合腔，经过裂解后，通过磁珠吸附核酸，将磁铁靠近驱动腔；
32.再次启动驱外部动模块，将混合腔的废液吸取到废液腔中；
33.释放清洗液存储腔中的清洗液进入混合腔中进行清洗，然后排出至废液腔中；
34.释放洗脱液存储腔中的洗脱液对磁珠进行洗脱，关闭混合腔的进液侧的微通道上的膨胀阀，将旋转切换阀调整至废液腔与扩增腔连通，待结束洗脱后，驱动洗脱液体从混合腔分配至扩增腔；
35.关闭扩增腔靠近混合腔的流道上的膨胀阀，旋转切换阀，阻断废液腔与扩增腔连通，进行扩增。
36.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
37.本实用新型将旋转切换阀设计在液体混合腔室后，使得旋转阀无需单独的连接全部的腔室，因此无需频繁切换旋转阀的导流方向。经过上述提取检测盒，本实用新型提供的旋转切换阀只涉及到扩增腔、提取液路(包括裂解、清洗和洗脱)和废液的两路相连，因此只需实现三通即可。本实用新型提供的阀体结构设计简单，可以极大程度上降低芯片及检测盒的成本。此外，旋转切换阀操作简化，有助于提高导流分液效率，可加快核酸扩增和提取的效率，将核酸提取、扩增和检测集成于一体，具有良好的应用前景。
38.此外，还提供了一种检测系统，该系统可以通过外部各模块与微流控检测盒在结
构上进行配合，可以实现芯片上试剂的有序释放，液体的有序驱动，对样本进行核酸的提取、核酸的扩增及检测。
附图说明
39.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
40.图1为微流控核酸扩增卡盒示意图；
41.图2为微流控核酸提取扩增卡盒爆炸结构图；
42.图3为微流控核酸提取检测系统简略图；
43.图4为微流控芯片功能结构图；
44.图5为微流控芯片正面结构图；
45.图6为旋转切换阀流路连接示意图a；
46.图7为转切换阀流路连接示意图b；
47.图8为膨胀阀开通示意图；
48.图9为膨胀阀关闭示意图。
49.图标：100-芯片层；101-旋转切换阀；102-膨胀阀一；103-膨胀阀二；104-流道；105-外部驱动接口；110-样本腔；120-裂解液存储腔；130-清洗液1腔；140-清洗液2腔；150-洗脱液存储腔；160-混合腔；170-扩增腔；180-缓冲腔；190-废液腔；200-下盖板；300-上盖板。
具体实施方式
50.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
51.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
52.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
53.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
54.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
55.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
56.实施例1
57.请参阅图1和图2，本实施例提供了一种微流控核酸提取检测盒，其包括自上而下依次设置的上盖板300、芯片层100和下盖板200。上盖板300可由弹性塑料或者是普通塑料膜片等材料组成，该部分主要用于与芯片层100上各腔室的密封。芯片层100用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。下盖板200用于芯片层100内流道104层的密封以及提供穿刺结构(即凸起)和阀体材料容纳腔室。
58.具体的，参照图1和图2所示，上盖板300开设有进样口。
59.图4和图5所示，芯片层100上设置有样本腔110、裂解液存储腔120、清洗液存储腔、洗脱液存储腔150、混合腔160、扩增腔170、缓冲腔180、旋转切换阀101、废液腔190和流道104。
60.如下为本实用新型微流控核酸提取检测盒的材料选择：
61.上盖板300可由弹性塑料如pdms等或者是普通塑料膜片等材料组成。芯片层100可由透明的塑料材质组成，如pc，pmma，pdms，abs等。该部分用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。下盖板200材料可以选用和芯片层100材料一致的塑料材质，也可由不同的塑料材质组成，该部分用于芯片层100内流道104层的密封以及提供穿刺结构和阀体材料容纳腔室。
62.根据各部分不同材料的选择可以选择不同的加工和密封方式。上盖板300若是普通的塑料膜片可以选择冲切或者激光切割成型，可以选择用双面胶与中间芯片层100密封；若上盖板300为弹性塑料可以选择3d打印，模具浇筑或者注塑成型等工艺加工，可以选择用胶粘连与中间芯片层100连接，特殊的，如上盖板300与中间芯片层100均为pdms时可以采用等离子耦合(plasma)键合密封。芯片层100可以通过3d打印或者注塑等方式加工成型，下层盖板由于结构较为简单，除3d打印与注塑亦可通过cnc加工或者模具浇筑等方式，如可通过3d打印出pc材料的下盖板200，cnc加工pmma的下盖板200，或是以su-8为阳模进行浇筑的pdms盖板。下盖板200与芯片层100的粘接除了胶粘键合及plasma方式外还可以通过超声键合等方式进行密封。
63.参照图4和图5所示，芯片层100为微流控核酸提取检测盒的核心部分，包含样本腔110、裂解液存储腔120、清洗液存储腔、洗脱液存储腔150、混合腔160、扩增腔170、缓冲腔180、旋转切换阀101、废液腔190和流道104。芯片用于中间层的试剂腔室的封装。
64.本实施例中，设置有两个清洗液存储腔，分别是清洗液1腔130和清洗液2腔140，以便于更好的清洗磁珠。
65.洗脱液存储腔150用于存储洗脱液。例如pbs等溶液。
66.样本腔110、裂解液存储腔120、清洗液1腔130、清洗液2腔140和洗脱液存储腔150均通过微通道与混合腔160连通，混合腔160通过设置两个流道104分别与扩增腔170和缓冲腔180连通，且两个流道104的出液端均与旋转切换阀101相连，旋转切换阀101与废液腔190通过微通道相连以控制混合腔160中液体的排出；缓冲腔180设置于混合腔160与旋转切换阀101的流道104上。
67.上述流道104也可以等效为微通道，均具有导通液体的功能。
68.混合腔160作为各类试剂与样本混合反应及核酸提取的场所，缓冲腔180用于对混合腔160中液体进行缓冲，扩增腔170室内作为扩增试剂预封装以及核酸扩增和检测的场所。废液腔190吸取核酸提取提供过程中产生的废液。可根据需要设置易吸水的海绵等材料实现快速吸水。
69.为了便于控制流体的流动，在两个流道104的出液端设置旋转切换阀101，从而通过三通阀实现液体的流路控制。
70.在混合腔160的进液侧的微通道上还设置有膨胀阀一102，扩增腔170靠近所述混合腔160的流道104上设置有膨胀阀二103。
71.膨胀阀常开，该阀腔室内含有对应的应激材料，只有受到外部的刺激后，该阀会关闭，阻断流道104。例如应激材料可为热应激的膨胀材料，当加入洗脱液后可关闭膨胀阀一102，使得液体进入扩增腔170进行扩增。膨胀阀开通和关闭示意图参照图8和图9所示。在下基板上设有膨胀阀体材料容纳槽，膨胀材料为受热膨胀型，且不可逆转，例如发泡微球材料与弹性塑料的复合体，在一定的温度如120℃，发生热膨胀，阻断流道104的连通。
72.当分配完扩增样本后，对膨胀阀二103的位置局部加热到一定的温度范围内，膨胀材料发生膨胀，阻断流道104，使扩增腔170室形成密闭独立腔室进行扩增反应。膨胀材料可以是发泡微球材料或是其与弹性塑料的复合体。
73.位于废液腔190处的外部驱动接口105与外部的驱动模块相连，驱动模块可以是活塞泵或是气动泵，为芯片内液体的驱动提供正负压，驱动液体流动在驱动接口上同时设有透气隔水膜，防止液体的过度吸出。
74.旋转切换阀101受外部的切换模块控制，通过旋转一定的角度连通两路的流道104。
75.实施例2
76.本实施例提供了一种微流控核酸提取检测系统，其包括上述实施例1中的微流控核酸提取检测盒。该系统可以通过外部各模块与微流控检测盒在结构上进行配合，可以实现芯片上试剂的有序释放，液体的有序驱动，对样本进行核酸的提取、核酸的扩增及检测。
77.检测系统还包括如图3所示的试剂释放模块、裂解辅助模块、液路驱动模块、切换阀控制模块、磁吸运动模块、温控模块、膨胀阀刺激模块和荧光检测模块。解辅助模块为超声模块或磁力搅拌模块，膨胀阀刺激模块为红外激光模块。
78.本实用新型以磁珠提取法作为核酸提取的流程进行样本核酸提取，适用性广。磁珠法的核酸提取流程通常包括样本的裂解、核酸吸附、清洗及洗脱。该过程所使用的试剂通过泡罩的方式预先封装在各个腔室内，核酸扩增试剂采用冻干球或者冻干珠的方式封装在扩增腔170内。
79.结合上述磁珠提取法，本实用新型提供了微流控核酸提取检测盒及检测系统的使
用方法，包括以下步骤：
80.(1)将样本从进样口内加入，启动外部试剂释放模块，通过按压裂解液腔室的位置，使得腔室内的泡罩在压力和下盖板200底部对应位置的凸起结构作用下破裂，释放裂解液。旋转切换阀101在切换阀模块控制下，连通废液腔190管道和缓冲腔180管道(参照图6所示)，外部驱动模块提供负压，驱动裂解液和样本进入到混合腔160内混合，外部启动芯片外的超声模块，充分对样本进行裂解，样本内核酸被裂解液释放，同时被裂解液内的磁珠吸附。
81.图6所示，外部阀体控制模块可通过嵌入阀体上方的“一”字型凹槽内，通过旋转一定的角度带动阀体的转动，使其与缓冲液腔相连或是与pcr扩增腔170室相连。
82.(2)启动外部的磁吸模块靠近混合腔160，再次启动驱动模块，将混合腔160的废液吸取到废液腔190中，废液腔190内包含海绵及吸收垫，可以充分吸取废液。
83.(3)释放清洗液1，外部的磁吸模块远离，驱动清洗液1进入混合腔160内对磁珠进行清洗，调整磁吸模块靠近混合腔160，启动驱动模块排出排液至废液腔190；重复以上步骤进行第二次清洗。
84.(4)再次启动试剂释放模块释放洗脱液，驱动洗脱液至混合腔160，对磁珠上吸附的核酸进行洗脱，磁吸固定磁珠，启动激光模块，加热膨胀阀一102，使其膨胀关闭试剂存储腔与混合腔160之间的流道，将旋转阀调整至废液腔190与扩增腔170连通。
85.(5)待结束洗脱后，驱动洗脱液体从混合腔160分配至扩增腔170与冻干试剂结合，启动红外激光模块，加热膨胀阀二103，使其阻断混合腔160与pcr扩增室的连通管道，旋转切换阀101，阻断废液腔190与扩增腔170连通，使pcr扩增区形成密闭独立的区域(参照图7所示)，启动外部温控模块及荧光检测模块，进行核酸的pcr扩增及荧光信号检测。
86.本实用新型通过外部各模块与微流控卡盒上结构进行配合，可以实现芯片上试剂的有序释放，液体的有序驱动，对样本进行核酸的提取、核酸的扩增及检测。
87.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。