一种基于空间编码的微流控分析芯片及分析方法

本发明属于微流控芯片领域，更具体地，涉及一种基于空间编码的微流控分析芯片及分析方法。

背景技术：

1、微流控技术作为一种新兴的科学技术，已经应用于化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域，学科交叉性强，在时间、空间和分析对象的精密操控上进行了突破，能够解决生命分析的许多关键问题。微流控技术能够将原本只能在实验室才能完成的检测实验集成到一小块芯片上，不仅节约了耗材成本和时间成本，更重要的是能够集成多种检测技术于一体，提高检测效率。

2、2020年4月，麻省理工学院的pardis c.sabeti教授在《nature》发表了题为“massively multiplexed nucleic acid detection using cas13”的文章，研究者开发出的名为carmen-cas13的检测技术，为目前临床检测手段不足的问题提供了解决办法。作者先把几种样本分别完成前面的核酸抽提、扩增、和转录的工作。接着，每个样本分别用荧光染料标上彩色码。同样原理，把分别针对若干种病毒rna的探针，做成检测混合液并加入荧光染料做好标记。把每个样本和每种检测混合液分别做成乳浊液，接下来把这若干个样本的乳浊液和若干种检测液的乳浊液混合在一起，再将这个混合液加载到特制的微孔板上。板的上面布满了“8”字样小孔，一个小孔正好能放下乳浊液中的两个微滴。先对微孔板进行一次荧光显微扫描成像。然后，进行电击。电击会使一个小孔中的两个微滴融合。如果样本微滴中的rna，正好能被检测微滴中的crrna识别，就会激活检测微滴中的cas13。接着就会切断荧光探针，探针被切断后，荧光基团就会在激发光的照射下，发出荧光。最后对微孔板进行再次荧光显微扫描成像，可以看到哪些微孔发出了检测探针特有的荧光，即可判断样本中是否含有目标核酸。该方法通过微流控乳浊液化和彩色码两项技术，结合显微荧光扫描，极大地降低了广谱病原体检测的成本，有较高的特异性和灵敏度。但其需要多种荧光染料，并涉及1050个颜色代码，对于颜色相近的样本，可能会判断成错误的样本编号或检测液编号，因此需要高分辨率的荧光显微镜。此外，2个乳化液滴是随机进入“8”字样小孔，因此可能导致2个相同的液滴出现融合，使该孔成为无效检测，浪费试剂和样本。

3、在专利号为zl2021108258929的专利文件中，公开了一种微通道辅助高通量试剂定量分配及分析的芯片，其利用疏水延伸通道成功实现了不同半径位置上的定量液体的精准进样，并有效提高了检测通量，但是，该芯片只能用于1种样本或1种试剂的检测，对于需要多样本多靶标的检测仍具有一定局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于空间编码的微流控分析芯片及分析方法，其目的在于，通过对微流控芯片结构的改进，在不依赖荧光标记的情况下实现更加复杂的分析组合，从而准确实现高通量多样本、多指标的多重分析。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于空间编码的微流控分析芯片，包括：一个或多个围绕同一离心轴设置的分析单元；分析单元包括：

3、至少一个第一液体引流通道；第一液体引流通道包括一段或多段首尾相连的横向流道；各第一液体引流通道的首端设置有第一加样口，且末端连接第一废液腔室；横向流道外侧设置有第一定量腔室，且同一检测单元中，所有横向流道由内向外依次设置；

4、至少一个第二液体引流通道；第二液体引流通道包括一段或多段首尾相连的纵向流道；各第二液体引流通道的首端设置有第二加样口，且末端连接第二废液腔室；每一段纵向流道与各横向流道分别相交，且沿纵向流道设置有n个第二定量腔室，n为同一检测单元中横向流道的数量；n个第二定量腔室分别与n个横向流道上的一个第一定量腔室相对应，第二定量腔室位于其对应的第一定量腔室内侧；

5、以及与各第一定量腔室一一对应设置的反应腔室；第一定量腔室及其对应的第二定量腔室均与对应的反应腔室相连。

6、在一些可选的实施例中，第一定量腔室的底端通过第一引流微通道与其对应的反应腔室相连，且第二定量腔室的底端通过第二引流微通道与其对应的第一定量腔室相连。

7、在一些可选的实施例中，第一定量腔室的底端通过第一引流微通道与其对应的反应腔室相连，且第二定量腔室的底端通过第三引流微通道与其对应的反应腔室相连。

8、在一些可选的实施例中，同一第二液体引流通道上的第二定量腔室的容积逐渐递增或逐渐递减。

9、在一些可选的实施例中，同一第一液体引流通道上的第一定量腔室的容积逐渐递增或逐渐递减。

10、在一些可选的实施例中，分析单元还包括：与各第二液体引流通道一一对应的缓冲液存储腔室；缓冲液存储腔室与对应的第二液体引流通道的首端相连，且其中存储有缓冲液。

11、在一些可选的实施例中，第一液体引流通道在第一定量腔室入口处具有末端膨大而出口处缩小的结构；该结构使第一液体便于挤压进入第一定量腔室。

12、按照本发明的又一个方面，提供了基于上述基于空间编码的微流控分析芯片的分析方法，包括如下步骤：

13、(s1)向各第一液体引流通道的第一加样口分别注入反应液后，使微流控分析芯片以第一转速离心，以使各第一液体引流通道中的反应液依次进入第一定量腔室，多余的反应液进入第一废液腔室；

14、(s2)向各第二液体引流通道的第二加样口分别注入反应液后，使微流控分析芯片以第二转速离心，以使各第二液体引流通道中的反应液依次进入第二定量腔室，多余的反应液进入第二废液腔室；

15、(s3)使微流控分析芯片以第三转速离心，以使各第一定量腔室和第二定量腔室中的反应液均进入对应的反应腔室，发生混合和反应；

16、(s4)在反应结束后，读取各反应腔室中的信号，根据反应腔室的位置信息与反应液组合的对应关系分析得到不同反应液组合下的反应结果；

17、其中，同一反应腔室对应的第一定量腔室和第二定量腔室中的反应液为不同种类的反应液；反应腔室的位置信息包括其对应的第一定量腔室所在的横向通道编号和对应的第二定量腔室所在的纵向通道编号；第一转速和第二转速均小于第三转速。

18、在一些可选的实施例中，若微流控芯片中，检测单元不包括缓冲液存储腔室，则在步骤(s2)和步骤(s3)之间还包括：

19、向各第二液体引流通道的第二加样口分别注入预设体积的缓冲液后，使微流控芯片以第四转速离心，以使各第二液体引流通道中的缓冲液沿第二液体引流通道依次与第二定量腔室中的反应液接触，并最终流入第二废液腔室；

20、其中，第四转速小于第三转速。

21、在一些可选的实施例中，若微流控芯片中，检测单元包括缓冲液存储腔室，则在步骤(s2)和步骤(s3)之间还包括：

22、使各缓冲液存储腔室中的缓冲液释放到对应的第二液体引流通道中，之后使微流控芯片以第五转速离心，以使各第二液体引流通道中的缓冲液沿第二液体引流通道依次与第二定量腔室中的反应液接触，并最终流入第二废液腔室；

23、其中，第五转速小于第三转速。

24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

25、本发明提供的基于空间编码的微流控分析芯片，其中的每个分析单元包括横向排布和纵向排布的液体引流通道，形成交叉组合布局的形式，同时，横向流道和纵向流道上设置有一一对应的定量腔室，且相对应的两个定量腔室与同一个反应腔室相连，通过这种流道布局形式，本发明可以借助离心从横向和纵向两个维度上控制反应液之间的组合，从而可以实现更加复杂的分析组合，具体来说，本发明可以使同一种样品与不同试剂相混合，也可使同一种试剂与不同样品相混合，也可使相同的试剂按照不同的浓度相混合，由此提高了分析通量，提高了分析效率；同时，本发明采用纵横交叉组合布局的流道设计，使得各反应腔室具有与反应液组合一一对应的位置编码信息，从而根据反应腔室的位置信息即可确定相应的反应液组合，在不依赖荧光标记的情况下准确实现高通量多样本、多指标的多重分析。