一种用于生物检测的微流控芯片及其制备方法与流程

本发明属于医学工程及微流控技术领域，特别是一种用于生物检测的微流控芯片及其制备方法。

背景技术：

对具有病原学依据的重要生物分子进行快速、精确的检测为临床相关疾病的诊断提供了非常重要的参考和帮助。如对血清、支气管肺泡灌洗液或脑脊液中(1-3)-β-D葡聚糖阳性的检测是侵袭性真菌病的微生物病原学依据，对体液中细菌内毒素脂多糖的检测是革兰氏阴性菌感染性疾病诊断的重要依据。自上个世纪中叶，在美国的引领下，已开发出了多种基于鲎试剂的葡聚糖或细菌内毒素的显色检测试剂盒，但其操作步骤繁琐，技术要求高，极大地限制了临床诊断的效率和推广。

微流控芯片技术是近年来发展非常迅速的一个领域，通过把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本单元操作集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控芯片有着体积轻巧、所用试剂量少，反应速度快、可即用即弃等优点，在生物、化学、医学等领域，特别是生物检测领域有着巨大的潜力。如专利CN 205308353U公开的一种用于内毒素检测的微流控芯片，专利CN 105372429A公开的一种基于鲎试剂细菌内毒素及(1-3)-β-D葡聚糖检测的微流控芯片。然后，可以注意到，目前提供的生物检测的微流控芯片设计无论是加工工艺还是实际操作上都有着很大的弊端，难以实现低成本的批量制备，不便于实际检测中多种所需试剂的预分装，实际的流动源的输入方式也较为麻烦或不可控。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高生物检测的效率、精度，并优化微流控芯片的设计与制备工艺，推动生物检测微流控芯片的实用化和低成本，提出一种用于生物检测的微流控芯片及其制备方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于生物检测的微流控芯片，包括检测光源和安装有检测器的检测板，在检测光源和检测板之间依次安置有芯片硬质下面板、对齐热压连成在芯片硬质下面板上的芯片柔性上面板、以及气泵控制装置，

其中，所述芯片硬质下面板上设有多个用于储存或混合样品的圆柱体腔室，多个圆柱体腔室包括：加样腔室、样品储存腔室、处理液腔室、样品处理腔室、反应液腔室、反应腔室，方形检测池及多余样品存放腔室，在加样腔室与样品储存腔室之间、样品储存腔室与样品处理腔室之间、处理液腔室与样品处理腔室之间、反应腔室与方形检测池，与反应液腔室，与样品处理腔室之间及方形检测池与多余样品存放腔室之间均由流道连通，并且在每段流道的始末两端均设有常闭微阀，在加样腔室与样品储存腔室之间的流道上安装有微孔滤芯；

其中，所述芯片柔性上面板上设有位置和尺寸与芯片硬质下面板上多个圆柱体腔室一一对应的半球形帽，在每个半球形帽的顶端均设有常闭充气口。

其中，所述气泵控制系统含有多个充气头，各个充气头的位置与芯片柔性上面板的半球形帽上各常闭充气口一一对应，通过电路控制独立实现对各个充气口及所连腔室的充气操作。

其中，检测光源发出检测光，检测光穿过被检测样品后由检测板上的检测器接收，通过荧光或吸光光度的原理进行样品浓度的定量检测。

而且，所述常闭微阀为单向阀，常闭微阀由一端固定的柔性膜构成，柔性膜的另一端在流动的反方向有一个挡板实现单向截止。

而且，所述芯片硬质下面板的材质为玻璃、有机玻璃或硬质聚合物中的一种。

而且，所述常闭微阀所用柔性膜材质为PET、PDMS或PMMA中的一种。

而且，所述芯片柔性上面板材质为柔性PET、PDMS或PMMA薄膜中的一种，且在检测池区域所用材质对检测光源和信号无干扰。

一种上述用于生物检测的微流控芯片的制备方法，包括步骤如下：

(1)用微机械加工工艺在硬质基材上刻制出所需的腔室、连通流道并制作常闭微阀，获得芯片硬质下面板；用倒模工艺制备含有多个半球形帽的芯片柔性上面板；将两者对齐热压连成一个密封的整体；

(2)通过半球形帽顶端设有的常闭充气口进行抽真空处理，芯片柔性上面板弯曲使得上下面板完全贴合；

(3)对所得真空芯片进行灭菌处理，通过常闭充气口对特定的腔室进行预分装处理或进行检测用试剂处理，最终获得预封装试剂的真空一体芯片。

而且，所述预分装包括处理液腔室的样品处理液、反应液腔室的反应液、反应腔室的反应物或荧光物质的冻干粉末。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提出一种用于生物检测的微流控芯片及其制备方法，综合考虑了芯片的制备工艺、试剂预封装、驱动动力的输入方式等，可实现样品的自动检测，并适合各种生物分子的微流控检测。

2、本发明提供的微流控芯片及其制备方法大大促进了生物检测的微型化、精细化和自动化，简化了生物检测的操作步骤，提高了检测效率与精度，优化了芯片的制备工艺，降低了生产成本，确保芯片生产的稳定性和可靠性，使其具有推广性。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中芯片硬质下面板及芯片柔性上面板的位置关系结构示意图；

图3是本发明中芯片硬质下面板的结构示意图；

图4是本发明中常闭微阀的立体结构示意图；

图5是本发明中芯片柔性上面板的结构示意图；

图6是本发明中气泵控制系统的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于生物检测的微流控芯片，如图1所示，包括检测光源6和安装有检测器2的检测板1，在检测光源和检测板之间依次安置有芯片硬质下面板3，对齐热压连成在芯片硬质下面板上的芯片柔性上面板4，以及气泵控制装置5，

其中，如图2或3所示，所述芯片硬质下面板上设有多个圆柱体腔室用于储存或混合样品，其中包括加样腔室7、样品储存腔室8、处理液腔室9、样品处理腔室15、反应液腔室10、反应腔室14，方形检测池12、多余样品存放腔室11，在加样腔室与样品储存腔室之间、样品储存腔室与样品处理腔室之间、处理液腔室与样品处理腔室之间、反应腔室与方形检测池，与反应液腔室，与样品处理腔室之间及方形检测池与多余样品存放腔室之间均由流道16连通，并且在每段流道的始末两端均设有常闭微阀13，在加样腔室与样品储存腔室之间的流道上安装有微孔滤芯17；

在本发明的具体实施中，如图4所示，所述常闭微阀为单向阀，常闭微阀由一端固定的柔性膜构成，柔性膜的另一端在流动的反方向有一个挡板实现单向截止。

在本发明的具体实施中，所述芯片硬质下面板的材质为玻璃、有机玻璃或硬质聚合物中的一种。

在本发明的具体实施中，所述常闭微阀所用柔性膜材质为PET、PDMS或PMMA中的一种。

其中，如图5所示，所述芯片柔性上面板上设有位置和尺寸与芯片硬质下面板上多个圆柱体腔室一一对应的独立的半球形帽18，在每个半球形帽的顶端均设有常闭充气口19。

在本发明的具体实施中，所述芯片柔性上面板材质为柔性PET、PDMS或PMMA薄膜中的一种，且在检测池区域所用材质对检测光源和信号无干扰。

其中，如图6所示，所述气泵控制系统含有多个充气头20，各个充气头的位置与芯片柔性上面板的半球形帽上各常闭充气口一一对应，通过电路控制独立实现对各个充气口及所连腔室的充气操作。

其中，检测光源发出检测光，检测光穿过被检测样品后由检测板上的检测器接收，通过荧光或吸光光度的原理进行样品浓度的定量检测。

检测工作原理

测试时将待测样从加样腔室顶端的常闭充气口加入，将芯片与外接气泵控制装置匹配好，通过电路控制各个腔室的独立充气，以产生的压力推动腔室中的液体单向运动，依次自动实现样品的过滤、处理、反应和检测。

一种上述用于生物检测的微流控芯片的制备方法，包括步骤如下：

(1)用微机械加工工艺在硬质基材上刻制出所需的腔室、连通流道并制作常闭微阀，获得芯片硬质下面板；用倒模工艺制备含有多个半球形帽的芯片柔性上面板；将两者对齐热压连成一个密封的整体；

(2)通过半球形帽顶端设有的常闭充气口进行抽真空处理，芯片柔性上面板弯曲使得上下面板完全贴合；

(3)对所得真空芯片进行灭菌处理，通过常闭充气口对特定的腔室进行预分装处理或进行检测用试剂处理，最终获得预封装试剂的真空一体芯片。

其中，所述预分装包括处理液腔室的样品处理液、反应液腔室的反应液、反应腔室的反应物或荧光物质的冻干粉末。

抽真空和预分装均通过半球形帽顶端设有的常闭充气口进行，处理之后常闭充气口不发生破坏，或者破坏之后通过后处理恢复其常闭充气口的功能。

实施例

一种用于生物检测的微流控芯片，包括芯片硬质下面板、芯片柔性上面板、气泵控制装置和光学检测装置的光源和检测器。芯片硬质下面板设有圆柱体腔室用于储存或混合样品，包括加样腔室、样品储存腔室、处理液腔室、样品处理腔室、反应液腔室、反应腔室，方形检测池、多余样品存放腔室，各腔室之间有流道连通并设有常闭微阀。常闭微阀为单向阀，且在流道的始末端均有设置。微阀结构，由一端固定的柔性膜构成，柔性膜的另一端在流动的反方向有一个挡板实现单向截止。微阀所用柔性膜材质为PET、PDMS或PMMA。加样腔室与样品储存腔室之间流道设有微孔滤芯。芯片柔性上面板，设有独立的半球形帽部，与下面板的腔室一一对应，其顶端设有常闭充气口。下面板材质为玻璃、有机玻璃、硬质聚合物，上面板材质为柔性PET、PDMS、PMMA薄膜，且在检测池区域所用材质对检测光源和信号无干扰。气泵控制系统含有多个充气头，与各腔室半球形帽部顶端的常闭充气口一一对应，通过电路控制独立实现对各个充气口及所连腔室的充气操作。光学检测装置包括光源和检测器，通过荧光或吸光光度的原理进行样品浓度的定量检测。

该微流控芯片制备按如下步骤进行。首先用微机械加工工艺在硬质基材上刻制出腔室、连通流道并制作微阀，获得芯片下面板，材料优选有机玻璃，微阀柔性膜优选PMMA；用倒模工艺制备出含有多个半球形帽部的芯片柔性上面板，材料优选PET；将两者对齐热压连成一个密封的整体，通过半球形帽部顶端设有的常闭充气口进行抽真空处理，柔性上面板弯曲使得上下面板完全贴合；对所得真空芯片进行灭菌处理，通过常闭充气口向处理液腔室注入特定量的样品处理液，向反应液腔室注入特定量的反应液，向反应腔室注入特定量的反应物冻干粉末，获得预封装试剂的真空一体芯片。

测试时将待测样从加样腔室顶端的常闭充气口加入，将芯片与外接气泵控制装置匹配好，通过电路控制各个腔室的独立充气，以产生的压力推动腔室中的液体单向运动，依次自动实现样品的过滤、处理、反应和检测。