基于微流控光度检测的离心式分离装置与方法与流程

文档序号:11249353阅读:249来源:国知局
基于微流控光度检测的离心式分离装置与方法与流程

本发明涉及微流控技术、光度检测技术和离心分离技术领域,具体是采用微流控芯片的分离装置。



背景技术:

微流控的重要特征之一是在微尺度环境下具有独特的流体性质,如层流和液滴等,流体在微流控的微通道中的行为与其在宏观尺度通道中不同。

离心式分离方法是蛋白质、酶、核酸及细胞亚组分分离的最常用的方法之一,也是生化实验室中常用的分离、纯化或澄清的方法,可分离各种细胞、病毒、染色体、脂蛋白、dna和rna等生物样品。相比于机械分离和化学分离方法,离心式分离方法有停留时间短、无须助剂、系统密封好、过程连续、分离效率易调节等优点。常用的离心式分离机是将试剂在试管或离心瓶中分离,存在的问题是:(1)无法对微量的试剂进行分离,存在着试剂浪费的问题;(2)分离后的溶液需要人工过滤提取;(3)体积较大且笨重,不便于携带。

常用的蠕动泵由驱动器、泵头和软管三部分组成,通过对弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。蠕动泵使用固定在驱动电机上的类齿轮转子驱动,对软管和转子的磨损较大。驱动器使用电机机械驱动的方式,虽然最新的mems(microelectromechanicalsystem,微机电系统)电机能做到几毫米的体积,但也是机械驱动方式。

光度检测技术是通过吸光度来检测物质。吸光度是光线通过溶液或物质前的入射光强度与光线通过溶液或某一物质后的透射光强度的比值(i0/i1)以10为底的对数(即lg(i0/i1)),其中i0为入射光强,i1为透射光强。目前适用于微流控芯片的光度检测技术采用单个光敏元件为接收传感器,常用光敏元件有:光敏二极管、光敏三极管或光敏三极管,由于单个光敏元件体积较大,所以只能做到点对点的单点检测,对检测区域的检测误差较大。



技术实现要素:

为了解决现有离心式分离技术存在无法分离对微量试剂、分离后的溶液需要人工过滤提取等问题,本发明提出一种基于微流控光度检测的离心式分离装置以及该装置的离心式分离方法,将微流控技术与离心技术进行结合,在微尺度下对微量试剂进行自动分离和提取。

本发明基于微流控光度检测的离心式分离装置采用的技术方案是:具有一个圆盘形的微流控芯片和带动其转动的芯片旋转电机,微流控芯片正中间上方连接进样漏斗,微流控芯片的旁侧是第一级积液槽,第一级积液槽和微流控芯片之间设置导液管摆臂,导液管摆臂中间连接输出轴是垂直向下的摆臂控制电机,导液管摆臂一端是出液口,出液口伸在第一级积液槽正上方,导液管摆臂的另一端是汲液口,汲液口伸在微流控芯片的内腔室中;有若干个第一级积液槽,第一级积液槽的数量和样液中的组分数量相同,若干个第一级积液槽的中心分布在一个圆弧线上,该圆弧线是出液口旋转所经圆弧线;在出液口和摆臂控制电机之间设置串接在导液管摆臂上的电磁磁珠驱动模块,电磁磁珠驱动模块能为导液管摆臂内的液体提供流动动力;微流控芯片的圆盘面水平插在上下面对面布置的光信号发射模块和光信号接收模块之间;控制模块分别连接并控制电磁磁珠驱动模块、摆臂控制电机、光信号接收模块、光信号发射模块以及芯片旋转电机。

进一步地,电磁磁珠驱动模块包括上下面对面布置的两块圆柱形永磁体,两块永磁体的n极和s极相面对,在两块永磁体之间固定连接一个同轴心的圆柱形的磁珠导轨,有多个带电磁珠沿圆周方向均匀布置在磁珠导轨外围,带电磁珠与磁珠导轨的外壁相接触,所有的带电磁珠外围箍有一根软管,带电磁珠挤压着软管使软管的管道变狭窄,软管的两端串接在导液管摆臂中。

所述基于微流控光度检测的离心式分离装置的分离方法采用的技术方案是包括以下步骤:

a、将待分离的样液滴入进样漏斗,控制模块控制芯片旋转电机带动微流控芯片匀速旋转,样液在微流控芯片内腔室由中心向边缘依次形成多个环形带区,分离出的不同样液组分在不同的环形带区中;

b、控制模块1控制摆臂控制电机旋转,使导液管摆臂的汲液口转到由中心向边缘的第一个环形带区,启动电磁磁珠驱动模块,第一个环形带区中的第一种组分通过导液管摆臂流入到第一级积液槽中;

c、控制模块控制摆臂控制电机继续旋转,使得汲液口到转到第二个环形带区,将第二个环形带区中的第二种组分通过导液管摆臂流入到对应的第一级积液槽中;如此循环,直至最后一个环形带区的样液组分流入对应的第一级积液槽中。

本发明已有技术相比具有如下优点:

(1)本发明离心式分离装置基于旋转离心分离技术在微流控芯片内进行物质分离,离心驱动微流控芯片时,样品液就随离心腔做匀速圆周运动,产生一向外的离心力;由于不同颗粒的质量、密度、大小及形状等彼此各不相同,在同一固定大小的离心场中运动度也就不相同,由此便实现相互间的分离,克服了传统离心机不能微量分离的缺点。

(2)本发明离心式分离装置设计了蠕动泵全新的驱动方式,即采用电磁驱动,内置微型电磁驱动装置,减小流体驱动器的机械磨损,克服了传统蠕动泵只能靠电机作为驱动器的局限性,既然方便调速又减小了驱动器的体积。

(3)本发明离心式分离装置使用阵列式光敏结构,采用阵列式ccd作为光电检测的接收元器件,设计了光源处理结构,将单点光源处理成平行光束均匀的投射在ccd阵列上,既然节能又能减少光源带来的误差,克服了传统微流控光电检测技术采用光电对管只能单点检测的缺点,提高了检测精度和灵敏度。

(4)本发明离心式分离装置内置微处理器,整个分离过程可以自动完成。

(5)本发明离心式分离装置集成度高,各装置都采用微型化设计,方便携带。

(6)本发明离心式分离装置实现人机交互,能可视化进行定性和定量试验。

附图说明

图1是本发明基于微流控光度检测的离心式分离装置的立体结构透视图;

图2是图1的主视图;

图3是图1的俯视图;

图4是图1的左视图;

图5是图1中微流控芯片5立体结构放大图;

图6图2中微流控芯片5与导液管摆臂11的装配结构主视图;

图7是图6的的俯视图;

图8是图1中电磁磁珠驱动模块3的内部结构及其与导液管摆臂相连接结构的俯视放大图;

图9是图1中电磁磁珠驱动模块3与导液管摆臂相连接结构的透视放大图;

图10是图9的主视剖视图;

图11是图1中光电检测模块的立体结构放大图;

图12是图11的主视放大示意图;

图13是图12中光信号接收模块8以及局部光信号发射模块9的结构俯视图;

图14是图13中ccd感光阵列36的行列排布示意图;

图15是图1中控制模块1与受控件的控制框图;

图16是图1微流控芯片5分区半径以及摆臂控制电机4旋转的几何尺寸标注放大图;

图17是图1中控制模块中的吸光度和分区半径的线性关系图。

附图中各部件的序号和名称:

1:控制模块,2:电源模块,3:电磁磁珠驱动模块,4:摆臂控制电机,5:微流控芯片,6:汲液口,7:芯片旋转电机,8:光信号接收模块,9:光信号发射模块,10:进样漏斗,11:导液管摆臂,12:第一级积液槽,13:导液管,14:第二级积液槽,15:液晶显示器,16:按键,17:固定螺丝,18:三棱支撑柱,19:出液口,20:芯片进样管,21:环形槽,22:微流控芯片pdms上面板,23:微流控芯片下玻璃面板,24:电磁磁珠泵进液口,25:永磁体,26:软管,27:带电磁珠,28:软管的内圈侧壁,29:磁珠导轨,30:电磁磁珠泵出液口,31:ccd感光阵列板,32:第一级反射镜,33:第二级反射镜,34:凸透镜,35:发光二极管,36:ccd感光阵列,37:壳体。

具体实施方式

参见图1-4,本发明基于微流控光度检测的离心式分离装置最外部是一个壳体37,壳体37是一个内部具有空腔的外壳。壳体37顶面上安装液晶显示器15和按键16。在壳体37内部角落用三棱支撑柱18支撑并用固定螺丝17将三棱支撑柱18固定,对壳体37加固。在壳体37内部还设有微流控芯片5、第一级积液槽12、第二级积液槽14、光电检测模块、控制模块1以及电源模块2等。电源模块2内放置两节干电池,为整个装置提供电源。微流控芯片5是圆盘形结构,微流控芯片5的中心轴上下垂直布置,微流控芯片5的中心轴正下方是芯片旋转电机7,芯片旋转电机7固定在壳体37底部,芯片旋转电机7的输出轴固定连接微流控芯片5的中心轴,带动微流控芯片5旋转,以产生离心场。微流控芯片5的正中间上方连接进样漏斗10,进样漏斗10的开口伸在壳体37顶面,待分离样品从进样漏斗10进入微流控芯片5内部。壳体37通过进样漏斗10与外界相通,壳体37其它地方整体密封。微流控芯片5的旁侧是第一级积液槽12,在第一级积液槽12和微流控芯片5之间设置导液管摆臂11,导液管摆臂11的中间连接摆臂控制电机4,摆臂控制电机4的输出轴垂直向下,摆臂控制电机4能带动导液管摆臂11沿摆臂控制电机4的中心轴作顺时针方向或逆时针方向转动,摆臂控制电机4的外壳固定在壳体37上。导液管摆臂11的一端是出液口19,出液口19伸在第一级积液槽12的正上方,且与第一级积液槽12不接触;导液管摆臂11的另一端是汲液口6,汲液口6伸在微流控芯片5的内腔中,能汲取微流控芯片5内腔中分离后的组分液体。当摆臂控制电机4控制导液管摆臂11旋转时,便带动汲液口6在微流控芯片5内腔中的不同的半径位置处切换。

在出液口19和摆臂控制电机4之间设置电磁磁珠驱动模块3,电磁磁珠驱动模块3串接在第一级积液槽12和摆臂控制电机之间的导液管摆臂11上,能为导液管摆臂11抽取液体提供动力。在出液口19和摆臂控制电机4之间的一段导液管摆臂11是直管道,而在摆臂控制电机4和汲液口6之间的一段导液管摆臂11是圆弧型管道,该圆弧型管道的圆弧开口朝向微流控芯片5中心。

第一级积液槽12有若干个,其数量与样品所分离组分的数量相同,图3中仅示出5个第一级积液槽12,所有的第一级积液槽12中心分布在一个圆弧线上,该圆弧线即导液管摆臂11的出液口19旋转所经圆弧线,该圆弧线的半径等于摆臂控制电机4的中心至出液口19中心的直线距离,这样,旋转后的导液管摆臂11的出液口19始终位于不同的第一级积液槽12的正上方,使导液管摆臂11汲取的各样品组分能分别落入各个第一级积液槽12中。

第一级积液槽12通过导液管13连接且连通第二级积液槽14,第一级积液槽12内的组分液体能通过导液管13输入第二级积液槽14内。第二级积液槽14的数量等于第一级积液槽12的数量,一个第一级积液槽12的底端均通过一根导液管13一一对应地连接且连通一个第二级积液槽14的顶端,导液管13水平布置,若干个第二级积液槽14呈直线排列,所有的第二级积液槽14均为可拆卸式积液槽,方便第二级积液槽14从壳体37内抽出。

光电检测模块包括光信号接收模块8和光信号发射模块9,光信号发射模块9和光信号接收模块8上下面对面布置,均固定在壳体37上。微流控芯片5的圆盘面水平插在光信号接收模块8和光信号发射模块9之间,光信号接收模块8和光信号发射模块9沿着微流控芯片5的直径方向延伸在微流控芯片5的下方和上方,并且与微流控芯片5上下表面不接触,用于检测微流控芯片5内的组分吸光度值。

为了防止微流控芯片5在旋转的时漏液,出液口19和摆臂控制电机4之间的这段导液管摆臂11要高于摆臂控制电机4和汲液口6之间的这导液管摆臂11,即直管道部分高于圆弧型管道部分,使导液管摆臂11整体在垂直纵截面呈“z”形的结构,“z”形结构的中间部位安装摆臂控制电机4。

参见图5、图6和图7,微流控芯片5是圆盘状,顶面是聚二甲基硅氧烷(pdms)面板22、底面是下玻璃面板23,顶面和底面之间形成芯片的内腔室。微流控芯片5正中间的进样漏斗10底部通过芯片进样管20与微流控芯片5内腔室作连通。在进样漏斗10底部沿圆周方向均匀设有多个芯片进样管20,多个芯片进样管20用来均匀导入样液,图7仅示出8个芯片进样管20。所有的芯片进样管20将进样漏斗10和微流控芯片5内腔室作连通。样液从进样漏斗10滴入后,再经芯片进样管20进入微流控芯片5的内腔室。

导液管摆臂11的汲液口6插入在微流控芯片5的内腔室中,摆臂控制电机4的输出轴垂直向下布置,与导液管摆臂11的中间处同轴固定相连。在微流控芯片5的边缘处开有一个环形槽21,导液管摆臂11中间处位于该环形槽21内,摆臂控制电机4在环形槽21的正上方,且连接导液管摆臂11中间处。导液管摆臂11从与摆臂控制电机4的连接处向上垂直折弯后伸出。导液管摆臂11和微流控芯片5旋转时,相互之间不接触不干涉。

参见图8、图9和图10,电磁磁珠驱动模块3包括两块一上一下面对面布置的圆柱形的永磁体25,两块永磁体25的中心轴均上下垂直且共线,两块永磁体25的n极和s极相面对。下方的永磁体25底部固定连接于壳体37。在两块永磁体25之间的空间固定连接一个同轴心的圆柱形的磁珠导轨29,有多个带电磁珠27沿圆周方向均匀布置在磁珠导轨29的外围,带电磁珠27与磁珠导轨29的外壁相接触,图8中示出的是8个带电磁珠27。在所有的带电磁珠27外围箍有一根软管26,软管26的内圈侧壁28紧密贴在带电磁珠27上,带电磁珠27挤压着软管26,使被带电磁珠27挤压的软管26的管道变狭窄。软管26的两端串接在导液管摆臂11中。软管26两端中的一端是电磁磁珠泵进液口24,另一端是电磁磁珠泵出液口30,软管26通过电磁磁珠泵进液口24和电磁磁珠泵出液口30串接在导液管摆臂11中。如图8和图10所示,两块永磁体25产生垂直磁场,带电磁珠27在垂直磁场受到切向安培力f的作用,沿着磁珠导轨29的外壁做逆时针转动,带电磁珠27转动时压迫软管26的内圈侧壁28,使得相邻两个带电磁珠27之间的软管26管道内的流体也做逆时针旋转,从而驱动导液管摆臂11内的组分液体泵入电磁磁珠泵进液口24,再经软管26流向电磁磁珠泵出液口30,之后又进入导液管摆臂11到达出液口19。如此,为导液管摆臂11内的液体提供流动动力。通过改变带电磁珠27流过电流的大小可以改变带电磁珠27在磁场中所受的安培力f,来改变带电磁珠27的运动速度,从而改变导液管摆臂11和软管26内的液体流速。

参见图11、图12、图13和图14,光信号发射模块9包含发光二极管35、凸透镜34、第一级反射镜32和第二级反射镜33。最底部是发光二极管35,发光二极管35正上方是凸透镜34,凸透镜34的正上方是第一级反射镜32,在第一级反射镜32的旁侧是第二级反射镜33。凸透镜34在距离发光二极管35的一倍焦距位置处,发光二级管35向上发出的光线经过凸透镜34变成一束向上的平行光,平行光在第一级反射镜32的作用下改变90度,从第一级反射镜32反射的光在第二级反射镜33的作用下又改变90度,然后均匀垂直向下照射在光信号接收模块8上。光信号接收模块8由ccd感光阵列板31和ccd感光阵列36组成,ccd感光阵列板31上以矩阵形式排列着ccd感光阵列36,ccd感光阵列36排列成m行和n列,其中,沿微流控芯片5的半径方向是列的方向,与列方向垂直的行向,如图14所示的m×n阵列。从第二级反射镜33反射的均匀垂直向下的反射光均匀照射在矩阵排列的ccd感光阵列36上。

如图15所示,控制模块1分别通过控制线连接液晶显示器15、按键16、发光二极管35、ccd感光元件36、芯片旋转控制电机7、带电磁珠27和摆臂控制电机4。按键16给控制模块1信号启动控制模块1,控制模块1控制发光二极管35发光,同时控制芯片旋转电机7旋转,旋转的过程中ccd感光阵列36将吸光度信号发送给控制模块1,等离心分离结束后,控制模块1控制摆臂控制电机4旋转一定角度,最后控制带电磁珠27抽取组分液体。

参见图1-15,本发明离心式分离装置工作时,控制模块1打开光信号发射模块9和光信号接收模块8,同时控制芯片旋转电机7旋转360°,检测微流控芯片5腔室内是否有异物:光信号接收模块8将吸光度信号发送给控制模块1,吸光度信号经控制模块1的处理得到微流控芯片5的各区域吸光度,当各区域吸光度相同时,则判断出微流控芯片5腔室内无异物。然后,控制模块1控制摆臂控制电机4顺时针旋转,使汲液口6旋转到微流控芯片5内腔室的最大半径处,即导液管摆臂11的停泊区,此时离心式分离装置初始化结束。

参见图16,设导液管摆臂11的圆弧型管道的旋转半径为r,也是微流控芯片5检测区的最大检测半径r,芯片进样管20的长度为l,进样漏斗10底部的半径为r,则摆臂控制电机4的中心距离微流控芯片5中心的距离是r+l+r,环形槽21的中心距离微流控芯片5中心的距离也是r+l+r。

将待分离的样品液体滴入到进样漏斗10内,假设样品液体由a、b和c三种组分混合而成。控制模块1控制芯片旋转电机7带动微流控芯片5匀速旋转,光信号接收模块8将m×n个ccd感光阵列36采集的信号以二维组{(i11,r11)、(i12,r12)、……、(imn,rmn)}的形式发送控制模块1,其中imn为第m行第n列的ccd感光阵列36采集到的光信号值,rmn为第m行第n列的ccd感光阵列36距离微流控芯片5的中心沿半径方向上的距离,即n列ccd感光阵列36的半径。控制模块1将m×n矩阵信号中行向量数据取平均数,得到平均光信号值in=(i1n+i2n+…+imn)/m和平均半径rn=(r1n+r2n+…+rmn)/m,便得到新的数组{(i1,r1)、(i2,r2)、…、(in,rn)}。根据该新的数组{(i1,r1)、(i2,r2)、…、(in,rn)}绘制出吸光度和分区半径的线性关系图,如图17所示,线性关系图中的横坐标轴表示半径rn,纵坐标表示对应的吸光度in。控制模块1根据线性关系图处理吸光度和分区半径的线性关系,线性关系图中的波峰点对应的横坐标轴值即是分区半径值。例如:对于由a、b和c三种组分组成的样品液体来说,图17中线性关系图中的三个波峰对应的三个点分别是(ia,ra)、(ib,rb)和(ic,rc)。因此,得到由微流控芯片5的中心向边缘处的三个分区半径分别是ra、rb、rc。控制模块1同时将线性关系图通过液晶显示器15显示。

当光信号接收模块8检测到微流控芯片5的最大检测半径r处的吸光度值开始改变时,即表明有液体到达微流控芯片5内腔室的外侧边缘,此时,控制模块1控制芯片旋转电机7停止工作,微流控芯片5也停止旋转。样液在微流控芯片5内腔室由中心向边缘依次形成多个环形带区,分离出的不同样液组分在离心作用下分布在不同的环形带区中。对于由三种组分组成的样品液体来说,样液在微流控芯片5内腔室由中心向边缘依次形成a、b和c三个环形带区,a、b和c三个环形区中分别是样品液体的a、b和c三种组分。

控制模块1控制摆臂控制电机4旋转,导液管摆臂11在停泊区逆时针旋转一个角度,参见图16可知:汲液口6的运动起点和终点以及导液管摆臂11的旋转中心组成一个等腰三角形,由三角正切定理计算得到:,因此得到旋转角,是第一个环形带区的分区半径,r是微流控芯片5的最大检测半径。这样,使得汲液口6转到由中心向边缘的第一个环形带区,即a环形带区,控制模块1同时启动电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,给磁珠导轨29通电,带电磁珠27带电,在垂直磁场的作用下受到沿切向安培力f。带电磁珠27逆时针运动,带动软管26内的液体流动,液体通过导液管摆臂11流入到第一级积液槽12,再通过导液管13流入到第二级积液槽14。芯片旋转电机7旋转360°后,控制模块1同时关闭电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,a环形带区的组分被分离至第二级积液槽14,这样,第一个环形带区中的第一种组分便流入到第二级积液槽14中,实现第一种组分的分离。

摆臂控制电机4继续带动导液管摆臂11从a带区逆时针旋转一个角度是第二个环形带区的分区半径,使得汲液口6转到第二个环形带区,即b环形带区,控制模块1开启电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,芯片控制电机7旋转360°后,控制模块1同时关闭电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,第二种组分通过导液管摆臂11流入到对应的第一级积液槽12和第二级积液槽1中,第二个环形带区的组分被分离。

摆臂控制电机4又继续带动导液管摆臂11从第三个环形带区,即c环形带区逆时针旋转一个角度是第三个环形带区的分区半径,使得汲液口6转到第三个环带区。控制模块1同时开启电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,在芯片旋转电机7旋转360°后,控制模块1同时关闭电磁磁珠驱动模块3和芯片旋转电机7,此时,第三种组分通过导液管摆臂11流入到对应的第一级积液槽12和第二级积液槽1中,第三个环形带区中的第三种组分被分离。

如此循环往复,直至最后一个环形带区的样液组分流入到对应的第一级积液槽12和第二级积液槽1,完成所有带区中的组分的依次分离。

在所有组分分离后,抽取出第二级积液槽14中的分离物,然后对装置进行清洗:先控制导液管摆臂11停泊在芯片腔室最大半径处,即导液管摆臂11的停泊区,再将清洁剂滴入到进样漏斗10内,由芯片旋转电机7带动微流控芯片5匀速旋转,废液在离心场的作用下也向微流控芯片5内腔室边缘处流动,汲液口6不停地抽取清洗后的废液。当控制模块1判断微流控芯片5各区域的吸光度相同时,则表明微流控芯片5腔室内无异物,结束清洗。

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