一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统

本发明涉及生物传感器，更具体地涉及一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统。

背景技术：

1、研究表明，新冠病毒感染者的呼出气冷凝液(exhaled breath condensate，ebc)中存在传染性sars-cov-2，利用ebc样本实现新型冠状病毒感染的检测和筛查中具有重要的应用潜力。目前针对ebc样本的收集装置主要包括以下几类，市面上商用的ebc收集装置主要是包括美国respiratory research公司的rtubetm管和意大利medivac公司的turbodeccs系统，另外也有通过冰浴、冷冻铝槽以及热电冷却器系统等自制系统进行ebc样本的收集。但是这些系统都仅仅是只能进行ebc样本收集，样本通常需要进行转移后再进行ebc样本的分析与检测，这样既增加了采样人员所面临的风险和工作负担，同时也增加了样本被污染的风险。近年来也有像英国exhalation technology公司开发了用于呼吸气体冷凝物收集以及理化指标(双氧水以及二氧化碳等)的一体化检测系统，但截止到目前尚未出现针对呼吸气体冷凝物中生物分子的一体化检测系统。

2、在正常呼吸条件下进入ebc的呼出微滴中sars-cov-2病毒载量浓度范围在3.92×10-1copy/ml至5.10×104copy/ml左右，这需要对用于呼吸气体冷凝物中新冠病毒检测的生物传感器具有很高的检测灵敏度才能实现相关的检测。在目前可用的众多诊断方法中，基于场效应晶体管(fet)的生物传感设备不仅具有这个量级的检测灵敏度，而且具有其他几个优点，包括使用少量分析物进行高灵敏度和瞬时测量的能力。基于fet的生物传感器被认为是在临床诊断、即时检测和现场检测中具有很好的应用前景。石墨烯因为其非凡的特性，包括高电子导电性、高载流子迁移率，被应用于各种传感平台中。基于石墨烯的fet生物传感器可以检测其表面的周围变化，并为超灵敏和低噪声检测提供最佳传感环境，在敏感免疫诊断中具有不错的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统，从而解决现有技术中缺乏针对呼吸气体冷凝物中生物分子的一体化检测系统的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、提供一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统，包括：基于热电冷却的呼吸气体冷凝物采集器，其包括：软管、与所述软管连接的冷凝物收集管、套设于所述冷凝物收集管外侧的冷却阱铝块、紧贴于所述冷却阱铝块一侧设置的热电冷却器帕尔帖元件和mcu冷却器；基于微流控集成的片上栅极石墨烯场效应管生物传感器系统，其包括：通过等离子键合的微流控芯片和片上栅极石墨烯场效应管生物传感器，所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器具有石墨烯生物传感沟道，其上修饰有可与新冠病毒抗体结合的链霉亲和素或蛋白g；电源以及信号采集与控制模块；其中，呼出气体经软管进入冷凝物收集管后冷凝，形成的冷凝液流入到微流控芯片中以及片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的表面，通过所述信号采集与控制模块进行生物传感器信号的采集，即可实现呼吸气体冷凝物中生物标志物的检测。

4、所述冷凝物收集管包括：呼吸气体导入管，与所述呼吸气体导入管连接的冷凝管本体，设置于所述冷凝管本体上方的毛细管单向上截止阀，设置于所述冷凝管本体下方的毛细管单向下截止阀。

5、所述冷凝管本体的径向尺寸自上而下逐步缩减，所述毛细管单向下截止阀由冷凝液样本存储区和冷凝液样本出样口组成，所述冷凝液样本存储区为径向尺寸自上而下逐步缩减的倒圆台结构，所述冷凝液样本出样口为内径尺寸为百微米量级的圆柱形结构。

6、所述冷凝管本体的长度h1为2～5cm，入口处宽度l1为0.5～1cm，冷凝液样本出样口的长度h2为2～3mm，内径l2为百微米量级，冷凝液样本存储区的切角ɑ范围为10～60度。

7、所述冷却阱铝块的外围厚度为0.4～0.6cm，在靠近所述热电冷却器帕尔帖元件的一侧自上而下逐渐加厚以充分贴靠所述热电冷却器帕尔帖元件。

8、所述微流控芯片包括微流体反应腔室、冷凝物样品入口、冲洗液入口以及样品出口；所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器包括多组石墨烯场效应管器件，所述片上栅极石墨烯场效应管器件包括：源极，漏极，以及共用片上栅极；其中，所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的石墨烯生物传感沟道与所述微流控芯片的微流体反应腔室对准。

9、所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的石墨烯生物传感沟道的制备方法包括：在石墨烯表面失活bsa，通过等离子进行刻蚀，并在失活bsa修饰石墨烯沟道中通过edc和nhs将羧基修饰的聚乙二醇(peg)与链霉亲和素或者蛋白g混合修饰在石墨烯沟道表面；其中，新冠病毒抗体通过与蛋白g定向结合或者生物素修饰抗体与链霉亲和素定向修饰，即可在呼吸气体冷凝物中实现新冠病毒感染者呼吸气体冷凝物中新冠病毒检测。

10、所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器进一步与带有信号电极的pcb板贴合，并采用wire-bonding的封装方式通过金线或者铝线将传感器的信号引出。

11、信号采集与控制模块包括微控制器单元、模数转换器、模拟多路复用器、数模转换器模块、信号放大器模块、电压偏置模块、lcd显示模块、电压调节模块以及热电冷却模块，其中，所述微控制器单元通过模数转换器、模拟多路复用器以及信号放大器模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的漏极连接，通过数模转换器模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的栅极连接，通过电压偏置模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的源极连接。

12、所述微控制器单元通过模数转换器、模拟多路复用器以及电压偏置模块连接温度传感器，用于检测所述冷却阱铝块的表面温度；所述微控制器单元还通过模数转换器、模拟多路复用器、信号放大器模块以及电压调节模块连接所述热电冷却器帕尔帖元件，将所述冷却阱铝块以及冷凝物收集管中的温度保持在5℃～-10℃，以保证呼吸气体冷凝物的收集效率。

13、根据本发明提供的一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统，其有益效果在于，通过对采集管整体结构的设计、石墨烯场效应生物传感器的界面的优化设计以及通过毛细管单向截止阀的设计，构建了一种简单有效并且能够实现极低目标分子检测的一体化呼吸气体冷凝物检测系统，在简化系统设计的同时，还可同时实现ebc的采集与检测，避免增加采样人员所面临的风险和工作负担以及样本被污染的风险。

技术特征：

1.一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述冷凝物收集管(1)包括：呼吸气体导入管(11)，与所述呼吸气体导入管(11)连接的冷凝管本体(12)，设置于所述冷凝管本体(12)上方的毛细管单向上截止阀(13)，以及设置于所述冷凝管本体(12)下方的毛细管单向下截止阀(14)。

3.根据权利要求2所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述冷凝管本体(12)的径向尺寸自上而下逐步缩减，所述毛细管单向下截止阀(14)由冷凝液样本存储区(122)和冷凝液样本出样口(123)组成，所述冷凝液样本存储区(122)为径向尺寸自上而下逐步缩减的倒圆台结构，所述冷凝液样本出样口(123)为内径尺寸为百微米量级的圆柱形结构。

4.根据权利要求3所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述冷凝管本体(12)的长度h1为2～5cm，入口处宽度l1为0.5～1cm，冷凝液样本出样口(123)的长度h2为2～3mm，内径l2为百微米量级，冷凝液样本存储区(122)的切角ɑ范围为10～60度。

5.根据权利要求1所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述冷却阱铝块(2)的外围厚度为0.4～0.6cm，在靠近所述热电冷却器帕尔帖元件(4)的一侧自上而下逐渐加厚以充分贴靠所述热电冷却器帕尔帖元件(4)。

6.根据权利要求1所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述微流控芯片(3)包括微流体反应腔室(31)、冷凝物样品入口(32)、冲洗液入口(33)以及样品出口(34)；所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)包括多组石墨烯场效应管器件，所述石墨烯场效应管器件还包括：源极(52)，漏极(53)，以及共用片上栅极(54)；其中，所述石墨烯场效应管生物传感器(5)的石墨烯生物传感沟道(51)与所述微流控芯片(3)的微流体反应腔室(31)对准。

7.根据权利要求1所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)的石墨烯生物传感沟道的制备方法包括：在石墨烯表面失活bsa，通过等离子进行刻蚀，并在失活bsa修饰石墨烯沟道中通过edc和nhs将羧基修饰的聚乙二醇(peg)与链霉亲和素或者蛋白g混合修饰在石墨烯沟道表面；其中，新冠病毒抗体通过与蛋白g定向结合或者生物素修饰抗体与链霉亲和素定向修饰，即可实现在新冠病毒感染者呼吸气体冷凝物中新冠病毒的检测。

8.根据权利要求6所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)进一步与带有信号电极(25)的pcb板(26)贴合，并采用wire-bonding的封装方式通过金线或者铝线将传感器的信号引出。

9.根据权利要求6所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述信号采集与控制模块9包括微控制器单元、模数转换器、模拟多路复用器、数模转换器模块、信号放大器模块、电压偏置模块、lcd显示模块、电压调节模块以及热电冷却模块，其中，所述微控制器单元通过模数转换器、模拟多路复用器以及信号放大器模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)的漏极(43)连接，通过数模转换器模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)的栅极(44)连接，通过电压偏置模块与片上栅极石墨烯场效应管生物传感器(5)的源极(42)连接。

10.根据权利要求9所述的微流控集成生物传感系统，其特征在于，所述微控制器单元通过模数转换器、模拟多路复用器以及电压偏置模块连接温度传感器(27)，用于检测所述冷却阱铝块(2)的表面温度；所述微控制器单元还通过模数转换器、模拟多路复用器、信号放大器模块以及电压调节模块连接所述热电冷却器帕尔帖元件(4)，将所述冷却阱铝块(2)以及冷凝物收集管(1)中的温度保持在5℃～-10℃，以保证呼吸气体冷凝物的收集效率。

技术总结
本发明提供一种呼吸气体冷凝物采集与检测一体化的微流控集成生物传感系统，包括：基于热电冷却的呼吸气体冷凝物采集器，其包括：软管、冷凝物收集管、冷却阱铝块、帕尔帖元件和MCU冷却器；基于微流控集成的片上栅极石墨烯场效应管生物传感系统，其包括：微流控芯片和片上栅极石墨烯场效应管生物传感器；电源以及信号采集与控制模块；其中，呼出气体进入冷凝物收集管后冷凝，进而流入到微流控芯片中以及片上栅极石墨烯场效应管生物传感器的表面，通过信号采集与控制模块进行生物传感器信号的采集，从而实现呼吸气体冷凝物中生物标志物的检测。本发明可同时实现EBC的采集与检测，既减轻了采样人员的工作负担，同时避免了样本被污染的风险。

技术研发人员：周麟,毛红菊,程乾,万彬,赵建龙
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15