一种全自动全封闭式荧光定量PCR微流控诊断芯片

技术领域

本发明属于体外诊断领域，尤其是一种全自动全封闭式荧光定量PCR微流控诊断芯片。

背景技术

核酸检测常规流程为：样本取样、样本保存和处理、核酸提取、试剂配置、核酸扩增、扩增产物分析、扩增产物处理等阶段。影响PCR实验结果的因素非常多，其中非常重要的一个因素就是PCR实验过程中的核酸气溶胶污染。极微量的核酸气溶胶污染，都有可能导致检测结果的假阳性，甚至导致检测实验的失败，所以通常核酸检测的各阶段通常都需要在专门设置的PCR实验室中完成。这个实验室要实现样本处理，核酸提取，PCR扩增的分区操作，且必须具备良好的通风系统，实验室搭建的成本非常高昂，往往只有大型医疗机构才有搭建的财力。

微流控技术指的是使用微小流道和各种微结构操控微量流体的技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片或芯片实验室，一块小巧的微流控芯片相当于是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作都浓缩集成在了一起，配合仪器自动完成分析的全过程。微流控芯片一般具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点，因此具有简化诊断流程、降低医疗成本、提高医疗效率的巨大潜力。

如果能把微流控技术使用到核酸检测过程中，对实验室的要求将大大降低，还能降低核酸检测的难度和成本，也有利于核酸检测向基层医院的推广，特别针对各种传染病的检测将做出巨大的贡献。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种集核酸提取、扩增、检测于一体的全封闭式荧光定量PCR微流控诊断芯片，减少污染，同时降低核酸检测的难度和成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种全自动全封闭式荧光定量PCR微流控诊断芯片，包括微流道组件，所述微流道组件顶部和下部设置若干仓体，所述微流道组件表面设置有若干微流道，每一个微流道连通一个仓体；所述微流道组件表面中部还设置流道一和流道二，所述流道一与顶部的其中一个仓体连通，该仓体内设置有注射活塞；

所述微流道组件还设置有切换阀安装位，所述切换阀安装位设置可相对微流道组件旋转的流道切换阀和试剂切换阀；所述试剂切换阀上沿圆周分布有若干干燥试剂仓，所述干燥试剂仓通过旋转可连通流道一和流道二；所述流道切换阀表面设置有环形公共流道，所述环形公共流道与流道二连通，所述环形公共流道设置有沿流道切换阀径向方向延伸设置的流道选择端口，所述流道旋转端口通过旋转可与任一微流道连通。

优选的，所述流道组件顶部的仓体包括液体转移仓、若干试剂仓、样本仓，所述液体转移仓内设置有注射活塞；所述流道组件下部的仓体包括PCR扩增检测仓，和反应仓，所述反应仓包括相互连通的核酸提取仓和多功能仓。

优选的，所述微流道组件表面上部还设置有气体内循环孔，所述气体内循环孔连通气体微流道，气体微流道连通多功能仓。

优选的，所述流道切换阀表面还设置有通气流道，气体循环内孔连接的微流道为三通型，通过旋转流道切换阀使通气流道可与三通型的微流道自由端连通，所述通气流道通过三通型的微流道与PCR扩增检测仓连通。

优选的，所述微流道组件还包括试剂封口膜，所述试剂封口膜设置在若干所述试剂仓顶部。

优选的，所述微流道组件包括组装在为一体的芯片主体和流道密封层，所述芯片主体上设置若干仓体和微流道，以及流道一和流道二；所述流道密封层设置有试剂仓入口和试剂仓出口，所述试剂仓入口与流道一连通，所述试剂仓出口与流道二连通，所述试剂切换阀通过旋转使干燥试剂仓与试剂仓入口和试剂仓出口连通。

优选的，所述芯片主体与流道密封层通过超声焊接、粘结或者热熔中任一种连接方式结合在一起形成完整流道组成微流道组件。

优选的，所述PCR微流控诊断芯片还包括设置在所述微流道组件上部的芯片上壳组件，所述芯片上壳组件包括芯片上壳，所述芯片上壳上设置有芯片密封盖，所述芯片密封盖对应样本仓；所述芯片上壳组件和所述微流道组件之间设置有密封圈。

优选的，所述芯片上壳组件还包括封口弹性薄膜和封口薄膜压板，所述封口膜压板设置若干通孔，所述通孔与试剂仓对应，所述封口膜压板上还设置有封口弹性薄膜。

优选的，所述PCR微流控诊断芯片还包括与微流道组件匹配的芯片下壳。

本发明的有益技术效果是：

通过把微流控技术使用到核酸检测芯片上，该芯片把传统PCR实验所需要的花巨资打造的PCR实验室缩小到了一个小小的测试芯片上进行，而且实现了检测的自动化，对实验室的要求大大降低，还降低了核酸检测的难度和成本，也有利于核酸检测向基层医院的推广，特别针对各种传染病的检测将做出巨大的贡献。

附图说明

图1为芯片外观示意图；

图2为芯片组件组成示意图；

图3为芯片上壳组件示意图；

图4为芯片微流道组件示意图；

图5为芯片主体结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-芯片上壳组件，2-微流道组件，3-芯片下壳三，1-1-芯片密封盖，1-2-芯片上壳，1-3-封口弹性薄膜，1-4-封口薄膜压板，2-1-芯片主体，2-2-密封圈，2-3-试剂封口膜，2-4-注射活塞，2-5-流道切换阀，2-6-流道密封层，2-7-试剂切换阀，2-8-冻干试剂，2-1-1-液体转移仓，2-1-2-试剂仓，2-1-3-样本仓，2-1-4-气体内循环孔，2-1-5-微流道，2-1-6-切换阀安装位，2-1-7-PCR扩增检测仓，2-1-8-核酸提取仓，2-1-9-多功能仓，2-1-10-流道一，2-1-11流道二，2-5-1环形公共流道，2-5-2流道选择端口，2-5-3通气流道，2-6-1试剂仓入口，2-6-2试剂仓出口。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本发明采用微流控技术把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作都浓缩集成在了一起，配合仪器自动完成分析的全过程，其具体结构如图1-5所示，

一种全自动全封闭式荧光定量PCR微流控诊断芯片，包括微流道组件2，所述微流道组件2顶部和下部设置若干仓体，所述微流道组件2表面设置有若干微流道2-1-5，每一个微流道2-1-5连通一个仓体；所述微流道组件2表面中部还设置流道一2-1-10和流道二2-1-11，所述流道一2-1-10与顶部的其中一个仓体连通，该仓体内设置有注射活塞2-4；

所述微流道组件2还设置有切换阀安装位2-1-6，所述切换阀安装位2-1-6设置可相对微流道组件2旋转的流道切换阀2-5和试剂切换阀2-7；所述试剂切换阀2-7上沿圆周分布有若干干燥试剂仓，所述干燥试剂仓通过旋转可连通流道一2-1-10和流道二2-1-11；所述流道切换阀2-5表面设置有环形公共流道2-5-1，所述环形公共流道2-5-1与流道二2-1-11连通，所述环形公共流道2-5-1设置有沿流道切换阀径向方向延伸设置的流道选择端口2-5-2，所述流道旋转端口2-5-2通过旋转可与微流道连通2-1-5。

进一步地，在进行核酸检测时，将流道组件顶部的仓体分为液体转移仓2-1-1、若干试剂仓2-1-2、样本仓2-1-3，所述液体转移仓2-1-1内设置有注射活塞2-4；所述流道组件2下部的仓体包括PCR扩增检测仓2-1-7，和反应仓，所述反应仓包括相互连通的核酸提取仓2-1-8和多功能仓2-1-9。

上述结构中，液体转移仓2-1-1用于各种液体试剂及冻干试剂球的混匀及转移位置；试剂仓2-1-2用于各种液体或固体试剂的预封装或者作为预留空仓体；样本仓2-1-3用于用户添加检测样本；微流道2-1-5用于液体流动；切换阀安装位2-1-6用于安装流道切换阀2-5和试剂切换阀2-7；PCR扩增检测仓2-1-7用于进行扩增反应及荧光信号检测；核酸提取仓2-1-8用于分离提取核酸；多功能仓2-1-9用于液体加热、液体混匀、核酸裂解、核酸洗脱等。

上述结构的微流道组件装配注射活塞2-4、试剂切换阀2-7、流道切换阀2-5和冻干试剂2-8；其中，冻干试剂2-8放置在试剂切换阀2-7的干燥试剂仓，将试剂切换阀2-7和流道切换阀2-5转动连接在微流道组件上的切换阀安装位2-1-6上，通过旋转试剂切换阀2-7可使得干燥试剂仓连通微流道组件表面上的流道一2-1-10和流道二2-1-11；通过旋转流道切换阀2-5可使流道旋转端口2-5-2通过旋转可与选定的微流道2-1-5连通。

上述PCR微流控诊断芯片的可以采用如下方式操作：当注入样本进2-1-3样本仓底部后，可缓慢注入以避免气泡产生，然后采用活塞杆插入液体转移仓2-1-1底部并装配上注射活塞2-4，然后分别驱动旋转流道切换阀2-5和试剂切换阀2-7，旋转与流道切换阀2-5上的流道旋转端口2-5-2与样本仓向2-1-3连通，旋转试剂切换阀2-7中装有冻干磁珠试剂的干燥试剂仓连通流道一2-1-10和流道二2-1-11，从而使得液体转移仓2-1-1、流道一2-1-10、干燥试剂仓、流道二2-1-11、环形公共流道2-5-1、流道选择端口2-5-2、样本仓向2-1-3连通，通过活塞杆和注射活塞2-4的配合吸取定量的样本与冻干磁珠试剂混合并到达液体转移仓2-1-1；然后再次驱动流道切换阀2-5连通内设有裂解液的试剂仓2-1-2对应的微流道2-1-5，即液体转移仓2-1-1与内设有裂解液的试剂仓2-1-2连通，则通过注射活塞吸取定量的裂解液到液体转移仓2-1-1并于仓内与样本初步混匀；然后再次驱动流道切换阀2-5连通核酸提取仓2-1-8、多功能仓2-1-8，通过驱动注射活塞2-4将混合液体从液体转移仓2-1-1排入多功能仓2-1-9，并同时对多功能仓2-1-9外部进行恒温加热，在加热的过程中可以通过注射活塞2-4多次抽吸液体加速细胞的裂解。裂解完成后液体中的核酸与磁珠结合在一起，通过在核酸提取仓2-1-8外部放置永磁体或者使用电磁铁产生强磁性，当注射活塞2-4缓慢从多功能仓2-1-9内部抽出的液体转移至液体转移仓2-1-1时，经过核酸提取仓2-1-8时，液体内的磁珠及磁珠与核酸的结合物被吸附在核酸提取仓2-1-8内；随后，再驱动流道切换阀2-5，连通样本仓2-1-3，排出废液，样本仓2-1-3满后，再驱动流道切换阀2-5，连通内设裂解液的试剂仓2-1-2，将剩余废液排入其中；随后，继续驱动流道切换阀2-5连通内设有清洗液的试剂仓2-1-2，吸入液体转移仓2-1-1，然后通过驱动流道切换阀2-5，连通液体转移仓2-1-1与核酸提取仓2-1-8，用清洗液对核酸提取仓2-1-8中的磁珠进行多次清洗，然后吸附磁珠，排出废液至内设有清洗液的试剂仓2-1-2；再然后吸取定量内设有洗脱液的试剂仓2-1-2中洗脱液对核酸提取仓2-1-8中磁珠上的核酸进行洗脱，并分离出磁珠得到洗脱液存于液体转移仓2-1-1；然后再驱动流道切换阀2-5连通试剂仓2-1-2内预留空舱体的微流道2-1-5，以及驱动试剂切换阀2-7连通PCR试剂所在的干燥试剂仓，让洗脱液与PCR试剂充分混匀后吸入液体转移仓2-1-1，最后再驱动流道切换阀2-5连通PCR扩增检测仓2-1-7，将液体转移仓2-1-1中的混合液注入PCR扩增检测仓2-1-7，并封闭PCR扩增检测仓2-1-7的进出流道，同时仪器对PCR扩增检测仓2-1-7通过外部加热装置进行循环变温加热，并通过外部荧光装置检测实时的荧光信号，最后完成检测得出结果。

进一步地，所述微流道组件2表面上部还设置有气体内循环孔2-1-4，所述气体内循环孔2-1-4连通微流道，微流道连通多功能仓2-1-9。上述结构中可以向多功能仓根据实际情况进行通气，增加整个PCR微流控诊断芯片的应用范围。

进一步地，所述流道切换阀2-5表面还设置有通气流道2-5-3，气体循环内孔2-1-4连接的微流道为三通型，通过旋转流道切换阀2-5使通气流道2-5-3可与三通型的微流道自由端连通，所述通气流道2-5-3通过三通型的微流道与PCR扩增检测仓2-1-7连通。上述结构可以实现PCR扩增检测仓2-1-7与大气的连通，在PCR扩增检测仓2-1-7关闭流道通道时，可以通过旋转流道切换阀2-5与大气连通，可以根据实际情况是否通气选择是否连通，可以连通大气，也可以通过气体循环内孔2-1-4上连接其他气体，来增加PCR微流控诊断芯片的应用范围。

进一步地，所述微流道组件2还包括试剂封口膜2-3，所述试剂封口膜2-3设置在若干所述试剂仓2-1-2顶部。用于密封实际，防止试剂在装配时污染，在要使用试剂仓2-1-2的试剂时，可以通过采用刺破柱对应的试剂封口膜2-3。

进一步地，所述微流道组件2包括组装在为一体的芯片主体2-1和流道密封层2-6，所述芯片主体2-1上设置若干仓体和微流道2-1-5，以及流道一2-1-10和流道二2-1-11；所述流道密封层2-6设置有试剂仓入口2-6-1和试剂仓出口2-6-2，所述试剂仓入口2-6-1与流道一2-1-10连通，所述试剂仓出口2-6-2与流道二2-1-11连通，所述试剂切换阀2-7通过旋转使干燥试剂仓与试剂仓入口2-6-1和试剂仓出口2-6-2连通。上述结构阐述了微流道组件的具体结构，以及流道一2-1-10和流道二2-1-11如何与干燥试剂仓连通的结构。

进一步地，所述芯片主体2-1与流道密封层2-6通过超声焊接、粘结或者热熔中任一种连接方式结合在一起形成完整流道组成微流道组件。

进一步地，所述PCR微流控诊断芯片还包括设置在所述微流道组件2上部的芯片上壳组件1，所述芯片上壳组件1包括芯片上壳1-2，所述芯片上壳1-2上设置有芯片密封盖1-1，所述芯片密封盖1-1对应样本仓2-1-3；所述芯片上壳组件1和所述微流道组件2之间设置有密封圈2-2。

进一步地，所述芯片上壳组件1还包括封口弹性薄膜1-3和封口薄膜压板1-4，所述封口膜压板1-4设置若干通孔，所述通孔与试剂仓2-1-2对应，所述封口膜压板1-4上还设置有封口弹性薄膜1-3。

本发明在该芯片生产时通过将分子诊断全流程所需的各种试剂提前封装在在微流道组件2设置的试剂仓2-1-2和试剂切换阀2-7内，通过微流道2-1-5与各功能单元相互连通，并设置驱动液体流动的注射活塞2-4以及用于切换流道的流道切换阀2-5，同时，微流道组件2还设置组装芯片上壳组件1，通过芯片上壳组件1设置封口弹性薄膜1-3、芯片密封盖1-1，以及两者之间的密封圈2-2，皆用于封闭芯片，使芯片成为一个密闭的空间，芯片内空气形成内循环，从而避免芯片内外气溶胶的相互污染。在设置上述芯片上壳组件1时，在芯片使用时，采用刺破柱刺破试剂封口膜2-3时，是隔着封口弹性薄膜1-3，且封口弹性薄膜1-3不刺破，可以在检测过程起到很好的密封作用。

进一步地，所述PCR微流控诊断芯片还包括与微流道组件2匹配的芯片下壳3。芯片下壳3用于组装和密封芯片。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。