微泵、微流控芯片、检测系统及检测方法

1.本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种微泵、微流控芯片、检测系统及检测方法。


背景技术：

2.微流控芯片作为一种分析操作平台，能够将生物化学等领域的样本制备、反应、分离、清洗、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，具备消耗试剂少、分析速度快和操作自动化等优点。
3.目前，微流控芯片中的流体驱动常借助外接设备，如注射泵、蠕动泵等，具有难于集成，成本高，且不适合现场应用的缺点。


技术实现要素：

4.本发明提供一种微泵、微流控芯片、检测系统及检测方法，用以解决现有技术中微泵难于集成，成本高，且不适合现场应用的缺陷，实现直接集成在芯片上，成本低，而且适宜现场应用。
5.本发明提供一种微泵，包括：
6.底物腔，所述底物腔用于容置底物；
7.催化剂腔，所述催化剂腔用于容置催化剂，所述催化剂腔和所述底物腔连通，且所述催化剂腔上设置有第一出口；
8.调节器，所述调节器通过端部悬挂在所述底物腔的顶部；
9.通过按压所述调节器，将所述底物腔中的底物挤压至所述催化剂腔中，所述底物和所述催化剂发生反应产生的气体通过所述第一出口排出。
10.本发明还提供一种微流控芯片，包括：样本腔、第一缓冲腔以及上述的微泵；
11.所述微泵的第一出口、所述样本腔、所述第一缓冲腔顺次连通，所述样本腔用于容置样本，所述第一缓冲腔上设置有第二出口。
12.根据本发明提供的一种微流控芯片，还包括：第二缓冲腔，所述第二缓冲腔设置在所述第一出口和所述样本腔之间。
13.根据本发明提供的一种微流控芯片，还包括：储液腔，所述储液腔设置在所述第一缓冲腔的下游。
14.本发明还提供一种检测系统，包括混合单元、多功能腔以及至少6个上述的微流控芯片；
15.所述混合单元以及所述多功能腔顺次连通，所述多功能腔上设置有第三出口；
16.至少6个所述微流控芯片中的所述样本腔分别用于容置不同的样本；
17.至少6个所述微流控芯片中的至少3个第一微流控芯片通过所述第二出口连通所述混合单元，至少6个所述微流控芯片中的另外至少3个第二微流控芯片通过所述第二出口连通所述多功能腔；
18.其中，至少3个所述第一微流控芯片的所述第一缓冲腔与所述混合单元之间的管道长度相等。
19.根据本发明提供的一种检测系统，所述混合单元包括顺次连通的混合器和孵育通道。
20.根据本发明提供的一种检测系统，所述混合器为螺旋状管道。
21.根据本发明提供的一种检测系统，所述孵育通道包括多条子管道以及多条弯折管道，相邻的两条所述子管道之间通过所述弯折管道串联。
22.根据本发明提供的一种检测系统，还包括：废液腔，所述废液腔连通在所述多功能腔的下游。
23.本发明还提供一种检测方法，应用于上述的检测系统，所述检测方法包括：
24.在至少6个微流控芯片中分别对应加入底物、催化剂以及不同的样本，其中，至少3个第一微流控芯片中的所述样本分别为：生物识别元件修饰的磁性颗粒、待测微生物溶液、生物识别元件修饰的第一反应物，至少3个第二微流控芯片中的一个所述样本为与所述第一反应物对应的第二反应物；
25.在多功能腔的下方设置磁铁；
26.密封至少6个所述微流控芯片的顶部，保持所述第三出口处于开放状态；
27.同时按压至少3个第一微流控芯片中的调节器，使至少3个所述第一微流控芯片中的样本同时流动至混合单元，混合后生成的复合物流动至所述多功能腔；
28.逐一按压至少3个第二微流控芯片中的调节器，使至少3个所述第二微流控芯片中的样本先后流动至所述多功能腔，对所述复合物进行清洗后，向所述复合物中加入所述第二反应物；
29.所述多功能腔中的所述第一反应物和所述第二反应物发生反应后得到生成物，所述生成物与所述待测微生物溶液的浓度相关。
30.本发明实施例提供的微泵，通过在底物腔中设置调节器，该调节器通过端部悬挂在底物腔的顶部。使用时，通过按压调节器，将底物腔中的底物挤压至催化剂腔中，底物和催化剂发生反应产生的气体通过第一出口排出。该气体可以推动位于第一出口的其他物质移动，从而形成微泵。这种微泵可以直接集成在芯片上，成本低，而且适宜现场应用。
31.在本发明实施例提供的微流控芯片、检测系统及检测方法中，由于应用了如上所述的微泵，因此同样具备如上所述的各项优势，在此不再赘述。
32.本发明实施例的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实施例的实践了解到。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明提供的一种微泵的结构示意图；
35.图2是本发明提供的一种调节器的结构示意图；
可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.现结合图1至图9，对本发明提供的各实施例进行描述，应当理解的是，以下仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
60.图1是本发明提供的一种微泵的结构示意图，请参见图1。该微泵10包括：底物腔11、催化剂腔12和调节器13。其中，该底物腔11用于容置底物。催化剂腔12用于容置催化剂，催化剂腔12和底物腔11连通，并且催化剂腔12上设置有第一出口。该调节器13通过端部悬挂在底物腔11的顶部。使用时，通过按压调节器13，将底物腔11中预装载的底物挤压至催化剂腔12中，底物和催化剂发生反应产生的气体通过第一出口排出。随着反应的进行，产生的气体的量也逐渐增加，该气体可以推动位于第一出口的其他物质移动，也即是为其他物质的移动提供动力，从而形成微泵10。
61.本发明实施例提供的微泵10，通过在底物腔11中设置调节器13，该调节器13通过端部悬挂在底物腔11的顶部。使用时，通过按压调节器13，将底物腔11中的底物挤压至催化剂腔12中，底物和催化剂发生反应产生的气体通过第一出口排出。该气体可以推动位于第一出口的其他物质移动，从而形成微泵10。这种微泵10可以直接集成在芯片上，成本低，而且适宜现场应用。
62.图2是本发明提供的一种调节器的结构示意图，请参见图2。具体的，上述的底物腔11可以为圆柱形，该调节器13也为圆柱形，两者可以是同轴设置，而且，上述调节器13的材质与底物腔11的外壁的材质相同。在初始状态，调节器13通过端部悬挂在底物腔11的顶部。
63.具体的，调节器13端部的连接处具有弹性，在将调节器13按压至底物腔11的底部，使底物腔11中的部分底物排出之后，停止按压调节器13，该调节器13的端部还可以基于弹性力恢复到初始状态，从而可以重复使用，节省成本。
64.图3是本发明提供的一种调节器的高度与底物的排出体积之间的对应关系图，请参见图2和图3。将调节器13按压至底物腔11的底部，使底物腔11中的部分底物排出，排出体积等于调节器13顶部的圆台形空腔的体积，该排出体积的理论值可以用下述关系式1表示：
[0065][0066]
其中，v表示排出体积，单位为μm3；
[0067]
h1表示底物腔的高度，单位为μm；
[0068]
h2表示调节器的高度，单位为μm；
[0069]
r1表示圆台上底半径，单位为μm；
[0070]
r2表示圆台下底半径，单位为μm。
[0071]
图3中示出了调节器13的高度与排出体积的理论值、测试值之间的对应关系，其中，根据该对应关系，对后续检测过程中的调节器13高度进行修正，可以准确得到排出体积。也可以通过设置不同高度的调节器13，改变底物的排出体积。
[0072]
上述的底物和催化剂在接触后发生催化反应，实现快速产气。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为二氧化锰纳米花。其中，二氧化锰纳米花是一种模拟酶，因此，该反应为一种酶促反应，具有极高的效率，通过酶促产气，可以使该微泵10可以提供较大的气体推动力。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为铂颗粒。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为过氧化物酶。
[0073]
图4是本发明提供的一种微流控芯片的结构示意图，请参见图4。该微流控芯片100包括：样本腔20、第一缓冲腔30以及上述任一种微泵10。其中，微泵10的第一出口、样本腔20、第一缓冲腔30顺次连通，以便通过微泵10的第一出口向样本腔20中通入具有一定压力的气体。样本腔20用于在初始状态下容置样本，第一缓冲腔30用于暂时容置样本，以便对反应过程进行更好的控制，而且第一缓冲腔30上设置有第二出口。上述的气体可以作为动力推动样本腔20中的样本移动至第一缓冲腔30，样本在第一缓冲腔30中经过缓冲后，被进一步推动，从而通过该第二出口排出，以便进行后续的反应。这种微流控芯片100可以单独应用，也可以应用在检测系统1000中，用于输入样本。
[0074]
本发明实施例提供的微流控芯片100中，由于应用了上述的微泵10，通过该按压微泵10中的调节器13，即可以通过第一出口排出气体。该气体可以推动样本移动，以便进行后续的反应。通过将微泵10集成在该微流控芯片100上，成本低，而且适宜现场应用。这种微流控芯片100具有消耗试剂少、分析速度快和操作自动化等优点。
[0075]
图5是本发明提供的一种底物浓度与样本的移动速度之间的关系图，图6是本发明提供的一种催化剂浓度与样本的移动速度之间的关系图，请参见图5至图6。基于底物、催化剂各自的浓度和用量、以及获取的样本的移动速度、移动距离，通过多次应用，可以得到上述数据之间的对应关系，根据该对应关系，拟合得到样本的移动速度、移动距离的变化规律，例如，可参见图5中的关系式，其中：
[0076]
x表示过氧化氢浓度，单位为m；
[0077]
y表示流体速度，单位为mm/s；
[0078]
r表示平均值标准误差，无因次；
[0079]
以及，可参见图6中的关系式，其中：
[0080]
x表示二氧化碳纳米花浓度，单位为mg/ml；
[0081]
y表示流体速度，单位为mm/s；
[0082]
r表示平均值标准误差，无因次。
[0083]
基于上述变化规律，以便后续可以通过控制底物、催化剂各自的浓度和用量，精确调节样本的移动速度和移动距离。
[0084]
在上述实施例中，上述的微流控芯片100还包括：第二缓冲腔40，第二缓冲腔40设置在第一出口和样本腔20之间。该第二缓冲腔40用于存储从第一出口排出的催化剂或底物，防止催化剂或底物进入样本腔20，从而避免与样本腔20中的样本发生交叉污染，以便对反应过程进行更好的控制。
[0085]
微流控芯片100可以单独应用，在一个进一步的一个实施例中，该微流控芯片100
还包括：储液腔50，储液腔50设置在第一缓冲腔30的下游。但该微流控芯片100单独应用时，该储液腔50用于储存从样本腔20和第一缓冲腔30输出的样本，也用于获取不同量的底物、不同量的催化剂分别对样本移动速度的影响。
[0086]
图7是本发明提供的一种检测系统的结构示意图，请参见图7。该检测系统1000包括混合单元200、多功能腔300以及至少6个上述的微流控芯片100。其中，混合单元200以及多功能腔300顺次连通。至少6个微流控芯片100中的样本腔20分别用于容置不同的样本，样本中包括待测微生物。而且，至少6个微流控芯片100中的至少3个第一微流控芯片110通过第二出口连通混合单元200。也即是说，混合单元200用于将至少3个第一微流控芯片110中的样本进行混合，混合后生成的复合物流动至多功能腔300。其中，至少3个第一微流控芯片110的第一缓冲腔30与混合单元200之间的管道长度相等。这种结构能够保证至少3个第一微流控芯片110中的样本能同时进入该混合单元200，可以保证后续测得的结果的准确性。
[0087]
至少6个微流控芯片100中的另外至少3个第二微流控芯片120通过第二出口连通多功能腔300。在使用时，通过逐一按压至少3个第二微流控芯片120中的调节器13，使至少3个第二微流控芯片120中的样本先后流动至多功能腔300。上述的多功能腔300上设置有第三出口，用于分离并排出未形成复合物的多余的样本。在多功能腔300中发生化学反应后，得到生成物，生成物与待测微生物溶液的浓度相关。
[0088]
本发明实施例提供的检测系统1000，通过采用至少3个第一微流控芯片110，可以向混合单元200中输入不同的样本，混合单元200用于将这些样本进行混合，混合后生成的复合物流动至多功能腔300。再使至少3个第二微流控芯片120中的样本先后流动至多功能腔300。在多功能腔300中发生化学反应后，得到生成物，生成物与待测微生物溶液的浓度相关。实现了仅需采用微流控芯片100即可提供样本移动的动力，由于微流控芯片100中包括上述的微泵10，通过该按压微泵10中的调节器13，即可以通过第一出口排出气体。该气体可以推动样本移动，以便进行后续的反应。通过将微泵10集成在该微流控芯片100上，成本低，而且适宜现场应用。这种检测系统1000具有消耗试剂少、分析速度快和操作自动化等优点。
[0089]
该检测系统1000的应用广泛，既可以应用于对微生物浓度与生成物的色度之间关系的研究。还可以基于多组检测结果得到的数据总结微生物浓度与生成物色度之间的对应关系，基于该对应关系以及采用未知浓度的微生物样本得到的生成物，反推得到微生物样本的浓度。
[0090]
在上述的实施例中，混合单元200包括顺次连通的混合器210和孵育通道220。通过混合器210和孵育通道220的配合作用，实现更好的混合三种样品。
[0091]
在进一步的实施例中，该混合器210为螺旋状管道，在螺旋状管道中，不断改变，有利于促进三种样品的混合。
[0092]
在本发明提供的一个实施例中，上述的孵育通道220包括多条子管道以及多条弯折管道，相邻的两条子管道之间通过弯折管道串联。通过设置多条弯折管道，延长样品在孵育通道220中的时间，改变样本的移动方向，进一步促进三种样品之间的结合。
[0093]
在本发明提供的一个实施例中，上述的检测系统1000还包括：废液腔400，废液腔400连通在多功能腔300的下游，该废液腔400用于存储未形成复合物的多余的样本。进一步的，在废液腔400上还设有排液口410，用于在测试结束后，排出废液腔400中的废液。
[0094]
图8是本发明提供的一种检测方法的流程图，请参见图8。该检测方法应用于上述
任一种检测系统1000，该检测方法包括：
[0095]
801、在检测系统1000的至少6个微流控芯片100中分别加入对应的试剂。
[0096]
具体的，在至少6个微流控芯片100中分别对应加入底物、催化剂以及不同的样本。
[0097]
需要说明的是，在至少6个微流控芯片100中分别对应加入的底物和催化剂的组合可以是相同的，也可以是不同的，只要具有相同的产气效果即可。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为二氧化锰纳米花。其中，二氧化锰纳米花是一种模拟酶，因此，该反应为一种酶促反应，具有极高的效率，通过酶促产气，可以使该微泵10可以提供较大的气体推动力。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为铂颗粒。例如，上述的底物可以为过氧化氢溶液，催化剂可以为过氧化物酶。
[0098]
其中，至少3个第一微流控芯片110中的样本分别为：生物识别元件修饰的磁性颗粒、待测微生物溶液、生物识别元件修饰的第一反应物。这三种样本用于在混合单元200中结合形成“磁性颗粒-待测微生物-催化剂”复合物。具体的，该待测微生物可以是细菌、真菌等，本实施例对此不作限定。
[0099]
至少3个第二微流控芯片120中的一个样本为与第一反应物对应的第二反应物。第二反应物用于与第一反应物反应后得到生成物，该生成物与待测微生物溶液的浓度相关。例如，至少3个第二微流控芯片120中的样品可以分别为：1％的脱脂乳、超纯水以及第二反应物。
[0100]
802、在多功能腔300的下方设置磁铁。
[0101]
其中，该磁铁用于吸引带有上述生物识别元件修饰的磁性颗粒的复合物。其他未结合形成复合物的多余样本在气体推动作用下排出多功能腔300。
[0102]
803、密封至少6个微流控芯片100的顶部，保持第三出口处于开放状态。
[0103]
该步骤使至少6个微流控芯片100的位置处于密封的状态，迫使样本只能流入多功能腔300，以便后续反应，也保证了检测过程的准确性。
[0104]
804、同时按压至少3个第一微流控芯片110中的调节器13，使至少3个第一微流控芯片110中的样本同时流动至混合单元200，混合后生成的复合物流动至多功能腔300。
[0105]
在该步骤中，通过同时按压调节器13，以及第一缓冲腔30的设置，使至少3个第一微流控芯片110中的样本同时进入混合单元200，使三种样品可以同时结合，而不是有两个先结合。这样可以有效控制反应的过程，保证后续测得的结果的准确性。
[0106]
805、逐一按压至少3个第二微流控芯片120中的调节器13，使至少3个第二微流控芯片120中的样本先后流动至多功能腔300，对复合物进行清洗后，向复合物中加入第二反应物。
[0107]
例如，按压底物腔11，使底物腔11内预装载的液态底物分别进入催化剂腔12，发生催化反应产生气体，从而推动样本腔20的液态样本移动至多功能腔300。
[0108]
例如，至少3个第二微流控芯片120中的样品可以分别为：1％的脱脂乳、超纯水以及第二反应物。按照1％的脱脂乳、超纯水以及第二反应物的顺序逐一按压对应的调节器13，使用1％的脱脂乳和超纯水对复合物进行两次清洗。用第二反应物对清洗后的复合物进行复溶。
[0109]
806、多功能腔300中的第一反应物和第二反应物发生反应后得到生成物，生成物与待测微生物溶液的浓度相关。
[0110]
具体的，第一反应物也可以是一种催化剂，第二反应物为对应的底物。
[0111]
图9是本发明提供的一种鼠伤寒沙门氏菌的浓度与生成物的色度值之间的关系图，请参见图9。例如，通过多次检测，得到的一组鼠伤寒沙门氏菌浓度与生成物色度值之间的关系如图9所示。基于上述关系，拟合得到鼠伤寒沙门氏菌浓度与生成物色度值之间的变化规律，例如，可以参见图9中的关系式，其中：
[0112]
c表示鼠伤寒沙门氏菌浓度，单位为cfu/ml；
[0113]
h表示色度值，单位为度；
[0114]
r表示平均值标准误差，无因次。
[0115]
根据该变化规律，以便后续可以根据信号值判断样本中目标微生物溶液的浓度。
[0116]
本发明实施例提供的检测方法，通过采用至少3个第一微流控芯片110，可以向混合单元200中输入不同的样本，混合单元200用于将这些样本进行混合，混合后生成的复合物流动至多功能腔300。再使至少3个第二微流控芯片120中的样本先后流动至多功能腔300。在多功能腔300中发生化学反应后，得到生成物，生成物与待测微生物溶液的浓度相关。实现了仅需采用微流控芯片100即可提供样本移动的动力，由于微流控芯片100中包括上述的微泵10，通过该按压微泵10中的调节器13，即可以通过第一出口排出气体。该气体可以推动样本移动，以便进行后续的反应。通过将微泵10集成在该微流控芯片100上，成本低，而且适宜现场应用。这种检测系统1000具有消耗试剂少、分析速度快和操作自动化等优点。
[0117]
该检测方法的应用广泛，既可以应用于对微生物浓度与生成物的色度之间关系的研究。还可以基于多组检测结果得到的数据总结微生物浓度与生成物色度之间的对应关系，基于该对应关系以及采用未知浓度的微生物样本得到的生成物，反推得到微生物样本的浓度。
[0118]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。