基于微流控的化学发光测定装置的制作方法

本发明涉及检测仪器领域，特别涉及到一种化学发光测定装置，尤其是基于微流控芯片进行现场快速检测的便携式、自动化、并行式、多指标联检及低成本的化学发光测定装置。

背景技术：

1、化学发光免疫分析（chemiluminescence immunoassay, 简称clia），是将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合的检测分析技术，其中磁铁化学发光免疫分析是将磁性分离技术、化学发光技术和免疫分析技术结合起来的一种分析方法，在感染性疾病检测、心脑血管疾病监控、肿瘤标志物检测以及激素和药物检测中有广泛的应用。

2、离心式微流控芯片（centrifugal microfluidic chip）可以将磁铁化学发光免疫分析过程中的采样、注液、孵育、磁珠的吸附和分离、混合及检测等过程中涉及的阀、流体通道、加热器、分离装置以及检测器等结构集成到芯片上，以离心力为流体驱动力，实现对同一待测样品的多种指标或者多种待测样品的同一指标的检测分析。

3、目前，市场上的大中型化学发光检测仪，由于具有体积大、设备复杂、操作繁琐、设备成本高以及对使用环境要求高的限制，往往需要装备在大中型医院的检验中心，难以适应基层医疗场所的检测环境与客观需求。现场快速检测（point-of care testing, poct）以其操作便捷、成本低以及检测时间短等特点，在临床科室、危重病患者急救的快速诊断、动态监测、治疗效果评估等方面得到了越来越广泛的认可，但与此同时，检验精度是poct设备能否成为临床诊断依据的生死命脉。化学发光的优势正是极高的精准度，微流控则为化学发光技术在poct中的应用提供了极为有利的技术平台。因此，如何提供一种基于微流控的化学发光测定装置，其可以兼顾检验精度和小体积灵活进行现场检测的优势，并且可以实现微流控芯片中液体的精准控制、混合、反应和分离，已成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少部分地克服现有化学发光测定装置在poct应用中的技术缺陷，提供一种可离心、小型化、操作简单、低成本且检验精度高的基于微流控的化学发光测定装置。

2、为达到上述目的或目的之一，本发明提供了如下技术方案：

3、一种化学发光测定装置，包括装置外壳、以及设置在装置外壳内部的微流控芯片模块、试剂模块、自动移液模块、孵育仓模块和离心电机驱动模块；其中，①微流控芯片模块包括了微流控芯片和磁珠控制层，微流控芯片和磁珠控制层均包括盖板、中间层和底板这三层结构，这三层结构均轴对称地设置，该微流控芯片设置有多组结构相同的并行检测单元；磁珠控制层紧贴在微流控芯片的下表面，包括设置在一个圆弧形磁铁通道内的内部磁铁；②试剂模块包括枪尖、试剂试管和洗液试管，各设置为平行排列的多排，平行排列的数量与微流控芯片上并行检测单元的数量相一致；③自动移液模块，通过3套电机分别驱动，来控制前后、左右及上下的全方位多角度的移液运动，包括x轴步进电机驱动控制的水平方向的左右移动；y轴步进电机驱动控制的水平方向的前后移动；z轴电机驱动控制的垂直方向的上下移动；自动移液模块通过支撑柱固定并支撑在试剂模块的上方；④孵育仓模块，采用铝块加热方式，包括滑台电机和加热铝块，通过设置加热上罩和密封下罩为微流控芯片构建一个封闭的、遮光的孵育反应仓；⑤离心电机驱动模块，包括位于密封下罩内部的离心电机、离心电机支架、法兰底座，和位于密封下罩外部的外部磁铁、外部磁铁固定件和外部磁铁驱动电机；外部磁铁驱动电机固定在支撑柱上，用于驱动外部磁铁对位置对应的内部磁铁进行磁力控制。

4、优选地，支撑柱的数量可以为2的倍数，优选为4个。

5、优选地，外部磁铁驱动电机可以通过销钉和螺丝固定在支撑柱上。

6、本发明中，微流控芯片的三层结构分别为微流控芯片盖板、微流控芯片中间层和微流控芯片底板；该磁珠控制层的三层结构分别为磁珠控制层盖板、磁珠控制层中间层和磁珠控制层底板；微流控芯片的三层结构上均设置有位置对应的键合定位孔和/或销钉孔，三层结构之间通过键合定位孔，和/或通过销钉孔进行固定。

7、优选地，三层结构之间通过键合定位孔以热压方式进行键合固定，和/或通过销钉孔用销钉进行固定。

8、本发明中，微流控芯片中间层的每一组并行检测单元都依次包括反应腔、缓冲腔、检测腔和废液腔；反应腔通过第一毛细阀与检测腔相连，缓冲腔通过缓冲腔液体通道与检测腔相连，检测腔通过带有圆形阻断阀的第二毛细阀与废液腔相连；反应腔设置有反应腔气孔通道，缓冲腔设置有缓冲腔气孔通道，检测腔设置有检测腔气孔通道；反应腔设置有反应腔加样通道，缓冲腔设置有缓冲腔加样通道。缓冲腔加样通道用于向缓冲腔中加入激发液，在离心电机的离心力作用下通过缓冲腔液体通道甩入检测腔中进行发光反应。

9、优选地，所述并行检测单元的数量设置为3组。

10、进一步优选地，所述微流控芯片为一次性使用。

11、本发明中，所述磁珠控制层中间层上还设置有销钉孔、导光孔和球形磁珠；该球形磁珠设置在圆弧形磁铁通道的左右两端。

12、优选地，圆弧形磁铁通道的其中一端与反应腔的位置上下对应。

13、进一步优选地，每一端设置的球形磁珠的数量优选为2个。

14、本发明中，圆弧形磁铁通道到磁珠控制层中间层中心的距离和反应腔到微流控芯片中间层中心的距离一致。

15、优选地，在外部磁铁驱动电机的驱动下，磁珠控制层逆时针转动、内部磁铁在圆弧形磁铁通道内移动到反应腔正下方的近端，固定反应腔内的磁珠；在外部磁铁驱动电机的驱动下，磁珠控制层顺时针转动、内部磁铁在圆弧形磁铁通道内移动到远离反应腔的远端，释放对反应腔内磁珠的磁吸固定，使磁珠在反应腔内可自由运动。

16、本发明中，内部磁铁设置在磁珠控制层的中间层上。

17、根据本发明的一个优选实施例，所述微流控芯片模块固定在离心电机上方的法兰底座上，法兰底座嵌套在离心电机支架上方的离心电机的中心轴上，在离心电机的驱动下，带动固定在法兰底座上的部件围绕离心电机的中心轴进行旋转离心。

18、优选地，所述微流控芯片模块通过蝶形螺丝和芯片压紧件固定在离心电机上方的法兰底座上。

19、根据本发明的一个优选实施例，非离心状态下，外部磁铁通过密封下罩侧面设置的外部磁铁通道伸入到密封下罩内部的内部磁铁的下方，磁力控制内部磁铁在圆弧形磁铁通道内移动。

20、本发明中，滑台电机控制加热上罩在z轴方向上下移动，调节加热上罩所处的高度。

21、优选地，滑台电机可以在50 mm范围内加热上罩所处的高度。

22、本发明中，装置外壳采用具有导热性能的金属材料，该装置外壳的后侧板上设有散热片，散热片的中间还固定设置有散热片风扇。

23、根据本发明的一个优选实施例，装置外壳的上方还设置有数据交互模块和电源模块，数据交互模块通过触控屏提供人机交互的界面；电源模块配合电源适配器提供稳定输出功率。

24、优选地，电源模块配合电源适配器可提供高达220瓦的稳定输出功率。

25、优选地，装置外壳上，数据交互模块通过触控屏实时显示检测到的化学发光信号的数值或数值曲线；数据交互模块还配置有数据处理软件，将来自光电倍增管检测到的化学发光信号，通过四参数模型算法或其他算法进行计算，计算出微流控芯片加入的待测样品的浓度，并通过触控屏实时显示浓度数据，从而实现对化学发光信号的定量检测。

26、本发明中，孵育仓模块中，滑台电机通过滑台电机支撑架固定在装置外壳的装置底板上，加热铝块固定在加热上罩的内侧，加热铝块的上表面紧贴有加热膜，加热膜与加热铝块的中心位置相对应；加热铝块随着加热上罩移动至微流控芯片的上方，对微流控芯片进行加热，并对孵育仓模块进行温度控制。

27、优选地，加热铝块可以通过螺丝固定在加热上罩的内侧。

28、优选地，加热铝块可以通过pid算法对孵育仓模块进行温度控制。

29、本发明中，化学发光测定装置还设置有化学发光信号检测模块，包括光电倍增管和导光管，导光管的一端和光电倍增管的窗口紧固，并固定在装置外壳的装置底板上；导光管的另一端通过密封下罩表面设置的导光管通道伸入到微流控芯片模块下方，对准微流控芯片的检测腔，用于检测微流控芯片产生的化学发光信号。

30、本发明中，导光管呈圆柱形，可以由外套（pvc）包裹着光纤（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，pmma）构成。

31、根据本发明的一个优选实施例，在离心电机的上部设置有光栅片，光栅片上设有狭缝，光栅片固定在法兰底座的侧面；密封下罩的底部设置有定位光耦，定位光耦设有光通道。

32、优选地，光栅片可以通过螺丝固定在法兰底座的侧面。

33、优选地，狭缝与光通道相对应，用于对微流控芯片进行定位。

34、优选地，光栅片上的狭缝设有1条，狭缝宽0.1 mm-0.5 mm，例如可以是0.1 mm、0.2mm、0.3 mm、0.4 mm或0.5 mm等。

35、本发明中，离心电机驱动模块中，离心电机可以是伺服电机、步进电机、直流无刷电机或者其他电机，且可以提供1000 rpm-12000 rpm范围内的转速，转速例如可以是1000rpm、2000 rpm、3000 rpm、4000 rpm、5000 rpm、6000 rpm、7000 rpm、8000 rpm、9000 rpm、10000 rpm、11000 rpm或12000 rpm等。

36、本发明中，自动移液模块中，3套电机通过将电脉冲信号转换成相应的线位移来控制电机移动的步数；在x轴和y轴方向的移动分别通过x轴导轨和y轴导轨来实现，在z轴方向的移动通过z轴电机实现。

37、优选地，z轴电机为丝杆电机。

38、进一步优选地，对x轴、y轴和z轴3个方向的3套电机均设置3个对应的触控开关，分别是x轴触控开关、y轴触控开关和z轴触控开关。

39、进一步优选地，在z轴方向，移液器主体的一端固定着移液管，移液器主体的另一端固定着软管接头，软管接头通过气路软管与柱塞泵相连，通过柱塞泵运动控制气路软管内的气压，进而通过气压控制移液器主体的移液动作。

40、进一步优选地，气路软管为柔性、透明的管道。

41、本发明中，化学发光测定装置还设置有辅助模块，辅助模块包括主控板和主控板支架，主控板固定在主控板支架上，主控板支架固定在装置外壳的装置底板上，主控板与装置外壳的后侧板平行设置；通过主控板控制其他模块的运转，并提供与数据交互模块之间的数据交互。

42、本发明中，试剂模块还包括试剂盒、试剂盒支撑板和试剂盒支撑架，试剂盒通过试剂盒支撑板凸起的卡位结构固定在试剂盒支撑板上，试剂盒支撑架通过螺丝与装置外壳的装置底板固定；试剂盒设置孔位用于放置枪尖、试剂试管和洗液试管。

43、优选地，试剂盒还设置有枪尖废弃仓。

44、进一步优选地，与微流控芯片中间层的并行检测单元的3组数量相对应，所述的枪尖、试剂试管和洗液试管分3排平行排列，分别对应加样至微流控芯片上的3组并行检测单元。

45、本发明还要求保护上述化学发光测定装置，在化学发光免疫检测中的应用。

46、本发明的有益效果：

47、本发明的化学发光测定装置，包括装置外壳、以及设置在装置外壳内部的微流控芯片模块、试剂模块、自动移液模块、孵育仓模块和离心电机驱动模块，除此之外，还设置有采用高灵敏度光电倍增管的化学发光信号检测模块和采用主控板控制其他模块的运转的辅助装置。其中，装置外壳采用导热性能良好的金属材料，能快速有效地将与后侧板内侧紧靠的离心电机驱动器上的热量导走。后侧板上还设有散热片，散热片中间还嵌套有散热片风扇，进一步加快了将多余的热量吸收导走的速度。同时在装置内部的离心电机驱动器和孵育仓模块中设置有隔板，有效阻止在反应过程中离心电机驱动器产生的热量影响对反应温度的控制，从而实现温度控制的准确性。

48、装置外壳的上方还设置有数据交互模块和电源模块。电源模块配合电源适配器，可提供高达220瓦的输出功率，为装置提供稳定的高功率输出，确保装置能正常平稳运作。数据交互模块通过触控屏提供人机交互的界面，人机互动的界面接受到相关指令后，通过辅助模块的主控板实现了对化学发光检测装置的自动化控制、信息的采集、储存、显示、分析及反馈等功能。此外，数据交互模块通过触控屏实时显示检测到的化学发光信号的数值或数值曲线；数据交互模块配置的数据处理软件，可以将来自光电倍增管检测到的化学发光信号，通过四参数模型算法或其他算法进行计算，计算出微流控芯片加入的待测样品的浓度，并通过触控屏实时显示浓度数据的检测结果，从而实现对化学发光信号的实时定量检测。

49、本发明的微流控芯片模块由三层结构的微流控芯片和磁珠控制层组成，三层结构均轴对称地设置，微流控芯片可设置多组结构相同的并行检测单元，可以实现针对同一待测样品的多种标志物的联检，或者，针对多种待测样品的同一标志物的联检，实现快速并行检测。

50、比如，优选并行检测单元为3组时，可以设置成针对心梗相关的3种心肌坏死标志物的微流控芯片，3种心肌坏死标志物可以包括：肌钙蛋白（ctni）、肌酸激酶同工酶（ck-mb）和肌红蛋白（myo），实现快速联检，最大限度减少检测时间，由此，实现心梗的即时诊断与及时治疗，对类似心梗等危重型疾病的快速检测与及时诊断，具有重要的临床应用价值与意义。

51、此外，微流控芯片中间层的每一组并行检测单元都依次包括反应腔、缓冲腔、检测腔和废液腔，反应腔通过第一毛细阀与检测腔相连，缓冲腔通过缓冲腔液体通道与检测腔相连，检测腔通过带有圆形阻断阀的第二毛细阀与废液腔相连；第一毛细阀、第二毛细阀和圆形阻断阀避免腔室中的样品或试剂在反应结束前就被甩入下一腔室中。其中，第一毛细阀连接着反应腔和检测腔，防止磁珠、样品或试剂在反应腔混合时被甩入到检测腔中，避免造成部分磁珠混合不均匀；第二毛细阀连接着检测腔和废液腔，防止磁珠和预激发液被转移到检测腔时直接被甩入到废液腔中，避免造成磁珠的损失；圆形阻断阀设置在第二毛细阀中间位置，进一步增大第二毛细阀的突破转速，从而进一步避免磁珠的损失。

52、微流控芯片还可以在离心电机的驱动下，产生欧拉力或离心力，磁珠、样品或试剂在欧拉力或离心力的作用下，在各腔室内依次完成化学发光反应的各个步骤：首先，在反应腔中加入磁珠溶液和样品，两者在欧拉力的作用下进行混合，混合结束后磁珠被吸附，溶液和样品在离心力的作用下，快速通过检测腔，最终被甩入到废液腔中；其次，通入3次洗液对磁珠进行清洗，清洗之后的废液在离心力的作用下经过检测腔后被甩入到废液腔中；之后，在反应腔中加入发光标记物，再次与磁珠进行混合，并通入3次洗液对磁珠进行清洗，此过程中产生的废液也都被甩入到废液腔中；之后，在反应腔中加入预激发液，和磁珠一同被转移至检测腔，最后，在缓冲腔中加入激发液，在离心力的作用下甩入到检测腔，磁珠、预激发液和激发液三者在检测腔中反应发光，完成化学发光反应实验。

53、本发明的化学发光测定装置中，内部磁铁设置在磁珠控制层中间层上，通过内部磁铁的移动实现工作状态快速切换的优化策略，即通过内部磁铁位置的实时控制与快速切换，由此实现磁珠吸附、聚集或者混合等不同反应操作。具体地，磁珠控制层紧贴微流控芯片下表面放置，其中设计了圆弧形磁铁通道，圆弧形磁铁通道到磁珠控制层中间层中心的距离和反应腔到微流控芯片中间层中心的距离一致，且圆弧形磁铁通道的一端与微流控芯片的反应腔上下对应，内部磁铁设置在圆弧形磁铁通道内。内部磁铁在圆弧形磁铁通道内位于远离微流控芯片的反应腔的一端，称为远端，相对应地，当内部磁铁位于微流控芯片的反应腔的正下方的一端，称为近端。反应过程中，需要通过微流控芯片高速转动将试剂转移或者将废液经过检测腔被最终甩入废液腔时，为了防止磁珠被甩走到下一腔室，需要内部磁铁对磁珠进行吸附固定，这时外部磁铁在外部磁铁驱动电机的驱动下首先沿水平方向伸入到磁珠控制层下方，磁珠控制层逆时针转动，圆弧形磁铁通道中的内部磁铁会在外部磁铁的磁力作用下自动沿圆弧形磁铁通道运动到近端（即在反应腔的正下方），对磁珠实施高效吸附，进行固定。反应过程中，当磁珠和样品或试剂需要混合时，外部磁铁在外部磁铁驱动电机的驱动下沿水平方向伸入到磁珠控制层下方，磁珠控制层顺时针转动，内部磁铁会在外部磁铁的磁力作用下沿着圆弧形磁铁通道自动运动到远端（即远离反应腔），不对磁珠进行吸附，实现磁珠的自由运动及混合。

54、本发明的试剂模块，与微流控芯片中间层的并行检测单元的数量相对应，枪尖、试剂试管和洗液试管平行排列为相同数量的排数，分别对应加样至微流控芯片上的每一个检测单元。比如微流控芯片中间层的并行检测单元为3组时，所述的枪尖、试剂试管和洗液试管分3排平行排列，可以对应加样至微流控芯片上的3个检测单元中。此外，试剂盒还设置了枪尖废弃仓，用于存放每次加样结束之后的废弃枪尖，避免造成污染。

55、本发明的自动移液模块，设置了3个方向的3套电机，3套电机通过将电脉冲信号转换成相应的线位移来控制电机移动的步数，从而实现移液器在x轴、y轴、z轴这3个方向的精准移动，其中x轴和y轴方向的移动通过导轨实现，z轴方向移液器的移动通过z轴电机实现，z轴电机优选丝杆电机。此外，在x、y、z 3轴方向均设置了触控开关用于确定移动的零点位置，灵活便捷地实现对枪尖的装载、脱落和样品的取样、注样等操作。移液器主体的一端固定着移液管，实现对枪尖的装载及脱落；移液器主体的另一端固定着软管接头，软管接头通过气路软管与柱塞泵相连，通过柱塞泵的移动，使得气路软管内的气压增大或减小，从而通过气压实现对样品或者试剂的取样及注样等操作的控制，即通过气压控制移液动作；其中，气路软管为柔性透明软管。由于设置了3个方向的3套电机，自动移液模块的加样位置可以固定，提高移液操作的准确性。

56、本发明的离心电机驱动模块，离心电机可以是伺服电机、步进电机、直流无刷电机或者其他电机，可以提供1000 rpm-12000 rpm范围内的转速，满足化学发光反应所需的各个反应步骤所需转速；借助高速旋转所产生的离心力，结合微流控芯片上反应腔及通道的功能设计，使得待测样品或反应试剂在微流控芯片上逐步完成化学发光反应所需的各个反应步骤，例如样品与磁珠的混合、磁珠的清洗、试剂的转移以及排废等若干步骤。离心电机上固定有光栅片，光栅片上设有1条狭缝，固定在密封下罩的底部的定位光耦，定位光耦设有光通道，狭缝与定位光耦的光通道相对应，微流控芯片在旋转过程中，狭缝会不断通过定位光耦，用于对所述微流控芯片进行定位。

57、本发明的孵育仓模块，特别设置了加热上罩和密封下罩，通过加热上罩的上下移动，可以和密封下罩共同构建一个具有双重功能的孵育仓，一方面能提供一个封闭的温控环境，实现对微流控芯片模块的准确温度控制，克服环境温度波动的干扰与影响；另一方面，能提供一个遮光环境，克服环境杂散光对基于光电倍增管的高灵敏度化学发光信号采集的干扰与影响，实现精准的化学发光信号采集与分析。进一步地，滑台电机通过加热上罩连接件控制加热上罩在竖直方向上移动，可以在50 mm范围内调节加热上罩所处的高度，这样放置芯片前加热上罩处于抬起状态，不会影响微流控芯片模块的放置。放置微流控芯片完成后，加热上罩落下，紧扣在密封下罩上，从而形成一个孵育仓。

58、本发明的孵育仓模块的下方还设置有外部磁铁驱动电机，外部磁铁驱动电机固定在支撑柱上，用于驱动外部磁铁，外部磁铁通过密封下罩右侧的外部磁铁通道可以伸入到内部磁铁的下方，实现内部磁铁从近端到远端或者从远端到近端的移动，结构简便，同时灵巧地实现了内部磁铁工作状态的切换，大大提高了反应的连续性和灵活性，同时直接固定在支撑柱上，优化了仪器结构，使得仪器内部零件的布局更加紧凑。

59、本发明的孵育仓模块集成于化学发光测定装置中，有效提升了测定装置的综合性能，通过pid算法对整个孵育仓模块进行温度控制，根据化学发光反应所需的温度设定值，及时对孵育仓内的温度进行动态调节，使得整个孵育仓内的温度始终保持在反应所需温度内，保证最终化学发光信号检测的准确性。同时，在加热上罩、加热膜和加热铝块的同一位置都设计了胶囊形贯通结构，这样可以最大限度地减少微流控芯片的漏光面积。加热铝块固定在加热上罩内侧，加热膜紧贴加热铝块上表面，进一步为对应的加热铝块提供了稳定的温度。

60、本发明的发光信号检测模块中，特别设置了导光管，一端紧紧对准在光电倍增管的窗口上，另一端通过密封下罩的导光管通道伸入到微流控芯片模块的下表面，对准微流控芯片检测腔。导光管不仅解决了光电倍增管无法直接放置于微流控芯片模块下方检测化学发光信号的问题，同时还能够将反应产生的微弱化学发光信号快速收集并传输，避免了微弱发光信号在仪器内部空间中的损失，提高了检测的精确性；并且导光孔的直径与导光管的直径基本一致，有效克服了环境杂散光对基于光电倍增管的高灵敏度化学发光信号采集的干扰与影响，同时可以快速、准确地采集到发光信号。本发明的辅助装置，通过主控板控制其他模块的运转，其中主控板不仅控制其他模块的运转，并提供与数据交互模块之间的数据交互。当磁珠、预激发液和激发液三者进入检测腔反应发光后，产生的微弱光信号会通过导光管传输到光电倍增管，光电倍增管可以将微弱的光信号放大并转换为电信号，从而实现化学发光信号的采集和磁珠、预激发液和激发液三者在检测腔中的反应发光，放大了在检测过程中可能损失的微弱的光信号，进一步提高了检测的精确性。

61、本发明的化学发光测定装置，相较于市场上目前的大中型化学发光检测仪，综合了化学发光、微流控和poct的优点，具有可离心、体积小巧、方便移动、操作简单、自动化程度高、设备成本低、检测时间短、使用灵活以及检验精度高等特点，是一种更加适合现场快速检测（poct）应用场景的即时化学发光检测系统，同时借助本发明的一次性使用的微流控芯片与检测设备的相互配合，更适合于poct在基层医疗单位的快速多指标或多项目的联合检测，例如心梗等危重型疾病的多指标联合、快速检测，具有重要的临床应用价值与意义。