一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，包括聲波傳感器、進樣芯片及其溫控單元、外圍進樣系統(tǒng)、傳感器信號采集與處理系統(tǒng)以及平臺支撐組件五個部分。其中多通道聲波傳感器和聚合物進樣芯片經(jīng)溶劑鍵合，滿足微米或毫米尺度液體樣品的高通量測試，通過一體式或獨立式溫控單元控制流體反應(yīng)條件，外圍進樣系統(tǒng)則用于自動實現(xiàn)樣品及緩沖液在芯片中的驅(qū)動、樣品的定量移液和取樣針的清洗等功能。本發(fā)明結(jié)合了聲波傳感、磁珠免疫及微流控芯片等技術(shù)，避免了傳統(tǒng)檢測方法因光學(xué)因素干擾而帶來的信號失真，同時結(jié)合免疫磁珠滿足復(fù)雜樣品快速準(zhǔn)確的測量要求。
【專利說明】一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流控分析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及的是一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]目前生命科學(xué)及診斷應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是蛋白質(zhì)定量方面，對檢測傳感器及其系統(tǒng)提出了新的要求，包括更高的測試靈敏度、更快的響應(yīng)速度以及微型化等多個方面。傳統(tǒng)的光學(xué)測試方法如ELISA、Western Blot和Luminex被廣泛使用，但是上述測試方法難以避免因光學(xué)因素的干擾出現(xiàn)信號失真的可能，導(dǎo)致復(fù)雜樣品測試過程中得到Pg量級超高靈敏度變得困難，同時上述測試方法十分耗時，需要多步手工操作才能獲得測試結(jié)果。
[0003]微流控芯片技術(shù)將生物、化學(xué)及醫(yī)療分析等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元加以集成，達到高通量、快速分析樣品的目的，已經(jīng)開始在生物分析、醫(yī)學(xué)檢測、食品藥品安全及環(huán)境污染等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。目前國內(nèi)外基于聲波傳感器的微流控芯片的研究多是集中在檢測傳感器靈敏度提高、樣品處理與混合反應(yīng)、樣品控制驅(qū)動、芯片加工材料及手段等一個或幾個方向，將相關(guān)的技術(shù)加以整合并提出可商品化的分析平臺則很少涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，將相關(guān)的技術(shù)整合，并且商品化。
[0005]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，包括外圍進樣系統(tǒng)、聲波傳感器、傳感器信號采集與處理系統(tǒng)、平臺 支撐組件和進樣芯片。
[0006]所述進樣芯片包括底板，所述底板上從左到右依次設(shè)置樣品室、微閥開關(guān)、儲液池，所述底板的邊緣設(shè)置廢液管路和緩沖液管路；所述進樣芯片采用聚合物材料，微通道寬度和高度尺寸范圍為10 μ m-5mm，所述樣品室、所述儲液池以及微通道集成于蓋片5_1，所述蓋片5-1和所述基片5-2采用粘結(jié)、熱壓鍵合、超聲鍵合或者激光焊接的方式鍵合；所述進樣芯片采用一體式或獨立式溫控單元，其中一體式溫控單元同時控制傳感器、樣品室以及微通道的流體溫度，溫度范圍為25-37°C ;獨立式溫控單元中傳感器和樣品室分別設(shè)置溫控裝置，其中溫度范圍25-37°C，用于反應(yīng)的恒溫控制，樣品室溫度范圍65-90°C，用于PCR反應(yīng)。
[0007]進一步的，所述聲波傳感器為柔性板波器件、表面聲波器件、薄膜體聲波諧振器件中的一種，所述聲波傳感器的微通道米用電磁鐵或永磁鐵，所述永磁鐵包括永磁鐵、永磁鐵支架和永磁鐵支架導(dǎo)軌，所述柔性板波器件與所述進樣芯片采用溶劑鍵合，所述柔性板波器件包括地電極、叉指電極和外接電極。
[0008]進一步的，所述進樣芯片與所述外圍進樣系統(tǒng)可選擇單通道或多通道，多通道為雙通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
[0009]進一步的，多組探針多電極信號并行采集時的準(zhǔn)確定位借助探針支架實現(xiàn)，除探針針頭同傳感器相應(yīng)電極處接觸導(dǎo)通外，探針其他部位及針套涂覆絕緣材料，絕緣材料選用聚對二甲苯 Parylene,型號為 Parylene C> Parylene N 以及 Parylene D 三種之一。
[0010]進一步的，進樣芯片1-5支撐采用防振動平臺以避免樣品分析時信號的擾動，同時分析平臺做屏蔽處理防止信號干擾，其中屏蔽類型為電屏蔽、磁屏蔽以及電磁屏蔽之一。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明結(jié)合了聲波傳感、磁珠免疫及微流控芯片等技術(shù)，其中聲波傳感器利用薄膜振動頻率的變化可獲得表面吸附的待測樣品的含量，避免了傳統(tǒng)檢測方法如ELISA、WesternBlot等因光學(xué)因素干擾而帶來的信號失真，同時結(jié)合免疫磁珠滿足復(fù)雜樣品快速準(zhǔn)確的測量要求，本發(fā)明采用模塊化設(shè)計，適用于多種尺度單通道或多通道液體樣品的分析，將會在生物分析、醫(yī)學(xué)檢測、食品藥品安全及環(huán)境污染等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為分析平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為分析平臺工作狀態(tài)示意圖；
圖3為一種基于聲波器件的十通道進樣芯片示意圖；
圖4為一種十通道柔性板波器件的正視圖；
圖5為一種十通道柔性板波器件的后視圖；
圖6為一種上述柔性板波器件與進樣芯片連接示意圖；
圖7為一種進樣芯片一體式溫控單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為一種進樣芯片獨立式溫控單元結(jié)構(gòu)的正視圖；
圖9為一種進樣芯片獨立式溫控單元結(jié)構(gòu)的后視圖；
圖10為傳感器多電極信號并行采集探針裝置示意圖；
圖11為傳感器微通道磁場采用電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12為傳感器微通道磁場采用永磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中標(biāo)號說明:1_1、外圍進樣系統(tǒng)，1-2、聲波傳感器，1-3、傳感器信號采集與處理系統(tǒng)，1-4、平臺支撐組件，1-5、進樣芯片，3-1、樣品室，3-2、儲液池，3-3、微閥開關(guān)，3-4、廢液管路，3-5、緩沖液管路，4-1、地電極，4-2、叉指電極，4-3、外接電極，4-4、傳感器微流道，5-1、蓋片，5-2、基片,6-1、一體式溫控單兀，7-1、傳感器溫控單兀,7-2、樣品室溫控單兀，V1/V2、三通閥，V3/V4、微閥開關(guān)，V5/V6、微閥開關(guān)，10_1、探針支架，10_2、探針針套，10-3,探針針頭，10-4、定位銷，10-5、探針支架支撐孔，11-1、電磁鐵鐵芯，12-1、永磁鐵，12_2、永磁鐵支架，12-3、永磁鐵支架導(dǎo)軌。
【具體實施方式】
[0014]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0015]參照圖1所示，一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，包括外圍進樣系統(tǒng)1-1、聲波傳感器1-2、傳感器信號采集與處理系統(tǒng)1-3、平臺支撐組件1-4和進樣芯片1-5。
[0016]外圍進樣系統(tǒng)1-1使用注射泵驅(qū)動，采用三通閥或集成于進樣芯片1-5上的微閥控制流體的通斷，其中分離式進樣系統(tǒng)采用一臺注射泵實現(xiàn)樣品的定量移液和樣品取樣針的清洗，一臺注射泵實現(xiàn)樣品及緩沖液在進樣芯片中的驅(qū)動，而一體式進樣系統(tǒng)僅使用一臺注射泵順序?qū)崿F(xiàn)上述功能。
[0017]MEMS聲波傳感器是系統(tǒng)的核心器件，用于液體測試的聲波器件類型包括柔性板波器件、表面聲波器件以及薄膜體聲波諧振器件幾種，其中圖4、圖5為一種十通道柔性板波器件典型結(jié)構(gòu)，4-1為地電極，用于多組電極的接地處理，通常選用Mo金屬。外接電極4-3經(jīng)過多組叉指電極4-2引入電信號，通過逆壓電效應(yīng)，器件薄膜產(chǎn)生振動。待測樣品或緩沖液經(jīng)過聲波傳感器1-2的傳感器微流道4-4，薄膜諧振頻率的變化通過壓電效應(yīng)使另一側(cè)叉指電極獲得相應(yīng)的電信號，并通過外接電極4-3相應(yīng)電極引出，從而反應(yīng)或測定出薄膜表面的附著質(zhì)量的變化。采用多組探針對傳感器進行多電極信號并行采集時，由于MEMS傳感器外形尺寸有限，需要考慮各探針的準(zhǔn)確定位。如圖10所示，借助探針支架10-1實現(xiàn)，探針支架本身的開孔位置決定了探針最終的橫向位置，除探針針頭10-3同傳感器相應(yīng)電極處接觸導(dǎo)通外，探針其他部位及探針針套10-2涂覆絕緣材料，絕緣材料選用聚對二甲苯Parylene,型號為Parylene C、Parylene N以及Parylene D三種之一，涂覆厚度范圍為
0.5-10 μ m。四個探針支架支撐孔10-5配合圓柱銷后作為探針支架的粗定位，不同長度的圓柱銷可調(diào)整探針針頭和傳感器電極之間接觸的基本位置，所示的一對定位銷10-4則是用于精定位，實現(xiàn)探針支架和微流控芯片相應(yīng)接口的準(zhǔn)確配合。
[0018]MEMS聲波傳感器每一微通道都含有一個磁場,用來捕獲表面吸附目標(biāo)待測樣品的磁珠。然后關(guān)閉磁場，在樣品的流動作用下，載有目標(biāo)待測樣品的磁珠與傳感器表面發(fā)生生物特異性結(jié)合而繼續(xù)留在傳感器表面，而其他的磁珠會被流體帶走。其中磁場施加形式為永磁體或電磁鐵之一，電磁鐵鐵芯11-1纏繞線圈并固定于探針支架10-1上，如圖11所示，其中電信號通斷控制磁場施加于撤除；所述永磁體包括永磁鐵12-1、永磁鐵支架12-2和永磁鐵支架導(dǎo)軌12-3，為保證磁場對反應(yīng)時待測樣品磁珠具備足夠的吸附力，通常選用永磁鐵方式施加磁場。如圖12所示，不同于電磁鐵，永磁鐵12-1通過接近或遠(yuǎn)離MEMS傳感器表面來控制磁場施加與撤除。
[0019]傳感器信號采集與處理系統(tǒng)1-3針對多路微通道樣品測試的幅頻特性進行測試和分析。
[0020]平臺支撐組件1-4采用防振動平臺以避免樣品分析時信號的擾動，同時分析平臺做屏蔽處理防止信號干擾，其中屏蔽類型為電屏蔽、磁屏蔽以及電磁屏蔽之一。
[0021]圖3為一種基于聲波器件的十通道進樣芯片示意圖，進樣芯片1-5采用聚合物材料，微通道寬度和高度尺寸不限于微米量級，尺寸范圍為10μπι-5πιπι，樣品室3-1、儲液池3-2以及微通道集成于蓋片，蓋片和基片采用粘結(jié)、熱壓鍵合、超聲鍵合或者激光焊接的方式鍵合。待測樣品從樣品室3-1滴入，各樣品室設(shè)計容積為500 μ L。緩沖液能夠用于解離傳感器表面修飾物，經(jīng)外部容器從緩沖液管路3-5引入，最終通過微閥開關(guān)3-3與待測樣品進行切換。儲液池3-2借助外部進樣系統(tǒng)的驅(qū)動將樣品或緩沖液存儲，存儲設(shè)計容積1.2mL。反應(yīng)完成后，儲液池液體經(jīng)廢液管路3-4排出并回收。經(jīng)過微閥的切換，進樣芯片實現(xiàn)了緩沖液的自動沖洗，從而重復(fù)使用。進樣芯片1-5采用一體式或獨立式溫控單元，如圖7所示，一體式溫控單元6-1同時控制傳感器、樣品室以及微通道的流體溫度，溫度范圍為25-37°C。如圖9所示，獨立式溫控單元中傳感器和樣品室分別設(shè)置溫控裝置，其中傳感器溫控單元7-1處溫度范圍25-37°C，用于反應(yīng)的恒溫控制，樣品室溫控單元7-2處溫度范圍65-90°C，用于PCR反應(yīng)。
[0022]進一步的，進樣芯片與外圍進樣系統(tǒng)可選擇單通道或多通道，多通道為雙通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
[0023]如圖2所示，分析平臺工作狀態(tài)，進樣芯片沿水平箭頭所示方向進入確定位置，傳感器信號采集與處理系統(tǒng)1-3所在移動結(jié)構(gòu)下移，確保和進樣芯片各接口準(zhǔn)確配合，包括信號采集探針部件、磁場施加部件，以及儲液池和微閥開關(guān)均實現(xiàn)位置的一一對應(yīng)。
[0024]圖6為一種柔性板波器件與進樣芯片連接示意圖，二者采用溶劑鍵合方式，其中聲波傳感器1-2和蓋片5-1通過粘結(jié)劑粘接，樣品和緩沖液沿圖中箭頭所示方向傳輸，經(jīng)蓋片5-1微通道進入聲波傳感器1-2的傳感器微流道4-4。
【權(quán)利要求】
1.一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，其特征在于:包括外圍進樣系統(tǒng)(1-1)、聲波傳感器(1-2)、傳感器信號采集與處理系統(tǒng)(1-3)、平臺支撐組件(1-4)和進樣芯片(1-5)，所述進樣芯片(1-5)包括底板，所述底板上從左到右依次設(shè)置樣品室(3-1 )、微閥開關(guān)(3-3)、儲液池(3-2)，所述底板的邊緣設(shè)置廢液管路(3-4)和緩沖液管路(3-5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，其特征在于:所述進樣芯片(1-5)采用聚合物材料，微通道寬度和高度尺寸范圍為10 μ 所述樣品室(3-1)、所述儲液池(3-2)以及微通道集成于蓋片(5-1)，所述蓋片(5-1)和所述基片(5-2)采用粘結(jié)、熱壓鍵合、超聲鍵合或者激光焊接的方式鍵合；所述進樣芯片(1-5)采用一體式或獨立式溫控單元，其中一體式溫控單元同時控制傳感器、樣品室(3-1)以及微通道的流體溫度，溫度范圍為25-37°C;獨立式溫控單元中傳感器和樣品室(3-1)分別設(shè)置溫控裝置，其中溫度范圍25-37°C，用于反應(yīng)的恒溫控制，樣品室溫度范圍65-90°C，用于PCR反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺，其特征在于:所述聲波傳感器(1-2)為柔性板波器件、表面聲波器件、薄膜體聲波諧振器件中的一種，所述聲波傳感器(1-2)的微通道采用電磁鐵或永磁鐵，所述永磁鐵包括永磁鐵(12-1)、永磁鐵支架(12-2)和永磁鐵支架導(dǎo)軌(12-3)，所述柔性板波器件與所述進樣芯片(1-5)采用溶劑鍵合，所述柔性板波器件包括地電極(4-1)、叉指電極(4-2 )和外接電極(4-3 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控芯片分析平臺，其特征在于:所述進樣芯片(1-5)與所述外圍進樣系統(tǒng)(1-1)可選擇單通道或多通道，多通道為雙通道、四通道、六通道、八通道、十通道以及十六通道之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控芯片分析平臺，其特征在于:多組探針多電極信號并行采集時的準(zhǔn)確定位借助探針支架實現(xiàn)，除探針針頭同傳感器相應(yīng)電極處接觸導(dǎo)通外，探針其他部位及針套涂覆絕緣材料，絕緣材料選用聚對二甲苯Parylene,型號為Parylene C、Parylene N 以及 Parylene D 三種之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控芯片分析平臺，其特征在于:進樣芯片(1-5)支撐采用防振動平臺以避免樣品分析時信號的擾動，同時分析平臺做屏蔽處理防止信號干擾，其中屏蔽類型為電屏蔽、磁屏蔽以及電磁屏蔽之一。
【文檔編號】G01N29/036GK103454346SQ201310376685
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】周連群, 李傳宇, 姚佳 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所