專利名稱：微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種新型醫(yī)療檢驗(yàn)儀器設(shè)備，涉及微流控生物芯片技術(shù)在精子質(zhì)量檢測(cè)
分析領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
背景技術(shù)：
精子的信息是診斷男性生育能力的依據(jù)，絕大多數(shù)精子檢測(cè)都在醫(yī)院中完成，檢 測(cè)的項(xiàng)目包括精子密度、活動(dòng)率、畸形率等。精子檢查在醫(yī)院中采用的主要檢測(cè)方法有顯微 鏡人工鏡檢法和計(jì)算機(jī)輔助精子質(zhì)量分析系統(tǒng)(CASA)。鏡檢法，設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但是人 為誤差較大，影響檢驗(yàn)結(jié)果的因素較多，結(jié)果準(zhǔn)確性不高，由于視野選擇的隨機(jī)性、精液本 身的不均勻特性以及每次只檢查50到100個(gè)細(xì)胞，使得同一個(gè)醫(yī)師對(duì)同一份樣本的兩次檢 查結(jié)果可能存在50%以上的誤差，不同醫(yī)師之間的檢測(cè)誤差更大。八十年代以來(lái)，由計(jì)算機(jī) 技術(shù)和光電技術(shù)發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助精子質(zhì)量分析系統(tǒng)(CASA)，主要由顯微鏡、CCD攝像頭、 圖像采集卡和計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成，雖然克服了一些人為誤差的因素，但原理上與鏡檢法 相比并沒(méi)有根本的改變，上述視野和檢查細(xì)胞數(shù)量少等問(wèn)題仍然照舊，而且還需要專業(yè)人 員和昂貴的醫(yī)療設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。 由于精子測(cè)試取樣的特殊性隱私和尷尬，所有的男性都希望能夠在家中自行完 成檢測(cè)，世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和廠家對(duì)家用精子簡(jiǎn)便型測(cè)量設(shè)備的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)工作一直在進(jìn) 行。根據(jù)世界衛(wèi)生組織WHO定義，生育最基本標(biāo)準(zhǔn)為精子密度大于兩千萬(wàn)/毫升，活動(dòng)率 A+B級(jí)大于50%，精液體積大于2毫升，這幾項(xiàng)指標(biāo)在早期篩查診斷中有重要的臨床意義， 所以一些海外科技公司相繼開(kāi)發(fā)了基于這些基本參數(shù)的自動(dòng)化快速精子檢測(cè)儀器，用于醫(yī) 療機(jī)構(gòu)、家庭診斷，同時(shí)還可以用于畜牧養(yǎng)殖。 美國(guó)專利號(hào)4， 880， 732描述了一種使用熒光染色的方法快速的測(cè)量精液的濃度。 通過(guò)檢測(cè)被熒光染色的精子的密度得到精子的數(shù)量。但是由于此種方法的的裝置非常昂貴 (特別是光電倍增管等光學(xué)測(cè)量元器件)以及測(cè)量中需要熒光染色等的復(fù)雜過(guò)程，使得這 種裝置不能被廣泛使用。 美國(guó)專利號(hào)5， 402， 240描述了一種裝置應(yīng)用Beer-Lambert定理，發(fā)射電磁波(光 線)穿過(guò)精液找到吸收率與濃度的關(guān)系，從而得出精子的密度，也就是比色法。但是同樣的 問(wèn)題，設(shè)備的成本也很高。以上兩種設(shè)備有用于畜牧養(yǎng)殖廠的動(dòng)物診斷。
美國(guó)專利號(hào)7， 252， 642和中國(guó)專利00239711. 0也描述了一種類似并有改進(jìn)的光
學(xué)法，除了測(cè)量精子密度，還在取樣器通道中利用小孔光密度變化信號(hào)測(cè)試活動(dòng)精子群體 的運(yùn)動(dòng)信息，借此估算出密度和活動(dòng)率的參數(shù)。但由于沿襲光學(xué)比色方法，只是粗略估算， 準(zhǔn)確率和重復(fù)性不高，并且設(shè)備價(jià)格還高于CASA，因此這項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有在醫(yī)院得到廣泛的 認(rèn)可和使用。 美國(guó)專利號(hào)5， 055， 411和5， 068， 089描述了使用化學(xué)染色劑的一種方法。染色劑 變化的范圍(比色顯示)被認(rèn)為是精子的受孕能力。這種測(cè)量方法是可以在家中使用，但 是它的局限性在于，這種復(fù)雜的方法被要求必須高于室內(nèi)溫度時(shí)才可以使用，而且結(jié)果僅
4僅顯示精子的密度是否每毫升高于兩千萬(wàn)精蟲這唯一的結(jié)果，并且只能靠肉眼對(duì)比色條來(lái) 判斷。 美國(guó)專利號(hào)5， 895， 749和5， 935， 800描述了 GpX抗體于每一個(gè)在精液內(nèi)的精子發(fā) 生作用后，測(cè)量抗體的濃度從而得到精子的濃度。這方法要求添加一些反應(yīng)物，需要復(fù)雜的 過(guò)程才能完成。并且與上述專利描述的方法相似的是，結(jié)果一樣只能通過(guò)肉眼進(jìn)行顏色比 對(duì)來(lái)大致判斷其精子密度是否超過(guò)每毫升兩千萬(wàn)數(shù)量。 因此，如何能夠提供一種自動(dòng)化程度高，準(zhǔn)確、快速、方便、低成本，可以同時(shí)適用 于醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭測(cè)試的精子檢測(cè)設(shè)備成為業(yè)界發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提供了一種微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，實(shí)現(xiàn)了精子質(zhì)量分析的全
自動(dòng)、高通量、方便、快速、低成本，利用微流體控制技術(shù)、生物芯片技術(shù)、庫(kù)爾特細(xì)胞計(jì)數(shù)原 理技術(shù)，精子細(xì)胞運(yùn)動(dòng)特性活動(dòng)率算法等，每次檢測(cè)可以自動(dòng)對(duì)樣本中多達(dá)上萬(wàn)個(gè)精子細(xì) 胞逐一分析，顯著提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)性， 一次性的生物芯片結(jié)合便攜式的分 析儀主機(jī)，十分適用于各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和一般家庭檢測(cè)，并可用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的動(dòng)物精子 質(zhì)量分析。 所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀包括生物芯片和測(cè)量主機(jī)。所述生物芯片
包括樣本輸入模塊和微通道，所述的微通道包括樣本入口池、特定設(shè)計(jì)的通道和負(fù)壓氣源 接口，所述的特定設(shè)計(jì)的通道包括樣本預(yù)處理通道、一系列的分析通道和樣本后處理通道， 所述的樣本預(yù)處理通道的作用是實(shí)現(xiàn)精液樣本的混勻、稀釋、化學(xué)反應(yīng)、溫度控制、細(xì)胞篩 選等樣本預(yù)處理工作，所述的分析通道的作用是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞計(jì)數(shù)和分析工作，所述的樣本后 處理通道的作用是后精液樣本的后處理工作，所述的樣本輸入模塊的作用是將被分析的精 液樣本輸入到所述的生物芯片的所述的微通道的所述的樣本入口池中，同時(shí)也可以增加精 液樣本的混勻、稀釋、化學(xué)反應(yīng)、溫度控制的樣本預(yù)處理功能。 所述的分析通道的入口和出口處都設(shè)有一個(gè)微孔傳感器，分析通道可以是多個(gè)， 多個(gè)分析通道可以串聯(lián)排列，也可以并聯(lián)排列。所述的微孔傳感器包括一個(gè)與所述的微通 道相連通的微孔以及布置在微孔兩端的一對(duì)檢測(cè)微電極，所述檢測(cè)微電極的一端在所述微 通道中，與所述微通道中的液體相接觸。 所述的測(cè)量主機(jī)包括芯片對(duì)接模塊、負(fù)壓氣源模塊、信號(hào)檢測(cè)處理模塊和結(jié)果顯 示記錄模塊。 用戶將待分析的精液樣本輸入生物芯片的樣本入口池，并將生物芯片插入主機(jī)， 啟動(dòng)儀器后，樣本由與生物芯片的負(fù)壓氣源接口連接的，設(shè)置在主機(jī)上的負(fù)壓氣源模塊提 供的負(fù)壓氣壓驅(qū)動(dòng)，按設(shè)定方式流經(jīng)芯片的微通道。 本發(fā)明利用到精子在流動(dòng)液體中總是逆流而上游動(dòng)的特性在設(shè)定的流速中，活 動(dòng)力強(qiáng)的精子在流體中會(huì)保持在一定的位置，甚至回流，而活動(dòng)力弱的和死的精子則會(huì)順 著液流方向被沖走。因此，只要計(jì)算出一定體積的以一定流速流動(dòng)的精液中有多少精子細(xì) 胞能夠保持在一定的位置或回流，而不被沖走，就能得出在這一定量的精液中的所有精子 中運(yùn)動(dòng)速度大于這個(gè)流速的精子所占的比例，即為大于所述流速的精子活動(dòng)率，這就是本 發(fā)明中所謂的精子細(xì)胞運(yùn)動(dòng)特性活動(dòng)率算法。
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這一算法在本發(fā)明中的具體實(shí)現(xiàn)是這樣的在生物芯片微通道中設(shè)置有一系列 微孔傳感器，由于細(xì)胞膜的電容特性，通過(guò)微孔傳感器的精子細(xì)胞會(huì)使微孔處的液體低頻 (包括直流)導(dǎo)電率下降，即微孔內(nèi)液體阻抗升高，而設(shè)置在每個(gè)所述的微孔兩端的一對(duì) 檢測(cè)微電極以電壓脈沖的形式實(shí)時(shí)檢測(cè)這一阻抗變化，并將此精子的生物阻抗電壓脈沖信 息上傳至所述測(cè)量主機(jī)的所述信號(hào)檢測(cè)處理模塊中進(jìn)行分析和處理。因此，在生物芯片的 微通道中設(shè)定分析通道，在分析通道的入口和出口都設(shè)置一個(gè)微孔傳感器，利用這兩個(gè)傳 感器的計(jì)數(shù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出在特定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)和流出分析通道的精子細(xì)胞，從而 計(jì)算出流經(jīng)這個(gè)設(shè)定流速的通道的精子中，精子自身運(yùn)動(dòng)速度大于和小于此流速的精子數(shù) 量，(在通過(guò)的精子數(shù)量極小的情況下，還可以判斷每個(gè)精子的速度信息)。這樣，通過(guò)在芯 片中設(shè)置一系列不同流速的分析通道，當(dāng)樣本通過(guò)這些分析通道后，便可快速計(jì)算出樣本 中的精子總數(shù)、精子密度以及各級(jí)活動(dòng)力(運(yùn)動(dòng)速度)精子所占的比例，即精子活動(dòng)率。
在電路上，從所述的生物芯片上的微孔傳感器中記錄每個(gè)通過(guò)微孔的精子細(xì)胞產(chǎn) 生的生物阻抗電壓脈沖信號(hào)，并將此電學(xué)信息通過(guò)信號(hào)電極接口傳遞到主機(jī)的信號(hào)檢測(cè)處 理模塊上，然后在信號(hào)處理模塊中經(jīng)過(guò)運(yùn)算、放大，AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由微處理器進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集、處理和分析，通過(guò)獨(dú)特的算法得出被檢測(cè)精液樣本中的精子總數(shù)、精子密度和精 子活動(dòng)率，最后在結(jié)果顯示記錄模塊中直接顯示或打印出結(jié)果報(bào)告單。 精子質(zhì)量分析生物芯片和精液預(yù)處理杯都是一次性的，十分方便，使用過(guò)后可以 被妥善處理。


下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 圖1 (a)為現(xiàn)有技術(shù)的庫(kù)爾特原理微孔細(xì)胞分析儀的測(cè)量原理圖； 圖1 (b)為圖1 (a)現(xiàn)有技術(shù)的庫(kù)爾特原理微孔細(xì)胞分析儀的測(cè)量原理中細(xì)胞通過(guò)
微孔的示意圖； 圖2為精子細(xì)胞在本發(fā)明生物芯片的分析通道中運(yùn)動(dòng)的示意圖；
圖3為本發(fā)明微流控生物芯片精子分析儀的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明生物芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明生物芯片的微孔傳感器進(jìn)行處理后的信號(hào)圖示意；
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，將對(duì)本發(fā)明的各較佳實(shí)施例進(jìn)行更為詳細(xì)的說(shuō)明。
男性的精子細(xì)胞，由于細(xì)胞膜的膜電容特性，整個(gè)細(xì)胞在直流，以及低頻(根據(jù)實(shí) 驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于人類精子細(xì)胞，這個(gè)低頻為5MHz以下的頻率)的電場(chǎng)中，表現(xiàn)為非導(dǎo)電性。根 據(jù)細(xì)胞和其它非導(dǎo)電微粒的非導(dǎo)電性進(jìn)行微粒計(jì)數(shù)和分析的原理，即為庫(kù)爾特(Coulter) 原理。其原理如圖l(a)和圖l(b)所示，由于真空壓力的作用，懸浮在電解液18中的細(xì)胞 /微粒22，從前池21，經(jīng)過(guò)微孔20，被吸到后池23，當(dāng)細(xì)胞/微粒22通過(guò)微孔20時(shí)，微孔 20處的阻抗將升高，這一阻抗變化導(dǎo)至檢測(cè)微孔電壓的一對(duì)電級(jí)，陽(yáng)電極19和陰電級(jí)20， 紀(jì)錄下一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，并通過(guò)此信號(hào)對(duì)電解液18中的細(xì)胞/微粒22進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析。 本發(fā)明依據(jù)庫(kù)爾特(Coulter)原理進(jìn)行精子細(xì)胞的計(jì)數(shù)和分析。
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本發(fā)明同時(shí)利用到精子細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)分析精子活動(dòng)力指標(biāo)(即精子細(xì)胞的 運(yùn)動(dòng)速度分析)。所述的精子細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)特性是精子細(xì)胞在流動(dòng)液體中總是逆流而上游 動(dòng)的特性。人類精子的平均運(yùn)動(dòng)速度是56. 44微米/秒(Bates, Karl Leif. New Breed of Fertility Therapy. Detroit News. 12February 1996)，最快速度可達(dá)100微米/ 秒；動(dòng)物精子(本發(fā)明可用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的動(dòng)物精子質(zhì)量分析)，如牛和鼠的精子運(yùn) 動(dòng)速度是68-162微米/秒(Katz， D. F. &H. M. Dott. 〃 Methods of measuring swimming speed ofspermatozoa. 〃 Journal of Reproductive Fertility. 45，2(November 1975): 263-72);短尾猿的精子速度是現(xiàn)今測(cè)試過(guò)的靈長(zhǎng)類動(dòng)物中最快的，最快可超過(guò)200微米/ 秒。在設(shè)定的流速中(本發(fā)明的分析通道設(shè)定流速為l 500微米/秒)，活動(dòng)力強(qiáng)的精子 在流體中會(huì)保持在一定的位置，甚至回流，而活動(dòng)力弱的和死的精子則會(huì)順著液流方向被 沖走。如圖2所示，當(dāng)精液樣本25在分析通道中流動(dòng)時(shí)(對(duì)于人類精子，液體流動(dòng)速度可 設(shè)定在100微米/秒以內(nèi)，液體流動(dòng)方向29如圖2中標(biāo)注所示)，活動(dòng)力弱的精子26和死 精子28都會(huì)順著液體流動(dòng)方向29被沖走，而在流動(dòng)的精液樣本25中會(huì)一致地朝與液體流 動(dòng)方向29相反的方向游動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)力強(qiáng)的精子27的精子游動(dòng)速度大于液體流動(dòng)速度時(shí)，精 子細(xì)胞便會(huì)回流。并且，活動(dòng)力強(qiáng)的精子更趨向于接近通道壁游動(dòng)，因?yàn)樵娇拷ǖ辣谝后w 流動(dòng)速度越慢。 在本發(fā)明的生物芯片包括樣本輸入模塊和微通道。如圖3所示，所述的微通道包 括樣本入口池1、樣本預(yù)處理通道3、分析通道6、樣本后處理通道7，負(fù)壓氣源接口 8。圖4 中僅簡(jiǎn)化示意出樣本入口池1，負(fù)壓氣源接口8和一個(gè)分析通道6。本發(fā)明的生物芯片在分 析通道6前后可以增加所述的樣本預(yù)處理通道和所述的樣本后處理通道，完成樣本預(yù)處理 和后處理工作，并且分析通道可以是多個(gè)，多個(gè)分析通道可以串聯(lián)排列，也可以并聯(lián)排列。
本發(fā)明的分析通道6中，在通道的入口和出口分別都設(shè)置有一個(gè)微孔傳感器，與 樣本入口池1 一端連接的微孔傳感器包括微孔4a和一對(duì)檢測(cè)微電級(jí)5a ;與負(fù)壓氣源接口 8 —端連接的微孔傳感器包括微孔4b和一對(duì)檢測(cè)微電級(jí)5b。由于細(xì)胞膜的電容特性，通過(guò) 微孔傳感器的精子細(xì)胞會(huì)使微孔處的液體低頻(包括直流)導(dǎo)電率下降，即微孔內(nèi)液體阻 抗升高，而設(shè)置在每個(gè)微孔兩端的一對(duì)檢測(cè)微電極以電壓脈沖的形式實(shí)時(shí)檢測(cè)這一阻抗變 化，并將此精子的生物阻抗電壓脈沖信息上傳至所述測(cè)量主機(jī)的所述信號(hào)檢測(cè)處理模塊中
本發(fā)明的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀中，被檢測(cè)的精液中的所有精子細(xì)胞首 先通過(guò)樣本入口池1進(jìn)入所述的生物芯片2，在測(cè)量主機(jī)中的負(fù)壓氣源模塊9的驅(qū)動(dòng)之下， 流過(guò)樣本預(yù)處理通道3，并依次通過(guò)分析通道6的微孔4a，在分析通道6中活動(dòng)力強(qiáng)的精子 在流體中會(huì)保持在一定的位置，甚至回流并聚集在分析通道6靠近微孔4a的前部；而活動(dòng) 力弱的和死的精子則會(huì)順著液流方向被沖過(guò)微孔4b，并最后隨精液樣本一同流入樣本后處 理通道。 在本發(fā)明中，與分析通道6連接的樣本預(yù)處理通道3的通道截面積小于分析通道6 的通道截面積，以保證精液樣本在樣本預(yù)處理通道3的流動(dòng)速度大于在分析通道6中的流 動(dòng)速度，并且足夠大，以至于其中所有的精子細(xì)胞都會(huì)被沖進(jìn)第一個(gè)分析通道，而不會(huì)在進(jìn) 入第一個(gè)分析通道之前就產(chǎn)生回流，這樣將一段時(shí)間T0秒內(nèi)通過(guò)第一個(gè)分析通道6的微孔 4a的精子總數(shù)N0除以同一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)微孔4a的精液樣本的體積V0，再除以之前精液樣 本的稀釋比U(小于或等于1)，再再乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)e 0，結(jié)果就得出本次分析的精液樣本的精子密度C，如下述公式(1)所示 C =
F0/ 乂
X￡o ---------------------------- (1) 在本發(fā)明中，精子密度C乘以精液總體積V，就得出本次分析的精液樣本的精子總 數(shù)N，如下述公式(2)所示 N = CXV ----------------------------(2) 在本發(fā)明中，將從TS時(shí)刻開(kāi)始的一段時(shí)間T秒內(nèi)通過(guò)一個(gè)分析通道6的微孔4a的 精子總數(shù)Nl減去TS+T1時(shí)刻開(kāi)始的T秒內(nèi)通過(guò)一個(gè)分析通道6的微孔4b的精子總數(shù)N2， 再除以Nl，乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)e l，再乘以100%，結(jié)果就是本次分析的精液樣本中精子運(yùn) 動(dòng)速度大于XI的比例Yl，如下述公式(3)所示 y1=M-W2xglxl00% --------------------------- (3)
M 其中XI為精液樣本在分析通道6中的流動(dòng)速度，L1為分析通道6的通道長(zhǎng)度，Tl =L1/X1。 因此，在生物芯片微通道中設(shè)定一系列不同流速的分析通道，在每個(gè)分析通道的 入口和出口設(shè)置微孔傳感器，利用這兩個(gè)傳感器的計(jì)數(shù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出流經(jīng)不同 設(shè)定流速(例如X1，X2，X3，X4)的分析通道的精子中，精子自身運(yùn)動(dòng)速度大于此流速的精 子的數(shù)量和比例(例如Y1，Y2，Y3，Y4)(在通過(guò)的精子數(shù)量極小的情況下，還可以判斷每個(gè) 精子的速度信息)，這樣便可快速計(jì)算出精液樣本中各級(jí)運(yùn)動(dòng)速度精子所占的比例，即為精 子活動(dòng)率。 本發(fā)明的微孔4a和4b的尺寸只有幾十微米的量級(jí)，微通道的尺寸在幾十到幾千 微米的量級(jí)，設(shè)置在微孔兩邊的一對(duì)檢測(cè)微電級(jí)5a和5b的尺寸也在幾十微米的量級(jí)。
本發(fā)明所述的測(cè)量主機(jī)與所述的生物芯片通過(guò)所述的芯片對(duì)接模塊17相互聯(lián)系 和作用，所述的芯片對(duì)接模塊17將所述的測(cè)量主機(jī)上的所述的負(fù)壓氣源模塊9和所述的生 物芯片上的所述的負(fù)壓氣源接口 8密封對(duì)接，并將所述的測(cè)量主機(jī)上的所述的信號(hào)檢測(cè)處 理模塊16和所述的生物芯片上的所有所述的微孔傳感器的所有檢測(cè)微電極(如圖3所示， 僅示意一個(gè)分析通道的情況，故只有檢測(cè)微電極5a和5b)對(duì)接。 本發(fā)明所述的測(cè)量主機(jī)的信號(hào)檢測(cè)處理模塊16的電路中設(shè)置有微孔傳感器的電 源驅(qū)動(dòng)單元和信號(hào)提取單元，每一個(gè)分析通道有兩對(duì)微孔傳感器，在測(cè)量主機(jī)上就相應(yīng)地 配備有兩個(gè)配套的電源驅(qū)動(dòng)單元和信號(hào)提取單元。如圖3所示，僅為示意一個(gè)分析通道的 情況電源驅(qū)動(dòng)單元15a和15b，用于驅(qū)動(dòng)所述的檢測(cè)微電級(jí)5a和5b的阻抗變化，并輸出 電壓脈沖信號(hào)；信號(hào)提取單元14a和14b對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行處理，并經(jīng)A/D采樣單元13和 信號(hào)識(shí)別單元12，之后在算法處理單元11進(jìn)行計(jì)算，最終的測(cè)量結(jié)果在結(jié)果顯示和記錄模 塊10中被顯示和儲(chǔ)存。圖示箭頭示意電流或者信號(hào)的流向，上述電路的處理過(guò)程為現(xiàn)有技 術(shù)所周知，在此不再贅述。 如圖5所示，為精子細(xì)胞通過(guò)微孔傳感器產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)圖，縱坐標(biāo)為電壓 值，橫坐標(biāo)為時(shí)間。每個(gè)明顯突出的電壓脈沖表示通過(guò)微孔的一個(gè)精子細(xì)胞，脈沖越高表示 精子細(xì)胞的體積越大。 綜合上述，本發(fā)明的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀提供了一種廉價(jià)而有效的精子質(zhì)量分析技術(shù)，結(jié)合測(cè)量主機(jī)和一次性生物芯片的組合操作，對(duì)比其它現(xiàn)有精子質(zhì)量分 析技術(shù)，本發(fā)明可以快速、方便、精確地完成精液中精子質(zhì)量的檢測(cè)，得出精子總數(shù)、精子密 度、精子活動(dòng)率的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果，十分適用于各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和一般家庭檢測(cè)，用于篩查男性 精子質(zhì)量，早期診斷不育癥，并指導(dǎo)用戶選擇合適的生育時(shí)間，本發(fā)明并可用于畜牧養(yǎng)殖業(yè) 中的動(dòng)物精子質(zhì)量分析。 當(dāng)然，上述針對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述較為具體，并不能因此理解為對(duì)本發(fā)明 專利保護(hù)范圍的限制。本發(fā)明不局限于所述的實(shí)施例，并且能對(duì)這些實(shí)施應(yīng)用許多的改變 而不會(huì)超出本發(fā)明的范圍。 例如，本發(fā)明微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀的生物芯片的結(jié)構(gòu)并不限如圖3和 圖4所示簡(jiǎn)化的單一分析通道，可以增加多個(gè)分析通道，以便對(duì)更多不同精子細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速 度進(jìn)行檢測(cè)，也可通過(guò)并聯(lián)的多個(gè)同一設(shè)定流速的分析通道同時(shí)分析更多精子細(xì)胞，提高 精子質(zhì)量分析的效率。所述樣本入口池可以是多個(gè)池，以便加入不同的樣本或試劑。
另外在本發(fā)明的生物芯片的所述的樣本預(yù)處理通道中，以及所述的樣本輸入模塊 中都可以采用液化蛋白酶的化學(xué)處理流程，以便加快精液的液化速度，讓精液樣本在采集 后能過(guò)更快地液化，然后適用于檢測(cè)。 而且，本發(fā)明微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀的裝置結(jié)構(gòu)不僅限于對(duì)精子細(xì)胞的 質(zhì)量分析和檢測(cè)，也可以用于對(duì)血細(xì)胞的細(xì)胞計(jì)數(shù)和分析，以及其它體液的檢測(cè)如尿液、唾 液等。因此，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀包括生物芯片，所述的生物芯片的作用是提供精液樣本流動(dòng)、反應(yīng)和檢測(cè)的場(chǎng)所；測(cè)量主機(jī)，所述的測(cè)量主機(jī)的作用是對(duì)插入主機(jī)的所述的生物芯片進(jìn)行液流控制、信號(hào)采集、分析處理，以及結(jié)果的顯示；
2. 如權(quán)利要求1所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于所述的生物芯 片包括樣本輸入模塊和微通道，所述的微通道包括樣本入口池、特定設(shè)計(jì)的通道和負(fù)壓氣 源接口 ，所述的特定設(shè)計(jì)的通道包括樣本預(yù)處理通道、一系列的分析通道和樣本后處理通 道，所述的樣本預(yù)處理通道的作用是實(shí)現(xiàn)精液樣本的混勻、稀釋、化學(xué)反應(yīng)、溫度控制、細(xì)胞 篩選等樣本預(yù)處理工作，所述的分析通道的作用是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞計(jì)數(shù)和分析工作，所述的樣本 后處理通道的作用是后精液樣本的后處理工作，所述的樣本輸入模塊的作用是將被分析的 精液樣本輸入到所述的生物芯片的所述的微通道的所述的樣本入口池中，同時(shí)在所述的樣 本輸入模塊中可以增加精液樣本的混勻、稀釋、化學(xué)反應(yīng)、溫度控制的樣本預(yù)處理功能。
3. 如權(quán)利要求2所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于所述的分析通 道的截面尺寸寬度在10 1000微米，高度在10 1000微米，所述分析通道的入口和出口 處都設(shè)有一個(gè)微孔傳感器，所述分析通道可以是多個(gè)，多個(gè)所述分析通道可以串聯(lián)排列，也 可以并聯(lián)排列。
4. 如權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于 所述的微孔傳感器包括一個(gè)與所述的微通道相連通的微孔以及布置在微孔兩端的一對(duì)檢 測(cè)微電極，所述檢測(cè)微電極的一端在所述微通道中，與所述微通道中的液體相接觸。
5. 如權(quán)利要求1所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于所述的測(cè)量主 機(jī)包括芯片對(duì)接模塊、負(fù)壓氣源模塊、信號(hào)檢測(cè)處理模塊和結(jié)果顯示記錄模塊，所述的芯片 對(duì)接模塊的作用是將所述的測(cè)量主機(jī)上的所述的負(fù)壓氣源模塊和所述的生物芯片上的所 述的負(fù)壓氣源接口密封對(duì)接，并將所述的測(cè)量主機(jī)上的所述的信號(hào)檢測(cè)處理模塊和所述的 生物芯片上的一系列的所述的微孔傳感器的所述的檢測(cè)微電極對(duì)接，所述的負(fù)壓氣源模塊 的作用是提供負(fù)氣壓。
6. 如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于精 液樣本在所述負(fù)壓氣源模塊提供的負(fù)氣壓驅(qū)動(dòng)下，在所述生物芯片的所述微通道中以設(shè)定的流速和方式流動(dòng)，液體所述的微通道中的流速設(shè)定為1微米/秒到10毫米/秒之間，當(dāng) 液體在所述的分析通道中流動(dòng)時(shí)，流速設(shè)定為1微米/秒到500微米/秒之間。
7. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于每 個(gè)通過(guò)所述微孔的精子細(xì)胞會(huì)使所述的微孔處的液體低頻(包括直流)導(dǎo)電率下降，即微 孔內(nèi)液體的低頻(包括直流)阻抗升高，所述的微孔兩端的一對(duì)檢測(cè)微電極以電壓脈沖的 形式實(shí)時(shí)檢測(cè)這一阻抗變化，并將此精子的生物阻抗電壓脈沖信息上傳至所述測(cè)量主機(jī)的 所述信號(hào)檢測(cè)處理模塊中。
8. 如權(quán)利要求1至7任一所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于所述的生物阻抗電壓脈沖信息在信號(hào)檢測(cè)處理模塊中經(jīng)過(guò)運(yùn)算、放大，AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由 微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析，通過(guò)獨(dú)特的算法得出被檢測(cè)精液樣本中的精子總數(shù)、 精子密度和精子活動(dòng)率的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果，并將結(jié)果在所述結(jié)果顯示記錄模塊直接顯示出來(lái)。
9. 如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于精液樣本在一個(gè)所述分析通道中保持穩(wěn)定的流速X1，所述的信號(hào)檢測(cè)處理模塊通過(guò)計(jì)算TS 時(shí)刻開(kāi)始的一段時(shí)間T秒內(nèi)進(jìn)入所述分析通道的精子總數(shù)N1減去TS+T1時(shí)刻開(kāi)始的T秒內(nèi) 流出相同分析通道的精子總數(shù)N2，差值再除以N1，再乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)e 1，再乘以100%， 結(jié)果就得出本次分析的精液樣本中精子中精子運(yùn)動(dòng)速度大于X1的精子比例Y1(即為運(yùn)動(dòng)速度大于X1的精子活動(dòng)率)，即<formula>formula see original document page 3</formula>，其中Tl =L1/X1， Ll為分析通道的通道長(zhǎng)度。
10. 如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，其特征在于精液樣本在一個(gè)所述分析通道中流速，所述的信號(hào)檢測(cè)處理模塊通過(guò)計(jì)算一段時(shí)間TO秒內(nèi) 通過(guò)進(jìn)入分析通道的精子總數(shù)NO除以同一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)分析通道的精液樣本的體積VO， 再除以之前精液樣本的稀釋比U(小于或等于1)，再乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)e0，結(jié)果就得出本廣M)次分析的精液樣本的精子密度C，即C^
11. 一種精子質(zhì)量分析方法，其特征在于本發(fā)明利用"精子在流動(dòng)液體中總是逆流而 上游動(dòng)"的這一特性(活動(dòng)力強(qiáng)的精子在流體中會(huì)保持在一定的位置，甚至回流，而活動(dòng)力 弱的和死的精子則會(huì)順著液流方向被沖走)，通過(guò)計(jì)算出一定體積的以一定流速流動(dòng)的精 液樣本中有多少精子細(xì)胞能夠保持在一定的位置或回流，而不被沖走，得出在所述精液樣 本中的所有精子中運(yùn)動(dòng)速度大于所述流速的精子所占的比例，即運(yùn)動(dòng)速度大于所述流速的 精子活動(dòng)率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微流控生物芯片精子質(zhì)量分析儀，所述分析儀包括生物芯片和測(cè)量主機(jī)；所述生物芯片包括樣本輸入模塊和微通道；所述測(cè)量主機(jī)包括芯片對(duì)接模塊、負(fù)壓氣源模塊、信號(hào)檢測(cè)處理模塊和結(jié)果顯示記錄模塊。精液樣本在負(fù)氣壓驅(qū)動(dòng)下，在所述生物芯片的所述微通道中以設(shè)定的流速和方式流動(dòng)，通過(guò)庫(kù)爾特原理和獨(dú)特的算法得出被檢測(cè)精液樣本中的精子總數(shù)、精子密度和精子活動(dòng)率。本發(fā)明還提供一種精子質(zhì)量分析方法。本發(fā)明儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)精液樣本全自動(dòng)高通量快速分析，用戶只要將含有樣本的生物芯片插入主機(jī)，儀器就能快捷地輸出檢測(cè)結(jié)果報(bào)告，操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)成本低，適用于各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭檢測(cè)。
文檔編號(hào)C12Q1/02GK101726578SQ200810216788
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者莊斌 申請(qǐng)人:深圳科瑞克醫(yī)療器械有限公司