一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺(tái)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(tái)，包括聲波傳感器、進(jìn)樣芯片及其溫控單元、外圍進(jìn)樣系統(tǒng)、傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)以及平臺(tái)支撐組件五個(gè)部分。其中多通道聲波傳感器和聚合物進(jìn)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(cè)試，通過一體式或獨(dú)立式溫控單元控制流體反應(yīng)條件，外圍進(jìn)樣系統(tǒng)則用于自動(dòng)實(shí)現(xiàn)樣品及緩沖液在芯片中的驅(qū)動(dòng)、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(cè)方法因光學(xué)因素干擾而帶來的信號(hào)失真，同時(shí)結(jié)合免疫磁珠滿足復(fù)雜樣品快速準(zhǔn)確的測(cè)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(tái)【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(tái)。
【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(duì)檢測(cè)傳感器及其系統(tǒng)提出了新的要求，包括更高的測(cè)試靈敏度、更快的響應(yīng)速度以及微型化等多個(gè)方面。傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)試方法如ELISA、Western Blot和Luminex被廣泛使用，但是上述測(cè)試方法難以避免因光學(xué)因素的干擾出現(xiàn)信號(hào)失真的可能，導(dǎo)致復(fù)雜樣品測(cè)試過程中得到Pg量級(jí)超高靈敏度變得困難，同時(shí)上述測(cè)試方法十分耗時(shí)，需要多步手工操作才能獲得測(cè)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(cè)等基本操作單元加以集成，達(dá)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(cè)、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(guó)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(cè)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(dòng)、芯片加工材料及手段等一個(gè)或幾個(gè)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(tái)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(tái)，將相關(guān)的技術(shù)整合，并且商品化。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺(tái)，包括外圍進(jìn)樣系統(tǒng)、聲波傳感器、傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、平臺(tái) 支撐組件和進(jìn)樣芯片。
[0006]所述進(jìn)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(chǔ)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(jìn)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(chǔ)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(jìn)樣芯片采用一體式或獨(dú)立式溫控單元，其中一體式溫控單元同時(shí)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(dú)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步的，所述進(jìn)樣芯片與所述外圍進(jìn)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(jìn)一步的，多組探針多電極信號(hào)并行采集時(shí)的準(zhǔn)確定位借助探針支架實(shí)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(duì)二甲苯 Parylene,型號(hào)為 Parylene C> Parylene N 以及 Parylene D 三種之一。
[0010]進(jìn)一步的，進(jìn)樣芯片1-5支撐采用防振動(dòng)平臺(tái)以避免樣品分析時(shí)信號(hào)的擾動(dòng)，同時(shí)分析平臺(tái)做屏蔽處理防止信號(hào)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(dòng)頻率的變化可獲得表面吸附的待測(cè)樣品的含量，避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法如ELISA、WesternBlot等因光學(xué)因素干擾而帶來的信號(hào)失真，同時(shí)結(jié)合免疫磁珠滿足復(fù)雜樣品快速準(zhǔn)確的測(cè)量要求，本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，適用于多種尺度單通道或多通道液體樣品的分析，將會(huì)在生物分析、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、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(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為分析平臺(tái)工作狀態(tài)示意圖；
圖3為一種基于聲波器件的十通道進(jìn)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(jìn)樣芯片連接示意圖；
圖7為一種進(jìn)樣芯片一體式溫控單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為一種進(jìn)樣芯片獨(dú)立式溫控單元結(jié)構(gòu)的正視圖；
圖9為一種進(jìn)樣芯片獨(dú)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(hào)并行采集探針裝置示意圖；
圖11為傳感器微通道磁場(chǎng)采用電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12為傳感器微通道磁場(chǎng)采用永磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中標(biāo)號(hào)說明:1_1、外圍進(jìn)樣系統(tǒng)，1-2、聲波傳感器，1-3、傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，1-4、平臺(tái)支撐組件，1-5、進(jìn)樣芯片，3-1、樣品室，3-2、儲(chǔ)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(shí)施方式】
[0014]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0015]參照?qǐng)D1所示，一種基于聲波傳感器的微流控芯片分析平臺(tái)，包括外圍進(jìn)樣系統(tǒng)1-1、聲波傳感器1-2、傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)1-3、平臺(tái)支撐組件1-4和進(jìn)樣芯片1-5。
[0016]外圍進(jìn)樣系統(tǒng)1-1使用注射泵驅(qū)動(dòng)，采用三通閥或集成于進(jìn)樣芯片1-5上的微閥控制流體的通斷，其中分離式進(jìn)樣系統(tǒng)采用一臺(tái)注射泵實(shí)現(xiàn)樣品的定量移液和樣品取樣針的清洗，一臺(tái)注射泵實(shí)現(xiàn)樣品及緩沖液在進(jìn)樣芯片中的驅(qū)動(dòng)，而一體式進(jìn)樣系統(tǒng)僅使用一臺(tái)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(cè)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(hào)，通過逆壓電效應(yīng)，器件薄膜產(chǎn)生振動(dòng)。待測(cè)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(hào)，并通過外接電極4-3相應(yīng)電極引出，從而反應(yīng)或測(cè)定出薄膜表面的附著質(zhì)量的變化。采用多組探針對(duì)傳感器進(jìn)行多電極信號(hào)并行采集時(shí)，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(shí)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(duì)二甲苯Parylene,型號(hào)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(gè)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(zhǎng)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(duì)定位銷10-4則是用于精定位，實(shí)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(gè)磁場(chǎng),用來捕獲表面吸附目標(biāo)待測(cè)樣品的磁珠。然后關(guān)閉磁場(chǎng)，在樣品的流動(dòng)作用下，載有目標(biāo)待測(cè)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(huì)被流體帶走。其中磁場(chǎng)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(hào)通斷控制磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)反應(yīng)時(shí)待測(cè)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(chǎng)。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(chǎng)施加與撤除。
[0019]傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)1-3針對(duì)多路微通道樣品測(cè)試的幅頻特性進(jìn)行測(cè)試和分析。
[0020]平臺(tái)支撐組件1-4采用防振動(dòng)平臺(tái)以避免樣品分析時(shí)信號(hào)的擾動(dòng)，同時(shí)分析平臺(tái)做屏蔽處理防止信號(hào)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(jìn)樣芯片示意圖，進(jìn)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(jí)，尺寸范圍為10μπι-5πιπι，樣品室3-1、儲(chǔ)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(cè)樣品從樣品室3-1滴入，各樣品室設(shè)計(jì)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(cè)樣品進(jìn)行切換。儲(chǔ)液池3-2借助外部進(jìn)樣系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)將樣品或緩沖液存儲(chǔ)，存儲(chǔ)設(shè)計(jì)容積1.2mL。反應(yīng)完成后，儲(chǔ)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(jìn)樣芯片實(shí)現(xiàn)了緩沖液的自動(dòng)沖洗，從而重復(fù)使用。進(jìn)樣芯片1-5采用一體式或獨(dú)立式溫控單元，如圖7所示，一體式溫控單元6-1同時(shí)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(dú)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(jìn)一步的，進(jìn)樣芯片與外圍進(jìn)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(tái)工作狀態(tài)，進(jìn)樣芯片沿水平箭頭所示方向進(jìn)入確定位置，傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)1-3所在移動(dòng)結(jié)構(gòu)下移，確保和進(jìn)樣芯片各接口準(zhǔn)確配合，包括信號(hào)采集探針部件、磁場(chǎng)施加部件，以及儲(chǔ)液池和微閥開關(guān)均實(shí)現(xiàn)位置的一一對(duì)應(yīng)。
[0024]圖6為一種柔性板波器件與進(jìn)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(jìn)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(tái)，其特征在于:包括外圍進(jìn)樣系統(tǒng)(1-1)、聲波傳感器(1-2)、傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)(1-3)、平臺(tái)支撐組件(1-4)和進(jìn)樣芯片(1-5)，所述進(jìn)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(chǔ)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(tái)，其特征在于:所述進(jìn)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(chǔ)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(jìn)樣芯片(1-5)采用一體式或獨(dú)立式溫控單元，其中一體式溫控單元同時(shí)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(dú)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(tái)，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(jìn)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(tái)，其特征在于:所述進(jìn)樣芯片(1-5)與所述外圍進(jìn)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(tái)，其特征在于:多組探針多電極信號(hào)并行采集時(shí)的準(zhǔn)確定位借助探針支架實(shí)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(duì)二甲苯Parylene,型號(hào)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(tái)，其特征在于:進(jìn)樣芯片(1-5)支撐采用防振動(dòng)平臺(tái)以避免樣品分析時(shí)信號(hào)的擾動(dòng)，同時(shí)分析平臺(tái)做屏蔽處理防止信號(hào)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(hào)】G01N29/036GK103454346SQ201310376685
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所