一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203807475 U(45)授权公告日 2014.09.03

(21)申请号 2013202495.4(22)申请日 2013.12.31

(73)专利权人倪一

地址200240 上海市闵行区东川路800号专利权人窦晓鸣(72)发明人倪一 李振庆 窦晓鸣 山口佳则(74)专利代理机构上海三和万国知识产权代理

事务所(普通合伙) 31230

代理人陈伟勇(51)Int.Cl.

C12M 1/38(2006.01)C12M 1/34(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图2页权利要求书2页 说明书6页 附图2页

(54)实用新型名称

一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置(57)摘要

本实用新型涉及分子生物监测技术领域。一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，包括一细菌检测装置主体，细菌检测装置主体包括温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块、数据处理与控制模块，温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块均连接数据处理与控制模块，细菌检测装置主体设有一芯片插口，芯片插口内安装有一微流控芯片，微流控芯片由上层基板和下层基板键合封接而成；下层基板包括一PCR反应通道、一CE分离通道，PCR反应通道与CE分离通道的端口均设有用作试剂池的凹槽；上层基板包括一用于填充试剂和安置电极的孔，孔的位置与下层基板的凹槽位置相对应。本实用新型提高了分析过程的自动化程度和工作效率。CN 203807475 UCN 203807475 U

权 利 要 求 书

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1.一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，包括一细菌检测装置主体，细菌检测装置主体包括温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块、数据处理与控制模块，所述温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块均连接所述数据处理与控制模块，其特征在于，所述细菌检测装置主体设有一芯片插口，所述芯片插口内安装有一微流控芯片，所述微流控芯片由上层基板和下层基板键合封接而成；

所述下层基板包括一PCR反应通道、一CE分离通道，所述PCR反应通道与所述CE分离通道的端口均设有用作试剂池的凹槽；

所述上层基板包括一用于填充试剂和安置电极的孔，所述孔的位置与所述下层基板的凹槽位置相对应。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述PCR反应通道是一条曲折的通道，包括直线部分和弯曲部分；

所述直线部分包括平行排布的复数条直线通道，所述弯曲部分包括复数个弧形通道，一个直线通道的左端通过一个弧形通道与相邻的下一个直线通道的左端相连，右端通过一个弧形通道与相邻的上一个直线通道的右端相连；

所述PCR反应通道的起始端设有用作进样池的凹槽；所述PCR反应通道的末端设有用作废液池的凹槽。

3.根据权利要求2所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述CE分离通道是一条直线通道，或者是如所述PCR反应通道式的曲折通道；

所述CE分离通道的起始端设有用作分离液池的凹槽；所述CE分离通道的末端设有用作废液池凹槽。

4.根据权利要求3所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述PCR反应通道末尾的最后一个直线部分与所述CE分离通道交叉；所述交叉是十字交叉，或双T形交叉。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述温控模块包括一用于改变PCR反应通道的温度的半导体温控片，还包括用于测量PCR反应通道的温度的温度传感器。

6.根据权利要求5所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述半导体温控片贴合在所述微流控芯片的单面或两面。

7.根据权利要求6所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述半导体温控片贴合在所述微流控芯片的单面时，所述半导体温控片的数量为2～3个，温控片的排列方向与PCR反应通道的直线部分的排列方向垂直。

8.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述荧光检测模块包括激发光源、光学传输单元、光电检测器，所述激发光源的照射范围覆盖所述CE分离通道。

9.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所述电源驱动模块包括PCR驱动电源和CE驱动电源；PCR驱动电源与两个分别放置在PCR反应通道的起始端和末端的电极相连接；

所述CE驱动电源与两个分别放置在CE分离通道的起始端和末端的电极相连接。10.根据权利要求9所述的一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，其特征在于：所

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权 利 要 求 书

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述数据处理模块还连接一显示与接口模块。

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说 明 书

一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置

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技术领域

[0001]

本实用新型涉及分子生物监测技术领域，具体涉及细菌检测装置主体。

背景技术

PCR是在体外实现DNA扩增的过程，通过聚合酶和特定设计的引物，可以从样本的

DNA序列中复制出“标志性”的特异片段，并可使特异片段的数量扩增达109倍。[0003] 使用毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）对DNA片段按照片段尺寸进行分离，检测具有特定长度的特异片段。CE是在毛细通道中进行的电泳，用电场驱动DNA分子，同时利用筛分介质与DNA分子的相互作用，使不同长度的DNA片段产生电泳速度差，达到检测DNA片段长度的目的。CE通常可用较高的分离电压，在较短时间内就可以完成分离。[0004] 常规基因分析的操作流程比较繁琐，通常需要使用如离心机、温度循环仪、平板凝胶电泳仪、荧光成像分析仪或毛细管电泳仪等一系列设备，这对实验室的硬件条件和实验人员的操作水平都提出了比较高的要求，也不易降低检测过程中发生的试剂和人工成本。并且，样品在多个设备间转移，增加了操作失误和样品污染的可能性。[0005] 随着微全分析系统（μTAS）的概念被提出，分子生物检测的发展进入了新的阶段。微全分析系统以微流控技术为基础，促进了分析检测设备的小型化、集成化和自动化，不仅可以降低设备的购置成本、试剂成本和人工操作成本，也为检测监控的实时化和现场化提供了技术途径。

[0002]

实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的在于提供一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，以解决上述技术问题。

[0007] 本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：[0008] 一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，包括一细菌检测装置主体，细菌检测装置主体包括温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块、数据处理与控制模块，所述温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块均连接所述数据处理与控制模块，其特征在于，所述细菌检测装置主体设有一芯片插口，所述芯片插口内安装有一微流控芯片，所述微流控芯片由上层基板和下层基板键合封接而成；

[0009] 所述下层基板包括一PCR反应通道、一CE分离通道，所述PCR反应通道与所述CE分离通道的端口均设有用作试剂池的凹槽；

[0010] 所述上层基板包括一用于填充试剂和安置电极的孔，所述孔的位置与所述下层基板的凹槽位置相对应。

[0011] 本实用新型将PCR和CE集成在微流控芯片上，适用于细菌检测，取消了PCR与CE之间的人工操作环节，提高了分析过程的自动化程度和工作效率。PCR配合CE进行细胞、细菌和病毒的检测，具有特异性强、灵敏度高、速度快的优点。不仅利用了PCR和CE的固有优点，而且进一步提高分析效率，简化操作，提高检测装置的自动化程度，为细菌的快速检测、

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疾病的大规模筛查和快速诊断提供技术支持。

[0012] 温控模块用于对PCR反应通道加温与控温的，所述温控模块设置于所述微流控芯片上；

[0013] 所述温控模块包括用于改变PCR反应通道的温度的半导体温控片，还包括用于测量PCR反应通道的温度的温度传感器；所述温控模块与一数据处理和控制模块相连。[0014] 温度传感器，将温度转换为电信号。电信号传输到数据处理和控制模块，按照预先设定的算法由温度的电信号产生半导体温控片的反馈控制信号，使得温控片能够保持PCR反应通道处于恒定的设定温度。

[0015] 所述半导体温控片贴合在所述微流控芯片的单面或两面。[0016] 所述半导体温控片贴合在所述微流控芯片的单面时，所述半导体温控片的数量为2～3个，温控片的排列方向与PCR反应通道的直线部分的排列方向垂直。每一个温控片都横跨PCR反应通道的所有直线部分，PCR反应通道的每一个直线部分都被所有温控片加热成为温度不同的几个温度区，用于PCR反应的变性、延伸和退火。[0017] 荧光检测模块用于采集CE分离通道荧光信号的，所述荧光检测模块连接所述数据处理与控制模块，所述数据处理模块连接显示与接口模块；[0018] 所述荧光检测模块包括激发光源，光学传输单元、光电检测器，所述激发光源的照射范围覆盖所述CE分离通道。

[0019] 激发光源产生较窄光谱带宽的激发光，并照射CE分离通道上的检测窗口，激发含有荧光分子的DNA片段发出荧光。光学传输单元用于传输激发光和收集荧光，并滤除波长等于小于激发光的散射光。光电检测器将荧光信号转换成电信号，传输到数据处理和控制模块。

[0020] 激发光源可以是发光二极管、激光二极管、宽谱带光源与窄带滤光片的组合等。[0021] 光学传输单元可以是自由空间、光波导（例如光纤）和透镜。[0022] 光电检测器可以是光电二极管、光电三极管、光电倍增管、电荷耦合器件等。[0023] 所述电源驱动模块包括PCR驱动电源和CE驱动电源；PCR驱动电源与两个分别放置在PCR反应通道的起始端和末端的电极相连接。用于驱动DNA分子及其PCR扩增产物连续流过PCR反应通道。

[0024] 所述CE驱动电源与两个分别放置在CE分离通道的起始端和末端的电极相连接。用于驱动扩增后的DNA片段流过CE分离通道。[0025] 所述数据处理与控制模块实现温控模块、荧光检测模块、电源驱动模块的控制与协调。控制温控模块的半导体温控片对PCR反应通道加热，同时从温度传感器接受温度测量信号，产生反馈控制信号，使得温控模块在达到设定温度前对PCR反应通道持续加热，在达到设定温度后保持PCR反应通道的温度恒定；控制电源驱动模块中的PCR驱动电源，使DNA分子及其PCR扩增产物连续流过PCR反应通道；当PCR扩增后的DNA片段已经过CE分离通道的交叉部分，停止PCR驱动电源，开启CE驱动电源，使扩增后的DNA片段流过CE分离通道；控制荧光检测模块采集CE分离通道检测窗口处的荧光信号，并对获得的信号进行处理和存储。

[0026] 所述显示与接口模块用于显示检测数据，或者与闪存设备、硬盘设备、电脑等其他设备连接，输出检测数据。

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所述上层基板材料与所述下层基板材料可以是玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷

（Polydimethylsiloxane，PDMS）中的任意一种材质的基板材料。从而使上层基板与下层基板的材料具有一定机械强度和较好的光学透过率[0028] 所述PCR反应通道是一条曲折的通道，包括直线部分和弯曲部分，所述直线部分包括平行排布的复数条直线通道，所述弯曲部分包括复数个弧形通道，一个直线通道的左端通过一个弧形通道与相邻的下一个直线通道的左端相连，右端通过一个弧形通道与相邻的上一个直线通道的右端相连；

[0029] 所述PCR反应通道的起始端设有用作进样池的凹槽；所述PCR反应通道的末端设有用作废液池的凹槽。

[0030] 所述CE分离通道是一条直线通道，或者是如所述PCR反应通道式的曲折通道。即所述CE分离通道是由弯曲通道连接起来的几条直线通道。

[0031] 所述CE分离通道的起始端设有用作分离液池的凹槽；所述CE分离通道的末端设有用作废液池凹槽。

[0032] 所述PCR反应通道末尾的最后一个直线部分与所述CE分离通道交叉；所述交叉可以是十字交叉，或双T形交叉。

[0033] 使用所述细菌快速检测装置时，在微流控芯片的PCR反应通道中填充PCR反应液，在CE分离通道中填充分离液；取适量含有样本DNA的试剂（例如1μL）注入微流控芯片的进样池；将微流控芯片插入检测装置，使电源驱动模块的电极放置在微流控芯片的槽孔中；开启本装置，然后本装置将在数据处理与控制模块的控制下自动完成包括PCR、CE、检测和数据输出在内的所有后续步骤。首先，数据处理和控制模块开启温控模块，使各温控片加热然后保持设定温度，在PCR反应通道中形成2～3个不同的温度区；然后，开启电源驱动模块的PCR驱动电源，驱动样本DNA及其PCR扩增产物连续流过PCR反应通道，完成PCR反应，并经过CE分离通道的交叉部分；接着，自动切换到CE驱动电源，驱动DNA片段电泳；同时开启荧光检测模块，检测CE分离通道的荧光信号；信号作为数据被显示和保存，并可输出到其他设备上。

[0034] 本实用新型的有益效果在于：与常规的基因分析流程相比，本实验新型用于细菌检测，只需一台设备就可完成检测，减少了设备的数量，降低了硬件购置成本；提高了分析过程的自动化程度，提高工作效率；避免了试样在不同设备之间的转移，简化了人工操作，降低了试样污染的风险；微流控芯片减少了样品和试剂的消耗，降低了运行成本；本实用新型的装置体积小，可形成便携式设备，满足实时化、现场化的检测需要。附图说明

图1为本实用新型的部分电路框图，其中1－数据处理与控制模块，2－电源驱动模块，4－荧光检测模块，5－温控模块，6－显示与接口模块；[0036] 图2是微流控芯片的结构示意图，其中7－下层基板，8－PCR反应通道，9－分离液池，10－一号废液池，11－二号废液池，12－CE分离通道，13－1号温控片，14－2号温控片，15－芯片进样池；

[0037] 图3是采用本实用新型检测牙龈卟啉菌（Porphyromonas Gingivalis，Pg）的结果，其中，（a）是PCR反应的引物产生的信号，（b）是197bp的Pg细菌特异性序列产生的信

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号。

具体实施方式

[0038] 为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。[0039] 参见图1，一种基于微流控芯片的细菌快速检测装置，包括一细菌检测装置主体，细菌检测装置主体设有一芯片插口，芯片插口内安装有一微流控芯片，微流控芯片由上层基板和下层基板键合封接而成；下层基板包括一PCR反应通道、一CE分离通道，PCR反应通道与CE分离通道的端口均设有用作试剂池的凹槽；上层基板包括一用于填充试剂和安置电极的孔，孔的位置与下层基板的凹槽位置相对应。[0040] 细菌检测装置主体还包括温控模块5，荧光检测模块4，电源驱动模块2，温控模块5、荧光检测模块4、电源驱动模块2连接数据处理与控制模块1，数据处理与控制模块1连接显示与接口模块6；显示与接口模块6用于显示检测数据，或者与闪存设备、硬盘设备、电脑等其他设备连接，输出检测数据。温控模块5包括用于改变PCR反应通道的温度的半导体温控片，还包括用于测量PCR反应通道的温度的温度传感器。温度传感器，将温度转换为电信号。电信号传输到数据处理和控制模块，按照预先设定的算法由温度的电信号产生半导体温控片的反馈控制信号，使得温控片能够保持PCR反应通道处于恒定的设定温度。[0041] 上层基板材料与下层基板材料可以是玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）中的任意一种材质的基板材料。从而使上层基板与下层基板的材料具有一定机械强度和较好的光学透过率[0042] PCR反应通道包括直线部分和弯曲部分，直线部分是平行排列的，弯曲部分位于直线部分的两端，弯曲部分连接两个相邻的直线部分。PCR反应通道的起始端设有用作进样池的凹槽；PCR反应通道的末端设有用作废液池的凹槽。CE分离通道是一条直线通道。或者CE分离通道是由弯曲通道连接起来的几条直线通道。CE分离通道的起始端设有用作分离液池的凹槽；CE分离通道的末端设有用作废液池凹槽。PCR反应通道末尾的最后一个直线部分与CE分离通道交叉；交叉可以是十字交叉，或双T形交叉。[0043] 半导体温控片贴合在微流控芯片的单面或两面；半导体温控片贴合在微流控芯片的单面时，半导体温控片的数量为2～3个，温控片的排列方向与PCR反应通道的直线部分的排列方向垂直。每一个温控片都横跨PCR反应通道的所有直线部分，PCR反应通道的每一个直线部分都被所有温控片加热成为温度不同的几个温度区，用于PCR反应的变性、延伸和退火。

[0044] 荧光检测模块包括激发光源，光学传输单元、光电检测器。激发光源产生较窄光谱带宽的激发光，并照射CE分离通道上的检测窗口，激发含有荧光分子的DNA片段发出荧光。光学传输单元用于传输激发光和收集荧光，并滤除波长等于小于激发光的散射光。光电检测器将荧光信号转换成电信号，传输到数据处理和控制模块。[0045] 激发光源可以是发光二极管、激光二极管、宽谱带光源与窄带滤光片的组合等。光学传输单元可以是自由空间、光波导（例如光纤）和透镜。光电检测器可以是光电二极管、光电三极管、光电倍增管、电荷耦合器件等。

[0046] 电源驱动模块包括PCR驱动电源和CE驱动电源；PCR驱动电源与两个分别放置在

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PCR反应通道的起始端和末端的电极相连接。用于驱动DNA分子及其PCR扩增产物连续流过PCR反应通道。

[0047] CE驱动电源与两个分别放置在CE分离通道的起始端和末端的电极相连接。用于驱动扩增后的DNA片段流过CE分离通道。[0048] 实施例1.微流控芯片。[0049] 微流控芯片长76mm，宽22mm，厚2mm，由上下两层PDMS基板键合封接而成。上、下层基板厚度均为1mm，下层基板上包含PCR反应通道、CE分离通道和凹槽结构，上层基板包含孔结构，位置与下层基板的凹槽结构对应。[0050] 参见图2，下层基板7的结构。PCR反应通道8的横截面尺寸为0.1mm×0.1mm，每两个相邻的直线部分为一组，可完成一次PCR反应，共有30组。CE分离通道12的横截面尺寸为0.1mm×0.1mm，总长16mm。PCR反应通道尾端的直线部分与CE分离通道十字交叉，交叉点位置据CE分离通道起始端1.3mm。芯片进样池15为圆形凹槽，直径5mm，深0.5mm。分离液池9为圆形凹槽，直径4mm，深0.5mm。一号废液池10和二号废液池11均为圆形凹槽，直径4mm，深0.5mm。二步法PCR使用两个温控片1号温控片13和2号温控片14，其中，一号温控片13温度较高，用于变性，2号温控片14温度较低，用作延伸和退火。[0051] 工作时，微流控芯片的PCR反应通道8中填充有PCR反应液，CE分离通道12填充有分离液，芯片插入检测装置。将含有样本DNA的试剂1μL注入芯片进样池15，开启检测装置，装置自动完成所有后续步骤。首先，数据处理与控制模块1命令温控模块5加热1号温控片13和2号温控片14，使1号温控片13的温度达到95℃，2号温控片14的温度达到65℃，之后由温控模块5保持1号温控片13和2号温控片14的温度恒定；然后，数据处理与控制模块1命令电源驱动模块2的PCR驱动电源部分，在芯片进样池15和一号废液池10之间施加电压，芯片进样池15为负极，一号废液池10为正极；15分钟后，数据处理与控制模块1命令电源驱动模块2切换至CE驱动电源部分，在分离液池9和二号废液池11之间施加电压，分离液池9为负极，二号废液池11为正极；在CE驱动电源启动的同时，数据处理和控制模块1也命令荧光检测模块4启动，检测CE分离通道12的荧光信号；荧光信号传输到数据处理和控制模块1进行处理和保存，并可通过显示与接口模块6显示结果，或与其它设备连接。

[0052] 实施例2.使用本实用新型基于PCR和毛细管电泳集成芯片的细菌快速检测装置完成牙龈卟啉菌（Porphyromonas Gingivalis，Pg）的快速检测。实验结果参见图3。[0053] 使用吸潮纸尖（天津达雅鼎医疗器械有限公司）擦拭龈沟，取得含有口腔细菌的龈缝液。将吸潮纸尖上沾有龈缝液的尖端部分浸泡在裂解液PBS（美国Sigma-Aldrich公司）中3分钟。在微流控芯片的PCR反应通道8填充PCR反应液SpeedSTAR HS DNA Polymerase（日本TAKARA公司），CE分离通道12填充分离液（羟乙基纤维素溶液）。将芯片插入检测装置，在芯片进样池15注入含有口腔细菌DNA的裂解液1μL，开启装置，自动完成后续步骤。在数据处理与控制模块1的命令下，温控模块5使1号温控片13达到95℃并保持恒定，使2号温控片14达到65℃并保持恒定；然后启动电源驱动模块2的PCR驱动电源，使DNA分子及其PCR扩增产物沿着PCR反应通道8连续流动，反复经过95℃的变性区和65℃的延伸退火区，完成PCR扩增反应；15分钟后，自动切换至CE驱动电源，在CE分离通道12的两端施加电场强度为200V/cm的分离电压，同时荧光检测模块4开启检测；当被分离后的DNA片

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段经过检测点，即激发产生荧光，通过检测和处理后，显示为以时间为横轴，以荧光强度为纵轴的电泳谱，参见图3。图中，出现在约0.75分钟的信号（a）来自于PCR液中的引物；出现在约1.4分钟的信号（b）是来自于Pg细菌的197bp的特异性序列，表明样本中存在Pg细菌。本实施例中，从口腔取样开始，到获得检测结果，所需时间在20分钟以内；整个检测过程所需的试剂仅约200μL。

[0054] 以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征以及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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图1

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说 明 书 附 图

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图3

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