CN109709349A - 一种化学发光免疫分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学发光免疫分析系统，包括移液装置、温控装置、磁性分离装置、光检测装置、样本试剂存储装置以及所述电湿润微流控化学发光检测芯片。电湿润微流控化学发光检测芯片根据电浸润现象，通过芯片底板背面的电极阵列施加预先设计的电极电压序列，使得芯片表面的液滴按照预定的路径在芯片表面的各功能区之间进行移动，并能够在功能区中进行液滴分离和混匀操作。移液装置用于从样本试剂存储装置中移动试剂到加注区，以及从废液存储区移走废液。相较于传统设备，能够在一块芯片上真正实现多样本的批量检测或者单样本多试剂的联合检测的成本。
Description
技术领域
本发明涉及化学发光检测领域，具体涉及一种化学发光免疫分析系统。
背景技术
化学发光是由化学反应而产生的光辐射。化学发光分析具有极高的灵敏度、选择性较好、仪器简单、分析速度快、线性范围可宽达几个数量级等优点，在环境、生命、医学等领域得到愈来愈广泛的应用。化学发光与其它发光分析的本质区别是体系产生发光(光辐射)所吸收的能量来源不同。体系产生化学发光，必须具有一个产生可检信号的光辐射反应和一个可一次提供导致发光现象足够能量的单独反应步骤的化学反应。
目前，化学发光诊断产品的微型化，通常基于微流控芯片。微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等。因此，芯片往往会设计复杂、成本较高、难以量产化。
磁珠是指磁性纳米粒子与无机或有机分子结合形成的可均匀分散于一定基液中具有高度稳定性的胶态复合材料。由于磁珠具有磁响应性，成本低、能耗少和无污染等特点，人们在磁珠表面或通过磁珠表面的功能基团，如氨基、羧基、巯基及环氧乙烷等，将酶、抗体、寡核苷酸等生物活性物质进行固定，可进一步用于酶的固定化、靶向药物载体、细胞分选、免疫检测、蛋白与核酸的分离纯化及杂交检测等领域。传统的免疫学检测多以酶标板为固相载体，悬浮性磁珠作为载体具有较高的比表面积，能够更为充分地与样品反应，加之外加磁场的灵活应用，较之酶标板载体具有更高的灵敏度、更快的检测速度和更好的重复性等优点，目前已被广泛应用于生物及医学检测等领域。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种化学发光免疫分析系统，降低一种化学发光免疫分析系统的设计及制备成本。
技术方案：一种化学发光免疫分析系统，包括移液装置、温控装置、磁性分离装置、光检测装置、样本试剂存储装置以及所述电湿润微流控化学发光检测芯片；其中：
所述电湿润微流控化学发光检测芯片包括由底板和盖板形成的腔体，所述腔体被划分成若干功能区，所述功能区包括加注区、清洗分离区、温育反应区、光检测区、废液存储区；所述功能区之间设有连接路径，所述功能区以及所述连接路径所在的底板上表面布设电极阵列，所述电极阵列表面涂覆疏水/超疏水涂层；
所述移液装置用于从所述样本试剂存储装置中移动试剂到所述加注区，以及从所述废液存储区移走废液；
所述温控装置用于控制所述温育反应区的温度；
所述磁性分离装置用于所述清洗分离区中进行磁珠清洗时对磁珠进行分离控制；
所述光检测装置用于收集所述光检测区化学发光反应时所发出的光子。
进一步的，所述加注区正对的盖板上设有加注孔，所述加注孔的上方设有加注前处理组件，所述加注前处理组件包括连通所述加注区的加注通道，所述加注通道内设有吸附用填料组件。
进一步的，通过设置所述盖板正对各功能区的局部高度来调整各功能区的单位面积对应的液体容纳量。
进一步的，所述盖板正对所述光检测区的位置设置为凸透镜结构。
进一步的，所述加注孔的数量大于1。
进一步的，所述吸附用填料组件是聚酯膜、玻璃纤维素膜、纤维素滤纸、无纺布中的一种或多种材料制成。
进一步的，所述吸附用填料组件是使用亲水性材料制成的微珠，并在所述微珠上连接用于结合待过滤分子的结合物。
进一步的，所述加注通道垂直连接所述盖板，在所述加注通道侧面设有大气平衡通孔，所述大气平衡通孔位于所述吸附用填料组件的位置下方。
有益效果：本发明的化学发光免疫分析系统采用电湿润微流控化学发光检测芯片，芯片根据电浸润(electowetting)现象，通过底板背面的电极阵列施加预先设计的电极电压序列，使得芯片表面的液滴按照预定的路径在芯片表面的各功能区之间进行移动，并能够在功能区中进行液滴分离和混匀操作，相较于传统的微流控芯片，芯片表面不用设计和制备复杂的管路、微泵/微阀，结构简单，设计和制备成本均远低于传统的微流控芯片。相对于传统的化学发光免疫分析系统，由于芯片表面省掉了复杂的管路、微泵/微阀，通过结合移液装置能够真正实现多样本的批量检测或者单样本多试剂的联合检测，而基于传统的微流控芯片的化学发光免疫分析系统仅在理论上可以实现此功能，其在实际设计和制备此类功能的微流控芯片时，往往设计难度大，试剂封装要求高、工艺难实现，从而缺乏一定的实用性。
附图说明
图1是化学发光分析仪结构示意图；
图2是用于单样本多试剂联合检测的芯片表面结构示意图；
图3是用于多样本批量检测的芯片表面结构示意图；
图4是加注前处理组件工作方式一示意图；
图5是加注前处理组件工作方式二示意图；
图6是盖板正对光检测区位置的结构示意图；
图7是本化学发光分析仪单次检测流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种化学发光分析仪，包括移液装置5、温控装置、磁性分离装置、光检测装置4、样本试剂存储装置6以及电湿润微流控化学发光检测芯片7。其中：
电湿润微流控化学发光检测芯片7包括由底板和盖板形成的腔体，腔体被划分成若干功能区，功能区包括加注区、清洗分离区、温育反应区、光检测区、废液存储区，通过设置盖板正对各功能区的局部高度来调整各功能区的单位面积对应的液体容纳量。功能区之间设有连接路径，功能区以及连接路径所在的底板上表面布设疏水/超疏水涂层，疏水/超疏水涂层底下布设电极阵列。通常选用铜作为电极材料，电极尺寸一般为1.5mm×1.5mm，芯片底板材料一般选择FR4。
加注区正对的盖板上设有若干个加注孔，加注孔的上方设有加注前处理组件，如图2、图3所示，加注孔均有十个。如图4、图5所示，加注前处理组件包括连通加注区的加注通道1，加注通道1垂直连接盖板，加注通道内设有吸附用填料组件2，在加注通道侧面设有大气平衡通孔3，大气平衡通孔3位于吸附用填料组件2的位置下方。
加注孔用于样本、试剂、激发试剂、清洗液等的加注。吸附用填料组件用于吸附样本中特定组分，例如：针对血细胞或者纤维蛋白聚体等微米级以上颗粒物的拦截过滤可以使用聚酯膜、玻璃纤维素膜、纤维素滤纸和无纺布中的一种或多种材料制成，也可以是上述材料中加入促凝剂，血细胞膜抗体；针对某种特定分子的拦截，可以使用琼脂糖等亲水性材料制成的微珠，并在微珠上连接用于结合待过滤分子的结合物。填料组件2的四周可以嵌入加注通道1侧壁，或通过具有有一定强度的多孔结构来支撑。如图4、图5所示，样本从上方添加至加注通道1中，在重力或者外部施加气压的条件下，样本会渗透进入填料组件2，其中的特定组分会被填料组件2所吸附，另外的更适合检测的组分会穿过填料组件2后流入从加注孔进入到底板上的加注区中，实现了样本的前处理及加注。
如图2、图3所示，各功能区之间设有连接路径，连接路径可以是若干单位面积的方块组成的连续路径，在每个单位面积的方块对应的底板下表面对应设置一个电极。各功能区同样可以由若干个单位面积的方块组成，同样的其对应设置有电极阵列。同理，各功能区以及连续路径的单位面积的方块下也可以对应设置多个阵列排布的电极，以此提高液滴移动、混合等的精度或效率。
芯片内液滴体积由电极面积和腔体的高度决定，电极面积一定时，单个电极面积对应的液滴体积随腔体高度增加而变大，因此芯片设计时可以通过调大腔体高度，容纳更多的液滴，以缩小芯片面积，一般腔体的高度不超过0.5mm。
移液装置用于从样本试剂存储装置中移动试剂到加注区，以及从废液存储区移走废液。移液装置硬件主要由加样针、流体管道、泵阀及运动机构组成，运动机构带动加样针进行水平及升降运动，运行区域覆盖样本试剂存储装置、芯片上的加注区及废液存储区。运动机构带动加样针移动至样本试剂存储装置吸取一定量的样本或试剂，一般在5ul以上，然后移动至芯片的加注孔上方，将吸取的液体排出，实现样本、试剂、激发试剂、清洗液等的初步分配，并用移液装置排空废液存储区的芯片内废液。
温控装置位于芯片的温育反应区背面，将温育反应区温度控制在设定的温度值。温控装置可以采用安装在仪器上的加热器件，例如电阻丝或半导体热电致冷器等以及温度传感器形成的闭环控制系统以保证芯片上稳定的温度；也可将加热装置和温度传感器集成在芯片上，这样虽然芯片成本有所增加，但可以更精确有效的控制温度。化学发光温育反应的温度一般控制在37±0.5℃。
磁性分离装置用于清洗分离区中进行磁珠清洗时对磁珠进行分离控制。分离机构位于芯片的清洗分离区背面。其硬件主体为永磁铁，通过调整永磁铁的与芯片之间的距离、或通过电磁铁的通断电，控制芯片清洗分离区的磁场强弱。为保证磁珠的吸附效果，通常选取钕铁硼磁铁或者电磁铁，磁场强度一般为4000高斯左右。
如图6所示，芯片的盖板正对光检测区的位置设置为凸透镜结构，便于聚集光信号。光检测装置4位于芯片的光检测区上方，用于收集光检测区化学发光反应时所发出的光子。光检测一般采用光电倍增管、光电池等光电器件作为光信号采集元件。
样本试剂存储装置主要用于存放样本及试剂，必要时含有温控系统以保证样本及试剂的储存温度要求，或者含有机械往复运动装置来保证非均相试剂的混匀。本样本试剂存储装置可放置一定数量的样本及试剂盒，以满足仪器系统的连续检测、多项目检测。
单次检测流程包含加样、移液、混匀、温育、清洗分离、光检测六个步骤，如图7所示，具体为：
1)加样：通过移液装置将所需的样本、试剂、硅油等加注到芯片的加注区。加样时还包括在线样本前处理步骤，即样本通过加注孔的上方设有加注前处理组件后，发生组分的分离，使得更适合检测的样本组分留在加注区底部的电极上方。
2)移液：根据电浸润的现象，芯片表面的疏水/超疏水涂层在相应的电极通入高压电后，疏水/超疏水涂层会变得比较亲水，利用表面张力产生的毛细现象，液体会流向接通高压的电极。通过一系列预编程的电极电压序列，液体会按预定的路径在芯片表面移动。通过设计加压区电极的电压序列，可以从加注区的样本或试剂分离出实验所需的液滴，或者将各功能区内的液滴移动至所需位置。
3)混匀：分离的液滴可以在芯片上面以程序脚本，即预定义的电极电压序列定义的方式运动。程序脚本只需要将反应所需的样本/试剂移动至同一位置，他们就会自动融合成一个比较大的液滴，然后在不同方向往复运动、绕圈运行甚至重新分离再融合，就可以实现混匀。
4)温育：控制液滴移动至温育反应区进行充分反应，达到设定的反应时间后，将液滴移动至清洗分离区。
5)清洗分离：分离时，控制磁铁向上运动紧贴芯片下层或控制电磁铁通电，将磁珠吸附在芯片表面，控制液滴移出清洗分离区，在极强的磁场下，微小的磁珠将会聚集成非常紧密的磁体，而不能被液滴带走，这样就实现磁珠与未反应的游离物质分离。清洗时，控制磁铁向下运动或控制电磁铁断电，磁场消失，移动清洗液滴与分离后的磁珠进行混匀，将磁珠中夹杂的未反应的游离物质释放到清洗液滴中。重复分离、清洗过程，将检测液滴中的未反应的游离物质充分洗涤。
6)光检测：移动激发试剂，激发试剂通常为激发液或底物，激发试剂液滴与清洗后的磁珠结合混匀，混匀后的液滴移动至光检测区，采集反应发出的光子。
7)检测完成的液滴移动至废液存储区。
电湿润微流控化学发光检测芯片需要根据单样本多试剂联合检测或是多样本批量检测来设计芯片上各功能区的位置和大小，以及设计各功能区之间的连接路径。多项目联合检测或多样本批量检测时：
1)将样本S和试剂R1、R2、R3、R4、R5从样本试剂存储装置加注至芯片的加注区，如图1所示；或样本S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和试剂R从样本试剂存储装置加注至芯片的加注区，如图2所示。试剂R1一般由3种试剂组分组成，组分1为R1-1，组分2和3可以同时加入到一个加注孔形成R1-23。
2)按照时间节拍，例如20s，来逐个进行移液、混匀完成检测液滴TEST1、TEST2、TEST3。
3)移动混匀后的液滴至温育反应区，温育预定时长；
4)达到温育时间后，移动液滴至清洗分离区，使用W液滴清洗后形成TEST1’、TEST2’、TEST3’；W液滴即为清洗试剂。
5)分离T液滴与清洗后的检测液滴混合形成TEST1”、TEST2”、TEST3”，并分别移动至检测区进行光检测；T液滴即为激发试剂。
6)检测完成的液滴移动至废液存储区。
上述步骤2)、4)、5)中形成的液滴数根据检测类型、样本数不同而不同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种化学发光免疫分析系统，其特征在于，包括移液装置、温控装置、磁性分离装置、光检测装置、样本试剂存储装置以及所述电湿润微流控化学发光检测芯片；其中：
所述电湿润微流控化学发光检测芯片包括由底板和盖板形成的腔体，所述腔体被划分成若干功能区，所述功能区包括加注区、清洗分离区、温育反应区、光检测区、废液存储区；所述功能区之间设有连接路径，所述功能区以及所述连接路径所在的底板上表面布设电极阵列，所述电极阵列表面涂覆疏水/超疏水涂层；
所述移液装置用于从所述样本试剂存储装置中移动试剂到所述加注区，以及从所述废液存储区移走废液；
所述温控装置用于控制所述温育反应区的温度；
所述磁性分离装置用于所述清洗分离区中进行磁珠清洗时对磁珠进行分离控制；
所述光检测装置用于收集所述光检测区化学发光反应时所发出的光子。
2.根据权利要求1所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述加注区正对的盖板上设有加注孔，所述加注孔的上方设有加注前处理组件，所述加注前处理组件包括连通所述加注区的加注通道，所述加注通道内设有吸附用填料组件。
3.根据权利要求1所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：通过设置所述盖板正对各功能区的局部高度来调整各功能区的单位面积对应的液体容纳量。
4.根据权利要求1所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述盖板正对所述光检测区的位置设置为凸透镜结构。
5.根据权利要求2所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述加注孔的数量大于1。
6.根据权利要求2或5所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述吸附用填料组件是聚酯膜、玻璃纤维素膜、纤维素滤纸、无纺布中的一种或多种材料制成。
7.根据权利要求2或5所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述吸附用填料组件是使用亲水性材料制成的微珠，并在所述微珠上连接用于结合待过滤分子的结合物。
8.根据权利要求2或5所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述加注通道垂直连接所述盖板，在所述加注通道侧面设有大气平衡通孔，所述大气平衡通孔位于所述吸附用填料组件的位置下方。
9.根据权利要求6所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述加注通道垂直连接所述盖板，在所述加注通道侧面设有大气平衡通孔，所述大气平衡通孔位于所述吸附用填料组件的位置下方。
10.根据权利要求7所述的化学发光免疫分析系统，其特征在于：所述加注通道垂直连接所述盖板，在所述加注通道侧面设有大气平衡通孔，所述大气平衡通孔位于所述吸附用填料组件的位置下方。
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