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CN110470599A - 微全分析芯片及原位反应方法 - Google Patents

微全分析芯片及原位反应方法 Download PDF

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CN110470599A CN201810448069.9A CN201810448069A CN110470599A CN 110470599 A CN110470599 A CN 110470599A CN 201810448069 A CN201810448069 A CN 201810448069A CN 110470599 A CN110470599 A CN 110470599A
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孙冰
冯俊杰
赵磊
文松
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China Petrochemical Corp
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Abstract

本发明涉及微全分析芯片领域，公开了一种微全分析芯片及原位反应方法。该微全分析芯片包括反应池，所述反应池中具有试剂和用于封装该试剂的可溶性膜，所述可溶性膜与液体试剂接触后经过一定的稳定期之后溶解。本发明的微全分析芯片中具有封装的预置试剂，简化了试剂的预置操作，降低了对预置试剂量的控制难度，提高了预置试剂的应用范围和分析结果准确度。

Description

微全分析芯片及原位反应方法
技术领域
本发明涉及微全分析芯片领域，具体涉及一种微全分析芯片及原位反应方法。
背景技术
微全分析系统又称芯片实验室，是旨在将实验室所有功能集成在一个芯片上的一种分析技术，在分析技术的小型化、便携化、自动化方面显示出卓越的前景，成为近年来的一大研究热点。
微全分析过程中，常有两种或多种试剂的混合及反应的情况，由于试剂种类繁多，且各不同反应涉及到的试剂种类和数量也有所不同，将各种试剂实时引入微全分析芯片进行反应不仅需要对各种试剂的位置、引入顺序等进行统筹安排，增加系统复杂性，还会因为试剂间混合过程不均匀导致样品量不稳定等情况出现，降低分析的准确度和精度。
为了避免上述情况的出现，将部分试剂预置在微全分析芯片中是一种较好的方法。在进行分析时，如果对预置试剂不加保护，在外部待测样品引入微全分析芯片的过程中可能会因为样品的流动带走部分预置试剂，造成预置样品的流失，进而导致分析结果的偏差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的芯片预置试剂的问题，提供一种微全分析芯片及使用了该微全分析芯片的原位反应方法，该微全分析芯片中具有封装的预置试剂，简化了试剂的预置操作，降低了对预置试剂量的控制难度，提高了预置试剂的应用范围和分析结果准确度。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微全分析芯片，该微全分析芯片包括反应池，所述反应池中具有试剂和用于封装该试剂的可溶性薄膜，所述可溶性膜与液体试剂接触后经过一定的稳定期之后溶解。
优选地，所述试剂为固体试剂。
更优选地，所述固体试剂为颗粒状或粉末状。
优选地，所述可溶性膜选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、壳聚糖和糯米粉中的一种或多种。
优选地，所述可溶性膜封装试剂的方式为胶囊式全封装或覆盖式半封装。
优选地，所述液体试剂为水或包含反应物的水溶液。
优选地，所述反应池中具有两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜，并在其中分别封装两种以上试剂。
更优选地，所述两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜为厚度不完全相同的同种可溶性膜。
更优选地，所述两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜为在不完全相同的温度下发生溶解的可溶性膜。
优选地，所述微全分析芯片还包括用于加入所述液体试剂的流道。
优选地，所述反应池为一个以上。
本发明第二方面提供一种原位反应方法，该方法包括将液体试剂加入上述任意一项所述的微全分析芯片的反应池中，使所述可溶性膜与所述液体试剂接触。
本发明第三方面提供上述任意一项所述的微全分析芯片或原位反应方法在环境检测、应急检测或分子诊断中的应用。
本发明第四方面提供一种水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括上述的微全分析芯片。
优选地，该水质多参量检测设备还包括一个以上检测部件。
更优选地，所述检测部件为色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。
优选地，该水质多参量检测设备还包括进样部件、带动芯片转动的驱动部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据传输部件中的一种或多种。
通过上述技术方案，本发明的微全分析芯片及使用了该微全分析芯片的原位反应方法，可以方便地在微全分析芯片中预置试剂，并且精确控制试剂的加入量，从而提高反应的可控性和分析结果的准确度。通过使用稳定期不同的可溶性膜包覆不同试剂，达到在不同反应阶段加入不同试剂的目的，而不需要采用阀等复杂的结构，简化了装置和操作的复杂度。
附图说明
图1是本发明的微全分析芯片的结构示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供的微全分析芯片，如图1中的(a)-(c)所示，该微全分析芯片包括反应池，所述反应池中具有试剂和用于封装该试剂的可溶性膜，所述可溶性膜与液体试剂接触后经过一定的稳定期之后溶解。
在本发明中，所述微全分析芯片的结构没有特别的限定，可以根据反应的需要具有反应池和流道以及其它的各种常用于微流控芯片的各种结构，具体地，反应池可以为一个以上，并可以在其中的部分或者全部反应池中与之有上述试剂，所述微全分析芯片还可以包括用于加入所述液体试剂的流道。
在本发明中，所述试剂用可溶性膜封装后预置入微全分析芯片中。作为所述试剂，可以为固体或者液体，只要能够被可溶性膜稳定封装(即不溶解该可溶性膜)即可。从封装后便于存储的观点考虑，所述试剂优选为固体试剂。所述试剂可以为颗粒状或粉末状，具体可以为中性、弱酸性、弱碱性化合物中的一种或多种，优选在封装后保持稳定性好的固体试剂。具体使用的试剂，能够根据反应过程的需求进行具体选择。
根据本发明，所述可溶性膜可以根据反应的需求进行选择，只要其不影响反应和测试的进行，并且能够在与液体试剂接触后经过一定的稳定期之后溶解即可。也就是说，可溶性膜可以在与液体试剂接触的一定的稳定期内，保护其中封装的试剂不与液体试剂接触，例如，不受加样过程中流动的样品的影响，或者在预设的一定时间后参与反应，从而达到调控反应进行的目的。在本发明中所述稳定期指的是可溶性膜与液体试剂接触后，尚未完全溶解的时间段，也就是保持可溶性膜内封装的试剂不与可溶性膜外部液体试剂接触的时间。例如，用于封装一种试剂或者用于封装多种试剂的第一种试剂时，可溶性膜的稳定期可以为2s以上，优选为2s-2min，更优选为5-30s，例如可以为5-10s；用于封装多种试剂的第二种及以后的试剂时，可溶性膜的稳定期可以为5s以上，优选为5s-2min，更优选为5s-1min，例如可以为30s-1min。
在本发明中，所述可溶性膜可以选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、壳聚糖、糯米粉中的一种或多种，其中优选为不同规格的聚乙烯醇、聚氧化乙烯中的一种或多种。所述可溶性膜的厚度可以根据所需的稳定期进行确定，例如可以为0.01-0.5mm，优选为0.02-0.1mm，从而使可溶性膜的稳定期例如可以为2s-2min的范围内。
作为本发明中可溶性膜封装试剂的方式，例如可以为胶囊式全封装或覆盖式半封装。
所述胶囊式全封装指的是用形成为胶囊状的可溶性膜封装试剂，如图1中的(b)-(c)所示，此时，试剂的周围均被可溶性膜封闭(包覆)。
所述覆盖式半封装指的是用可溶性膜与反应池包围形成的空腔封闭试剂，如图1中的(a)所示，此时，试剂的周围既存在可溶性膜，也存在反应池壁(顶部、侧壁或底部)。
所述可溶性膜封装该试剂的方法，可以采用现有的能够用于可溶性膜封装的方法进行，没有特别的限定。作为胶囊式全封装的方法，例如可以用两片可溶性膜夹持试剂后，将试剂周围的可溶性膜通过热压等方式封闭形成封闭有试剂的胶囊。所述胶囊的形状可以例如可以为球形、椭球形等等。作为覆盖式半封装的方法，例如可以将固体样品放置在反应池的底部，通过喷涂或其他方式将聚乙烯醇溶液涂覆在试剂表面，干燥后即可将固体样品封装在样品池中，从而完成覆盖式半封装。从便于控制所得胶囊的稳定期的角度考虑，优选达到可溶性膜厚度均匀地封装试剂即可。
根据本发明，所述液体试剂没有特别的限定，根据反应过程的需求进行具体选择即可。所述液体试剂优选为水或包含反应物质的水溶液，例如氯化钠水溶液、碳酸钠水溶液、氢氧化钠水溶液、三氯化铁溶液等。在分析过程中，所述液体试剂优选为包含待测物质的水溶液。
根据本发明的一种优选的实施方式，为了配合在分阶段的反应中的应用，所述反应池中具有两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜，并在其中分别封装两种以上固体试剂。作为所述两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜，可以为厚度不完全相同的同种可溶性膜，也可以为在不完全相同的温度下发生溶解的可溶性膜。通过将不同的固体试剂用不同稳定期的可溶性膜进行封装，可以使上述不同的固体试剂在不同的反应阶段参与反应，从而避免了多次加样带来的繁琐操作以及可能导致的加样量不准等问题。
在本发明中，上述“稳定期不完全相同”指的是在所有可溶性膜中，至少一种可溶性膜的稳定期与另一种不同，其中允许有部分可溶性膜的稳定期相同，当然也可以使所有可溶性膜的稳定期均不同。
封装两种以上的固体试剂时，针对每种固体试剂，均可以采用胶囊式全封装或者覆盖式半封装。以封装两种固体试剂a、b的情况为例进行说明，可以使用封装有固体试剂A的可溶性膜胶囊和封装有固体试剂B的可溶性膜胶囊，也可以将封装有固体试剂A的可溶性膜胶囊与固体试剂同时进行胶囊式全封装或者覆盖式半封装。
作为例如两种以上的固体试剂在微全分析芯片中的预置位置，可以将两种以上固体试剂预置于同一反应池中，也可以根据需要将两种以上固体试剂分别预置于不同的反应池中，并通过控制液体试剂在不同反应池内的流动使得反应进行。
作为用于一步反应的微全分析芯片，其中可以使用的固体试剂为颗粒状或粉末状中性、弱酸性、碱性化合物等，可溶性膜为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、壳聚糖或者糯米粉等，其厚度为0.02-0.05mm，稳定期为2-10s。微全分析芯片包括进样口、流道和反应池。实验开始时，通过芯片的进样口和流道向反应池内加入待测水样，过量的水溶液排入废液池。由于可溶性膜的封装，加样过程中可溶性膜中的固体试剂不会与样品反应，过量的待测水样通过反应池后排入废液池，但不会与预置试剂反应，也不会将预置试剂带入废液池，从而达到了控制样品体积的目的。经过所需的稳定期后，可溶性膜溶解，其中封装的固体试剂开始进行与液体试剂反应。
作为用于两步反应的微全分析芯片，使用的固体试剂分别记为试剂a、试剂b，使用选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、壳聚糖或者糯米粉中的一种或两种、厚度为0.02-0.05mm的可溶性膜对两种试剂分别封装，得到稳定期分别为5-10s和30s-1min的胶囊。微全分析芯片包括进样口、流道和反应池。将具有不同稳定期的封装有试剂a、试剂b的胶囊预置在芯片的反应池中，待测水溶液通过芯片的进样口、通道进入并充满反应池，过量的待测水溶液排入废液池，从而达到了控制样品体积的目的。5-10s稳定期后，封装试剂a的胶囊被溶解，释放试剂a与待测水溶液中的待测物进行反应，30s-1min后，试剂a反应结束，封装试剂b的胶囊被溶解，释放出的试剂b继续与上述液体反应，直至反应结束。
本发明的第二方面提供了一种水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括上述的微全分析芯片。
在本发明中，该水质多参量检测设备还可以包括芯片检测装置。
根据本发明，所述检测部件没有特别的限定，可以用于芯片检测的各种检测部件，例如所述检测部件可以为色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。其中优选为吸光度检测部件和/或荧光检测部件。
为了便于检测的进行，所述芯片能够以便于检测的任意方式固定在所述芯片检测装置中，例如可以固定、可旋转或者可滑动的方式。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述检测部件由光源、分路光纤和光谱设备构成。所述光源用于产生进行测试所需波长的光，所述分路光纤用于同时检测多个反应池内光学信号，所述光谱设备用于收集产生的或经过吸收后的光信号。当需要对不同位置的反应池进行检测时，所述分路光纤可以将检测的入射光分为多路，从而快速完成检测。
根据本发明，为了实现功能集成，该水质多参量检测设备还可以包括进样部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据通信部件中的一种或多种。作为该水质多参量检测设备的一种优选实施方式，还包括数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件。作为所述数据处理部件，可以是包括控制器、运算器和寄存器的中央处理器等；作为所述数据输出部件，可以包括具有图形输出功能的显示屏、触摸屏、语音输出等；作为所述数据传输部件，可以将原始数据上传至远程服务器进行远程处理，再将结果直接返回至指定终端，也可以将数据处理部件产生的处理后的信息远传至云端进行信息收集。
本发明还提供了一种原位反应方法，该方法包括将液体试剂加入上述的微全分析芯片的反应池中，使所述可溶性膜与所述液体试剂接触。
通过在反应池中加入液体试剂，使所述可溶性膜与所述液体试剂接触，可以使所述可溶性膜在上述接触的一定稳定期后开始溶解，从而使得在稳定期内，可溶性膜封装的固体试剂不受到外界操作的影响，而在稳定期过后，可溶性膜溶解，其中封装的固体试剂溶解在液体试剂中，参与原位反应。
本发明还提供了上述微全分析芯片或原位反应方法在环境检测、应急检测或分子诊断中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，聚乙烯醇可溶性膜购自可乐丽公司。
实施例1
本实施例用于说明预置了一种试剂固体试剂的微全分析芯片以及使用了该微全分析芯片的原位反应方法。
如图1中的(b)所示，将KSCN固体用可溶性膜以热压法封装得到胶囊后，预置在微全分析芯片的反应池内。所用的可溶性膜为聚乙烯醇膜，厚度为0.020mm，稳定期为5s。通过微全分析芯片的进样口和流道引入待测溶液。在溶液引入开始前5s内，可溶性膜保持原状，在此过程中溶液引入并充满反应池。5s后，封装KSCN固体的可溶性膜溶解，膜内的固体样品释放，与溶液中的Fe3+液进行反应，形成红棕色溶液，证明引入的水溶液样品中含有Fe3+。
实施例2
本实施例用于说明预置了分别封装有不同试剂的胶囊的微全分析芯片以及使用了该微全分析芯片的原位反应方法。
如图1中的(c)所示，将粉末状黄色染料以厚度为0.023mm的聚乙烯醇可溶性膜封装得到胶囊a(稳定期为7s)，同时将粉末状蓝色染料以厚度为0.046mm的聚乙烯醇可溶性膜封装得到胶囊b(稳定期为3min)，然后将胶囊a和b同时预置在微全分析芯片的同一反应池内。通过微全分析芯片的流道引入去离子水。在去离子水引入过程中的7秒时间内，封装膜保持原状。7秒后，胶囊a中的可溶性膜开始溶解，膜内的黄色染料释放，与溶液进行混合，使溶液呈黄色。3min后，胶囊b的可溶性膜开始溶解，膜内的蓝色染料释放，与上述溶液进行混合，使溶液呈绿色。
实施例3
本实施例用于说明预置了同时封装有试剂和胶囊的胶囊的微全分析芯片以及使用了该微全分析芯片的原位反应方法。
如图1中的(b)所示，将高碘酸固体以厚度为0.046mm的聚乙烯醇可溶性膜封装得到胶囊b(稳定期为3min)，然后NaOH固体和胶囊b共同用厚度为0.023mm的聚乙烯醇可溶性膜封装得到胶囊a(稳定期为7s)，然后将胶囊a预置在微全分析芯片的反应池内。通过微全分析芯片的流道引入酚酞溶液。在液体样品引入过程中的7秒时间内，封装膜保持原状。7秒后，胶囊a中的可溶性膜开始溶解，膜内的NaOH固体和胶囊b释放，NaOH溶解到溶液中使酚酞呈粉红色。3min后，胶囊b中的可溶性膜开始溶解，膜内的高碘酸固体(过量于NaOH)释放，与溶液中的NaOH进行反应，使得溶液的粉红色逐渐褪去，最后呈现无色。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种微全分析芯片，其特征在于，该微全分析芯片包括反应池，所述反应池中具有试剂和用于封装该试剂的可溶性膜，所述可溶性膜与液体试剂接触后经过一定的稳定期之后溶解。
2.根据权利要求1所述的微全分析芯片，其中，所述试剂为固体试剂；
优选地，所述固体试剂为颗粒状或粉末状；
优选地，所述可溶性膜选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、壳聚糖和糯米粉中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的微全分析芯片，其中，所述可溶性膜封装试剂的方式为胶囊式全封装或覆盖式半封装。
4.根据权利要求1所述的微全分析芯片，其中，所述液体试剂为水或包含反应物的水溶液。
5.根据权利要求1所述的微全分析芯片，其中，所述反应池中具有两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜，并在其中分别封装两种以上试剂。
6.根据权利要求5所述的微全分析芯片，其中，所述两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜为厚度不完全相同的同种可溶性膜。
7.根据权利要求5所述的微全分析芯片，其中，所述两种以上稳定期不完全相同的可溶性膜为在不完全相同的温度下发生溶解的可溶性膜。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的微全分析芯片，其中，所述芯片还包括用于加入所述液体试剂的流道。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的微全分析芯片，其中，所述反应池为一个以上。
10.一种原位反应方法，其特征在于，该方法包括将液体试剂加入权利要求1-9中任意一项所述的微全分析芯片的反应池中，使所述可溶性膜与所述液体试剂接触。
11.权利要求1-9中任意一项所述的微全分析芯片或权利要求10所述的原位反应方法在环境检测、应急检测或分子诊断领域中的应用。
12.一种水质多参量检测设备，其特征在于，该水质多参量检测设备包括权利要求1-9中任意一项所述的微全分析芯片。
13.根据权利要求12所述的水质多参量检测设备，其中，该水质多参量检测设备还包括一个以上检测部件；
优选地，所述检测部件为色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。
14.根据权利要求12或13所述的水质多参量检测设备，其中，该水质多参量检测设备还包括进样部件、带动芯片转动的驱动部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据传输部件中的一种或多种。
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