CN102773122A - 一种离心式微流控血清分离芯片及其制备方法 - Google Patents

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沙俊
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Abstract

本发明涉及一种离心式微流控血清分离芯片及其制作方法。离心式微流控血清分离芯片是圆片状带微结构与微通道的微流控芯片，由刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片组成。离心式微流控血清分离芯片固定在离心机的旋转平台上，在离心机旋转产生的离心力驱动下，通过芯片上微结构和微通道的协同作用过程，实现微升级血样中血清与红细胞的分离操作，获得分析检测用的血清。本发明适用于生物医学、临床诊断、卫生检疫等相关应用领域。

Description

一种离心式微流控血清分离芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，主要应用于生物医学、临床诊断、卫生检疫等多个领域。
背景技术
血液检测是生物医学、临床诊断、卫生检疫诊断中最广泛的样本检测，但是红细胞的存在对血液检测中的光谱分析存在很大的干扰，因此如何快速方便地从全血中分离出血清一直是血液检测研究的热点与难点问题。
目前，绝大多数医院和实验室还是使用大型的离心机分离血清和血细胞，此方法需要从患者体内抽取毫升量的血液样本，而真正用于检测的样本仅仅几微升，导致样本的大量浪费；而且此类离心设备体积大，机械结构复杂，血清分离过程和检测是分开独立进行，易引起血液样品的损失和污染，不适合临床诊断和微型分析***的集成化，不能满足医疗诊断中微型全分析***发展的需要，因此有必要发展一种新的微分离技术。
离心式微流控芯片分析***是微全分析***发展的一个重要方向，以微加工技术为依托，将化学分析的采样、预处理、混合、衍化及检测等过程中涉及的阀、流动管道、混合反应器、加热器、分离装置、检测器等部件微型化，集成到圆片状的芯片上，以离心力驱动微流体的流动，从而实现对样品检测分析的微流控体系。离心***能够完成很多操作，例如混合、色谱分离、精确体积的分离和沉淀等。近年来，离心式微流控***以其高通量、高集成化、多重平行分析、便携、易操作、成本低等优点获得了快速发展，在生物医学、临床诊断、卫生检疫领域展示了良好的应用前景。
发明内容
本发明涉及一种用于微升级全血血清快速分离的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于该离心式微流控血清分离芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现血清分离。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状的离心式微流控芯片。圆片状离心式微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和另一空白芯片通过热压法贴合而成。离心式微流控血清分离芯片的微结构和微通道包括微量进样区、定量区、废液池、石英毛细管沟槽、分流池、血清区、通气口以及微流体流动通道，在离心力的驱动下实现微升级血液中血清与红细胞的分离操作，获得分析检测用的血清。
为实现上述目的，本发明采用以下操作步骤：
1.用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控血清分离芯片的微结构和微通道图形；
2.通过微加工技术在圆片状微流控芯片基材表面加工制备微结构和微通道，包括微区、微槽、微池、微孔和微通道；
3.用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片后，自然晾干；
4.将石英毛细管放入刻好的石英毛细管沟槽内，用环氧胶固定及密封，制成被动阀；
5.将刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片对齐、压紧、热封合，制成离心式微流控血清分离芯片；
6.将一滴微升级别的全血样品滴入芯片微量进样区，启动离心机，最后获得微升级的血清样品。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片的芯片基材可以是为未涂层的空白PMMA、PC、PVC、COC圆片，也可是各类CD光盘。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片的芯片厚度可以是1～5mm，直径60～150mm，中心孔径10～30mm。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片在定量区的左侧设置了溢流阀，右侧设置了被动阀，溢流阀和被动阀的协同作用可实现对全血样品的限流、切换和定量控制。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片的溢流阀为微通道结构，连接在定量区和废液池之间。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片的定量区与分流区之间的连接微通道宽度和深度均为380μm，置入外径375μm，内径25、50、75或100μm的石英毛细管，作为被动阀。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片利用芯片在离心机的微电机旋转下做圆周运动时所产生的离心力作为微流体的驱动力，完成分析样品的混合、分离和沉淀。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片选择的离心转速是根据毛细管被动阀的突破频率来设定。首先设定离心转速小于毛细管被动阀的突破频率，多余的样品通过溢流阀导入废液池，达到样品定量效果；随后调节离心转速大于毛细管被动阀的突破频率，定量的样品通过毛细管进入到分液区，血液中的红细胞首先进入并填充分液区，分液区的容积略微大于红细胞在定量全血中的体积，因此红细胞会全部留在分液区，而血清进入到旁路的血清区，最终达到分离全血血清的目的。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片进行血液定量操作时的离心转速为150～450转/分，血液分离通过毛细管的离心转速为700～1000转/分。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片的定量区、分流池、血清区的容量比为5∶3∶2。
本发明中，离心式微流控血清分离芯片通过改变芯片旋转速度和设计不同的微通道和微结构来调节和控制微流体的流速，适合不同全血样品的血清分离。
本发明提出的离心式微流控血清分离芯片通过控制离心机的转速和石英毛细管的突破频率特性来开启和关闭被动阀，无须对芯片表面进行亲水或疏水处理，结构简单紧凑，易与检测器连接与集成，在同一芯片上实现血清分离与检测，降低了血样交叉污染几率。血液样本用量少，无需稀释和预处理，血清分离速度快。芯片使用未涂层的空白圆片状芯片基材制作，芯片基材来源广泛，成本低廉，为全血血清分离提供很好的平台，也为临床诊断提供方便、快捷、有效的分析工具。
附图说明
图1是离心式微流控血清分离芯片的布局示意图。
图2是离心式微流控血清分离芯片表面的微结构和微通道示意图，图中：1、微量进样区，2、定量区，3、废液池，4、石英毛细管被动阀，5、分流池，6、血清区，7，8，9、通气口。
具体实施方案
实施例1
通过数控CNC微加工***制备聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片，厚度3mm，直径120mm，中间打出孔径为20mm的中心孔。用计算机辅助设计绘图软件(CAD)设计离心式微流控血清分离芯片的微结构和微通道图形，然后通过数控CNC微加工***在PMMA芯片基材表面铣刻制备出各种微通道、微槽、微孔、微池、微区，形成芯片的微结构和微通道***，包括微量进样区、定量区、废液池、石英毛细管沟槽、分流池、血清区、通气口以及微流体流动通道。将刻有微结构和微通道的PMMA芯片和空白PMMA芯片，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗后，自然晾干。将外径375微米、内径为25微米的石英毛细管放入石英毛细管沟槽中，用环氧胶固定及密封。将刻有微结构和微通道的PMMA芯片和空白PMMA芯片对齐、压紧后，放入真空热压机里进行热键合，主要键合参数设定为：键合压力2.5MPa，温度88℃，时间180秒。将热键合好的PMMA芯片放入离心机圆形托盘的卡槽中，夹紧固定后，在每个进样区加入约7微升全血血样，初始离心速度450转/分，分离15秒后，得到5微升血样，转速增至1000转/分，分离10秒后，得到2微升血清样品。
实施例2
通过数控CNC微加工***制备聚碳酸酯(PC)芯片，厚度5mm，直径120mm，中间打出孔径为30mm的中心孔。用计算机辅助设计绘图软件(CAD)设计离心式微流控血清分离芯片图形，然后通过数控微加工***在PC芯片基材表面铣刻制备出各种微通道、微槽、微孔、微池、微区，形成芯片的微结构和微通道***，包括微量进样区、定量区、废液池、石英毛细管沟槽、分流池、血清区、通气口以及微流体流动通道。将刻有微结构和微通道的PC芯片和空白PC芯片，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗后，自然晾干。将外径375微米、内径为100微米的石英毛细管放入石英毛细管沟槽中，用环氧胶固定及密封。将刻有微结构和微通道的PC芯片和空白PC芯片对齐、压紧，放入真空热压机里进行热键合，主要键合参数设定为：键合压力0.5MPa，温度140℃，时间120秒。将热键合好的PC芯片放入离心机托盘中，利用螺丝-螺母固定，在每个进样区加入约12微升血样，初始离心速度150转/分，分离15秒后，得到10微升血样，转速增至700转/分，分离20秒后，得到4微升血清样品。

Claims (10)

1.一种离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于该离心式微流控血清分离芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现血清分离。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状的离心式微流控芯片。圆片状离心式微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和另一空白芯片通过热压法贴合而成。离心式微流控血清分离芯片的微结构和微通道包括微量进样区、定量区、废液池、石英毛细管沟槽、分流池、血清区、通气口以及微流体流动通道，在离心力的驱动下实现微升级血液中血清与红细胞的分离操作，获得分析检测用的血清。
2.按权利要求1所述的一种离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征步骤依次如下：
1)用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控血清分离芯片的微结构和微通道图形；
2)通过微加工技术在圆片状微流控芯片基材表面加工制备微结构和微通道，包括微区、微槽、微池、微孔和微通道；
3)用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片后，自然晾干；
4)将石英毛细管放入刻好的石英毛细管沟槽内，用环氧胶固定及密封，制成被动阀；
5)将刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片对齐、压紧、热封合，制成离心式微流控血清分离芯片；
6)将一滴微升级别的全血样品滴入芯片微量进样区，启动离心机，最后获得微升级的血清样品。
3.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片是圆片状的，可在表面灵活制备微结构和微通道，易与检测器连接，也可成批量生产，多次重复利用。
4.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片的分离原理是微升级血液在离心力的驱动下进行血清分离操作。
5.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片对血样微流体的限流、切换和定量控制是通过溢流阀和被动阀的协同作用来完成。溢流阀为微通道结构，连接在定量区和废液池之间，被动阀由石英毛细管构成。
6.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片的基材表面不需要做亲水或疏水改性，全血也无需做血清分离前的任何预处理。
7.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片是通过设计芯片表面不同的微通道和微结构以及改变芯片旋转速度来调节和控制血样微流体的流速，可进行不同全血样品的血清分离。
8.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片可在一块芯片上制作多组微结构和微通道，可提高单位时间的平行血清分离能力。
9.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于，这种离心式微流控血清分离芯片的全血样品用量小，分离速度快，可实现微升级血清的快速分离制取。
10.按权利要求1或2所述的离心式微流控血清分离芯片及其制备方法，其特征在于这种血清分离芯片克服了传统血清离心机的结构复杂笨重、样品需求量大、不利于微型分析***的集成化等缺点，易与检测器连接与集成，使血清的分离和检测过程可在同一芯片上完成，避免了血清的转移，降低了血样交叉污染几率，很好地满足微全分析***发展的需要，在生物医学、临床诊断、卫生检疫等领域具有广泛的应用前景。
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