CN103675306B - 用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和*** - Google Patents

用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和*** Download PDF

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本发明公开了一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和***,该自动化分析仪器包括仪器框架及固定在所述仪器框架上的机械运动模块、液体移取模块和检测模块;所述机械运动模块包括三维机械臂和固定在所述三维机械臂上的金属工作管,所述三维机械臂的运动带动所述金属工作管移动用于吸头的装配和卡掉;所述液体移取模块连通所述金属工作管用于液体的吸取和注入;所述检测模块用于微流控免疫检测芯片上化学发光信号的读取和传输。该仪器连接计算机构成***,全面实现了样品前处理、目标蛋白分离纯化、样品和试剂注入与吸出、芯片清洗、信号采集和分析处理的有机整合,使微流控技术自动化、微型化、更准确及更简便。

Description

用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和***
技术领域
本发明涉及微流控芯片分析***技术领域,尤其涉及一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和***。
背景技术
微流控免疫分析方法是近些年新发展起来的一项技术,该方法以分析化学为主,结合生物化学、物理化学和免疫学等相关学科的成果,在微米级结构中操控纳升至皮升体积流体,进行免疫反应检测,具有体积小、比表面积大、反应时间短、分析速度快、试剂和样品用量少及多样品多指标同时检测等优点。对临床疾病蛋白质组学研究中有关疾病标志物的发现及疾病早期诊断具有重要实用价值。常规的免疫分析需要比较长的分析时间,液体处理过程也比较麻烦,通量比较小(每次只能检测一个或者几个样品),而且需要比较多的抗体试剂。而微流控分析芯片则可以有效地克服这些缺点。例如,在分析样本量非常少的样品时,微流控技术表现出极强的优势,通常需要样品量为几毫升的实验在采用微流控技术后,仅需要几微升的样品量,大大节省了样本和试剂的消耗量。而且,微流控分析技术与免疫分析的结合,还可以在一定程度上克服传统免疫分析的其它缺点,因此,近几年来已引起研究者的广泛关注。微流控技术应用于免疫检测会极大地促进免疫检测技术的提高,具有广泛的应用前景和重要的应用价值。
但是,目前微流控免疫分析方法中,除了在芯片上能完成的步骤以外,其他操作(如样品前处理、引入、清洗以及信号的读出检测)大多需要手工来完成,步骤繁琐,既增加了工作量,也容易出现检测误差,无法方便地应用在实时实地的检测中,不便于微流控检测方法的广泛应用和推广。而且不能完全体现微流控这个本质上是高通量检测在这一点上面的优势。因此,有必要开发一种全自动微流控检测分析仪器,全面实现了样品前处理、目标蛋白分离纯化、样品和试剂注入与吸出、芯片清洗、信号采集和分析处理的有机整合,使微流控技术自动化、微型化、更准确及更简便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器和***,该***全面实现了样品前处理、目标蛋白分离纯化、样品和试剂注入与吸出、芯片清洗、信号采集和分析处理的有机整合,使微流控技术自动化、微型化、更准确及更简便。
为实现本发明的目的,提供以下技术方案:
一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器,包括仪器框架及固定在所述仪器框架上的机械运动模块、液体移取模块和检测模块;所述机械运动模块包括三维机械臂和固定在所述三维机械臂上的金属工作管,所述三维机械臂的运动带动所述金属工作管移动用于吸头的装配和卡掉;所述液体移取模块连通所述金属工作管用于液体的吸取和注入;所述检测模块用于微流控免疫检测芯片上化学发光信号的读取和传输。
优选地,所述机械运动模块还包括工作平台,所述工作平台上设置芯片槽、试剂槽和吸头槽,所述芯片槽用于放置微流控免疫检测芯片,所述试剂槽用于放置试剂瓶,所述吸头槽用于放置吸头供金属工作管装配使用。
优选地,所述芯片槽、试剂槽和吸头槽依次并排设置,并在所述吸头槽后面设置废液槽。
优选地,所述废液槽的边沿设置吸头卡槽,供金属工作管上吸头的卡掉。
优选地,所述液体移取模块包括步进电机及所述步进电机控制的注射泵及导管,所述注射泵通过导管连通所述金属工作管。
优选地,所述检测模块是CCD相机,所述CCD相机固定在所述三维机械臂,随所述三维机械臂的运动而移动。
优选地,所述三维机械臂由X、Y和Z轴方向上的三套伺服电机、丝杠和导轨构成。
优选地,所述仪器框架为光密闭结构。
优选地,所述仪器框架主要由金属框架和金属板构成。
优选地,所述CCD相机连接计算机,所述计算机接收并处理所述CCD相机传输的化学发光信号。
一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***,包括如上所述的自动化分析仪器及其连接的计算机。
本发明的有益效果为:本发明的用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器,包括仪器框架及固定在所述仪器框架上的机械运动模块、液体移取模块和检测模块;所述机械运动模块包括三维机械臂和固定在所述三维机械臂上的金属工作管,所述三维机械臂的运动带动所述金属工作管移动用于吸头的装配和卡掉;所述液体移取模块连通所述金属工作管用于液体的吸取和注入;所述检测模块用于微流控免疫检测芯片上化学发光信号的读取和传输。上述自动化分析仪器连接计算机构成自动化分析***,可以对微流控免疫检测芯片进行微流控管道进样口的对准、试剂的位置固定、液体的吸取和打出、化学发光信号的读出和分析功能,全面实现了样品前处理、目标蛋白分离纯化、样品和试剂注入与吸出、芯片清洗、信号采集和分析处理的有机整合,使微流控技术自动化、微型化、更准确及更简便。使用该自动化分析***能够实现高通量检测,操作简单,工作量小。
附图说明
图1为本发明的用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器主要结构俯视图,其中,1表示三维机械臂,2表示金属工作管,3表示工作平台,4表示CCD相机,31表示芯片槽,32表示试剂槽,33表示吸头槽,34表示废液槽,35表示吸头卡槽。
图2为本发明的用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器主要结构侧视图,其中,1表示三维机械臂,2表示金属工作管,3表示工作平台,4表示CCD相机,35表示吸头卡槽。
图3为本发明的用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***读取的结果照片,其中白色方块表示化学发光信号,白色方块越亮表示化学发光信号越强。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明的实施方案进行详细描述。本领域技术人员将会理解,以下实施方式仅为本发明的优选实施方式,以便于更好地理解本发明,因而不应视为限定本发明的范围。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
请参考图1和图2,用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***,主要由仪器框架、机械运动模块、液体移取模块、检测模块和计算机(图中未示出)组合而成。其中,仪器框架用于仪器各个组件位置的固定;机械运动模块用于金属工作管的位置的三维移动,以及金属工作管上吸头的装配和卡掉;液体移取模块用于微量液体的吸取和注入;检测模块用于微流控芯片上化学发光信号的读取,并将图像信息传输给计算机。实现了机械运动模块、液体移取模块、检测模块和计算机的有效集成,该***满足在微流控芯片进行免疫检测的要求,是一种新型的全自动微流控芯片分析***。
下面结合图1和图2对该自动化分析***的各个组件进行详细的描述。
仪器框架主要由金属框架和金属板构成。由于微流控芯片的化学发光信号检测中需要避光,该仪器框架设计为光密闭结构,在仪器的前侧设计有可打开的门结构(图中未示出)用于芯片及试剂的取放,***的主体结构机械运动模块固定于该仪器框架上。
机械运动模块主要包括三维机械臂1、金属工作管2和工作平台3。三维机械臂1由X、Y和Z轴方向上的三套伺服电机、丝杠和导轨(图中未示出)构成。金属工作管2的底端结构根据吸头顶端结构设计,可以与吸头紧密吻合,金属工作管2的顶端与注射泵和导管密封连接,达到液体管路的气密性要求。工作平台3上设置芯片槽31、试剂槽32、吸头槽33和废液槽34,所述芯片槽31用于放置微流控免疫检测芯片,所述试剂槽32用于放置试剂瓶,所述吸头槽33用于放置吸头供金属工作管装配使用,所述废液槽34用于盛装***废液。所述废液槽34的边沿设置吸头卡槽35,根据吸头顶端直径设计,供金属工作管2上吸头的卡掉。
液体移取模块由步进电机控制的注射泵和导管构成,所述注射泵通过导管连通所述金属工作管2,能够完成3-100μL液体的精确吸取和注入。
检测模块是CCD(Charge-coupledDevice,电荷耦合元件)相机4,也可以称为CCD图像传感器,是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号,完成微流控芯片上化学发光信号的成像并传输给计算机。此外,任何用于微流控芯片上化学发光信号的读取,并将图像信息传输给计算机的相机均可作为本发明的检测模块。
该用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***的工作原理和过程是:将微流控芯片置于芯片槽31,试验中使用的试剂置于试剂槽32,吸头置于吸头槽33中备用,启动仪器,编写相关程序后执行命令。在程序控制下,三维机械臂1将金属工作管2移动到吸头正上方位置后,Z轴向下运动,与吸头紧密对接,通过三维机械臂1的运动将金属工作管2移动到试剂瓶正上方,Z轴向下运动,将金属工作管2底端上的吸头浸入试剂瓶的液面以下,通过注射泵吸取定量液体后,移动到微流控芯片进样口的正上方,Z轴向下运动,实现吸头与微流控芯片进样口的紧密对接,通过注射泵向微流控芯片注入定量液体,此过程即为一次液体吸取及注入动作,通过该过程的有序重复,可以实现微流控芯片免疫检测的全部液体操作工作。微流控芯片设计有废液池,能够有效收集和储存废液。免疫检测反应结束后,三维机械臂1将CCD相机4移动到芯片反应区正上方,CCD相机4将芯片上的化学发光信号转变为电学信号,进而传输给计算机进行数据处理和分析。
经过测试,该***具有较高的三轴移动精密度,能够实现吸头与微流控芯片进样口的精确对接,以及金属工作管2与吸头的对接,移动精度为0.01mm;该***具有较高液体控制精密度,能够实现3μL-100μL液体的精确吸取和注入,移液精度的误差为±5%;该***具有较高检测灵敏度,能够实现对微流控芯片上化学发光信号的高效读取,曝光时间可以达到50min以上;该***具有较高的自动化控制能力,编写程序后,只需一键,就可以实现全部免疫检测试验的操作;该***的结构简单紧凑,体积小,便于使用。
该***还具有以下特点:采用吸头完成液体移取动作,避免相互污染,省去清洗步骤;采用高精度伺服电机,有效控制金属工作杆的三维位置;采用高精度CCD相机成像,高校捕获微流控芯片上的化学发光信号;设计合理,实现了机械运动模块、液体移取模块和检测模块的优化整合,实现了***的集成化,体积较小,便于检测操作;全自动化设计,操作简便,实现了微流控芯片免疫检测试验的自动操作,只需一键,即完成整个操作过程。
使用本发明的用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***检测微流控免疫检测芯片反应后的化学发光信号。具体地,在微流控免疫检测芯片的1、2方向上预先固定甲胎蛋白(AFP)包被抗体,在A、B、C和D四个微流控管道内依次通入封闭液(小牛血清白蛋白等)、AFP溶液、清洗液(磷酸盐缓冲液等)、AFP检测抗体、清洗液和化学发光液(过氧化氢和鲁米诺等),其中A、B、C和D管内加入的AFP溶液的浓度依次为200ng/mL、100ng/mL、50ng/mL和25ng/mL。读取的结果照片(图3)显示:AFP溶液浓度越高,化学发光信号越强,白色方块越亮。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细特征以及详细方法,但本发明并不局限于上述详细特征以及详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细特征以及详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明选用组分的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析仪器,其特征在于,包括仪器框架及固定在所述仪器框架上的机械运动模块、液体移取模块和检测模块;所述机械运动模块包括三维机械臂和固定在所述三维机械臂上的金属工作管,所述三维机械臂的运动带动所述金属工作管移动用于吸头的装配和卡掉;所述液体移取模块连通所述金属工作管用于液体的吸取和注入;所述检测模块用于微流控免疫检测芯片上化学发光信号的读取和传输;
其中,所述机械运动模块还包括工作平台,所述工作平台上设置芯片槽、试剂槽和吸头槽,所述芯片槽用于放置微流控免疫检测芯片,所述试剂槽用于放置试剂瓶,所述吸头槽用于放置吸头供金属工作管装配使用;
所述液体移取模块包括步进电机及所述步进电机控制的注射泵及导管,所述注射泵通过导管连通所述金属工作管;
所述三维机械臂由X、Y和Z轴方向上的三套伺服电机、丝杠和导轨构成;
所述芯片槽、试剂槽和吸头槽依次并排设置,并在所述吸头槽后面设置废液槽;所述废液槽的边沿设置吸头卡槽,供金属工作管上吸头的卡掉;
所述液体移取模块能够完成3-100μL液体的精确吸取和注入;所述自动化分析仪器的三轴移动精密度为0.01mm。
2.根据权利要求1所述的自动化分析仪器,其特征在于,所述检测模块是CCD相机,所述CCD相机固定在所述三维机械臂,随所述三维机械臂的运动而移动。
3.根据权利要求1所述的自动化分析仪器,其特征在于,所述仪器框架为光密闭结构。
4.根据权利要求1所述的自动化分析仪器,其特征在于,所述仪器框架主要由金属框架和金属板构成。
5.根据权利要求2所述的自动化分析仪器,其特征在于,所述CCD相机连接计算机,所述计算机接收并处理所述CCD相机传输的化学发光信号。
6.一种用于微流控免疫检测芯片的自动化分析***,包括如权利要求1-5任一项所述的自动化分析仪器及其连接的计算机。
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