CN108535239B - 基于微液滴的微流控芯片和检测*** - Google Patents

基于微液滴的微流控芯片和检测*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于生物样品检测的基于微液滴的微流体控制***。具体地，本发明提供了一种微流控芯片，所述微流控芯片包括微流体流通通道、反应微液滴生成模块、清洗微液滴生成模块、剪切微液滴生成模块、捕获‑清洗‑剪切模块、信号读取检测模块、液滴队列控制模块,可选地包括孵育控制模块以及废液收集模块。

Description

基于微液滴的微流控芯片和检测***
技术领域
本发明属于生物技术、临床体外检测技术领域，尤其涉及一种基于微液滴的微流控芯片和检测***。
背景技术
体外诊断(In Vitro Diagnosis，IVD)是指在人体之外，通过对人体样本(血液、体液、组织等)进行检测而获取临床诊断信息，进而判断疾病或机体功能的产品和服务。现有技术中用于生物检测诊断的传统方法有很多，例如生化检测方法，分子检测分析方法，免疫印迹法、化学发光免疫检测法、酶联免疫法(ELISA法)等。但这些检测方法需要比较长的分析时间，液体处理过程比较麻烦，通量比较小，准确度不足。
近来微流控***作为一种能够集合多种功能模块的平台已被广泛应用于生物和化学领域，被誉为“影响人类未来的15件最重要的发明之一”。相对于传统的生物检测诊断方法，基于微流控***的方法具有明显的几个优点，包括可集合各种功能性部件，昂贵的生物试剂消耗量少，可避免样本交叉污染，分析时间较短等。
目前已有一些采用微流控技术的免疫检测平台。然而，目前基于微流控平台的免疫检测诊断方法或***仍存在一些明显的缺点。例如，将抗体预先包埋在固相载体的某处通道或者腔室中，反应为非均相反应，并因此无法有效而准确地确定抗原抗体是否充分反应；所需样本量虽然相比传统方法略有减少但所需量仍然比较多；绝大多数的微流控芯片为一次性产品，不能重复使用或重复使用成本很高，且一次性微流控芯片制造成本也较高。
此外，也有一些基于液滴的微流控高通量生物分析平台发表。其中采用液滴微流控技术的免疫检测平台代表性的有：基于纳米均相时间分辨荧光免疫与液滴微流控技术检测生物大分子的方法、基于新颖传感器(如胶囊封装的传感器)的高通量液滴微流控***或方法、检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控***及方法等。然而，这些***尚难以令人满意，还存在不同的缺点，例如：有的微流控芯片能够进行高通量检测，但是结构复杂、成本高、且灵敏度较低；有的采用非均相反应，因此样品需要量大且重复性较低；且绝大多数上述微流控芯片是一次性使用的，不利于推广。
综上所述，本领域迫切需要开发一种同时具有高通量、高准确度、高灵敏度、低成本等优点且可重复使用的基于微液滴的微流控芯片和检测***。
发明内容
本发明的目的就是提供一种同时具有高通量、高准确度、高灵敏度等优点且可重复使用的基于微液滴的微流控芯片和检测***。
在本发明的第一方面，提供了一种微流控芯片包括：
(a)微流体流通通道，所述的微流体流通通道用于供连续相以及连续相中所携带的微液滴流动；
(b)反应微液滴生成模块，所述的反应微液滴生成模块用于生成进行反应的微液滴，所述的反应微液滴含有：待检测样本、与所述待检测样本进行反应的反应试剂，其中所述待检测样本中的待检测物质与反应试剂反应后形成携带可检测标记物的检测产物；
(c)清洗微液滴生成模块，所述的清洗微液滴生成模块用于生成进行清洗的清洗液微液滴；
(d)剪切微液滴生成模块，所述的剪切微液滴生成模块用于生成进行剪切的剪切液微液滴；
(e)捕获-清洗-剪切模块，也称为萃取模块，所述捕获-清洗-剪切模块用于从经孵育后的反应微液滴中进行捕获所述携带可检测标记物的检测产物，并且用所述的清洗液微液滴对被捕获的所述携带可检测标记物的检测产物进行清洗；以及用所述的剪切微液滴对经清洗后的携带可检测标记物的检测产物进行剪切，从而生成供检测的微液滴；
(f)信号读取检测模块，所述信号读取检测模块用于对所述供检测的微液滴进行信号读取；和
(g)液滴队列控制模块，所述的液滴队列控制模块与清洗微液滴生成模块和剪切微液滴生成模块相连接，并且用于当反应微液滴移动到预定位置后，控制所述清洗微液滴生成模块和所述剪切微液滴生成模块的工作，从而在所述微流体流通通道中在液体流动方向形成“反应微液滴-清洗微液滴-剪切微液滴”的微液滴队列，其中反应微液滴位于流动的最前方。
在另一优选例中，所述的微流体流通通道为毛细通道。
在另一优选例中，所述的微流体流通通道为深度是10到1000μm，和/或宽度是10μm到1000μm的微通道；优选的，所述的微流体流通通道为深度是50μm，和/或宽度是100μm的微通道。
在另一优选例中，所述的微流体流通通道选自：直通道，环形通道，折形通道、回形通道、腔体或其组合通道。
在另一优选例中，所述反应微液滴生成模块还包括液滴计数标识子模块，所述液滴计数标识子模块用于对反应微液滴进行计数并编号。
在另一优选例中，所述反应微液滴生成模块还包括微液滴融合子模块，在所述的反应微液滴生成模块中先生成样本微液滴及分别、同时、或依次生成反应试剂微液滴，再通过所述的微液滴融合子模块，使反应试剂微液滴与样本微液滴融合成为所述的反应微液滴。
在另一优选例中，所述反应微液滴生成模块还包括阀门组件，所述的阀门组件用于控制所述反应试剂微液滴与所述样本微液滴的生成或者用于控制所述的反应微液滴的生成。
在另一优选例中，所述的分散相进样子模块包括一分散相进样口，一废液出口及两个阀门；所述的分散相进样口用于添加样本，所述的阀门及废液出口用于分散相进样模块的快速清洗，所述的废液出口与废液收集模块相连接。
在另一优选例中，所述的分散相进样口能与样品针贴合密闭，使在添加样品的同时保证足够正压。
在另一优选例中，所述的反应微液滴生成模块、清洗微液滴生成模块和剪切微液滴生成模块，具有T型接口结构、流动共聚焦结构、十字型液滴生成结构、共轴流动结构或其组合,所述的结构用于生成微液滴；优选地，采用T型液滴生成结构、十字型液滴生成结构或其组合。
在另一优选例中，所述的信号选自：化学发光信号、荧光基团受激发所发射的光信号、量子点微球受光激发所发射的可见光信号、吸光度变化信号、磁场强度信号或其组合。
在另一优选例中，所述的清洗微液滴为一个或多个。
在另一优选例中，所述的反应液滴为一个或多个。
在另一优选例中，所述的剪切液滴为一个。
在另一优选例中，所述的微流体流通通道包括以下各段：连续相进样段、检测样品进样段、反应试剂添加段、孵育反应段、清洗微液滴添加段、剪切微液滴添加段、捕获-清洗-剪切处理段、信号检测段，以及任选的废液通道段。
在另一优选例中，所述的捕获-清洗-剪切模块还包括磁场区，所述的磁场区为可控制开启关闭的磁场区。
在另一优选例中，所述的磁场区设有可移动的永久磁铁或者电磁体，所述的磁场区的磁场由可移动的永久磁铁或者电磁体产生。
在另一优选例中，所述的清洗微液滴生成模块和所述的剪切微液滴生成模块还包括：控制阀门组件，所述的控制阀门组件由液滴队列控制模块控制。
在另一优选例中，所述的控制阀门组件选自：电磁阀门、石蜡阀门、石蜡热熔阀门、磁铁移动阀门、气动阀门、隔膜阀门、疏水阀门、机械阀门或其组合；优选地，所述的控制阀门组件为电磁阀门。
在另一优选例中，所述的驱动力组件为压力驱动组件。
在另一优选例中，所述的微流控芯片还包括：(i)孵育控制模块，所述的孵育控制模块用于控制孵育段的微流体流通通道的孵育参数。
在另一优选例中，所述的微流控芯片还包括：(j)废液收集模块，所述废液收集模块用于收集在检测过程中产生的废液。
在另一优选例中，所述信号读取检测模块还包括后处理子模块，在所述的后处理子模块中向供检测的微液滴中添加用于产生检测信号的物质。
在另一优选例中，所述后处理子模块还设有用于识别供检测的微液滴是否为有效液滴的传感器，并在所述的后处理子模块中向有效的供检测的微液滴中添加用于产生检测信号的物质。
在另一优选例中，所述的微流控芯片的材料选自玻璃基底材料、玻璃、硅基材料、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸塑料、环烯烃共聚物类材料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯系塑料或其组合；优选地，为玻璃基底材料。
本发明的第二方面提供了一种基于微流控芯片的检测方法，所述的方法包括下述步骤：
a.加入流动相，并使所述流动相充满微流体流通通道；
b.对试剂进行预处理；
c.准备要检测的生物样本，所述的样本含有待检测的目标物质；
d.加入样本及经预处理的试剂，并通过所述反应微液滴生成模块生成样本微液滴及试剂微液滴，并在所述反应微液滴生成模块内融合成反应微液滴；或将样品及经预处理的试剂预先混合成为反应液体，并加入所述的反应液体通过所述反应微液滴生成模块生成反应微液滴；
e.在液滴队列控制模块的控制下，清洗微液滴生成模块，生成清洗微液滴；
f.在液滴队列控制模块的控制下，剪切微液滴生成模块，生成剪切微液滴；
g.步骤e、步骤f生成的微液滴以及反应微液滴形成微液滴队列；
h.所述的微液滴队列进入捕获-清洗-剪切模块，并形成供检测的微液滴；
i.供检测的微液滴通过信号读取检测模块，所述读取检测模块检测并读取信号。
在另一优选例中，所述的试剂为可以与样本中目标物质反应的试剂。
在另一优选例中，所述的试剂为可以结合磁珠或产生可检测信号的试剂。
在另一优选例中，所述的目标物质选自：蛋白质、核酸、脂质体、肽段、核苷酸、氨基酸、病毒、细菌、寄生虫、细胞；优选地为肽段或蛋白质类物质。
在另一优选例中，所述的样本选自：人或者其他动物的血液、血浆、血清、组织液、淋巴液、尿液或培养微生物/细胞的培养液。
在另一优选例中，对所述的生物样本进行预处理。
在另一优选例中，步骤d后，用微流控芯片清洗剂对进样口进行清洗，清洗剂的废液进入废液收集模块，重复进行步骤d，生成多个具有不同样本的反应微液滴。
在另一优选例中，步骤d后，所述微流控芯片清洗剂选自缓冲体系、表面活性剂、蛋白质或其组合；优选地，缓冲体系选自：磷酸盐体系、醋酸盐体系、硼酸盐体系或Tris-HCl体系，和/或表面活性剂选自：PEG,PVP,吐温20，吐温80、曲拉通X100或其组合，和/或蛋白质选自血清白蛋白、酪蛋白或其组合。
在另一优选例中，步骤d中生成的，所述的反应微液滴在孵育反应段充分反应/均匀混合。
在另一优选例中，所述的孵育反应段的条件由所述的孵育控制模块控制。
在另一优选例中，所述的孵育反应段的条件为温度条件。
在另一优选例中，在单次检测中，生成1-3个清洗微液滴。
在另一优选例中，在单次检测中，生成1个剪切微液滴。
在另一优选例中，当液滴队列进入所述捕获-清洗-剪切模块时，磁场开启，反应微液滴中含磁珠的样本被磁场捕获，随后清洗微液滴清洗被捕获的样本，随后剪切液滴剪切下可检测标记物，并形成所述供检测的微液滴。
在另一优选例中，使用后的所述清洗微液滴和不含样本的反应微液滴，通过废液通道进入废液模块。
在另一优选例中，磁场关闭废弃的磁珠随连续相进入废液模块。
在另一优选例中，步骤i中还有供检测的微液滴后处理步骤，向所述供检测的微液滴中加入产生检测信号的物质。
在另一优选例中，所述激发检测信号的物质为化学发光激发底物。
在另一优选例中，已读取信号的微液滴进入通过废液通道进入废液处理模块。
在另一优选例中，步骤b中，所述对试剂的预处理为包被或偶联磁珠。
在另一优选例中，步骤b中，所述的磁珠为铁、钴、镍的化合物；优选为三氧化二铁或者四氧化三铁化合物；
在另一优选例中，步骤b中，所述的磁珠为超顺磁颗粒。
在另一优选例中，步骤b中，其中磁珠的尺寸为0.01-10μm，更优选地1-2.8μm。
在另一优选例中，所述的样本微液滴与试剂微液滴的体积比为1:0.5到1:2。
在另一优选例中，所述的方法为基于双抗体夹心法，或竞争性结合法的检测方法。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1显示了本发明一个实施例中的微流控芯片的结构示意图。其中，各标识如下：
1-连续相进样口，2-控制阀门a，3-流动管道，4-废液口，5-控制阀门b，6-分散相进样口，7-控制阀门c，8-液滴产生口，9-传感器A，10-传感器B，11-试剂融合口，12-试剂融合进样口1，13-试剂融合进样口2，14-控制阀门d，15-第一孵育管道，16-第一液滴处理液进样口(或前处理液进样口)，17-控制阀门e，18-第一柱形结构区，19-磁场区，20-传感器C，21-传感器D，22-液滴处理液融合口，23-控制阀门f，24-第二液滴处理液进样口(或后处理液进样口)，25-第二孵育管道，26-第二柱形结构区，27-传感器E，28-出样口。
图2显示了一个实施例中的分散相进样口的剖面示意图。
图3显示了本发明微流控芯片的工作流程图。
图4显示了在本发明一个实施例的微流控芯片中，微液滴的在各阶段的活动示意图。其中，A-液滴生成阶段，B-试剂融合阶段，C-混匀孵育阶段，D-液滴萃取阶段，E-液滴剪切阶段。在C中，显示了三种不同的代表性反应：C1-液滴内基于抗原抗体反应的混匀孵育阶段，C2-液滴内基于环介导等温扩增反应，C3-液滴内BCA法测定总蛋白浓度的混匀孵育阶段。
图5显示了在本发明一个实施例中萃取过程微液滴的状态示意图。
图6显示了在本发明一个实施例中萃取的实验结果。
图7显示了在本发明不同萃取次数下检测到的光信号的灰度值的柱状图。
图8显示了不同萃取次数的标准曲线。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，设计了一种模块集成度高基于微液滴的微流控芯片，以及其控制***和装置和方法。通过该设计可以实现对液滴的精确控制并实现在单一芯片上完成各种所需过程。在此基础上，完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“本发明微流控芯片”、“本发明的基于微液滴的微流控芯片”、或“本发明芯片”可互换使用，指本发明的微流控芯片。
如本文所用，术语“液滴微流控芯片”指基于液滴微流控技术的芯片(或***)，其中利用互不相溶的两相流，在流体剪切力和界面张力的作用下，其中一相分散在另一相中，形成一系列单分散的液滴，而每个液滴包含特定的生化反应。相较于连续流体的微流控***，基于液滴的微流控***可以以高至千赫兹的频率产生含有纳升至皮升体积的液滴，每一个液滴都可以作为一个微反应器，为实现高通量提供了明确的方案，并且能够在短时间内实现对单个液滴的独立操作，包括液滴的生成、融合、孵育、聚集、***、分选、提取和分析。液滴的生成依靠两相的剪切力和表面张力共同作用。
如本文所用，术语“液滴的融合”是指将两个或者两个以上的液滴融合为一体，可以进行不同组分液滴之间的混合反应。
如本文所用，术语“液滴的***”是指将一个液滴***为两个或者两个以上的液滴，实现在液滴生成以后进一步调控液滴体积以及液滴内内含物的浓度。
如本文所用，术语“液滴的孵育”是指在一定时间内使液滴内的内含物混合均匀。
如本文所用，术语“连续相”是指载体液体，例如，在本文的实施例中为油相，但并不限于油相。
如本文所用，术语“分散相”是指包括检测样品，反应试剂、清洗液或剪切液等的液体，该液体在所述连续相中可以生产微液滴，例如，在本文的实施例中为水溶性液体，但并不限于水溶性液体。其中，连续相根据分散相的性质选择，连续相与分散相互不相溶。
如本文所用，术语“微液滴队列”，仅代表经过微液滴经过预定位置的顺序，“微液滴队列”中的微液滴可以同时在微通道中存在，并依次流经预定位置；或者，先后生成微液滴，并依次流经预定位置。
微流控芯片
本发明提供一种微流控芯片，本发明的微流控芯片的功能集成度高，可以自动实现包括生成、融合、萃取、孵育、***、信号检测等一系列功能。
本发明的微流控芯片各个模块的数量及顺序没有特别限制，可以根据检测的具体情况进行调整。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片采用了一种优化的阀门结构，在所述阀门的控制下，可精确控制液滴。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片配有动力源，所述动力源用于使各个微液滴(分散相)及连续相向所需方向移动，其中，所述的动力源可以提供正向驱动力或者反向驱动力；所述动力源可以为领域常见的各种动力来源，例如，但不限于，通过离心力驱动、电润湿驱动、压力驱动获得动力；优选为压力驱动获得(所述压力选自：电解压力、压缩气体压力、直接气压差)。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片的信号读取检测模块的读取内容包括但不限于：化学发光信号、荧光基团受激发所发射的光信号、量子点微球受光激发所发射的可见光信号等。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片的信号读取检测模块可根据具体的检测方法确定，代表性的例子包括(但并不限于)：激光诱导多通道光谱相机、激光诱导多通道光谱传感器、光电倍增管或其组合。
在另一优选例中，在本发明芯片中多个位置设有传感器(例如各个微液滴生成模块，捕获-清洗-剪切模块进口处和出口处)；所述传感器可以对液滴进行计数并标记、确认液滴大小是否符合检验所需、计算液滴的通过频率(或速度)并反馈给控制***。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片可以通过总控制***(如，自编软件或商业软件等)实现各个模块的配合；所述的总控制***接收来自芯片中各个传感器获得的信号并处理生成控制信号，所述总控制***通过控制整个芯片的各个部分，如动力源和各阀门等，配合本发明芯片的液滴队列控制模块，实现对各种生物的检测。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片可以由领域内常见材料制成，这些材料包括(但并不限于)：玻璃、硅基材料、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸塑料、环烯烃共聚物类材料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯系塑料、橡胶、或其组合；可以选用这些材料本身，也可以选用经掺杂、修饰、改性的材料。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片微流体流通通道的形状可以是本领域各种常见的通道形状包括但不限于通道，环形通道，折形通道，回形通道或腔体；其中，腔体结构包括但不限于单层高度，双层高度或多层高度。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片微流体流通通道可以通过材料内部蚀刻形成也可以通过毛细管连接形成。
在另一优选例中，各个微液滴生成模块具有可以通过流体剪切作用力形成液滴结构,这些结构包括但不限于T型接口结构、十字型接口结构、流动共聚焦结构或共轴流动结构。
在另一优选例中，通过本发明微流控芯片的微液滴生成模块形成微液滴结构，生成的微液滴的直径约为1μm-1000μm，优选直径约为50-μm，在有必要时亦可以生产液体柱。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片，根据不同的目标物可以在芯片上实现不同的检测，包括但不限于基于核酸的检测方法(例如，PCR，PT-PCR，环介导等温扩增技术或者链置换)或基于蛋白特异性反应的检测方(例如，双抗体夹心法、竞争性免疫结合法等)。
在另一优选例中，本发明的微流控芯片适用于一次性使用，也适用于重复使用。
检测方法
本发明还提供了基于本发明微流控芯片的检测方法。
本发明方法中的一个突出特征是提供了一种高自动化的萃取操作。为了便于理解，以下结合附图进行描述。应理解，这些附图不以任何方式限定本发明的保护范围。
参见图3，本发明的微流控芯片的工作流程为进样、液滴产生、试剂融合、孵育、液滴前处理、液滴后处理、信号观察以及进入废液池。
参见图4，在本发明的芯片上，微液滴的生成如图4A所示，样本和连续相在外力驱动下沿微流体流通通道流动，在液滴生成接口处，样本在生成口处由分散相形成的剪切作用下形成微液滴。微液滴之间的融合过程如图4B所示，含样本的微液滴和试剂微液滴一对一融合。微液滴内部各种孵育反应如图4C所示。如图4D所示，含带磁珠的样本的微液滴，经过磁场区时带磁珠的物质保留在该区域。如图4E所示，剪切微液滴剪切下目标待检物的液滴(即经剪切反应后的剪切液)。
参见图5，其中以3个进行了相应反应的微液滴、1个清洗液液滴和1个剪切液液滴为例，描述了萃取过程，主要包括捕获、清洗和剪切。
以磁珠法为例，在芯片通道中，生成的样本液滴与添加的试剂生成的试剂液滴融合形成混合液滴即反应微液滴(即进行反应的微液滴)，混合液滴孵育完成后进入芯片萃取模块。
在混合液滴流过预定位置后，在精确的信号传递和操作控制下先后开启所需阀门，生成清洗液液滴和剪切液液滴，从而在微流体通道中形成微液滴、清洗液液滴和剪切液液滴(图5a)的队序。
在磁场作用下，当含有结合有抗原抗体以及荧光标记物的磁珠的液滴流过磁场区域，第一个混合液滴中的磁珠被吸引在芯片通道的侧壁上(图5b)，并与流动液滴分离(图5c，5d)。类似地，第二个和第三个混合液滴中的磁珠也被吸引在芯片通道的侧壁上(未示出)，并与流动液滴分离。
随着连续相(油相)在芯片通道中的流动，通过液滴***将混合液滴中的磁珠簇与其他液滴内容物分离，然后用含有清洗液的液滴依次洗涤磁珠簇，充分除去干扰残留物(图5e，5f)。
最后，剪切液液滴以同样的方式与磁珠簇接触融合，然后***，在该过程中剪切并带走用于信号检测的物质(图5g，5h)。之后，剪切后的剪切液液滴继续以液滴的状态向前流动进行信号检测，或者进入芯片后处理区域进行下一步操作(未示出)。磁珠簇在关闭磁场后，以废液滴的状态向前流入废液池中。(未示出)
在另一优选例中，原始生物样本或者经处理后的生物样本，通过样本进样口进入液滴微流控芯片内，通过阀门实现对样本流动的控制。连续相(例如油相)在连续相的进样口进入液滴微流控芯片内，通过阀门实现对连续相流动的控制。
在另一优选例中，所述的生物样本为生物液体样本，可以是人或者其他动物的血液、血浆、血清、组织液、淋巴液、尿液等，或者培养微生物或者细胞的培养液，或者其他比较珍贵或者稀少的环境样本。
在另一优选例中，所述的生物液体样本含有目标待检物，本发明方法可以对目标检测物进行定性、半定量或者定量检测。
其中可选的，目标待检物可以但不限于是蛋白质、核酸、脂质体、肽段、核苷酸、氨基酸、病毒、细菌、寄生虫、细胞以及其他一些单分子或者复合体等。
在另一优选例中，所述的生物样本经过预处理，所述预处理为生物检测中常规的预处理方法(例如，加入抗凝剂、加入裂解液、调整浓度等)。
在另一优选例中，所述的样本进样口在加完一个样后，可以加入芯片清洗剂，清洗样本进样口，并通过阀门控制或者驱动力控制，从相连的废液通道段排到废液模块中。
在另一优选例中，所述的供检测的微液滴在所述的信号检测段停留并被读取信号，或者所述的供检测的微液滴在所述的信号检测段中流动被读取信号。
在另一优选例中，微液滴在处于孵育阶段时，可以通过控制使微液滴停留在孵育反应段充分混合或反应；或者，微液滴在孵育反应段保持流动状态，充分混合或反应。
在另一优选例中，本发明方法可以通过关闭磁场，使流动相带走捕获-清洗-剪切处理段残留的磁珠，做好进行下一次萃取处理的准备。
在另一优选例中，可以控制孵育模块保持恒温(温度根据具体反应选择)。
在另一优选例中，本发明的方法可以通过电脑软件在整个测试过程实行监控和控制。
在另一优选例中，本发明方法单次检测的样本量体积为0.5-10μL，优选0.5-5μL。
在另一优选例中，本发明方法单个样本的单次检测时间为3-15min。
在另一优选例中，本发明方法可以同时对多个样品进检测。
基于微液滴的微流体控制芯片或方法
一种基于微液滴的微流体控制芯片或方法，所述微流体控制芯片包括流体进样模块、微液滴生成模块、试剂融合模块、孵育模块、微液滴处理模块、信号读取检测模块、废液池模块。但不限制于此类模块依次组合，也包括此类模块的混合使用和多路复用***。其特征在于，包括以下详细模块设计和步骤：
a)流体进样模块：生物原始液体样本或者经处理后的生物液体样本，通过分散相进入口进入液滴微流控芯片内，通过阀门实现对样本流动的控制。作为连续相用的油相在连续相的进样口进入液滴微流控芯片内，通过阀门实现对连续相流动的控制。
其中可选的，所述的分散相进入口处可以加入废液通道，废液通道可以排出残余样品。
并且可选的，从分散相进入口加入清洗液，对分散相进入口进行清洗，清洗液通过废液通道排出。并且可选的，可以使用阀门控制废液通道的打开或关闭。
所述分散相和连续相流动的动力源以及排出废液的动力源，是为液滴微流控芯片内流体提供向前的推力，使流体均匀的向前流动，避免因为不同流速导致的测试值差异。其中可选的，所述动力源可以但不限于是离心力驱动、电润湿驱动、压力驱动(电解压力、压缩气体压力、化学分解压力、直接气压差驱动)。其中可选的，所述动力源可以是正向驱动力，也可以是反向驱动力。
所述分散相和连续相还有排出废液的通道中的阀门，可以但不限于是石蜡阀门、石蜡热熔阀门、磁铁移动阀门、气动阀门、隔膜阀门、疏水阀门、机械阀门，可以是其中的一种或多种组合使用，或者不使用阀门直接使用动力控制。
b)微液滴生成模块：所述分散相和连续相液体通过通道连接在一起，通过流动的流体剪切作用力形成液滴，液滴形成的方式可以为所有可形成液滴的结构，优选的，包括T型接口、流动共聚焦、共轴流动结构。
c)试剂融合模块：在所述生物样品形成的液滴中加入可以与待检测的目标物结合的已经标记的物质，通过液滴融合、接触融合的方法实现试剂和样品液滴的融合。
其中可选的，所述试剂是指在液滴中加入的可以与目标待检物结合的标记物质，也可以是辅助待检物与标记物质结合的介质，或者是可以与待检物发生反应产生可检测信号的反应物，或者其他类似功能的试剂。
其中可选的，所述试剂与液滴的融合方式，可以通过芯片通道的结构、或者液滴产生的速度实现液滴的融合，或者通过液滴和试剂互相接触的方法进行试剂和液滴的融合，此处可以选择主动控制融合或者被动接触融合。
d)孵育模块：所述模块提供一个区域，可以使得液滴内溶液进行混匀或者反应充分，可以在液滴的流动中完成，也可以停止液滴的流动充分完成。
其中可选的，所述模块提供或者不提供恒温模块，辅助液滴内试剂的充分反应或者达到所述反应的反应条件。
并且可选的，所述模块可以提供一个或者多个恒温模块，用以辅助反应的进行。
e)液滴处理模块，通过本发明微流控芯片中的各模块(例如，捕获-清洗-剪切模块、液滴队列控制模块等)实现对经孵育的反应微液滴的萃取：所述液滴处理模块包括液滴处理室(例如，捕获-清洗-剪切处理段)和液滴清洗剂/处理剂的输入。该模块提供一个区域，可以对液滴内已经充分反应的目标检测物进行处理，使其在信号读取时更加准确、快速、高效。
在另一优选例中，可分为前处理及后处理，所述前处理即为萃取或捕获-清洗-剪切。
其中可选的，所述模块提供的液滴处理室可以通过通道的设计或者外加的驱动力实现液滴在该区域的控制，从而方便对液滴进行进一步处理。
并且可选的，通过通道的设计可以是双层结构控制液滴停留在液滴处理室，可以是设计柱状结构减慢液滴的运动速度，也可以使用其他设计来实现相同或相似功能。
并且可选的，可以通过外加驱动力实现对微液滴的运动的控制，所加驱动力可以是磁力或者其他可以行驶相同或相似功能的力。
其中可选的，所述模块中液滴清洗剂/处理剂的输入，可以对液滴进行处理。清洗剂的输入，可以实现对液滴内未反应的会影响信号读取的物质的清洗，去除杂质的影响。液滴处理剂可以实现其他以下需要的功能，比如磁珠和抗体之间的剪切等等。
其中可选的，在液滴处理室内可以提供辅助信号读取的步骤，比如均相免疫方法中的光激发处理，或者其他相同或者相似的步骤处理。
f)信号读取检测模块：所述模块是芯片内提供一块区域，在所述区域内对反应完成的液滴进行预处理，之后芯片外部的信号检测设备或仪器例如传感器或者传感器***读取芯片内所述区域内的反应目标检测物含量的指标，可以但不限于是光信号、荧光基团信号、量子点信号、荧光微球信号等。
其中可选的，所述传感器可以但不限于是显微镜、光纤等。
对内部反应完成的液滴的预处理是指用清洗液清除液滴内对反应目标检测物有干扰的其他物质，避免造成假阳或假阴信号。
g)废液池模块：所述模块用于收集在样品测定过程中产生的所有废液。
在另一优选例中，所述基于微液滴的微流体控制***或装置或方法中所有模块的运行状态均由电脑软件进行监控和控制。例如，控制芯片***中的阀门的开关；控制信号读取检测模块，对测量数据进行处理给出可视化信息。
其中可选的，电脑控制软件可以但不限于是商业控制软件和自主编程软件，可以是其中的一种或两种组合使用。
在另一优选例中，前述内容中所述的用于产生液滴的流体为生物原始液体样本，或者其他经过处理的生物原始液体样本。包含但不限于人或者其他动物的血液、血浆、血清、组织液、淋巴液、尿液等。
其中可选的，所述样本可以是培养微生物或者细胞的培养液。
其中可选的，所述样本也可以是其他比较珍贵或者稀少的环境样本。
在另一优选例中，前述内容中所述的用于产生液滴的流体中可能含有目标待检物，使用该***对目标检测物进行定性、半定量或者定量检测。
其中可选的，目标待检物可以但不限于是蛋白质、核酸、脂质体、肽段、核苷酸、氨基酸、病毒、细菌、寄生虫、细胞以及其他一些单分子或者复合体等。
在另一优选例中，前述内容中所述试剂融合部分的试剂中，含有可以和目标检测物相互结合的标记物，比如结合有磁珠或者荧光信号物的抗体。
并且可选的，该试剂是可以和样品发生反应，产生可检测信号的其他物质或者螯合物。
其中可选的，磁珠为超顺磁颗粒，包括铁、钴、镍的化合物，主要包括但不限于三氧化二铁和四氧化三铁化合物。其中磁珠的尺寸为0.1—10μm，优选的0.5-3μm。
并且可选的，可以用永久磁铁或者电磁铁操控磁珠的移动或聚集。
其中可选的，荧光信号物主要包括但不限于荧光微球和荧光信号基团。
在另一优选例中，前述内容中所述的微流体芯片***各个模块之间以微通道进行连接，所述样本生成的液滴可以沿着通道流通到每个模块。所述的微通道可以但是不仅限于是：材料内部刻蚀或者其他方法形成的微通道，不同部件之间组成的微通道，使用毛细管制作的微通道等等。
其中可选的，微通道的形状可以但不限于是直通道，环形通道，折形通道，回形通道等。
其中可选的，微通道的深度可以但不限于是1μm—10μm，5μm—50μm，以及30μm—300μm和100μm—1000μm等。
并且可选的，微通道的宽度可以但不限于是1μm—10μm，5μm—50μm，以及30μm—300μm和100μm—1000μm等。
7：根据发明内容1中所述流体在连续相的作用下形成微液滴在发明内容5中的通道内流动，生成液滴的直径可以但不限于为1μm—50μm，50μm——1000μm等。
在另一优选例中，前述发明内容中所述的各个模块，可以依次组合成***，也可以选择其中一部分组合成***，也可以混合后组成***，也可以多次使用某个模块和其他模块组成***，也可以利用这些模块组合成多路复用***等。
其中可选的，上述***中也包含有部分模块组合的在***中的多次使用，比如试剂融合模块和孵育模块的组合，可以分别加入不同的试剂后进行再次孵育等。
在另一优选例中，前述内容中所述的连续相，可以是发明内容1中所提到的油相，也可以是其他和分散相互不相溶的另外一种液体，连续相可以根据待测样本的性质选择。
在另一优选例中，前述内容中所述的提出的进样口清洗液，可以用于清洗样品在进样口处的残留，去除非特异性吸附的分析物以及其他影响检测结果的物质，避免产生交叉污染。
其中可选的，所述清洗液包含缓冲体系、表面活性剂和蛋白质，其中可选的，缓冲体系可以但不限于是磷酸盐、醋酸盐、硼酸盐、Tris-HCl等；蛋白质可以但不限于是牛血清白蛋白、酪蛋白等；表面活性剂可以但不限于是PEG,PVP,吐温20，吐温80，曲拉通X100等；所述清洗液的pH范围为6-10。
在另一优选例中，前述内容中所述的废液通道，此通道可以但不仅限于与分散相的进样口相连接，通过废液通道可以排出多余的样品或者清洗进样口的清洗液。
其中可选的，此废液通道可以但不仅限于是：材料内部刻蚀或者其他方法形成的微通道，不同部件之间组成的微通道，使用毛细管制作的微通道等等。
并且可选的，废液通道的形状可以但不限于是直通道，环形通道，折形通道，回形通道等。
在另一优选例中，前述内容中所述的孵育模块，该模块可以用来进行液滴内混匀，并进行充分的反应。
其中可选的，该模块可以但不限于拆分为两个模块，混匀模块和孵育模块，但是行使与发明内容1中所述孵育模块相同或相似功能。
其中可选的，该模块结构可以但不限于是直通道，环形通道，折形通道，回形通道，或者存储腔体等。
在另一优选例中，前述内容中所述的信号读取检测模块，是利用芯片外部的传感器或传感器***检测经过孵育后的液滴。样本在经过生成微液滴、在液滴中加入可以检测目标检测物的试剂，并在孵育模块反应完成之后，信号读取检测模块会利用传感器或传感器***，检测到目标检测物的信号。
其中可选的，检测信号的方法根据不同的目标检测物，包括但不限于基于核酸的检测方法，基于抗体和酶等蛋白的检测方法，分子信标，检测荧光的传感器，免疫染色测定，夹心结构测定法，基于小分子的化学检测法等，以及他们的组合检测。
并且可选的，所述基于核酸的检测方法包括但不限于PCR，PT-PCR，环介导等温扩增技术，链置换等。
并且可选的，所述基于抗体的检测方法包括但不限于ELISA，基于夹心结构的检测法，免疫染色测定，抗体捕获测定等。
其中可选的，目标检测物的信号包括但不限于电信号、质量、浊度(吸光度)、磁信号、荧光、量子点、化学发光、荧光微球等
在另一优选例中，前述内容中所述的信号采集模块，可以在液滴流动中进行信号采集和读取，或者将液滴保存或停留后进行信号采集和读取。
其中可选的，所述的液滴流动中采集信号，是指液滴在流经传感器或者传感器***时，液滴内的有效信号被采集。
并且可选的，流经传感器的通道可以但是不仅限于是：材料内部刻蚀或者其他方法形成的微通道，不同部件之间组成的微通道，使用毛细管制作的微通道等等。
并且可选的，流经传感器通道的形状可以但不限于是直通道，环形通道，折形通道，回形通道等。
其中可选的，所述的将液滴保存或停留的部分可以是存储腔或者存储通道或者其他类似功能的部件。存储腔可以是单层高度，双层高度和多层高度，存储通道可以采用截留的设计，也可以直接使用动力源控制，或者以其他方式实现相同功能。
在另一优选例中，前述内容中所述的液滴微流控芯片模块的材料可以但不限于是玻璃、硅片、陶瓷、塑料、纸和橡胶，可以是其中的一种或多种组合。
其中可选的，可以是所述材料本身，也可以是经过掺杂、修饰、改性的所述材料。
并且可选的，由所述材料制成的液滴微流控芯片，适用于一次性使用，也适用于重复使用。
所述基于微液滴微流体控制***或装置或方法的测试流程包括：
步骤1)将作为分散相的测试样本和油相加入流体进样模块，开启分散相进样口处的阀门，测试样本和油相先后进入微液滴生成模块；
步骤2)在微液滴生成模块中生成测试样本的微液滴；
步骤3)微液滴进入试剂融合模块，测试样本与能够和待测物特异性结合的检测物融合开始反应；
步骤4)微液滴进入孵育模块，微液滴内部待测物与检测物充分反应；
步骤5)内部反应完全的微液滴进入信号读取检测模块，对微液滴进行预处理，利用传感器或者传感器***对微液滴中的待检测信号进行读取，同步传送到电脑进行数值处理给出可视化信息；
步骤6)在进行步骤3)可同步在分散相阀门关闭的状态下在分散相进入口处加入清洗液，清洗液从废液通道流出，可开始第二次测试，此步骤可重复；
步骤7)废液池模块在测试过程中收集所有废液；
步骤8)电脑软件在整个测试过程实行监控和控制。
在另一优选例中，前述测试流程的步骤1)所述测试样本量体积为0.5-10μL，优选0.5-5μL。
在另一优选例中，前述测试流程，单个样本测试时间为3-10min，但所述测试过程可同步进行多个样品测试，大大减少总体样本测试时间。
本发明的主要优点包括：
1)可实现对生物样品的高灵敏检测，而且还有重复性好，抗干扰能力强，检测时间短，通量大，样品耗费量极小等优点；
2)采用液滴微流控芯片技术，把样本生成、混合、反应、收集和检测集成在芯片上，反应所需的所有试剂组分可通过阀门精确控制加入芯片内，操作简单，并且芯片内部测试样品或试剂不与芯片以及仪器直接接触，既不会污染仪器也不会产生交叉污染和严重干扰。
3)微流控芯片既可以重复利用，也可以是一次性使用。
4)本发明芯片的功能集成化程度更高，在同一张芯片上同时实现包括生成、融合、萃取、孵育、***、信号检测等功能。
5)本发明芯片具有高通量、高准确度、高灵敏度等优点且可重复使用等优点。
6)该芯片还可以可控的在线添加试剂，以致可以在一个芯片上实现多种检测物的同时检测。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如Sambrook等人，分子克隆：实验室手册(New York:Cold Spring HarborLaboratory Press,1989)或Roitt等人，免疫学(Immunology，6th edition)中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。
实施例1
利用化学放光方法对人血液样本中BNP检测
在本实施例中，采用图1所示的微流控芯片，利用化学放光方法对人血液样本进行BNP检测。
一、实验方法
1.进行血液样本和试剂的前处理，即取人血液样本甲、乙，加入EDTA-抗凝采血管内防止凝血。
2.BNP试剂的处理：BNP抗体一包被磁珠，BNP抗体二标记吖叮酯。
3.化学发光底物的制备：等体积的0.1M HNO3，0.1％H2O2发光激发液A，和0.25MNaOH，2％Tween-20发光激发液B混合，形成化学发光的激发物。
4.样本进样：在图1所示的分散相进样口6中加入样本甲，在图1所示的连续相进样口1中加入连续相矿物油，在此时控制阀门2和5关闭，控制阀门7打开，在图1所示的出样口28和废液口4给予负压作为动力源，进样口的设计如图2所示。
5.液滴生成：液滴生成过程如图4A所示，矿物油和样本在外力驱动下沿设计通道流动，在液滴生成接口8处，样本在生成口处由分散相形成的剪切作用下形成微液滴，并在流动相的裹挟下沿通道向前流动。
6.进样口清洗：微液滴形成结束后，关闭控制阀门7，加入进样口清洗液。打开控制阀门5，对进样口进行清洗并快速排出废液。完成进样口清洗后，关闭控制阀门5，再次加入清洗液，打开控制阀门7，对样本流道进行清洗，清洗液亦会在8处形成液滴，这部分液滴被传感器及控制***识别，不会添加试剂或进行其他处理，直接形成废液液滴队列通过出样口28排出。进样模块清洗完成后即可加入样本乙开始新样本的进样。
7.液滴计数和标识：产生的液滴通过传感器9对其进行测定标识和液滴编号，以此确定生成液滴是否为有效样本液滴，并根据该标识和编号指导后续试剂的加入。以下步骤是针对有效液滴(样本)进行，如检测为无效液滴(废液)，则直接跟随液滴队列于出样口28排出。
8.液滴融合：传感器10、试剂融合口11、试剂融合进样口12、13和控制阀门14及其连接的管道共同构成了试剂融合模块。同时检测一种样本中的多种标志物时，可以如图所示增加试剂融合模块加入对应试剂。本实施例中在进样口12中加入包被磁珠的抗体一，在进样口13中加入标记吖叮酯的抗体二，同时在传感器10的响应反馈下，通过控制阀门14控制两种抗体产生液滴，该液滴和包裹样本的液滴进行一对一融合。融合过程如图4B所示，之后向前流动至孵育模块。
9.样品的孵育：孵育模块由孵育管道15和外界的温度控制器组成，该模块通过液滴的湍流运动使得液滴内的液体充分混合并在合适的温度下完成反应。反应过程如图4C中C1所示，对于该实验是指BNP与抗体一和抗体二的充分反应。充分反应后的液滴进入液滴处理模块。
10.液滴的前处理：液滴处理模块分为液滴处理室和液滴清洗/处理剂的输入。液滴处理室由一个分布柱状结构的腔体18和将其包裹的磁场19构成，整个腔体处在磁场19中。液滴清洗剂/处理剂的输入由进样口16和阀门17及相关的管道构成，该结构可以根据需要增加数量。本实施例中加入一个清洗剂的输入，和一个发光底物液的输入。液滴运动至液滴处理室，柱状结构可以使液滴速度减慢，液滴内磁珠受到磁场的作用，带有磁珠的物质在液滴处理室保留，如图4D。此时打开控制阀门17，在压力启动下通入清洗液，并在12处生成清洗液微液滴，清洗微液滴冲洗掉室内未参与反应的吖叮酯标记BNP抗体二及其他未结合的物质，或发生非特异性结合的物质。随后相同的结构处通入含处理剂的剪切液，处理剂可以使磁珠与抗体一分离，形成新的含有目标待检物的液滴(即经剪切反应后的剪切液)，如图4E。
11.液滴的后处理：通过传感器20检测液滴，捕捉液滴的信息，判断其是否为有效液滴(含有目标待检物所形成的抗原抗体夹心复合物)。若液滴为有效液滴，通过加样口24和控制阀门23加入化学发光底物。若液滴内为废液，无需进行以下步骤，跟随液滴队列从出样口28排出。
12.液滴信号的读取：信号读取检测模块包含有柱状结构区域26和用于检测信号的传感器27。在该模块进行化学发光信号的读取，信号读取完成后，液滴进入出样口28排出。
13.排出废液：出样口28连接废液池模块。用于收集已经检测结果的液滴和其他废液。
二、结果：
通过上述步骤。该微流控芯片实现了BNP的化学发光检测，其检测速度、检测结果和所需抗体量与当前主流检测方法对比如表1所示：
表1
Figure BDA0001611341460000211
从表1中可以看出，在检测效果方面，基于本发明微流控芯片的检测方法和目前的检测方法相当，但是在检测重复性及抗体用量上，本发明的方法具有非常明显的优势。尤其是对于单次测试而言，本发明方法所需的抗体用量大幅下降，仅为0.45-2.8pg，是常规方法用量的约1/100至1/1000。
并且本发明的微流控芯片中能够直接完成清洗的操作，减少了额外的人工操作，提高了整个检测过程的集成度，简化了检测过程的操作，并且通过本发明方法的萃取过程，可大大提高检测精度。
实施例2：
利用双抗体夹心法检测B型尿钠肽(BNP)
在本实施例中，采用图1所示的微流控芯片，利用双抗体夹心法对人血液样本进行BNP检测。
一、实验方法
1.和实施例1相同，首先进行血液样本和试剂的前处理：在EDTA抗凝管内取人血液样本甲、以防止凝血。
2.对于双抗体夹心法的两种抗体进行处理：荧光标记抗体一和磁珠偶联抗体二。
3.样本进样：在图1所示的分散相进样口6中加入样本甲，在图1所示的连续相进样口1中加入连续相矿物油，在此时控制阀门5关闭，控制阀门7打开，在图1所示的出样口28和废液口4给予负压作为动力源，进样口的设计如图2所示。
4.液滴生成：液滴生成过程如图4A所示，矿物油和样本在驱动力作用下在液滴生成接口8处，形成微液滴。
5.进样口清洗：微液滴形成结束后，关闭控制阀门7，加入进样口清洗液。打开控制阀门5，对进样口进行清洗并快速排出废液。完成进样口清洗后，关闭控制阀门5，再次加入清洗液，打开控制阀门7，对样本流道进行清洗，清洗液亦会在8处形成液滴，这部分液滴被传感器及控制***识别，不会添加试剂或进行其他处理，直接形成废液液滴队列通过出样口28排出。进样模块清洗完成后即可加入样本乙开始新样本的进样。
6.液滴计数和标识：产生的液滴通过传感器9对其进行测定标识和液滴编号，以此确定生成液滴是否为有效样本液滴，并根据该标识和编号指导后续试剂的加入。以下步骤是针对有效液滴(样本)进行，如检测为无效液滴(废液)，则跟随液滴队列直接于出样口28排出。
7.液滴融合：传感器10、试剂融合口11、试剂融合进样口12、13和控制阀门14及其连接的管道共同构成了试剂融合模块。同时检测一种样本中的多种标志物时，可以如图所示增加试剂融合模块加入对应试剂。本实施例中在进样口12中加入包被磁珠的抗体一，在进样口13中加入标记荧光的抗体二，同时在传感器10的响应及反馈下，通过控制阀门14控制两种抗体产生液滴，该液滴和包裹样本的液滴进行一对一融合，融合过程如图4B所示，然后向前流动至孵育模块。
8.样品孵育：孵育模块由孵育管道15和外界的温度控制器组成，该模块通过液滴的湍流运动使得液滴内的液体充分混合并在合适的温度下完成反应。过程如图4C所示，对于该实验是指BNP与抗体一和抗体二的充分反应。充分反应后的液滴进入液滴处理模块。
9.液滴处理：液滴处理模块分为液滴处理室和液滴清洗/处理剂的输入。液滴处理室由一个分布柱状结构的腔体18和将其包裹的磁场19构成，整个腔体处在磁场19中。清洗液的输入由进样口16和阀门17及清洗液液滴生成口12构成，该结构可以根据需要增加数量。液滴运动至液滴处理室，柱状结构可以使液滴速度减慢，液滴内磁珠受到磁场的作用，带有磁珠的物质在液滴处理室保留，清洗微液滴冲洗掉室内未参与反应的荧光标记BNP抗体二及其他未结合的物质，如图4D。随后相同的结构处通入处理剂，处理剂可以切断磁珠和抗体一之间的联系，形成新的含有目标待检物的液滴，如图4E。
10.信号读取:信号读取检测模块包含有柱状结构区域26和用于检测信号的传感器27。在该模块合适波长的激发光激发荧光物质发射荧光，光激荧光传感器完成信号读取后，液滴进入出样口28排出。
11.废液排出：出样口28连接废液池模块。用于收集已经检测结果的液滴和其他废液。
二、结果：
目前关于BNP的荧光检测方法有多种，如使用磁珠+荧光、侧向流层析等，和这些方法的检测结果相比较，该芯片的检测效果的对比如表2所示：
表2
Figure BDA0001611341460000231
在该表格中，可以看出，在检测效果方面，基于本发明微流控芯片的检测方法和目前的检测方法相比效果相当或接近，但是在单次检测时长和检测通量的方面上，本发明方法具有明显优势。除此之外，由于其是液滴均相反应，其在检测的稳定性能方面表现优良，并且单次检测所需的抗体量巨大幅度减小。尤其是对于单次测试而言，本发明方法所需的抗体用量大幅下降，仅为0.45-2.8pg，是常规方法用量的约1/100至1/1000。并且本发明的微液滴芯片及基于其的检测方法中能直接完成清洗的操作，减少了额外的人工操作，提高了整个检测过程的集成度，简化了检测过程的操作，并且通过本发明方法的萃取过程，可大大提高检测精度。
实施例3
利用双抗体夹心法检测B型尿钠肽(BNP)的标准曲线的制作
在本实施例中，对于基于免疫反应的双抗体夹心法检测B型尿钠肽(BNP)，在不同萃取过程中的结果对比，并对其制作标准曲线。此外，基于检测结果，对清洗效果进行比较。
方法如下：先制备一系列浓度的BNP校准品；采用相同校准品，在(a)萃取过程中清洗微液滴数量为样本液滴的一倍；和(b)萃取过程清洗微液滴数量为样本液滴的二倍的情况下，分别进行测定，对不同萃取过程的结果进行比对，并制作标准曲线。
其中对比结果如图6，图7，和表3所示。
图示6为对BNP的不同浓度的溶液在该芯片进样并完成实验后的图片，其中，左侧三图为400pg/mL的BNP抗原加入相同的试剂进行反应后，未进行萃取清洗、萃取清洗一次(一倍清洗微液滴)和萃取清洗两次(二倍清洗微液滴)得到的原始结果图片。右侧三图为0pg/mL的BNP溶液加入相同的试剂进行反应后，未进行清洗、萃取清洗一次和萃取清洗两次得到的结果图片。
表3为图片使用图像处理软件处理后得到的相对应的数据。
表3
Figure BDA0001611341460000241
图7为利用上述数据得到的可视化分析结果。
由图6、图7以及表3，在未萃取的情况下，浓度为400pg/mL和0pg/mL的BNP检测结果相差极小，无法检测目标检测物(BNP)。在萃取一次的情况下，400pg/mL和0pg/mL的BNP检测结果差值明显，可以明显区分，而萃取两次的结果相对萃取一次差值更大，因此可以达到更大的灵敏度。因此可以看出，如果不进行萃取，则无法得到可靠的检测结果，而萃取两次可以有更高的灵敏度。
在图8中，用校准品进行萃取过程中清洗程度不同(清洗微液滴数目不同)的对比检测，对比两种情况下的检测结果，发现当清洗微液滴数量较少时(样本液滴的一倍)的信号检测结果略高于清洗微液滴数量较多时(样本液滴的两倍)的信号检测结果，但是通过曲线拟合后的清洗微液滴数量较少时(样本液滴的一倍)的R2远小于清洗微液滴数量较多时(样本液滴的两倍)的R2，表明清洗程度直接影响检测精度，干扰信号检测的物质的去除度越高，检测灵敏度也越高。虽然萃取次数不是越多越好，但其过程不可或缺，而该芯片可以根据需要灵活控制萃取次数，达到最优的信号强度和信噪比。从而提高待检测样品的检测灵敏度、重复性和检测准确度。
讨论
在现有技术中，基于微液滴的微流控芯片往往操作复杂，准确性不足。例如，在常规方法中，通常待反应的物质(如添加IDE文库、靶标分子和荧光酶底物)生成液滴，然后，在所有液滴孵育后进行收集，并进行分选(例如，利用FACS分选出需要的液滴，例如含有适体的荧光液滴)，然后在芯片外部(例如EP管)中进行破裂、稀释和分区重封装。之后在另外一张芯片上再次生成包含待反应物(如经分选出的适体、靶标分子和荧光酶底物)的液滴，然后孵育后收集进行进一步的检测。整个过程繁复，单个芯片上不能完成需要的功能集成，需要在芯片外部进行额外的人工操作，自动化程度较低。
而相应的，目前已有的体外诊断的方法中，用于生物检测诊断的传统方法有很多，例如免疫印迹法、化学发光免疫检测法、酶联免疫法(ELISA法)等。这些基于检测方法的操作方式需要比较长的分析时间，通量比较小，准确度不足，设备庞大。而在本发明的液滴芯片中，一方面提供了一种新的萃取模块，并对其他功能模块进行集成，从而可以在同一芯片上对生成的液滴进行如上所述的萃取过程，去除有非特异性结合或者干扰检测的物质，液滴中只留下用于信号检测的物质，整个过程更为集成化和自动化。并且，在同一芯片上可实现样品液滴生成、所需试剂添加、孵育和上述的清洗和萃取过程以及最后的检测过程，无需进行芯片外部的额外操作，全程为液相反应利于反应体系充分反应，所需试剂剂量极小，因此实现高通量、高准确度、高灵敏度、低成本等优势的微流控芯片分析检测。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (30)

1.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括：
(a) 微流体流通通道，所述的微流体流通通道用于供连续相以及连续相中所携带的微液滴流动；
(b) 反应微液滴生成模块，所述的反应微液滴生成模块用于生成进行反应的微液滴，所述的反应微液滴含有：待检测样本、与所述待检测样本进行反应的反应试剂，其中所述待检测样本中的待检测物质与反应试剂反应后形成携带可检测标记物的检测产物；
(c) 清洗微液滴生成模块，所述的清洗微液滴生成模块用于生成进行清洗的清洗液微液滴；
(d) 剪切微液滴生成模块，所述的剪切微液滴生成模块用于生成进行剪切的剪切液微液滴；
(e) 捕获-清洗-剪切模块，也称为萃取模块，所述捕获-清洗-剪切模块用于从经孵育后的反应微液滴中进行捕获所述携带可检测标记物的检测产物，并且用所述的清洗液微液滴对被捕获的所述携带可检测标记物的检测产物进行清洗；以及用所述的剪切微液滴对经清洗后的携带可检测标记物的检测产物进行剪切，从而生成供检测的微液滴；
(f)信号读取检测模块，所述信号读取检测模块用于对所述供检测的微液滴进行信号读取；和
(g)液滴队列控制模块，所述的液滴队列控制模块与清洗微液滴生成模块和剪切微液滴生成模块相连接，并且用于当反应微液滴移动到预定位置后，控制所述清洗微液滴生成模块和所述剪切微液滴生成模块的工作，从而在所述微流体流通通道中在液体流动方向形成“反应微液滴-清洗微液滴-剪切微液滴”的微液滴队列，其中反应微液滴位于流动的最前方。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流体流通通道为毛细通道。
3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流体流通通道为深度是10到1000μm，和/或宽度是10μm到1000μm的微通道。
4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述反应微液滴生成模块还包括液滴计数标识子模块，所述液滴计数标识子模块用于对反应微液滴进行计数并编号。
5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述反应微液滴生成模块还包括微液滴融合子模块，在所述的反应微液滴生成模块中先生成样本微液滴及分别、同时、或依次生成反应试剂微液滴，再通过所述的微液滴融合子模块，使反应试剂微液滴与样本微液滴融合成为所述的反应微液滴。
6.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述反应微液滴生成模块还包括阀门组件，所述的阀门组件用于控制所述反应试剂微液滴与所述样本微液滴的生成或者用于控制所述的反应微液滴的生成。
7.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流控芯片还包括分散相进样子模块，所述的分散相进样子模块包括一分散相进样口，一废液出口及两个阀门；所述的分散相进样口用于添加样本，所述的阀门及废液出口用于分散相进样模块的快速清洗，所述的废液出口与废液收集模块相连接。
8.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的反应微液滴生成模块、清洗微液滴生成模块和剪切微液滴生成模块，具有T型接口结构、十字型液滴生成结构或其组合，所述的结构用于生成微液滴。
9.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的反应微液滴生成模块、清洗微液滴生成模块和剪切微液滴生成模块，具有流动共聚焦结构、、共轴流动结构或其组合，所述的结构用于生成微液滴。
10.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的信号选自：化学发光信号、荧光基团受激发所发射的光信号、吸光度变化信号、磁场强度信号或其组合。
11.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的信号为量子点微球受光激发所发射的可见光信号。
12.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流体流通通道包括以下各段：连续相进样段、检测样品进样段、反应试剂添加段、孵育反应段、清洗微液滴添加段、剪切微液滴添加段、捕获-清洗-剪切处理段、信号检测段，以及任选的废液通道段。
13.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的捕获-清洗-剪切模块还包括磁场区，所述的磁场区为可控制开启关闭的磁场区。
14.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的清洗微液滴生成模块和所述的剪切微液滴生成模块还包括：控制阀门组件，所述的控制阀门组件由液滴队列控制模块控制。
15.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的控制阀门组件选自：电磁阀门、石蜡阀门、磁铁移动阀门、气动阀门、隔膜阀门、或其组合。
16.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的控制阀门组件为石蜡热熔阀门。
17.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的控制阀门组件为疏水阀门。
18.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的控制阀门组件为机械阀门。
19.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括驱动力组件，所述的驱动力组件为压力驱动组件。
20.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流控芯片还包括：(i)孵育控制模块，所述的孵育控制模块用于控制孵育段的微流体流通通道的孵育参数。
21.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流控芯片还包括：(j)废液收集模块，所述废液收集模块用于收集在检测过程中产生的废液。
22.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述信号读取检测模块还包括后处理子模块，在所述的后处理子模块中向供检测的微液滴中添加用于激发检测信号的物质。
23.如权利要求22所述的微流控芯片，其特征在于，所述后处理子模块还设有用于识别供检测的微液滴是否为有效液滴的传感器，并在所述的后处理子模块中向有效的供检测的微液滴中添加用于产生检测信号的物质。
24.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述的微流控芯片的材料选自玻璃、硅基材料、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸塑料、环烯烃共聚物类材料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯系塑料或其组合。
25.一种基于如权利要求1所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
a.加入流动相，并使所述流动相充满微流体流通通道；
b.对试剂进行预处理；
c.准备要检测的生物样本，所述的样本含有待检测的目标物质；
d.加入样本及经预处理的试剂，并通过所述反应微液滴生成模块生成样本微液滴及试剂微液滴，并在所述反应微液滴生成模块内融合成反应微液滴；或将样品及经预处理的试剂预先混合成为反应液体，并加入所述的反应液体通过所述反应微液滴生成模块生成反应微液滴；
e. 在液滴队列控制模块的控制下，清洗微液滴生成模块，生成清洗微液滴；
f. 在液滴队列控制模块的控制下，剪切微液滴生成模块，生成剪切微液滴；
g.步骤e、步骤f生成的微液滴以及反应微液滴形成微液滴队列；
h.所述的微液滴队列进入捕获-清洗-剪切模块，并形成供检测的微液滴；
i.供检测的微液滴通过信号读取检测模块，所述读取检测模块检测并读取信号。
26.如权利要求25所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，步骤b中，其中磁珠的尺寸为0.01-10μm。
27.如权利要求26所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，步骤b中，其中磁珠的尺寸为1-2.8μm。
28.如权利要求25所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，所述的样本微液滴与试剂微液滴的体积比为1:0.5到1:2。
29.如权利要求25所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，步骤b中，所述对试剂的预处理为包被或偶联磁珠。
30.如权利要求25所述的微流控芯片的检测方法，其特征在于，所述的方法为基于双抗体夹心法，或竞争性结合法的检测方法。
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