CN116144458A - 一种生物微流控芯片及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片技术，具体是一种生物微流控芯片及其应用，其中生物微流控芯片包括可离心旋转的盘片，所述盘片上设有至少一组生物样本处理单元，每一组处理单元包括开设在所述盘片上的至少一个容纳仓和至少一个收集仓，每一个容纳仓与对应的收集仓通过设置在所述盘片内的微流道连通，其中一个容纳仓内的生物样本经所述盘片旋转离心后分层，其中一层液体经所述微流道分离后进入对应的收集仓。本发明在微流控芯片的盘片上设置数个容纳仓和收集仓，并可将收集仓与对应的容纳仓连通，由此可将循环肿瘤细胞的分离、富集、荧光染色、原位杂交、制片等步骤串联集成在一个盘片上，大大节省了检测、分析循环肿瘤细胞的时间，提高了效率。

Description

一种生物微流控芯片及其应用

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术，具体说是一种生物微流控芯片及其应用。

背景技术

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。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个集生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点, 它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析, 并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。其应用的的终极目标是实现微全分析***－芯片实验室（Lab on a Chip）。

最有代表性的生物微流控芯片是妊娠诊断试纸，检测试剂应用免疫层析双抗体夹心法原理，制成HCG检测试纸，可在3分钟内测定尿液标本中的HCG。检测时，当被检尿样虹吸通过胶体金标记抗体时，形成抗原抗体胶体金复合物，复合物继续爬行，通过包被的抗-HCGα亚基Mcab时，形成双抗体夹心胶体金复合物，在包被线处呈现色带，过量的胶体金抗体继续爬行，和羊抗鼠对照线形成胶体金免疫复合物，呈现色带，来确诊妇女是否怀孕。

目前，把循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，CTCs）从血液中分离富集离不开利用离心去分离不同密度的细胞，离心芯片于是成为我们实现全自动富集和鉴定CTC的不二选择。在离心式CD微流控芯片中, 微通道沿着圆盘的径向分布,这与离心力的作用方向(径向向外)一致。流体被预先装在靠近圆盘中心的储液池中,当圆盘由马达带动旋转时,流体就在离心力的作用下沿着微通道网络向远离圆心转向边缘的方向运动。但是，现有的CD微流控芯片仅应用在循环肿瘤细胞提取过程的离心分离步骤中，导致循环肿瘤细胞的检测、分析效率较低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种检测、分析效率较高的生物微流控芯片及其在循环肿瘤细胞的分离、富集、荧光染色、原位杂交等步骤中的应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种生物微流控芯片，包括可离心旋转的盘片，所述盘片上设有至少一组生物样本处理单元，每一组处理单元包括开设在所述盘片上的至少一个容纳仓和至少一个收集仓，每一个容纳仓与对应的收集仓通过设置在所述盘片内的微流道连通，其中一个容纳仓内的生物样本经所述盘片旋转离心后分层，其中一层液体经所述微流道分离后进入对应的收集仓。

作为优选，所述微流道为具有虹吸作用的毛细管式微流道，其首段与容纳仓的中部连通，微流道的末段与所述收集仓的顶部连通，首段与末段之间通过弧形过渡的中间段连通。

作为优选，每一组处理单元还包括至少两个容纳仓和至少一个收集仓，收集仓内收集的所述其中一层液体在所述盘片旋转离心力的作用下经另外的微流道流入另一个容纳仓，该容纳仓内的液体与其他容纳仓内的物质混合后进入对应的收集仓。

作为优选，所述其他容纳仓内放置磁珠或试剂，收集仓内收集的所述其中一层液体与磁珠或试剂同时流入波浪形微流道混合磁吸或混合后进入对应的收集仓。

本发明还提供一种生物微流控芯片在分离循环肿瘤细胞中的应用，所述生物样本为体液，该体液在所述盘片旋转离心后分层，其中含有循环肿瘤细胞的上清液层经所述微流道分离后自动流入收集仓。

本发明再提供一种生物微流控芯片在富集循环肿瘤细胞中的应用，其中一个收集仓为富集仓，其中一个容纳仓内含有循环肿瘤细胞的上清液与其他容纳仓内的磁珠同时流入微流道混合磁吸后，含有循环肿瘤细胞的细胞沉淀流入所述富集仓。

作为优选，所述微流道分为两段，与至少两个容纳仓连通的一段呈回转状，与所述富集仓连通的另一段呈直线状，在直线状的该另一段的至少一侧设有磁铁。

本发明再提供一种生物微流控芯片在提取循环肿瘤细胞中的应用，包括分离、富集、荧光染色、原位杂交、制片步骤，体液经分离、富集后，所述荧光染色步骤是流入其中一个容纳仓内的磁吸富集后的细胞沉淀与其他容纳仓内的荧光染色试剂流入微流道，在该微流道内混合荧光染色，再清洗后流入对应的收集仓。

作为优选，所述原位杂交步骤是由收集仓流入其中一个容纳仓内的清洗后的细胞沉淀与其他容纳仓内的探针试剂流入微流道内混合原位杂交，再清洗后流出。

作为优选，所述盘片设置至少两层，所述分离、富集、荧光染色、原位杂交步骤设置在一层或多层，所述制片步骤设置在底层，该底层呈透明状并设有空腔，所述底层开设有均与该空腔连通的通道和注液孔，原位杂交清洗后的细胞沉淀经所述通道流入空腔，经所述注液孔注入的显色液与细胞沉淀在空腔内混合，完成制片。

从以上技术方案可知，本发明在微流控芯片的盘片上设置数个容纳仓和收集仓，并可将收集仓与对应的容纳仓连通，由此可将循环肿瘤细胞的分离、富集、荧光染色、原位杂交、制片等步骤串联集成在一个盘片上，并通过数组处理单元可同时处理多个样本，不仅大大节省了检测、分析循环肿瘤细胞的时间，提高了效率；而且该微流控芯片使用方便，操作简单，避免了现有技术分离后须单独进行富集、原位杂交、荧光染色等步骤。

附图说明

图1是本发明的微流控芯片正面的优选方式的结构示意图。

图2是本发明的微流控芯片部分剖面结构示意图。

图3是本发明的微流控芯片应用流程示意图。

实施方式

下面结合附图详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2，本发明提供了一种生物微流控芯片，其包括可离心旋转的盘片1，该盘片安装在离心机上随离心机旋转；所述盘片上设有至少一组生物样本处理单元2，根据盘片的面积可设置多组处理单元，以同时处理多个生物样本，提高效率；每一组处理单元包括开设在所述盘片上的至少一个容纳仓21和至少一个收集仓22，每一个容纳仓与对应的收集仓通过设置在所述盘片内的微流道23连通，其中一个容纳仓内的生物样本经所述盘片旋转离心后分层，其中一层液体经所述微流道分离后进入对应的收集仓。该方案利用微流道的虹吸作用可将样本中指定的液体层分离至收集仓，如分离体液中含有循环肿瘤细胞的上清液层等，从而实现生物样本的分离。

在实施过程中，所述微流道采用具有虹吸作用的毛细管式微流道，其首段与容纳仓的中部连通，微流道的末段与所述收集仓的顶部连通，首段与末段之间通过弧形过渡的中间段连通。具体来说，所述首段与末段均向外侧倾斜设置，所述中间段呈向上突出的弧形，其中倾斜角度、弧形的弧度、各段的长度、直径等均通过计算获得，以使微流道具有毛细管的作用，以在虹吸作用下实现液体层的自动分离。

作为优选，每一组处理单元包括一个收集仓和至少两个容纳仓，其中一个容纳仓放置待处理的样本，其他容纳仓放置磁珠或试剂，样本与磁珠或试剂同时流入所述微流道混合磁吸或混合后进入所述收集仓。本发明的盘片可以单独进行混合或混合磁吸步骤。即当其中一个容纳仓放置待处理的样本、其他容纳仓放置试剂时，样本和试剂在离心力作用下同时进入微流道，在波浪式的回转状的微流道内充分混合后流入收集仓，如提取循环肿瘤细胞过程中的荧光染色、原位杂交等步骤均可单独在此完成；当其中一个容纳仓放置待处理的样本、其他容纳仓放置磁珠时，样本和磁珠在离心力作用下同时进入微流道，在波浪式的回转状的微流道内混合后，再通过设置盘片上的磁铁24吸附磁珠，使样本中的指定成分流入收集仓，从而实现混合磁吸，如提取循环肿瘤细胞中的富集步骤可单独在此完成。

本发明的每一组处理单元还包括至少两个容纳仓和至少一个收集仓，收集仓内收集的所述其中一层液体如上清液层在所述盘片旋转离心力的作用下经微流道流入其中一个容纳仓，该容纳仓内的液体与其他容纳仓内的磁珠或试剂同时流入微流道混合磁吸或混合后进入对应的收集仓。即在盘片上进行上述分离步骤后，还可在盘片上连续进行混合磁吸或混合步骤。如进行循环肿瘤细胞生物分离后，再连续进行磁吸富集、荧光染色、原位杂交等；也可在分离后，直接连续进行其他的非磁吸步骤。

本发明提供一种生物微流控芯片在分离循环肿瘤细胞中的应用，具体是：所述容纳仓放置体液，即将收集的体液加入隔离液的上层，该体液在所述盘片旋转离心后分层，其中含有循环肿瘤细胞的上清液层经具有虹吸作用的毛细管式微流道分离后自动流入收集仓，从而实现循环肿瘤细胞的分离。其中体液包含人或动物的胸腔积液、腹腔积液、脑脊液、淋巴液、血液中的至少一种。

本发明提供的一种生物微流控芯片在富集循环肿瘤细胞中的应用，具体是，其中一个收集仓为富集仓，其中一个容纳仓内含有循环肿瘤细胞的上清液与其他容纳仓内的磁珠同时流入微流道混合磁吸后，含有循环肿瘤细胞的细胞沉淀流入所述富集仓。在实施过程中其中一个容纳仓内的上清液可以来自采用其他单独分离技术获得的上清液，也可以来自本发明盘片的上述分离步骤中收集仓内的上清液层，由此则实现了循环肿瘤细胞的连续分离、富集步骤。作为优选，所述微流道分为两段，与至少两个容纳仓连通的一段呈回转状，有利于磁珠与上清液重复混合；与所述富集仓连通的另一段呈直线状，在直线状的该另一段的至少一侧设有磁铁24，从而可吸附微流道内的磁珠及其上的白细胞，获得含有环肿瘤细胞的细胞沉淀。

如图3，本发明提供一种生物微流控芯片在提取循环肿瘤细胞中的应用，包括可在盘片上连续进行分离、富集、荧光染色、原位杂交、制片步骤，具体来说，体液经上述分离、富集后，所述荧光染色步骤是流入其中一个容纳仓内的磁吸富集后的细胞沉淀与其他容纳仓内的荧光染色试剂流入微流道，在该微流道内混合荧光染色，再清洗后流入对应的收集仓。其中清洗步骤也在盘片上进行，即荧光染色后的细胞沉淀流入容纳仓，另外的容纳仓放置清洗试剂，两者在微流道内混合清洗分层后进入收集仓，再进行原位杂交。所述原位杂交步骤是由收集仓流入其中一个容纳仓内的清洗后的细胞沉淀与其他容纳仓内的探针试剂流入微流道内混合原位杂交，再清洗二次后流出。清洗步骤同上。由此实现了连续的原位杂交、荧光染色步骤。

作为优选，所述盘片设置至少两层，所述分离、富集、荧光染色、原位杂交步骤设置在一层或多层，即分离、富集、荧光染色、原位杂交四个步骤可沿盘片的盘面分布，仅须一层；也可将四个步骤中的一个或两个步骤分别设置在一层，即采用四、三、二层等；本发明的所述制片步骤设置在底层25，该底层呈透明状并设有空腔26，所述底层开设有均与该空腔连通的通道27和注液孔28，原位杂交清洗后的细胞沉淀经所述通道流入空腔，经所述注液孔注入的显色液与细胞沉淀在空腔内混合，完成制片。由于底层采用透明材料制成，在底层下方采用扫描仪直接扫描空腔内的混合物，以检测、分析循环肿瘤细胞的数量，从而在盘片上实现了循环肿瘤细胞的全流程检测与分析。本发明将循环肿瘤细胞的分离、富集、荧光染色、原位杂交、制片等步骤串联集成在一个盘片上，大大提高了检测、分析效率。

Claims (10)

1.一种生物微流控芯片，包括可离心旋转的盘片，其特征在于：所述盘片上设有至少一组生物样本处理单元，每一组处理单元包括开设在所述盘片上的至少一个容纳仓和至少一个收集仓，每一个容纳仓与对应的收集仓通过设置在所述盘片内的微流道连通，其中一个容纳仓内的生物样本经所述盘片旋转离心后分层，其中一层液体经所述微流道分离后进入对应的收集仓。

2.根据权利要求1所述生物微流控芯片，其特征在于：所述微流道为具有虹吸作用的毛细管式微流道，其首段与容纳仓的中部连通，微流道的末段与所述收集仓的顶部连通，首段与末段之间通过弧形过渡的中间段连通。

3.根据权利要求1或2所述生物微流控芯片，其特征在于：每一组处理单元还包括至少两个容纳仓和至少一个收集仓，收集仓内收集的所述其中一层液体在所述盘片旋转离心力的作用下经另外的微流道流入另一个容纳仓，该容纳仓内的液体与其他容纳仓内的物质混合后进入对应的收集仓。

4.根据权利要求3所述生物微流控芯片，其特征在于：所述其他容纳仓内放置磁珠或试剂，收集仓内收集的所述其中一层液体与磁珠或试剂同时流入波浪形微流道混合磁吸或混合后进入对应的收集仓。

5.一种权利要求1至4中任意一项所述生物微流控芯片在分离循环肿瘤细胞中的应用，其特征在于：所述生物样本为体液，该体液在所述盘片旋转离心后分层，其中含有循环肿瘤细胞的上清液层经所述微流道分离后自动流入收集仓。

6.一种权利要求3或4所述生物微流控芯片在富集循环肿瘤细胞中的应用，其特征在于：其中一个收集仓为富集仓，其中一个容纳仓内含有循环肿瘤细胞的上清液与其他容纳仓内的磁珠同时流入微流道混合磁吸后，含有循环肿瘤细胞的细胞沉淀流入所述富集仓。

7.根据权利要求6所述生物微流控芯片在富集循环肿瘤细胞中的应用，其特征在于：所述微流道分为两段，与至少两个容纳仓连通的一段呈回转状，与所述富集仓连通的另一段呈直线状，在直线状的该另一段的至少一侧设有磁铁。

8.一种权利要求1至4中任意一项所述生物微流控芯片在提取循环肿瘤细胞中的应用，包括分离、富集、荧光染色、原位杂交和制片步骤，其特征在于：体液经分离、富集后，所述荧光染色步骤是流入其中一个容纳仓内的磁吸富集后的细胞沉淀与其他容纳仓内的荧光染色试剂流入微流道，在该微流道内混合荧光染色，再清洗后流入对应的收集仓。

9.根据权利要求8所述生物微流控芯片在提取循环肿瘤细胞中的应用，其特征在于：所述原位杂交步骤是由收集仓流入其中一个容纳仓内的清洗后的细胞沉淀与其他容纳仓内的探针试剂流入微流道内混合原位杂交，再清洗后流出。

10.根据权利要求9所述生物微流控芯片在提取循环肿瘤细胞中的应用，其特征在于：所述盘片设置至少两层，所述分离、富集、荧光染色、原位杂交步骤设置在一层或多层，所述制片步骤设置在底层，该底层呈透明状并设有空腔，所述底层开设有均与该空腔连通的通道和注液孔，原位杂交清洗后的细胞沉淀经所述通道流入所述空腔，经所述注液孔注入的显色液与细胞沉淀在空腔内混合，完成制片。

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