数字微流控芯片、数字微流控芯片系统、酶联免疫检测系统及方法与流程

1.本发明涉及检测设备技术领域，尤其涉及一种数字微流控芯片、数字微流控芯片系统、酶联免疫检测系统及方法。


背景技术：

2.酶联免疫检测方法(enzyme immunoassay,elisa)是目前应用最为广泛的一种免疫分析方法，目前临床和实验室通常使用96孔板作为该检测反应的载体，先对孔板进行一抗的吸附、封闭和清洗等操作，完成一抗的包埋。然后加入待测样品或者含有特定抗原的标准品，孵育一段时间后清洗多余抗原，再加入带有特异性酶标记的二抗，再孵育一段时间，让二抗与抗原充分结合后再清洗掉多余的二抗。最后，加入底物进行显色反应，实现信号的检测。由此可见常规elisa检测所需人工密集性操作十分繁琐，且对试剂消耗量较大，存在较高的误操作风险。
3.因此很多研究人员引入微流控芯片作为elisa的反应载体，用以代替96孔板。目前多是使用连续型、含有多种微通道结构的微流控芯片，将目标试剂的操控、抗体-抗原结合反应以及反应结果的检测等elisa的全流程集成于微流控芯片上。
4.传统的基于微流通道结构的elisa微流控芯片，主要通过软光刻或者注塑等方法进行制作。若要进行多指标联检的elisa微流控芯片的开发，上述芯片将具有较为复杂的空间微流通道结构，应用软光刻或者注塑工艺加工难度很大，大大提高了elisa的检测成本。


技术实现要素：

5.鉴于此，有必要提供一种能够进行多指标联检的制造方法简单的数字微流控芯片、数字微流控芯片系统、酶联免疫检测系统及方法。
6.一种数字微流控芯片，包括待测样本储液区组、阴性对照储液区、阳性对照储液区、基底试剂储液区、终止试剂储液区、洗涤液储液区、缓冲液储液区、抗体储液区、废液区和反应区；
7.所述反应区包括至少三个检测点，所述检测点分别为待测样本检测点组、阴性对照检测点和阳性对照检测点；
8.所述待测样本储液区组和所述待测样本检测点组连通；
9.所述阴性对照储液区和所述阴性对照检测点连通；
10.所述阳性对照储液区和所述阳性对照检测点连通；
11.所述基底试剂储液区、所述终止试剂储液区、所述洗涤液储液区、所述缓冲液储液区、所述抗体储液区、所述废液区分别和全部所述检测点连通。
12.在一个实施例中，所述反应区包括相对设置的第一侧和第二侧，以及相对设置的第三侧和第四侧；
13.所述待测样本储液区组、所述阴性对照储液区、所述阳性对照储液区和所述废液
区均位于所述反应区的第一侧；
14.所述洗涤液储液区位于所述反应区的第二侧；
15.所述缓冲液储液区和所述抗体储液区位于所述反应区的第三侧；
16.所述基底试剂储液区和所述终止试剂储液区位于所述反应区的第四侧。
17.在一个实施例中，所述待测样本储液区组包括第一待测样本储液区、第二待测样本储液区和第三待测样本储液区；
18.所述待测样本检测点组包括第一待测样本检测点、第二待测样本检测点和第三待测样本检测点；
19.所述第一待测样本储液区和所述第一待测样本检测点连通；
20.所述第二待测样本储液区和所述第二待测样本检测点连通；
21.所述第三待测样本储液区和所述第三待测样本检测点连通。
22.在一个实施例中，所述第一待测样本检测点、所述第二待测样本检测点、所述第三待测样本检测点、所述阴性对照检测点和所述阳性对照检测点呈矩阵排列。
23.一种数字微流控芯片系统，包括上盖和上述数字微流控芯片，所述上盖和所述数字微流控芯片封装设置；
24.所述上盖开设有待测样本进样孔、阴性对照进样孔、阳性对照进样孔、基底试剂进样孔、终止试剂进样孔、洗涤液进样孔、缓冲液进样孔、抗体进样孔和一抗包被检测区；
25.所述待测样本进样孔和所述待测样本储液区组对应设置，所述阴性对照进样孔和所述阴性对照储液区对应设置，所述阳性对照进样孔和所述阳性对照储液区对应设置，所述基底试剂进样孔和所述基底试剂储液区对应设置，所述终止试剂进样孔和所述终止试剂储液区对应设置，所述洗涤液进样孔和所述洗涤液储液区对应设置，所述缓冲液进样孔和所述缓冲液储液区对应设置，所述抗体进样孔和所述抗体储液区对应设置，所述一抗包被检测区和所述检测点对应设置。
26.在一个实施例中，所述上盖的制备方法如下：
27.将所述上盖的导电面的一抗包被检测区用遮挡片进行遮挡；
28.在所述上盖的导电面制备疏水层；
29.移除所述一抗包被检测区上所述遮挡片；
30.在所述一抗包被检测区处捕获一抗进行修饰。
31.在一个实施例中，在所述一抗包被检测区处捕获一抗进行修饰的方法如下：
32.将所述一抗包被检测区按照每列一种目标抗原所对应的一抗进行修饰，在4℃的环境下静止12-18小时，然后应用清洗缓冲液清洗；
33.再加入封闭缓冲液室温条件下静止2小时，再采用清洗缓冲液清洗后，即得到带有一抗修饰的所述上盖。
34.一种酶联免疫检测系统，包括上述数字微流控芯片系统、驱动控制单元和光学检测系统，所述驱动控制单元用于驱动所述数字微流控芯片系统内的液体流动，所述光学检测系统用于检测检测点的光学信号。
35.一种采用上述酶联免疫检测系统的检测方法，包括以下步骤：
36.向所述数字微流控芯片的对应储液区分别加入所需体积的待测样本、阳性对照、阴性对照、基底试剂、终止试剂、缓冲液、抗体和洗涤液；
37.定量分配所述缓冲液，生成缓冲液液滴，转移至全部所述检测点；
38.定量分配阳性对照，产生阳性对照液滴，转移至阳性对照检测点，所述阳性对照液滴与所述缓冲液液滴混合组成阳性对照反应液液滴；
39.定量分配阴性对照，产生阴性对照液滴，转移至阴性对照检测点，所述阴性对照液滴与所述缓冲液液滴混合组成阴性对照反应液液滴；
40.定量分配待测样本，产生待测样本液滴，转移至待测样本检测点组，所述待测样本液滴与所述缓冲液液滴混合组成待测样本反应液液滴，静置；
41.将阳性对照反应液液滴、阴性对照反应液液滴和待测样本反应液液滴均依次转移至废液区形成废液；
42.定量分配洗涤液，产生洗涤液液滴，清洗阳性对照反应液液滴经过的路径、阴性对照反应液液滴经过的路径和待测样本反应液液滴经过的路径以及全部所述检测点，将使用后的洗涤液液滴转移至废液区；
43.定量分配抗体，产生抗体液滴，转移至全部所述检测点，静置；
44.定量分配洗涤液，产生洗涤液液滴，清洗全部所述检测点，将使用后的洗涤液液滴转移至废液区；
45.定量分配基底试剂，产生基底试剂液滴，转移至全部所述检测点，静置；
46.定量分配终止试剂，产生终止试剂液滴，转移至全部检测点，所述终止试剂液滴与所述基底试剂液滴混合形成反应液液滴；
47.检测分别由各个所述检测点发出的光学信号，进行结果判定。
48.上述数字微流控芯片、数字微流控芯片系统、酶联免疫检测系统及方法，可以实现elisa检测反应。酶联免疫检测系统包括利用电润湿原理的数字微流控芯片、驱动控制系统和光电检测系统，具有较高的集成度且与现有技术相比具有制备方法简单、自动化程度高、成本低且灵活度高等优势。
附图说明
49.图1为一实施方式的数字微流控芯片的结构示意图；
50.图2为一实施方式的上盖的制备流程示意图；
51.图3为一实施方式的上盖捕获一抗的示意图；
52.图4为一实施方式的上盖和数字微流控芯片封装的示意图；
53.图5为一实施方式的数字微流控芯片的剖面结构示意图；
54.图6为一实施方式的数字微流控芯片加入各种试剂的结构示意图；
55.图7为一实施方式的数字微流控芯片定量分配缓冲液的示意图；
56.图8为一实施方式的数字微流控芯片定量分配阳性对照和阴性对照的示意图；
57.图9为一实施方式的数字微流控芯片定量分配待检测样本的示意图；
58.图10为一实施方式的数字微流控芯片定量分配洗涤液的示意图；
59.图11为一实施方式的数字微流控芯片定量分配抗体的示意图；
60.图12为一实施方式的数字微流控芯片定量分配洗涤液的示意图；
61.图13为一实施方式的数字微流控芯片定量分配基底试剂的示意图；
62.图14为一实施方式的数字微流控芯片定量分配终止试剂的示意图；
63.图15使用光学检测技术检测由检测点发出的光学信号的示意图。
具体实施方式
64.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
65.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
66.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
67.在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
68.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
69.如图1所示，一实施方式的数字微流控芯片，包括待测样本储液区组21、阴性对照储液区22a、阳性对照储液区22b、基底试剂储液区23a、终止试剂储液区23b、洗涤液储液区24、缓冲液储液区23c、抗体储液区23d、废液区25和反应区26。
70.反应区26包括至少三个检测点27，检测点27分别为待测样本检测点组、阴性对照检测点26f和阳性对照检测点26d。
71.待测样本储液区组21和待测样本检测点组连通。
72.阴性对照储液区22a和阴性对照检测点26f连通。
73.阳性对照储液区22b和阳性对照检测点26d连通。
74.基底试剂储液区23a、终止试剂储液区23b、洗涤液储液区24、缓冲液储液区23c、抗体储液区23d、废液区25分别和全部检测点27连通。
75.上述数字微流控芯片，可以定量分配待测样本、阴性对照、阳性对照、基底试剂、终止试剂、缓冲液及抗体，实现多个样本同时检测。通过设置洗涤液储液区，可以定量分配洗涤液对数字微流控芯片进行多次自动清洗，从而可以实现自动化多指标联检。
76.上述数字微流控芯片适用于3个样本5个指标的检测。
77.上述数字微流控芯片的抗体储液区23d用于存储二抗。
78.在一个实施例中，反应区26的形状为矩形。反应区26包括相对设置的第一侧和第二侧，以及相对设置的第三侧和第四侧。
79.待测样本储液区组21、阴性对照储液区22a、阳性对照储液区22b和废液区25均位于反应区26的第一侧。
80.洗涤液储液区24位于反应区26的第二侧。
81.缓冲液储液区23c和抗体储液区23d位于反应区26的第三侧。
82.基底试剂储液区23a和终止试剂储液区23b位于反应区26的第四侧。
83.待测样本储液区组21、阴性对照储液区22a、阳性对照储液区22b、基底试剂储液区23a、终止试剂储液区23b、洗涤液储液区24、缓冲液储液区23c、抗体储液区23d、废液区25的位置的上述布置方式，能够使数字微流控芯片各个区域排列紧凑，减小体积。可以理解，反应区26的形状不限于为矩形，可以是任意电极形状或多种电极形状的组合。
84.可以理解，待测样本储液区组21、阴性对照储液区22a、阳性对照储液区22b、基底试剂储液区23a、终止试剂储液区23b、洗涤液储液区24、缓冲液储液区23c、抗体储液区23d、废液区25的位置也可以根据实际需要调整。
85.在一个实施例中，待测样本储液区组21包括第一待测样本储液区21a、第二待测样本储液区21b和第三待测样本储液区21c。
86.待测样本检测点组包括第一待测样本检测点26a、第二待测样本检测点26b和第三待测样本检测点26c。
87.第一待测样本储液区21a和第一待测样本检测点26a连通。
88.第二待测样本储液区21b和第二待测样本检测点26b连通。
89.第三待测样本储液区21c和第三待测样本检测点26c连通。
90.可以理解，待测样本储液区组21的数量可以根据实际需要进行设置，不限于三个待测样本储液区。当待测样本储液区的数量进行增减时，待测样本检测点的数量也相应进行增减。
91.在一个实施例中，第一待测样本检测点26a、第二待测样本检测点26b、第三待测样本检测点26c、阴性对照检测点26f和阳性对照检测点26d呈5
×
5的矩阵排列。即第一待测样本检测点26a、第二待测样本检测点26b、第三待测样本检测点26c、阴性对照检测点26f和阳性对照检测点26d各具有5个检测点，且5个检测点呈一行排列。
92.具体的，第一行的第一待测样本检测点26a与第一待测样本储液区21a连通，第二行的第二待测样本检测点26b与第二待测样本储液区21b连通，第三行的第三待测样本检测点26c与第三待测样本储液区21c连通，第四行的阴性对照检测点26f与阴性对照储液区22a连通，第五行的阳性对照检测点26d与阳性对照储液区22b连通。
93.上述数字微流控芯片，样本和反应之间通过路径设计和自动清洗可以完全避免交叉污染。
94.可以理解，第一待测样本检测点26a、第二待测样本检测点26b、第三待测样本检测点26c、阴性对照检测点26f和阳性对照检测点26d也可以呈5
×
n的矩阵排列，其中，n不限于为5，n可以为其他正整数。即第一待测样本检测点26a、第二待测样本检测点26b、第三待测样本检测点26c、阴性对照检测点26f和阳性对照检测点26d分别具有的检测点的数量不限于5个。
95.上述数字微流控芯片主要用于elisa反应试剂精准分配和操控并完成elisa全反应流程的片上实验。
96.此外，请参考图4，还提供一实施方式的数字微流控芯片系统，包括上盖17如上的数字微流控芯片16。上盖17和数字微流控芯片16封装设置。
97.请参考图2，上盖开设有待测样本进样孔、阴性对照进样孔、阳性对照进样孔、基底
试剂进样孔、终止试剂进样孔、洗涤液进样孔、缓冲液进样孔、抗体进样孔和一抗包被检测区6。进样孔未单独标号，可以参考图2中的标号10。
98.待测样本进样孔和待测样本储液区组21对应设置，阴性对照进样孔和阴性对照储液区22a对应设置，阳性对照进样孔和阳性对照储液区22b对应设置，基底试剂进样孔和基底试剂储液区23a对应设置，终止试剂进样孔和终止试剂储液区23b对应设置，洗涤液进样孔和洗涤液储液区24对应设置，缓冲液进样孔和缓冲液储液区23c对应设置，抗体进样孔和抗体储液区23d对应设置，一抗包被检测区6和检测点27对应设置。上盖17和数字微流控芯片16封装设置实现一抗的预埋。
99.上述数字微流控芯片系统，可通过调整图案化上盖和数字微流控芯片设计扩展检测通量。
100.请参考图2，在一个实施例中，上盖的制备方法如下：
101.s1、将上盖的导电面的一抗包被检测区6用遮挡片11进行遮挡。
102.s2、在上盖的导电面制备疏水层5。
103.具体的，疏水层可以采用悬涂的方法制备。可以理解，疏水层也可以采用其他方法制备。
104.s3、移除一抗包被检测区6上遮挡片11。
105.s4、在一抗包被检测区6处捕获一抗进行修饰。
106.通过对上盖进行图案化处理，将一抗包被检测区6进行遮挡后再进行疏水层的覆盖，然后移去遮挡，可以实现对检测区域进行一抗包埋处理。
107.在一个实施例中，遮挡片11可以为单面胶。
108.在一个实施例中，在一抗包被检测区6处捕获一抗进行修饰的方法如下：
109.s42、将一抗包被检测区6按照每列一种目标抗原所对应的一抗进行修饰，在4℃的环境下静止12-18小时，然后应用清洗缓冲液清洗。
110.s44、再加入封闭缓冲液室温条件下静止2小时，再采用清洗缓冲液清洗后，即得到带有一抗修饰的上盖。
111.具体的，请参考图3，根据自左向右的顺序，按照每列一种目标抗原所对应的一抗121、122、123、124和125进行修饰，在4℃的环境下静止12-18小时，然后应用清洗缓冲液清洗两遍，再加入封闭缓冲液室温条件下静止2小时，最后应用清洗缓冲液清洗2遍，即得到带有一抗修饰的数字微流控芯片上盖。检测区域自上而下前三排每一排对应一种待测样品131、132和133，第四排为阳性对照组14，第五排为阴性对照组15。
112.其中，清洗缓冲液可以为含有0.05％的tween-20的磷酸盐缓冲液(pbs)。
113.封闭缓冲液可以为含有5％蔗糖和2％牛血清白蛋白的pbs溶液。
114.上述数字微流控芯片系统的截面图如图5所示。上述数字微流控芯片系统包括基底1、电极阵列2、介电层3、疏水层4、上盖疏水层5、一抗包被检测区6、上盖7、间隙控制结构8和液体移动空间9。上述数字微流控芯片包括其中的基底1、电极阵列2、介电层3和疏水层4。
115.如图4所示，将数字微流控芯片16与图案化处理的上盖17按照图示方式进行封装。上盖7的一抗包被检测区6在数字微流控芯片16上垂直方向的投影位置即为检测点(如图1所示)。
116.此外，还提供一实施方式的酶联免疫检测系统，包括数字微流控芯片系统、驱动控
制单元和光学检测系统。驱动控制单元用于驱动数字微流控芯片系统内的液体流动，光学检测系统用于检测检测点的光学信号。
117.上述酶联免疫检测系统，通过对片上elisa检测流程进行相关路径载入，将相关试剂和样品载入数字微流控芯片系统上，运行路径程序，可以完成自动化elisa检测，应用光学检测系统可以实现对检测点进行光信号采集，从而获得elisa检测结果。
118.此外，还提供一实施方式的采用上述酶联免疫检测系统的检测方法，包括以下步骤：
119.s10、请参考图6，向如图1所示的数字微流控芯片的对应储液区分别加入所需体积的待测样本28、阳性对照29、阴性对照30、基底试剂31、终止试剂32、缓冲液33、抗体34和洗涤液35。
120.s20、定量分配缓冲液33，生成缓冲液液滴36，转移至全部检测点27。
121.具体的，请参考图7，定量分配缓冲液33生成25滴体积为4微升的缓冲液液滴36并转移至25个检测点27。
122.s30、定量分配阳性对照29，产生阳性对照液滴，转移至阳性对照检测点，阳性对照液滴与缓冲液液滴36混合组成阳性对照反应液液滴37b。
123.s40、定量分配阴性对照30，产生阴性对照液滴，转移至阴性对照检测点，阴性对照液滴与缓冲液液滴36混合组成阴性对照反应液液滴37a。
124.具体的，请参考图8，定量分配阳性对照29和阴性对照30，各产生5滴体积为4微升的液滴并转移至检测点与缓冲液液滴36混合组成体积为8微升的反应液液滴37b和37a。
125.s50、定量分配待测样本28，产生待测样本液滴，转移至待测样本检测点组，待测样本液滴与缓冲液液滴36混合组成待测样本反应液液滴37c，静置。
126.具体的，请参考图9，定量分配待测样本28，各产生5滴体积为4微升的液滴并转移至检测点与缓冲液液滴36混合组成体积为8微升的反应液液滴37c，静置1小时。
127.s60、将阳性对照反应液液滴37b、阴性对照反应液液滴37a和待测样本反应液液滴37c均依次转移至废液区25形成废液38。
128.s70、定量分配洗涤液，产生洗涤液液滴39，清洗阳性对照反应液液滴37b经过的路径、阴性对照反应液液滴37a经过的路径和待测样本反应液液滴37c经过的路径以及全部检测点，将使用后的洗涤液液滴39转移至废液区25。
129.具体的，请参考图10，定量分配洗涤液产生若干滴体积为4微升的洗涤液液滴39，清洗检测点和反应液液滴37a、37b和37c经过的途径共4次，将使用后的洗涤液液滴39转移至废液区25。
130.s80、定量分配抗体34，产生抗体液滴40，转移至全部检测点，静置。
131.具体的，请参考图11，定量分配抗体34产生25滴体积为8微升的抗体液滴40并转移至检测点，静置1小时。
132.s80中，抗体34为二抗。
133.s90、定量分配洗涤液，产生洗涤液液滴39，清洗全部检测点，将使用后的洗涤液液滴39转移至废液区25。
134.具体的，请参考图12，定量分配洗涤液产生若干滴体积为4微升的洗涤液液滴39，清洗检测点共4次，将使用后的洗涤液液滴39转移至废液区25。
135.s110、定量分配基底试剂31，产生基底试剂液滴41，转移至全部检测点，静置。
136.具体的，请参考图13，定量分配基底试剂31产生25滴体积为4微升的基底试剂液滴41并转移至检测点，静置15分钟。
137.s120、定量分配终止试剂32，产生终止试剂液滴，转移至全部检测点，终止试剂液滴与基底试剂液滴41混合形成反应液液滴42。
138.具体的，请参考图14，定量分配终止试剂32产生25滴体积为4微升的终止试剂液滴并转移至检测点与基底试剂液滴41混合形成体积为8微升的反应液液滴42。
139.s130、请参考图15，检测分别由各个检测点发出的光学信号43，进行结果判定。
140.在一个实施例中，缓冲液液滴、阳性对照液滴、阴性对照液滴、待测样本液滴、洗涤液液滴、基底试剂液滴和终止试剂液滴的体积相同，均为v1。抗体液滴的体积为v2，其中，v2为v1的两倍。
141.上述酶联免疫检测系统的检测系统，及采用该检测系统的检测方法，可以大大的减少在进行elisa流程操作时的人为误差、人工时间成本和试剂的消耗，同时提高了检测的准确率和效率。通过图案化上盖实现了抗原试剂的预埋，将图案化上盖与数字微流控芯片封装使得全流程在封闭的数字微流控芯片中自动完成。反应样本包含阴性对照和阳性对照能够作为参考标准确保检测结果的准确性。通过路径设计和洗涤液清洗可完全避免样本和反应间的交叉污染。可适用于多种光学检测手段实现结果判定。可基于上述数字微流控芯片，通过对芯片电极和对应检测点的合理扩增设计，实现更多组的一对多、多对一和多对多的免疫检测反应，而不受限于96孔板的结构和布局设计。
142.上述酶联免疫检测系统的检测方法，可以兼容市面上常规通用elisa检测试剂盒的检测流程。
143.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。