一种微流控核酸提取检测盒及其使用方法与流程

1.本发明涉及分子检测技术领域，具体而言，涉及一种微流控核酸提取检测盒及其使用方法。


背景技术：

2.目前，核酸检测过程通常由核酸提取，核酸扩增以及核酸的信号检测构成。各个步骤通常是独立的，需要用到独立的仪器设备进行实验、或是通过流水线实现各步骤的之间样本的传递。不论是独立使用的设备还是流水线的设备，虽然通量较高，但是仍然存在设备体积较大、设备成本高、设备运维的条件要求苛刻的问题。
3.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种微流控核酸提取检测盒及其使用方法以实现一站式的核酸提取和扩增，实现核酸检测的即时检验化(poct)。
5.本发明是这样实现的：
6.本发明提供了一种微流控核酸提取检测盒，其包括：自上而下依次设置的上盖板、芯片层和下盖板，上盖板开设有进样口和气压平衡通孔一，芯片层与上盖板的气压平衡通孔一相对应设置有气压平衡通孔二，芯片层上设置有样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔、旋转导流阀、驱动模块、废液腔和反应腔；
7.旋转导流阀包括阀体、阀体给压件和阀体密封膜，阀体给压件套设于阀体上，阀体密封膜设置与阀体底部，且阀体底部设置有径向的流道，阀体相对于阀体给压件进行旋转运动以实现径向的流道分别连通样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔废液腔和反应腔；
8.驱动模块包括活动件和驱动腔，活动件布置在驱动腔内，驱动模块通过活动件在驱动腔中形成负压以对液体进行驱动；阀体密封膜的中心开设有第一通孔，驱动腔的腔体内通过设置微流孔通道与阀体密封膜的通孔连通；在阀体密封膜上开设有第二通孔，第二通孔的位置对应于径向的流道远离阀体中心的一端；第二通孔、径向的流道、第一通孔、微流控通道与驱动腔形成液体流动通路。
9.本发明通过在微流控芯片上设置旋转导流阀、驱动模块以及样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔、废液腔和反应腔等多个模块，通过旋转旋转导流阀，使得旋转旋转导流阀能够通过底部的径向的流道分别连通样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔废液腔和反应腔，使得操作人员能轻松地调整驱动腔与其它各个腔室之间的连通关系，以使得可以依次进行样本裂解、废液排除、清洗、核酸洗脱以及核酸扩增反应。本发明以旋转旋转导流阀作为枢纽，并设置了样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔、废液腔和反应腔，使得本发明提供的微流控核酸提取检测盒能够进行核酸裂解、提纯、扩增以及检测，可实现样本进结果出。且通过旋转旋转导流阀作为枢纽，进而使上
述程序可以有序进行，整体结构简单，操作简单。综上所述，该微流控核酸提取检测盒能够有效地解决分子检测存在的设备体积大、设备成本高、运维条件苛刻的问题。此外，本发明提供的微流控核酸提取检测盒能防止气溶胶污染。
10.上盖板可由弹性塑料或普通塑料制成，弹性塑料例如聚二甲基硅氧烷(pdms)、乳胶、热塑性橡胶(tpr)、热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、硅胶和聚氯乙烯(pvc)中的一种或多种。上盖板主要用于与芯片层上各腔室的密封(或封装)，上盖板上至少设有一个进样口，一个气压平衡通孔。
11.芯片层可由透明的塑料材质组成，如pc，pmma，pdms，abs等。该部分用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。
12.下盖板材料可以选用和芯片层材料一致的塑料材质，也可由不同的塑料材质组成，该部分用于芯片层内微流孔通道的密封以及提供穿刺结构(即凸起)。穿刺结构用于刺破置于芯片层腔室内的封装的试剂薄膜，释放试剂。使用时，可以通过挤压或按压上盖板和下盖板使得试剂的封装膜破裂。下盖板也为阀体材料提供容纳腔室。
13.根据各部分不同材料的选择可以选择不同的加工和密封方式。上盖板例如选自普通的塑料膜片时，可以选择冲切或者激光切割成型，可以选择用双面胶与中间芯片层密封；若上盖板为弹性塑料可以选择3d打印，模具浇筑或者注塑成型等工艺加工，可以选择用胶粘连与中间芯片层连接，特殊的，如上盖板与中间芯片层均为pdms时可以采用等离子耦合(plasma)键合密封。芯片层可以通过3d打印或者注塑等方式加工成型，下盖板由于结构较为简单，除3d打印与注塑亦可通过cnc加工或者模具浇筑等方式，如可通过3d打印出pc材料的下盖板，cnc加工pmma的下盖板，或是以su-8为阳模进行浇筑的pdms盖板。下盖板与芯片层的粘接除了胶粘键合及plasma方式外还可以通过超声键合等方式进行密封。
14.需要说明的是，芯片层的裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔中的试剂通过泡罩的方式封装在芯片对应的腔室内，旋转导流阀和驱动模块置于对应的容纳槽内。旋转导流阀用于各液路之间的连接切换，通过旋转一定的角度实现各腔室与活塞杆腔室的连接。气压平衡孔用于连接后平衡反应腔室内气压。废液腔用来吸收各反应的废液，内部设有海绵或者吸收垫等吸水性质的材料。
15.第二通孔与芯片层各试剂腔室的流道可通过旋转叠设在同一位置，第一通孔与驱动腔始终相连，这样可通过调节旋转导流阀的旋转角度，切换至不同腔室的流道，并保持相连。
16.在本发明应用较佳的实施方式中，上述活动件选自活塞杆、液压活塞、活塞球、泵和按压膜，且活动件与驱动腔的内周壁密封。
17.在本发明应用较佳的实施方式中，上述活动件选自活塞杆，驱动腔选自活塞杆腔。
18.活塞杆腔室作为提取过程的反应混合腔室，设有活塞杆，作为液体驱动的动力源，抽取和驱动液体的流动。通过抽取的方式，使得微流控卡盒中形成负压，使得液体进入相应的腔室内。
19.在其他实施方式中，活塞杆也可替换成外部的活动件，通过活动件与活塞杆腔相连，形成正负压对液体实现驱动。
20.在本发明应用较佳的实施方式中，上述反应腔通过废液排放通道与废液腔连通，反应腔包括多个扩增室，且每个扩增室的两端均设置有常开阀，常开阀的腔室内具有应激
材料。
21.在本发明应用较佳的实施方式中，上述常开阀的腔室内具有热应激的膨胀材料。
22.扩增室用于提取后样本的扩增，内置冻干形式的试剂体系，可根据实际需要设置多个腔室。在扩增室两端各设有一个常开阀，该阀腔室内含有对应的应激材料，只有受到外部的刺激后，该阀会关闭，阻断流道。例如应激材料可为热应激的膨胀材料，当分配完扩增样本后，对阀的位置局部加热到一定的温度范围内，膨胀材料发生膨胀，阻断流道，使扩增腔室形成密闭独立腔室进行扩增反应。膨胀材料可以是发泡微球材料或是其与弹性塑料的复合体。
23.在本发明应用较佳的实施方式中，上述芯片层开设有阀体容纳槽，阀体设置于阀体容纳槽内的腔室内，阀体容纳槽外周壁设置有卡合部，阀体给压件上设有与卡合部配合的卡接部以形成对阀体的按压密封，阀体与阀体给压件之间还设置有垫圈。该垫圈可由弹性材料组成，如ptfe，不仅能提供给压件的按压效果，同时可减小阀体和给压件的摩擦力。
24.在一种可选的实施方式中，卡接部为卡槽、卡扣、卡块、凸起、卡环、卡舌和密封圈，卡合部为卡槽、卡扣、卡块、凸起、卡环、卡舌和密封圈。只要能满足卡合部与卡接部配合，形成对阀体的按压密封均在本发明的保护范围之内。
25.在本发明应用较佳的实施方式中，上述阀体的四周设置有多个向外凸起的支撑柱；这样设置以减小阀体与容纳槽内壁的摩擦阻力。
26.在一种可选的实施方式中，阀体的顶面设置有凹槽。
27.在本发明应用较佳的实施方式中，上述凹槽为“一”字型、“t”字型、“u”字型、“c”字型和“十”字型中的至少一种。凹槽用于与芯片外部仪器的阀体旋转控制组件配合。
28.在本发明应用较佳的实施方式中，上述下盖板在裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔下方设置有凸起，以刺破位于裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔中底部封装的试剂薄膜。
29.在一种可选的实施方式中，清洗液存储腔的数目为两个。可以根据实际的检测情况，选择清洗的次数。
30.本发明还提供了一种微流控核酸提取检测盒的使用方法，具体包括以下步骤：
31.将样本从进样口上样至样本盒中；调节旋转导流阀使得样本腔与驱动腔连通，通过驱动活动件在驱动腔内活动以使得样本进入驱动腔；
32.然后调节旋转导流阀与裂解液存储腔相连，通过驱动活动件在驱动腔内活动以使得裂解液进入驱动腔与样本反应，释放核酸，通过磁珠吸附核酸，将磁铁靠近驱动腔；
33.待裂解完毕，调节旋转导流阀与废液腔相连，排出废液；
34.再调节旋转导流阀与清洗液存储腔相连，吸入清洗液，再将磁铁靠近驱动腔，调节旋转导流阀与废液腔相连，排出清洗废液。在其他实施方式中，可根据需求在进行1-2次的清洗，清洗步骤与第一次清洗一致。
35.调节旋转导流阀与洗脱液存储腔相连，吸入洗脱液洗脱后，调节旋转导流阀至反应腔，将洗脱液分配至反应腔中进行反应，启动外部的应激信号，关闭常开阀，启动扩增反应。同时检测扩增过程中荧光信号强度。
36.在一种可选的实施方式中，清洗次数为1-3次。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.本发明通过在微流控芯片上预封装核酸提取和检测的试剂，通过在微流控芯片上设置旋转导流阀、驱动模块以及样本腔、裂解液存储腔、清洗液存储腔、洗脱液存储腔和废液腔等多个模块进行配合，进行核酸的裂解、洗涤和洗脱，实现核酸的提取，最后分配至芯片内的反应腔进行扩增，实现了提取扩增一体化，降低人员的操作要求，简化了人工的干预，实现一站式“样本进，结果出”。极大程度上补充了社区医院的检测资源。该微流控核酸提取检测盒能够有效地解决分子检测存在的设备体积大、设备成本高、运维条件苛刻的问题。此外，本发明提供的微流控核酸提取检测盒能防止气溶胶污染。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
40.图1为微流控核酸提取检测盒结构图；
41.图2为图1的爆炸图；
42.图3为微流控核酸提取检测盒中间芯片层正面示意图；
43.图4为微流控核酸提取检测盒中间芯片层背面示意图；
44.图5为微流控核酸提取检测盒中间芯片层爆炸图；
45.图6为微流控核酸提取检测盒中间芯片层长轴剖面图；
46.图7为旋转导流阀体的结构图；
47.图8为微流控核酸提取检测盒核酸提取扩增流程示意图。
48.图标：100-上盖板；110-气压平衡通孔一；120-进样口；200-芯片层；210-旋转导流阀；211-径向流道；212-阀体；2121-阀体支撑柱；2122
‑“
一字形”凹槽；213-阀体给压件；214-垫圈；215-阀体密封膜；2151-第一通孔；2152-第二通孔；216-阀体容纳槽；220-气压平衡孔二；230-活塞杆；231-活塞杆腔；240-样本腔；250-裂解液存储腔；260-清洗液存储腔一；270-清洗液存储腔二；280-洗脱液存储腔；290-反应腔；291-常开阀；292-废液腔；300-下盖板；310-凸起。
具体实施方式
49.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。
50.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。
51.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。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置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，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
54.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.实施例1
56.请参阅图1和图2，本实施例提供了一种微流控核酸提取检测盒，其包括自上而下依次设置的上盖板100、芯片层200和下盖板300。上盖板100可由弹性塑料或者是普通塑料膜片等材料组成，该部分主要用于与芯片层200上各腔室的密封。芯片层200用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。下盖板300用于芯片层200内流道层的密封以及提供穿刺结构(即凸起310)和阀体212材料容纳腔室。
57.具体的，参照图1所示，上盖板100开设有进样口120和气压平衡通孔一110，图2所示，芯片层200与上盖板100的气压平衡通孔一110相对应设置有气压平衡通孔二。图3和图4所示，芯片层200上设置有样本腔240、裂解液存储腔250、清洗液存储腔、洗脱液存储腔280、旋转导流阀210、驱动模块、废液腔292和反应腔290。
58.如下为本发明微流控核酸提取检测盒的材料选择：
59.上盖板100可由弹性塑料如pdms等或者是普通塑料膜片等材料组成。芯片层200可由透明的塑料材质组成，如pc，pmma，pdms，abs等。该部分用于核酸提取试剂的封装，作为核酸提取流程和扩增流程反应的载体。下盖板300材料可以选用和芯片层200材料一致的塑料材质，也可由不同的塑料材质组成，该部分用于芯片层200内流道层的密封以及提供穿刺结构和阀体212材料容纳腔室。
60.根据各部分不同材料的选择可以选择不同的加工和密封方式。上盖板100若是普通的塑料膜片可以选择冲切或者激光切割成型，可以选择用双面胶与中间芯片层200密封；若上盖板100为弹性塑料可以选择3d打印，模具浇筑或者注塑成型等工艺加工，可以选择用胶粘连与中间芯片层200连接，特殊的，如上盖板100与中间芯片层200均为pdms时可以采用等离子耦合(plasma)键合密封。芯片层200可以通过3d打印或者注塑等方式加工成型，下层盖板由于结构较为简单，除3d打印与注塑亦可通过cnc加工或者模具浇筑等方式，如可通过3d打印出pc材料的下盖板300，cnc加工pmma的下盖板300，或是以su-8为阳模进行浇筑的pdms盖板。下盖板300与芯片层200的粘接除了胶粘键合及plasma方式外还可以通过超声键合等方式进行密封。
61.芯片层200为微流控核酸提取检测盒的核心部分，包含样本腔240、裂解液存储腔250、清洗液存储腔、洗脱液存储腔280、旋转导流阀210、活塞杆230、活塞杆腔231、废液腔292、反应腔290以及构成微流孔的流道、通孔。上层芯片用于中间层的试剂腔室的封装，芯片下层在中间层预封装的试剂腔下设有凸起310，以刺破位于裂解液存储腔250、清洗液存储腔、洗脱液存储腔280中底部封装的试剂薄膜，释放试剂。
62.本实施例中，设置有两个清洗液存储腔，分别是清洗液存储腔一260和清洗液存储腔二270，以便于更好的清洗磁珠。
63.图3和图4为芯片的正面和背面示意图。正面为样本和提取试剂的容纳腔室，提取试剂通过泡罩的方式封装在芯片对应的腔室内，旋转导流阀210和活塞杆230置于对应的阀体容纳槽216内，从而实现将各试剂引入活塞杆腔231内。
64.图4所示，芯片的背面为试剂反应腔290室以及连通的流道和通孔，除了提取试剂腔室外，还包括气压平衡孔二220，废液腔292，和一组核酸扩增的反应腔290以及腔室两端的常开阀291。旋转导流阀210用于各液路之间的连接切换，通过旋转一定的角度实现各腔室与活塞杆腔231室的连接。
65.活塞杆腔231室作为提取过程的反应混合腔室，设有活塞杆230，作为液体驱动的动力源，抽取和驱动液体的流动。气压平衡孔二220用于连接后平衡各个腔室内的气压。废液腔292用来吸收各反应的废液，内部设有海绵或者吸收垫等吸水性质的材料。
66.核酸扩增的反应腔290用于提取后样本的扩增，内置冻干形式的试剂体系，可根据实际需要设置多个腔室。在反应腔290的两端各设有一个常开阀291，该阀腔室内含有对应的应激材料，只有受到外部的刺激后，该阀会关闭，阻断流道，例如应激材料可为热应激的膨胀材料，当分配完扩增样本后，对阀的位置局部加热到一定的温度范围内，膨胀材料发生膨胀，阻断流道，使扩增腔室形成密闭独立腔室进行扩增反应。膨胀材料可以是发泡微球材料或是其与弹性塑料的复合体。
67.参照图5和图6所示，芯片层200内旋转导流阀210和活塞杆230在芯片层200内的封装结构显示。芯片层200内设有旋转导流阀210和安装活塞杆230的活塞杆腔231。整个旋转导流阀210的结构由阀体给压件213，垫圈214，阀体212，阀体密封膜215自上而下组装形成。阀体给压件213上设有卡槽，与阀体容纳槽外壁上的卡扣配合，形成对阀体212的按压密封。
68.给压件和阀体212之间设有垫圈214，该垫圈214可由弹性材料组成，如ptfe，不仅能提供给压件的按压效果，同时可减小阀体212和给压件的摩擦力。
69.阀体212如图7展示，正面有凹槽，图示为“一字形”凹槽2122，也可为其他类型，如“t”字型、“十”字型等，用于与芯片外部仪器阀体212旋转控制组件配合。阀体212的底部设有一条径向流道211，用于液体的过渡流通。
70.参照图6所示，在阀体密封膜215的中心开设有第一通孔2151，驱动腔的腔体内通过设置微流孔通道与阀体密封膜215的通孔连通；在阀体密封膜215上开设有第二通孔2152，第二通孔2152的位置对应于径向的流道远离阀体212中心的一端。第二通孔2152、径向的流道、第一通孔2151、微流控通道与驱动腔形成液体流动通路。
71.阀体212密封薄膜用于阀体212底部流道的密封。第二通孔2152与芯片层200各试剂流道的通孔通过旋转可叠设在同一位置，第一通孔2151与活塞杆腔231始终通过微流孔通道相连，这样即可通拖调节旋转角度，切换至不同流道的相连。
72.此外，参照图7所示，在阀体212四周设有多个向外凸起310的阀体支撑柱2121，减小阀体212与容纳槽内壁的摩擦阻力。
73.实施例2
74.结合图8，本实施例提供了一种微流控核酸提取检测盒的使用方法。
75.具体包括如下步骤：
76.将样本加入样本室内，此时调节旋转导流阀210样本室与活塞杆230室连通，吸取样本液进入活塞杆230室(活塞杆腔231)；调节旋转导流阀210与裂解液相连，吸取裂解液进入活塞杆腔231与样本反应，释放核酸，并被裂解液中的磁珠吸附，磁体靠近活塞杆腔231，待裂解完毕，调节旋转导流阀210与废液腔292相连，排出废液腔292；再调节旋转导流阀210与清洗液相连，吸入清洗液，再将磁铁靠近活塞杆腔231，调节旋转导流阀210与废液腔292相连，排出清洗废液；可根据需求在进行1-2次的清洗，清洗步骤与第一次清洗一致。待清洗完毕后，调节旋转导流阀210与洗脱液相连，吸入洗脱液后，待其充分洗脱，调节旋转导流阀210至扩增腔室，将洗脱液分配至各扩增腔室与扩增的冻干试剂进行反应，启动外部的应激信号，关闭常开阀291，启动扩增反应，同时检测扩增过程中荧光信号强度。
77.需要说明的是，本发明提供的微流控核酸提取检测盒可根据扩增试剂体系既能用作变温的pcr检测，也可用作恒温的扩增如lamp、rap等扩增方式。
78.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。