用于检测生物分子的微流体盒制造技术

本发明专利技术涉及一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒(100)，包括：检测室(140)和基于CMOS的微芯片(142)，样品溶液通过进料通道(124)供应到检测室(140)且经分析的样品溶液通过出口通道(126)从检测室(140)排出，基于CMOS的微芯片(142)包括传感器区(144)和接触区(146)，传感器区(144)设置在检测室(140)中，接触区(146)与检测室(140)流体密封地分离，微芯片(142)的传感器区(144)包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点(130)阵列，且其中，传感器区(140)中的每个测试位点(130)都具有自己的Σ‑Δ调制器(132)，Σ‑Δ调制器(132)用于在电化学检测时对测试位点(130)处产生的电信号进行模数转换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测生物分子的微流体盒
本专利技术涉及用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒(microfluidiccartridge)以及相关的检测方法。
技术介绍
分子生物学的研究和诊断中的许多问题需要确定某些生物分子(例如样品中的某些核酸)的量或浓度。在本文的范围内，术语“核酸”在这里也包括核酸序列。在这里，强大且快速的检测方法采用了使用所谓的DNA芯片的阵列技术，其能对核酸低聚物杂交事件进行表面灵敏检测。通常，在事实上已经是高度灵敏的检测之前，包括扩增步骤，在该扩增步骤中，待检测的核酸被复制，最终它们以高于所选择的检测方法的检测限值的浓度存在。用于核酸的这种特异性扩增的不同方法在
技术介绍
中是已知的，例如，聚合酶链式反应(PCR)。几乎在所有科学和医学领域PCR都已经变得普遍，包括法医学、产前诊断、肿瘤学，尤其是微生物诊断。PCR是一种酶促反应，其用于扩增基本上发生在微量的水性或液体反应混合物中的核酸。在反应中，混合物是含有核酸以及反应所需的引物、核苷酸和聚合酶的样品。通过加入缓冲液和优选的二价离子，根据普遍流行的各种应用类型的最佳反应条件调节反应混合物。PCR基于不同温度下发生的三个步骤(变性、杂交和延伸)的多重重复循环。在每个循环中，要繁殖的核酸的数量大致加倍，从而可以以较少的循环次数实现显著的扩增。PCR的更多细节和背景信息通常在实时PCR中，其中，在PCR反应进行期间确定核酸的数量。参考申请人的专利文献DE102011056606B3中的优选方法，该优选方法用于电化学检测DNA芯片上的测试位点处的核酸低聚物杂交事件，该文件的内容通过引用并入本申请中。用于处理生物颗粒的微流体装置是已知的，例如，文献DE102010043030A1。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种经济的微流体装置，能够容易地且快速地检测生物分子。上述目的通过独立权利要求的特征来解决。本专利技术的改进是从属权利要求的内容。本专利技术提供了一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒，其具有：–检测室，样品溶液通过进料通道供应到检测室，且经分析的样品溶液通过出口通道从检测室中排出；–基于CMOS的微芯片，其包括传感器区和接触区，传感器区设置在检测室中，接触区与检测室流体密封地分离；–微芯片的传感器区包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点阵列；且–传感器区中的每个测试位点都具有自己的Σ-Δ调制器，Σ-Δ调制器用于电化学检测时对测试位点处产生的电信号进行模数转换。Σ-Δ调制器优选地为一阶Σ-Δ调制器，其输出作为数字化信号的对噪声和串扰不敏感的比特流。应当理解的是，为实现完全的模数转换，适当地进一步根据Σ-Δ技术的原理对Σ-Δ调制器输出的比特流进行处理，以在接触区的接触位置处提供经转换的输出信号。在本专利技术的改进中，微流体盒还包括反应室，特别用于扩增样品溶液中的核酸，样品溶液可以从反应室通过进料通道供应到检测室。反应室中的样品溶液优选地可加热至接近其标准沸点的目标温度，且反应室经由补偿通道与正常操作中无液体的压力室流体地连通，该反应室可加热至高于样品溶液的标准沸点的温度，且被设计成蒸发一定量的样品溶液，借助样品溶液中的气泡，该一定量的样品溶液通过补偿通道被推入压力室，从而在反应室中的样品溶液上产生气泡减少反压(gas-bubble-reducingcounterpressure)。微流体盒有利地还包括与反应室和检测室流体连通的集成的泵装置，集成的泵装置用于将样品溶液转移到反应室并从反应室转移指定量的样品溶液到检测室。该泵装置有利地还用于将泵装置中的过程流体供应给外部样品系统，且在用待检测的生物分子富集(enrichment)外部样品系统中的过程流体之后，将由此产生的样品溶液返回微流体盒，特别是反应室，并从反应室将指定量的样品溶液返回到检测室。对于外部样品系统，微流体盒方便地提供有连接器，该连接器特别地形成为鲁尔连接器(Luerconnector)。鲁尔连接器在医疗领域是管道系统的标准化连接系统，其中，连接器的密封通过连接部件的圆锥形设计(所谓的鲁尔锥)实现。为了固定该连接，鲁尔锥(Luercone)包括具有联管螺母的螺纹且然后也被称为鲁尔锁。该连接关闭并打开半圈。术语“鲁尔连接器”还包括通过鲁尔锁的固定连接。有利地，在微流体盒中形成有微通道系统，该微通道系统通过检测室和反应室从泵装置延伸到外部样品系统的连接器。在本申请的范围内，微通道或微流体通道的直径或最大横向尺寸特别地为0.5mm～3.2mm。在有利的发展中，为了能够在微流体盒的反应室中执行PCR，包括可能集成的泵装置的微流体盒由适合PCR的塑料形成，特别是聚碳酸酯。这里，微流体盒例如可以通过增材制造方法(如3D打印)、成形工艺(如热冲压)或特别优选地通过注射成型工艺形成。在一个优选的开发中，泵装置形成为用于将过程流体供应到微流体盒中的微通道系统的双注射器。这里，双注射器包括：–圆筒形外部腔室，其限定了用于接收过程流体的储存器；–圆筒形内部腔室，设置在外部腔室内且该通圆筒形内部腔室在其远端圆筒底面中包括出口孔，该出口孔用于与微流体盒中的微通道系统连接，且其经由通孔与外部腔室流体地连通；–内活塞，其可在内部腔室中可轴向移动，在关闭位置关闭内部腔室侧的通孔，且在释放位置释放通孔，使流体从外部腔室流动到内部腔室；和–环形活塞，其在外部腔室中朝向外部腔室的远端轴向移动；i)其在近端储存位置，关闭用于过程流体的储存器；ii)当内活塞处于其释放位置时，通过其向远端的移动，储存器中的过程流体经由通孔被推入内部腔室中；且iii)在远端关闭位置，关闭外部腔室一侧的通孔，且以这种方式通过所述内活塞朝向近端的轴向移动使流体可以从微流体盒中的微通道系统返回内部腔室中。本专利技术还包括采用所述类型微流体盒检测样品溶液中的生物分子的方法，其中：–样品溶液通过进料通道供应到检测室，并移动到检测室中的基于CMOS的微芯片的传感器区上；和–获得并分析电化学检测生物分子时在功能化测试位点处产生的信号，以检测样品溶液中的生物分子。本专利技术方法的其它有利的步骤可以在下面的附图的描述中找到，特别是图1和图2的描述。附图说明以下参照附图说明本专利技术的优点和另外的示例性实施例，其中省略了尺寸和比例的描述，以便更清楚。图中：图1为采用本专利技术的检测系统检测样品中的核酸的原理示意图；图2示意性地图示了本专利技术的用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒的示例性实施例；图3示意性地图示了沿着图2中的III-III线的微芯片的区域中的微流体盒的横截面；图4为检测室和PCR室的区域中本专利技术微流体盒的一部分的俯视图；图5图示了用于温度可控地处理样品溶液中的生物分子的微流体装置的一部分；图6示意性地图示了可用作微流体盒中的泵装置的双注射器的横截面；图7中的(a)-(c)图示了当供应/返回流体时，图6中的双注射器处于不同的状态；图8中的(a)-(e)图示了当供应/返回流体时，多流体双注射器处于不同的状态。具体实施例图1图示了采用检测系统10检测样品系统90中的样品92中的某些核酸的原理。例如，样品92可以是样品管90中拭子(swab)末端上患者的拭子样品，且该样品92用于对MRSA菌株(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)进行微生物检查。检测系统10包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒，具有：–检测室，样品溶液通过进料通道供应到所述检测室，且经分析的样品溶液通过出口通道从所述检测室中排出；–基于CMOS的微芯片，其包括传感器区和接触区，所述传感器区设置在所述检测室中，所述接触区与所述检测室流体密封地分离；–所述微芯片的所述传感器区包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点阵列；且–所述传感器区中的每个所述测试位点都具有自己的Σ‑Δ调制器，所述Σ‑Δ调制器用于电化学检测时对所述测试位点处产生的电信号进行模数转换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.20 DE 102015001998.81.一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒，具有：–检测室，样品溶液通过进料通道供应到所述检测室，且经分析的样品溶液通过出口通道从所述检测室中排出；–基于CMOS的微芯片，其包括传感器区和接触区，所述传感器区设置在所述检测室中，所述接触区与所述检测室流体密封地分离；–所述微芯片的所述传感器区包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点阵列；且–所述传感器区中的每个所述测试位点都具有自己的Σ-Δ调制器，所述Σ-Δ调制器用于电化学检测时对所述测试位点处产生的电信号进行模数转换。2.根据权利要求1所述的微流体盒，其特征在于，所述接触区通过橡胶圈或圆周铸造复合环与所述检测室流体密封地分离。3.根据权利要求1或2所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒包括反应室，特别用于扩增样品溶液中的核酸，样品溶液通过所述进料通道从所述反应室可供应到所述检测室。4.根据权利要求3所述的微流体盒，其特征在于，所述反应室中的样品溶液可加热到接近其标准沸点的目标温度，且所述反应室通过补偿通道与压力室流体地连通，在正常操作中所述压力室是无液体的，所述压力室可加热到高于所述样品溶液的标准沸点的温度且被设计成蒸发一定量的样品溶液，通过所述样品溶液中的气泡将一定量的样品溶液经由所述补偿通道推入所述压力室，且以这种方式，在存在于所述反应室中的所述样品溶液上产生气泡减少反压力。5.根据权利要求1至4中任一项所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒包括与所述反应室和所述检测室流体连通的集成的泵装置，集成的泵装置用于将所述样品溶液转移到所述反应室并从所述反应室转移指定量的样品溶液到所述检测室。6.根据权利要求5所述的微流体盒，其特征在于，所述泵装置还被配置为将供应到所述泵装置中的过程流体供应到外部样品系统，且在用待检测的生物分子富集所述外部样品系统中的所述过程流体之后，将由此产生的所述样品溶液返回到...

【专利技术属性】
技术研发人员：格哈德·哈特维希，诺贝特·佩尔斯克，菲利普·约翰森，
申请(专利权)人：弗里兹生物分析化学有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE