一种多功能核酸快速检测微流控系统以及应用技术方案

本发明专利技术提供一种多功能核酸快速检测微流控系统以及应用，所述系统包括：用于高通量快速筛查待测核酸样本的阵列微腔芯片，以及用于快速定量核酸基因拷贝数的微流控液滴芯片或微流控微腔芯片，所述阵列微腔芯片、微流控液滴芯片或微流控微腔芯片共用一个快速热循环平台，可在15分钟内完成单次检测。本发明专利技术既可以实现对待测样本的高通量快速筛查，还可以实现对确诊病例的病毒载量的快速精准定量，并且具有检测时间短、检测精度高的优点，在进行新冠核酸检测时，能够对疑似阳性患者的核酸样本进行高通量的快速筛查，还能对感染病例的病毒载量完成快速、灵敏度高、准确度高的绝对定量分析，有效评估患者体内的病毒载量，具有深远的临床检测意义。的临床检测意义。的临床检测意义。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能核酸快速检测微流控系统以及应用


[0001]本专利技术涉及核酸检测领域，更具体地涉及一种多功能核酸快速检测微流控系统以及应用。

技术介绍

[0002]目前，SARS
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CoV
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2病毒所引起的新冠肺炎(COVID
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19，coronavirus disease 2019)已经席卷全球。其较强的传染率和较高的死亡率时刻威胁着人们的生命，并且对全球的经济和社会的稳定都造成了不可小觑的影响。但是由于目前仍然缺乏有效的疫苗或者治疗手段，早期的诊断和及时的隔离对遏制新冠传播至关重要。因此，能够进行重点防疫场所的现场快速检测对于确定感染者(无症状或有症状)以及追踪可能的密接接触者都非常重要；此外，病毒载量的分析有助于对新冠患者进行风险评估，从而为个性化治疗、疾病的检测以及药物筛选提供良好的研究基础。遗憾的是，目前还没有多功能化的、检测速度快的诊断工具和方法。虽然基于免疫分析的抗原检测是一种目前相对流行的技术，其操作简便、快速且成本低，但是抗体的产生过程中存在一个延迟性，这会阻碍感染者早期的诊断。所以目前作为新冠检测的金标准仍然是基于PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应)的核酸检测方法，其具有良好的检测准确性。
[0003]目前大部分的PCR方法仍然是以中心化实验室为依托进行部署，整个检测的周转时间耗时较长(至少3小时)，再到待测者获得检测报告结果时可能已经耗时1～2天。而一些基于等温扩增的新型核酸检测方法确实能够有效的缩短检测时间，但是由于其反应体系复杂，扩增特异性不强且灵敏度低等缺点，目前还是无法取代PCR方法，并且众多基于等温扩增的核酸检测方法无法实现在单一反应体系内同时检测多个核酸靶标。
[0004]针对上述缺点，基于微流控芯片的PCR方法逐步兴起，其结合微流控技术，有效降低了反应体系的热容，从而使反应体系可以与外界的热循环装置进行快速的热交换，将传统的检测耗时从数小时量级缩短到分钟量级。但是，一方面大部分快速PCR技术依赖于终点法检测以获取定性分析，或者是利用半定量的荧光定量PCR原理，这些方法无法给出较可靠的具有基因组拷贝数差异的核酸浓度结果，即病毒载量相关的核酸绝对定量分析结果。另一方面，即便是一些商业化的现场核酸诊断设备，也只能在单次开机运行过程中检测单个样本，并且成本高昂。因此，在面对新冠疫情这类大流行疾病时，多功能、快速高效、准确灵敏的核酸检测微流控系统亟需被开发出来，其除了能够快速高通量的筛查疑似病例，还应具备准确定量阳性患者体内病毒载量的功能，从而能够有效的定期监测阳性患者的病程，也有利于指导个性化的治疗方案以及药物筛选评估。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种多功能核酸快速检测微流控系统以及应用，从而解决现有技术中核酸扩增反应耗时长、检测精度不高等缺点导致核酸检测效率较低、检测结果信息量有限等问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供一种多功能核酸快速检测微流控系统，所述多功能核酸快速检测微流控系统包括：用于高通量快速筛查待测核酸样本的阵列微腔芯片，以及用于快速定量核酸基因拷贝数的微流控液滴芯片或微流控微腔芯片，所述阵列微腔芯片、微流控液滴芯片或微流控微腔芯片共用一个快速热循环平台，所述多功能核酸快速检测微流控系统可在15分钟内完成单次检测。
[0008]优选的，所述热循环平台可以是选自硅、玻璃、石英玻璃等材料中的一种或多种材料制成的热循环温度控制平台。
[0009]优选的，为了实现反应体系与热循环平台的快速热交换，所述阵列微腔芯片和微流控液滴芯片基底均选自硅、玻璃、石英玻璃、塑料等材料中的任意一种或多种材料制成，且各反应芯片的基底厚度小于1mm。
[0010]所述阵列微腔芯片包括至少四个相互独立的毫米尺度的反应腔室，单个反应腔室内可容纳1～10μL的反应体系，各反应腔室的直径为2～5mm，各反应腔室的高度为2～5mm。
[0011]所述阵列微腔芯片采用了薄玻璃片基底，实现快速的热交换，从而完成快速核酸扩增反应；通过构造多个毫米量级的通孔，随后键合在薄玻璃片基底上。
[0012]所述微流控液滴芯片包括：试剂加载外壳、液滴生成结构层、玻璃盖板以及基底层；其中，所述液滴生成结构层与所述玻璃盖板在所述基底层上并排布置，所述试剂加载外壳包括：分别用于加载液相和油相的液相装载腔室、油相装载腔室；所述液滴生成结构层包括：在下方分别与所述液相装载腔室和油相装载腔室连接的液相进样口、油相进样口，以及用于生成液滴的十字结构喷口；所述玻璃盖板通过双面胶或者紫外固化胶固定于所述基底层之上并在二者之间形成一个微滴存储腔，所述一个微滴存储腔内可容纳10000～50000个微米级样本反应单元。
[0013]在所述微流控液滴芯片中，所述液滴生成结构层的厚度为50～200μm，所述液相进样口、所述油相进样口的内径尺寸为30～150μm，所生成液滴的直径为40～150μm；所述微滴存储腔的高度为100～200μm，所述微滴存储腔的面积为2～5cm2。
[0014]所述微流控液滴芯片具备将核酸扩增反应体系分割成微米级的独立反应单元的功能。优选的，微流控液滴芯片中的存储腔内可容纳10000～50000个微米级样本反应单元。进一步优选的，存储腔内的样本反应单元为油包水微滴形式，该液滴的直径为40～150μm。
[0015]所述微流控液滴芯片的优点包括以下几个方面：其一，采用薄玻璃片基底，从而实现快速的热交换；其二，采用玻璃腔结构，防止传统PDMS材料多孔结构导致的油相吸收而引发的液滴融合，液滴更加稳定；其三，玻璃材质能够耐住PCR热循环变性的高温，硬度上不会随温度产生波动；第四，采用试剂装载外壳更加便于与标准的鲁尔接头的气泵连接进行液滴生成。
[0016]所述微流控液滴芯片的存储腔通过固定厚度的双面胶制备或采用紫外固化胶固定，具体构造为三明治结构，在玻璃上盖板三个边缘均粘贴双面胶后与基底薄玻璃片粘贴，与大气相通，但是在生成油包水结构液滴时，四周与大气相通的边缘会由于油相的表面张力，不会从边缘流出，保证了液滴存储过程中的稳定性，该存储腔室高度优选为100～200μm。存储腔上表面选自硅、玻璃、石英玻璃等材料中的任意一种或多种材料制成，整个存储腔室的表面积在2～5cm2。此外，存储腔室内样本不与快速热循环平台直接接触，快速热循环
平台将通过所述介质层与存储腔内样本实现热交换。
[0017]快速热循环平台的接触平面为硅基材料，其具有良好的导热性，也兼容半导体工艺，从而可以在上面加工出测温电极和加热电极，实现温控；存储腔室或者芯片均是放置于加热平面即可，介质层可以选择导热硅胶或者液态的导热硅油保证反应腔室内的体系通过薄玻璃片基底可以更好的和硅基加热盘接触；因为硅基加热盘和薄玻璃基底都是硬质的，因此需要一个介质层来有效的保证两者的热接触。
[0018]优选的，该介质层厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能核酸快速检测微流控系统，其特征在于，所述多功能核酸快速检测微流控系统包括：用于高通量快速筛查待测核酸样本的阵列微腔芯片，以及用于快速定量核酸基因拷贝数的微流控液滴芯片或微流控微腔芯片，所述阵列微腔芯片、微流控液滴芯片或微流控微腔芯片共用一个快速热循环平台，所述多功能核酸快速检测微流控系统可在15分钟内完成单次检测。2.根据权利要求1所述的多功能核酸快速检测微流控系统，其特征在于，所述快速热循环平台由选自硅、玻璃、石英玻璃中的一种或多种制成，所述阵列微腔芯片、微流控液滴芯片或微流控微腔芯片的基底由选自硅、玻璃、石英玻璃、塑料中的任意一种或多种制成，且各芯片的基底厚度小于1mm，从而实现所述快速热循环平台与所述阵列微腔芯片、微流控液滴芯片或微流控微腔芯片内的检测体系的快速热交换。3.根据权利要求1所述的多功能核酸快速检测微流控系统，其特征在于，所述阵列微腔芯片包括至少四个相互独立的毫米尺度的反应腔室，单个反应腔室内可容纳1～10μL的反应体系，各反应腔室的直径为2～5mm，各反应腔室的高度为2～5mm。4.根据权利要求1所述的多功能核酸快速检测微流控系统，其特征在于，所述微流控液滴芯片包括：试剂加载外壳、液滴生成结构层、玻璃盖板以及基底层；其中，所述液滴生成结构层与所述玻璃盖板在所述基底层上并排布置，所述试剂加载外壳包括：分别用于加载液相和油相的液相装载腔室、油相装载腔室；所述液滴生成结构层包括：在下方分别与所述液相装载腔室和油相装载腔室连接的液相进样口、油相进样口，以及用于生成液滴的十字结构喷口；所述玻璃盖板通过双面胶或者紫外固化胶固定于所述基底层之上并在二者之间形成一个微滴存储腔，所述一个微滴存储腔内可容纳10000～50000个微米级样本反应单元。5.根据权利要求4所述的多功能核酸快速检测微流控系统，其特征在于，在所述微流控液滴芯片中，所述液滴生成结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛红菊，殷昊，武振华，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：