[发明专利]一种集成式多功能微流控芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成式多功能微流控芯片，主要用于微生物样品中细胞的捕获、细胞裂解、DNA纯化及浓缩和PCR扩增，达到检测样品中微生物的目的，属于生命科学和医学检测领域。

背景技术

微全分析系统的概念于20世纪90年代初首次提出，在此后十余年中该领域已发展为当前世界上最前沿的科技领域之一。微全分析系统将目前现代宏观实验室中的生物化学分析技术的许多过程与步骤，在生物化学分析技术的功能缩微化的基础上，实现生物化学分析技术全分析过程结构集成化，即将传统成熟的生物化学分析技术实验室各种器具和仪器的结构进行缩微，同时将现代宏观实验室中的的生物化学分析技术实验室各种器具和仪器具有的功能进行集成，在100平方毫米左右（甚至更小的面积）的芯片上，实现微型化的全过程与步骤的生物化学分析系统，达到生物化学分析目的。微全分析系统具有检测速度快、试样用量少、通量高等显著的特点，因此深受世界各国的极为关注，并开展了大量的相关研究。

微流控芯片分析技术很快成为实现微全分析系统理念的实用技术，已应用到生物工程、临床医学检验、卫生免疫、国防化学、农业、林业、畜牧业、海洋渔业、法医、运动医学、食品监督检验、制药、化工、环境监测、生化反恐等领域。在产业化方面，全球基于微流控技术的产品的年利润以每年20%的增长率迅速突破150亿欧元。

微流控芯片分析技术是将整个实验室的功能，从加样、反应、分离、检测等过程集成在只有几平方厘米的微型芯片上，目前已经在化学合成，细胞培养，药物高通量筛选，疾病诊断，食品安全，血液分析和环境检测等方面取得重要进展。微流控芯片技术的发展，使得芯片上细胞捕获、细胞裂解和PCR技术得以实现。随着微加工技术的发展，微流体所经过的沟道尺寸从微米级已经进入到纳米级，使得微流控技术的研究对象从细胞级进入到了分子级。微流控技术已经成为当今的研究前沿和热点。

自然条件下，微生物常以群落状态存在，这种群落往往是不同种类微生物的混合体。为了研究某种微生物的特性或者要大量培养和使用某种微生物，必须从这些混杂的微生物群落中获得纯培养物，这种获得纯培养的方法称为微生物的分离与纯化。分离微生物常用的方法有稀释平板分离法和划线分离法，根据不同材料，可以采用不同的方法，最终目的是要分离出目标微生物。

对分离后获得的细胞进行裂解的常用方法包括化学裂解、酶裂解和机械裂解。化学裂解和酶裂解通常是比较温和的方法，通常会很少使DNA断裂。这两种方法（包括SDS和溶解酶处理等）是提取纯化DNA的常用方法。对细菌细胞和病毒颗粒的DNA/RNA的分析是很多技术领域（如诊断学、环境检测、法庭辩论和分子生物学）研究中的关键步骤，为了分析含有核酸的样品，通常需要进行两个步骤。首先，对样品进行破碎、分离和浓缩以产生纯化的核酸提取物。其次，扩增纯化的核酸提取物以增加存在的核酸量，以利于核酸的检测。

常规地，核酸的提取、纯化和扩增是在实验室由经过训练的技术人员手动进行的。这不仅需要有技术熟练的使用者，还由于使用者错误而导致显著的错误率。另外，这种常规提取使得提取、纯化和扩增无法在现场即时进行，因此，生物测定的结果被推迟。因此，需要提供生物测定，其降低和简化使用者输入，并使得测定可在实际取样的时间和地点进行，例如在医生的手术室、诊所、兽医的手术室、甚至在患者的家中或者野外。

微流控芯片分析技术是进行完备的生物反应的有吸引力的选择，它只需要使用者进行尽可能少的试剂操作，并且允许使用小样品的体积，这对于需要昂贵的试剂生物反应而言是一个显著的优点。

曾有一个提供微制造“芯片实验室”装置来提取和纯化含有核酸样品的方法在WO 2005/073691中描述。在该文献中，过滤含有细胞和/或颗粒的样品。将滤液（即细胞和/或颗粒）通过裂解流体进行裂解。然后，使已经裂解的样品通过核酸提取单元。核酸提取并保存在提取单元中，而裂解液流出该单元。合适的核酸提取方法的实例涉及在离液剂存在下使DNA结合到二氧化硅颗粒上。将提出的核酸用一次或多次洗涤溶剂洗涤，然后用洗脱液提取核酸。这个步骤也用于浓缩核酸。

当核酸被提取、浓缩和纯化后，然后通常需要对其进行扩增。通常使用聚合酶链式反应（PCR）技术，聚合酶链式反应技术，也称无细胞克隆技术，作为分子生物学和基因工程的一项重要技术，是一种在引物引导下选择性扩增DNA和RNA片段的方法。PCR技术具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点，能在小容器内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增复制至几十万乃至几百万倍，共分析研究和检测鉴定。