一种磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置
本发明属于微流控芯片，特别涉及一种磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置。
背景技术：
1、随着生活水平的提升，更多的食物来源和烹饪方式无疑也增加了食源性致病菌感染的途径，全球食源性病原体感染呈上升态势。亟需一种高效可靠的食源性致病菌的检测方式，预防由于食源性致病菌污染食品导致食物中毒事件的发生。
2、核酸作为生物独特的“身份证”，通过食源性致病菌特征核酸片段的检测，可以实现对其的灵敏特异性探测。其中磁珠法作为一种经典的核酸检测技术，主要是在磁场中通过操作表面修饰有官能基团或特异性探针的磁性纳米粒子，实现对特定的生物有害物或核酸的分离、富集和检测，具有检测灵敏度高、特异性好等优势。然而常规磁珠法的操作过程十分繁琐，制约其在现场即时检测中的应用，因此实现其操作的自动化成为本领域研究的热点。
3、随着微流控技术的发展，许多常规的实验都可以转移到微流控芯片上进行反应和测定。微流控，是一种精确控制和操控微尺度流体，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于微米级的结构，流体在微流控芯片中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。同时还有着体积轻巧、使用样品及试剂量少、能耗低，且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点。如何摆脱传统的大型实验检测系统的束缚和限制，将微流控芯片应用于食源性致病菌的检测，在芯片的微流道及反应腔中实现对致病菌的自动化捕获、dna提取、纯化及分离等操作，并且能够实现现场即时检测，短时间内将结果输出，真正实现食源性致病菌的快检，一直以来都是亟待解决的难题。
4、基于此，我们设计了一种将磁珠法与微流控芯片相结合的食源性致病菌的自动化捕获装置，将制作好的微流控芯片的微流道分别进行物理和化学的亲水处理，可实现多次加样且亲水层不被破坏，利用舵机旋转带动压杆作为机械阀，可实现微流道的开启与关闭，对液体流动进行控制。该装置集成小型化且结构简单，可应用于各种各样的生物实验，实现对各种食源性致病菌的捕获及检测。
技术实现思路
1、本发明的目的是提出一种磁珠法与微流控芯片相结合的食源性致病菌捕获装置，可以多装置协同控制，实现对一种菌的多路检测，提升检测结果的准确性；或对多种细菌的同时进行捕获及检测，实现对食源性致病菌的现场快检。该装置包括微流控芯片夹具、底座、机械微阀、磁力搅拌模块以及底板。
2、所述磁力搅拌模块包括一块arduino控制板、步进电机、安装在电机中心轴上的旋转台、旋转台上的磁铁以及与步进电机相对于的电机驱动器和负责供电的开关电源盒。旋转台采用3d打印的方法进行制造，旋转台通过杆上带有电机中心轴的逆结构的凹槽与电机中心轴连接，旋转台台面上设有对称的两个圆形凹槽，两块圆形磁铁放置在凹槽内，通过双面胶固定，磁铁本身有磁极之分，应确保两块磁铁朝上的面极性相反，以模拟市面上磁力搅拌器的内部结构，且具有小巧、便携的优点。磁珠及样品的混合液注入反应腔之后，打开开关，磁铁旋转带动反应腔内磁珠运动，加速磁珠对细菌的捕获及混合速率，且通过改变驱动器细分来实现电机调速，使反应更加充分完全。
3、所述机械微阀包括总线舵机以及连接在舵盘上的压杆，在控制方面，总线舵机采用串口的形式发送指令，使舵机按照既定的速度目标位置执行工作。舵盘带动压杆精确旋转到达指定位置使流道截止。各个装置上的总线舵机可以串联控制，即一个舵机串一个舵机，最后接到控制板上，通过python编程实现对各个舵机的单独控制以及协同控制。压杆抬起，阀开启，流道流通，液体由反应腔流入废液池；压杆压下，阀关闭，流道截止，液体停止流入。
4、所述微流控芯片是一个由进样层、流道层与基底层组成的三层结构，进样层的材料为pvc，流道层采用3m胶，基底层选用实验室常用的载玻片，流道层与进样层上的流道图案采用激光切割工艺进行制备。通过中间具有双面粘性的透明流道层将三层结构粘合在一起，完成组装。整个芯片的结构由加样腔、反应腔、废液腔、通气孔以及连接各腔体之间的微流道组成。加样腔用于加样，可注入磁珠、待测样品、洗涤缓冲液和反应体系；反应腔提供混合磁珠与待捕获样品所需的腔体场所，以便提高磁珠对待捕获样品的捕获效率。反应腔被上层pvc膜所封闭，只留有直径为0.4mm的通气孔，最大限度防止腔内液体被污染的同时平衡液体进出时腔内的气压平衡。废液腔上固定海绵片，用于吸收废液。
5、所述芯片夹具及电机底座是由3d打印制作而成，材料为abs，具有耐磨性、抗冲击性等优良性能。底座主要用来安装步进电机以及固定步进电机驱动器，底座上有配合步进电机尺寸的凹槽，驱动器与外部一块arduino微控制器连接，驱动器接收来自arduino的脉冲信号，并将脉冲转换成适当的电流和电压，以控制步进电机的运转。通过控制脉冲频率和脉冲数，可以实现步进电机的不同转速和转动方向。芯片夹具顶部有开口，方便微流控芯片的拿取更换；夹具上放置芯片的平面与水平面呈7°的夹角，使液体能够在重力的作用下顺利流通；夹具的一侧设有“u”型槽，用以放置舵机，并用螺钉螺母对舵机进行固定。
6、本发明的有益效果在于：
7、1、本发明利用步进电机带动磁铁旋转进行搅拌，驱动磁珠运动，不需要将装置放在磁力搅拌器或三维亥姆霍兹线圈内进行驱动，将装置小型化，便携，适用于现场即时检测。
8、2、利用激光切割机切割3m胶和pvc薄膜制作微流控芯片，与传统的pdms芯片相比，制作方法简单，pdms芯片需要除泡、加热固化、翻模、键合等工艺，制作过程较为繁琐；并且与pdms芯片相比，成本大大降低。
9、3、采用总线舵机而非普通舵机对机械微阀进行控制，只需一块驱动板便可实现对多个舵机进行控制，方便将舵机串联进行多装置的协同控制，简化复杂繁琐的操作过程，使操作更方便。
10、4、通过装置整体开放式设计，从而能够方便与自动加样装置、温控装置、荧光激发装置、图像处理系统等相互配合，共同实现食源性致病菌检测的自动化。
技术特征：
1.一种磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其中，所述装置至少包括微流控装置(1)、磁力搅拌模块(2)和底板(3)；所述微流控装置(1)包括总线舵机(11)、压杆(12)、芯片夹具(13)、微流控芯片(14)、顶端夹紧滑块(15)，其特征在于，所述微流控芯片(14)为三层结构，底层为玻璃基底，顶层为塑料膜，中间层为双面胶，利用中间层的双面粘性将三层结构紧密地贴在一起；所述微流控装置(1)通过总线舵机旋转带动压杆来实现流道的开启和关闭；所述磁力搅拌模块(2)包括步进电机驱动器(21)、底座(22)、步进电机(23)、旋转台(24)、圆柱形磁铁(25)、楔形平台(26)；所述装置通过电机带动磁铁旋转产生的变化磁场对磁珠进行驱动从而进行捕获。
2.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，所述玻璃基底预先要进行亲水处理，包括等离子清洗机处理和用亲水试剂进行化学亲水处理；顶层塑料膜材质为pvc或pet，中间层为3m胶，使用激光切割的方法对顶层和中间层材料进行切割图案化，完成对微流控芯片结构的加工。
3.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，微流道宽度为600μm，进样腔(1421)、反应腔(1423)、废液池(1424)之间通过微流道(1422)进行连接。
4.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，夹具平面与水平面呈一定的夹角，放置芯片后通过顶端夹紧滑块(15)进行夹紧；夹具一侧根据舵机(11)的外形尺寸设有u型槽，槽上开有圆孔，用于放置舵机，用螺钉螺母进行固定。
5.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，其底端有配合电机(23)转子形状的凹槽，凹槽内径略大于转子的直径，以方便安装，通过形状进行配合，从而随电机一同旋转。
6.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，两块圆柱形磁铁(25)朝上的面极性相反，即一面n极，一面s极，通过3m双面胶固定在旋转台(24)上。
7.根据权利要求1所述的磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置，其特征在于，底板上打有阵列螺纹孔(31)。
技术总结
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种磁珠法与微流控芯片结合的食源性致病菌捕获装置。在反应腔中利用芯片下方的电机带动磁铁旋转产生的变化磁场驱动磁珠主动运动，增大了磁珠与待测物的接触概率，缩短了捕获时间，提高了捕获效率。在微流控装置上安装舵机，通过舵机旋转带动压杆按压流道形成机械微阀，控制流道的启闭，微阀开启，废液在重力及毛细力的作用下被废液池中的海绵片吸收。将多个装置安装在底板上进行集成，便携的同时可实现多装置同时工作，自动化混合，提高了工作效率，为微流控芯片中磁珠对致病菌的捕获及进一步检测提供了新的机械装置。
技术研发人员：张文强,张照轩,许文涛,朱龙佼,周伟,樊彧轩
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5