CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置

技术领域

本发明涉及生命医学检测、诊断领域，尤其涉及一种CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置。

背景技术

传统的CD4+T淋巴细胞计数检测往往借助流式细胞仪来完成，其操作复杂度高、检测成本高、检测时间长，对检测环境及操作人员均有较高要求，不利于艾滋病患者的长期诊疗与病情控制。

微流控芯片检测装置具有样本量消耗少、检测速度快、操作简单、方便携带等特点，正成为世界各国日益重视的下一代生物医学检测平台。基于微流控芯片提供的一体化自动化检测平台，研制能够快速、准确、高灵敏度实现CD4+T淋巴细胞计数检测的微流控装置，显著降低检测成本与检测时间，对于改善艾滋病患者的诊疗条件，提高抗病毒治疗的效果具有重要意义。

“一种基于磁珠的CD4+T淋巴细胞自动捕获与计数系统”采用微米级直径的磁珠捕获，并通过强制的芯片震动达到磁珠与样本的混合以及对芯片的离心运动收集磁珠用于检测。本发明采用毫米级大尺寸的物理载体包被CD+T淋巴细胞抗体来捕获检测样品中裂解后的CD4+T淋巴细胞的表面抗原，由此实现对CD4+T淋巴细胞的计数检测。同时在物理载体内部嵌入磁性物质，使得在磁场中可以控制物理载体运动。同时芯片固定，通过改变微流控芯片中不同反应腔之间压强差的方式实现不需要复杂的泵和阀即完成微流控芯片流体控制。

发明内容

本发明提供了一种CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置，该装置可在微流控芯片中自动捕获血液中CD4+T淋巴细胞表面的特定抗原，并由此实现对CD4+T淋巴细胞的计数检测。

为实现上述目的，本发明采用的是一种基于反应载体的CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置，该装置包括微流控芯片4及配套的检测系统。微流控芯片4包括捕获CD4+T淋巴细胞特定抗原的反应载体8、反应腔、检测腔及废液腔。检测系统包括：磁场产生单元2、气孔封闭单元3、控温加热单元B和信号采集处理单元1。其中，反应载体8位于反应腔内，废液腔与反应腔相连，收集反应腔产生的废液，检测腔位于反应腔一侧与反应腔物理隔离；磁场产生单元2位于微流控芯片4正后方，为微流控芯片4提供变化的磁场；气孔封闭单元3位于微流控芯片4废液腔正前方，用于封闭或打开微流控芯片4废液腔上的气孔；控温加热单元B位于微流控芯片4反应腔正前方，为反应腔提供稳定的温育温度；信号采集处理单元1位于微流控芯片4检测腔正上方，用于检测反应信号。通过以上各个单元的紧密配合，实现CD4+T淋巴细胞特定抗原的捕获，清洗，酶的标记及CD4+T淋巴细胞计数检测步骤，简单快捷高效的完成CD4+T淋巴细胞计数检测。

具体而言，反应载体8由反应载体本身和磁性物质组成，其中反应载体本身仅受自身重力作用，磁性物质选用铁芯；对反应载体8进行二次处理，将铁芯固定在反应载体本身的内部，封闭反应载体8，使反应载体8保持完整的整体，此时反应载体8在磁场中即受非接触式磁场力作用，改变外界磁场即控制反应载体8运动。

控温加热单元B包括加热源和测温传感器，其中，加热源为加热电阻膜，测温传感器为热敏电阻，控温加热单元B位于微流控芯片4的反应腔4B正前方，与微流控芯片4紧密贴合，控温加热单元B为反应腔提供合适的反应温度，提高反应效率。

微流控芯片4由盖片一41、腔室层42、盖片二43、废液腔室44和盖片三45组成，盖片一41、腔室层42、盖片二43、废液腔室44和盖片三45顺次键合组成微流控芯片4。检测腔4A、反应腔4B、废液排放通道4C设置在腔室层42上，检测腔4A位于微流控芯片4左上方，且上表面开放且向下收紧的腔室；反应腔4B位于检测腔4A右侧，反应腔4B为侧壁向检测腔4A侧倾斜的上下表面均开放的竖直腔室；废液排放通道4C由连接通道42A、转接孔43A组成，废液排放通道4C位于检测腔4A下侧，与检测腔4A相连；废液腔4D设置在盖片二43、废液腔室44和盖片三45之间，转接孔43A位于废液腔4D后表面一角部，气孔46A位于废液腔4D前表面另一角部；废液腔4D位于检测腔4B下方，通过废液排放通道4C与反应腔4B相连。当气孔45A封闭时，反应腔4B、废液排放通道4C和废液腔4D组成的连通整体只有反应腔4B上表面与空气相连，此时在反应腔4B中注入试剂，试剂的上表面与空气相连，上表面所受的来自空气的压强不变；由于废液排放通道4C细长，反应腔4B注入试剂过程中，被试剂迅速填充封闭，进而未填充试剂部分废液排放通道4C和废液腔4D形成密闭的空间，试剂下表面与密闭空间中的空气接触，注入试剂过程中密闭的空间中的气体被压缩，进而试剂下表面的空气压强增加，最终依靠不同反应腔之间的压强差和试剂表面张力与试剂自身重力平衡使得试剂停留在反应腔4B中与反应载体8进行相关反应，相关反应包括CD4+T淋巴细胞特定抗原的捕获，清洗，酶标记等；当气孔45A打开时，废液腔4D的密闭空间被破坏，与外界空气相同通，使得不同反应腔之间的压强差消失，试剂由于自身重力和表面张力的相互作用沿着废液排放通道4C流入废液腔4D中，完成不需要额外外界驱动力的废液排放；

磁场产生单元2包括电机21a、电机支架22a、丝杆23a、左光轴导轨24a、右光轴导轨25a和运动滑块28a，电机21a与丝杆23a连接，电机21a固定在电机支架22a上，左光轴导轨24a和右光轴导轨25a固定在电机支架22a上，左光轴导轨24a和右光轴导轨25a分别与丝杆23a平行，运动滑块28a通过螺纹与丝杆23a相配合，运动滑块28a沿着左光轴导轨24a和右光轴导轨25a往复运动；

磁场产生单元2还包含定位触控开关26、触控开关固定座27、光耦29、光栅2A、光耦支架2B、转接臂一2C、永久磁铁2D、固定底板二6；其中定位触控开关26、光耦29分别通过触控开关固定座27和光耦支架2B固定在电机支架22a的同一侧；永久磁铁2D固定在转接臂一2C上；转接臂一2C和光栅2A固定在运动滑块28a上；其中运动滑块28a通过转接臂一2C带动永久磁铁2D运动，配合定位触控开关26、光耦29、光栅2A完成运动距离的定位控制，进而产生沿运动方向的可控可变的磁场带动反应载体8在反应腔4B中运动；

气孔封闭单元3包括固定底座三33、软塞31、转接臂二32；软塞31固定在转接臂二32上；转接臂二32固定在运动滑块28b上；运动模块水平固定在固定底座三33上；

该CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置，还包含固定底板一5、装置底板7；其中固定底板二6沿X方向水平固定在装置底板7上；磁场产生单元2中的运动模块竖直固定在固定底板二6上，运动滑块28a带动固定有永久磁铁2D的转接臂一2C沿Z方向做平行于XZ平面的上下运动；永久磁铁2D位于位于微流控芯片正后放，处于检测腔4A，反应腔4B之间；固定底板一5固定在固定底板二6上，微流控芯片4固定在固定底板一5的芯片卡槽内；其中微流控芯片4的检测腔4A、反应腔4B侧壁与XY平面呈一定角度，为由永久磁铁2D的磁场力带动上下运动的反应载体8在不超过反应腔4B的侧壁高度的运动过程中提供偏离检测腔4A的接触式压力，当永久磁铁2D带动反应载体8运动超过反应腔4B的侧壁高度时，反应腔4B的侧壁提供的接触式压力突然消失，反应载体8发生横向移动，进而反应载体8转移至检测腔4A内；

气孔封闭单元3沿Y方向水平固定在装置底板7上，软塞31与微流控芯片4的气孔46A在同一轴心上，运动滑块28b带动转接臂二32沿Y方向运动，使得软塞31紧贴或远离气孔46A，完成气孔的封闭与打开操作；

信号采集处理单元1包括CCD相机C1、副控制器C2和副通信接口92，其中CCD相机C1固定于微流控芯片4上方，副控制器C2与CCD相机C1具有接口可控制读取CCD相机采集检测结果形成图片，并自动识别反应载体8所在位置，将化学发光强度转化为对应的信号强度，基于信号强度推测细胞个数，副控制器C2通过副通信接口92与核心控制器C通讯，接收核心控制器C的指令，执行相关操作并返回检测结果。

该CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置，还包含核心控制器C、通信接口9、人机交互单元A，其中，核心控制器C通过通信接口9的副通信接口92与信号采集处理单元1完成通讯控制；核心控制器C通过主通讯接口91与人机交互单元A通讯。

本发明的CD4+T淋巴细胞计数检测微流控装置通过磁化的反应载体捕获CD4+T淋巴细胞表面的特定抗原，并可借助化学发光、荧光或ELISA比色法进行细胞计数检测。工作时，借助受控的周期性变化磁场，反应载体在反应腔内上下运动，实现反应载体与液体试剂之间的充分反映，并在反应结束后，在外界磁场作用下，反应载体被转移至检测腔完成发光反应，最后，由信号采集处理单元对反应载体进行信号检测与分析处理，并根据信号强度来实现CD4+T淋巴细胞计数检测。与传统CD4+T淋巴细胞计数检测方法相比，本发明能够实现操作简单、方便快捷、检测成本低的高灵敏度CD4+T淋巴细胞计数检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为整体装置结构示意图。

图2为基于CCD相机的检测单元结构示意图。

图3为磁场产生单元结构示意图。

图4为气孔封闭单元结构示意图。

图5为微流控芯片整体示意图。

图6为微流控芯片拆分结构示意图。

图7为微流控芯片倾斜反应腔结构示意图。

图8为反应载体与反应腔初始状态位置示意图。

图9为反应载体与反应腔临界状态位置示意图。

图10为反应载体与检测腔转移结束位置示意图。

图11为荧光检测体系示意图。

图中：1、信号采集处理单元，2、磁场产生单元，3、气孔封闭单元，4、微流控芯片5、固定底板一，6、固定底板二7、装置底板，8、反应载体，9、通信单元，A、人机交互单元，B、控温加热单元，C、核心控制器，C1、CCD相机，C2、副控制器，11、接收光纤，12、滤光片，13、激发光源，14、光电转换单元，21a、电机，22a、电机支架，23a、丝杆，24a、左光轴导轨，25a、右光轴导轨，26、定位触控开关，27、触控开关固定座，28a、运动滑块，29、光耦，2A、光栅，2B、光耦支架，2C、转接臂一，2D、永久磁铁，21b、电机，22b、电机支架，23b、丝杆，24b、左光轴导轨，25b、右光轴导轨，28b、运动滑块31、软塞，32、转接臂二，33、固定底座三，41、盖片一，42、腔室层，43、盖片二，44、废液腔室，45、盖片三，4A、检测腔，4B、反应腔，4C、废液排放通道，4D、废液腔，42A、连接通道，43A、转接孔，45A、气孔，91、主通信接口，92、副通信接口。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

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讨论。

如图1-11所示，该装置操作过程为：将微流控芯片4竖直插入芯片固定槽5内，利用气孔封闭单元3封闭气孔45A，将反应载体8、样本与裂解液注入微流控芯片4的反应腔4B内，通过核心控制器C控制磁场产生单元2运动，使得反应载体8在反应腔4B的试剂液面以下做上下往复运动，完成与反应试剂的充分反应。反应结束后，打开气孔45A，将反应过后的废液排放至废液腔4D中。

与上相同操作，依次完成反应载体8与清洗液以及酶的混合反应，并将反应后的废液排放至废液腔4D中。

在化学发光检测体系中，将反应载体8由反应腔4B转移至检测腔4A内，在激发液中进行化学发光反应。此时基于CCD的图像采集处理单元2接受核心控制器C指令控制开始采集化学发光信号图片并自动分析将检测结果反馈至核心控制器C，核心控制器C通过主通信接口91将检测结果返回至人机交互单元A，完成CD4+T细胞计数检测。

在荧光检测体系中，反应载体8与酶的混合反应后，在反应腔4B内与荧光标记溶液反应，反应完成后，将反应载体8由反应腔4B转移至检测腔4A内。此时，如图11所示，信号采集处理单元1由接收光纤11、滤光片12及激发光源13和光电转换单元14组成，激发光源13产生的激发光激发反应载体8捕获的荧光物质产生荧光。荧光信号通过滤光片12后经过接收光纤11收集传递至光电转换单元14转化为与光强信号对应的电信号传递给核心控制器C，通过电信号的强弱即能够推算CD4+T细胞个数。