CN112871228A - 用于血型检测的微流控检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于血型检测的微流控检测装置，包括微流控芯片，微流控芯片包括圆盘状的芯片本体、开设在芯片本体中部的驱动槽以及环绕设置在驱动孔外周的至少一个可独立进行检测的检测流道单元；检测流道单元包括加样口、加样流道、多个加样腔、连通于所述多个加样腔之间的多个狭长的连接流道、与每个加样腔一一对应的多个检测腔以及与末端的一个加样腔连通的废液腔。本发明通过兼具加样与定量功能的加样腔的结构设计，能简化检测流道的结构，利于微流控芯片的使用；通过加样流道的结构设计，能够避免出现相邻的检测腔之间容易因液体泄露而造成污染的现象；本发明还提供了一种简单易操作的反应结果判断方法，能够实现反应结果的准确判定。

Description

用于血型检测的微流控检测装置

技术领域

本发明涉及微流控领域与医学检验技术领域，特别涉及一种用于血型检测的微流控检测装置。

背景技术

输血相容性检测是确保临床输血安全的必要条件，主要检测内容包括三个部分：血型检定、抗体检定、交叉配血；根据输注成分的不同，也可分为红细胞血型相容性试验和血小板血型相容性试验。以红细胞血型检定为例，检查确定受血者和献血者的红细胞血型，最主要的就是判断ABO血型和RhD血型，因为它们的血型相容性对安全输血临床意义最大。人ABO血型是由其红细胞抗原和血液中的ABO抗体所决定，常规的检定是通过凝集试验：用抗-A和抗-B检查待测红细胞抗原，称为正定型；用A型和B型红细胞检查待测血清中的抗体，称为反定型，健康人正常情况下正反定型相符。唯有新生儿在出生4-6个月之内由于血液中ABO抗体活性太弱且含有来自母亲的抗体，因此新生儿血型只能用正定型方法来检定其ABO血型。需要应用不同的血型定型方案和不同的抗体试剂。

采用微流控芯片作为载体的血型检测装置可快速准确鉴定多种血型，且具有检测通量高、操作简单等优势，从而得到了广泛应用。例如中国专利CN206292243U公开了一种用于血型检测的微流控芯片，其通过若干微流体单元配合离心操控与光学探测设备能实现血型检测，但在使用过程中发现，该微流控芯片存在一些缺陷：1、其微流体单元中包括一个加样腔体和若干定量腔体，使得加样和定量需要两个腔体分别完成，使流道结构复杂化，且增加了操作步骤；2、加样腔体与若干定量腔体之间通过一个分样流道连通，使得在后续操作微流控芯片进行往复式震荡离心时，检测腔体中泄露的部分液体会经过分样流道、定量腔体后会进入到其他的检测腔体中，造成污染，会影响最后的检测结果。

另一方面，对于血型检测结果，有些是采用人工判读，也有采用基于图像处理的判断方法来自动判别阳性反应与阴性反应的方案，但现在采用的判断方法普遍较为复杂，例如中国专利CN201710146269公开的血型检测方法及装置。

所以，现在需要一种更可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于血型检测的微流控检测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于血型检测的微流控检测装置，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括圆盘状的芯片本体、开设在所述芯片本体中部的驱动槽以及环绕设置在所述驱动孔外周的至少一个可独立进行检测的检测流道单元；

所述检测流道单元包括加样口、加样流道、多个加样腔、连通于所述多个加样腔之间的多个狭长的连接流道、与每个加样腔一一对应的多个检测腔以及与末端的一个加样腔连通的废液腔；

所述加样口通过所述加样流道与首端的一个加样腔连通，所述加样腔与检测腔之间设置有离心微阀。

优选的是，所述加样腔呈棱形状，其具有入口端和出口端；

所述入口端和出口端处于正对位置，且所述入口端和出口端的连线的延长线通过所述芯片本体的中心；

多个所述加样腔均匀间隔布置，通过多个所述连接流道依次连通。

优选的是，所述连接流道呈U形状，其具有第一端和第二端，所述连接流道的第一端与所述加样腔的出口端连通，所述连接流道的第二端与相邻的一个加样腔的入口端连通。

优选的是，单个所述检测流道单元的总容积为180-200uL。

优选的是，所述加样口、加样流道的深度均为0.7-1.2mm，加样腔、连接流道及检测腔的深度均为1.2-1.8mm。

优选的是，所述驱动槽为半圆形槽。

优选的是，所述芯片本体的直径为90mm-120mm，厚度为2.0-6.0mm。

优选的是，所述芯片本体上环绕所述驱动槽设置由4个所述检测流道单元，每个所述检测流道单元包括6个依次连通的加样腔。

优选的是，还包括用于为所述微流控芯片提供旋转动力的离心驱动机构、用于对检测腔进行检测的光学探测设备以及对光学探测设备获得的图像进行自动分析以获得检测结果的分析模块，所述微流控芯片通过驱动槽与所述离心驱动机构驱动连接；

该微流控检测装置的检测步骤包括：

1)通过所述加样口向所述检测流道单元中加入待分析的样品，所述加样流道、多个加样腔及连接流道充满后多余的样品流入所述废液腔；

2)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第一转速转动，使得所述加样腔中的样品突破所述离心微阀的阻力后进入所述检测腔，与所述检测腔中预先封装的试剂接触；

3)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第二转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动，以产生往复式震荡离心，使样品与试剂充分混合；

4)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第三转速转动，以使得所述检测腔中的反应产物在离心力作用下离心至所述检测的侧壁上；

5)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第四转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动，以产生往复式震荡离心，使阳性反应的检测腔中的反应产物形成的凝集块从所述检测的侧壁上脱落，使阴性反应的检测腔中的红细胞再次重悬于所述检测腔中；

6)使所述检测腔接受所述光学探测设备的检测，所述分析模块根据所述光学探测设备获得的图像分析得出检测结果。

优选的是，所述分析模块的处理方法包括以下步骤：

6-1)将所述光学探测设备获得的图像转换为直方图，直方图中横坐标为图像中的各个像素点的像素值，纵坐标为像素值的概率；

6-2)将直方图转换为分布积累函数图，分布积累函数图的横坐标为像素值，纵坐标为累计概率；

6-3)用标准正态分布的概率密度函数表示该分布积累函数图，该概率密度函数为：

其中x为像素值，m为样本均值，std为样本标准差；

6-4)设标准正态分布的概率密度函数为y＝f(k)，则(x-m)/std＝k，所以x＝k*std+m；

6-5)生成n个数据点：{A₁,A₂,A₃…A_n}，该数据点的横坐标为标准高斯分布的分位数，该数据点的纵坐标为像素值，即A_n为(k_n，k_n*std+m)；

6-6)对n个数据点{A₁,A₂,A₃…A_n}做线性拟合，计算获得的直线的拟合度R²，若R²大于设定的阈值T，则判断该图像对应的反应结果为阴性，反之则为阳性。

本发明的有益效果是：

本发明采用的微流控芯片通过兼具加样与定量功能的加样腔的结构设计，能简化检测流道的结构，利于微流控芯片的使用；通过加样流道的结构设计，能够避免出现相邻的检测腔之间容易因液体泄露而造成污染的现象；

本发明的用于血型检测的微流控检测装置操作简单，检测效率和精度高；

本发明还提供了一种简单易操作的反应结果判断方法，能够实现反应结果的准确判定；检测结果以电子图片存档，对结果溯源性更加规范标准，对于输血的工作安全有很大程度的保证。

附图说明

图1为本发明的实施例中的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明的实施例中的阴性反应结果的原始图片；

图3为本发明的实施例中的阴性反应的像素值分布的直方图；

图4为本发明的实施例中的阴性反应的像素值分布积累函数图形；

图5为本发明的实施例中的阳性反应结果的原始图片；

图6为本发明的实施例中的阳性反应的像素值分布的直方图；

图7为本发明的实施例中的阳性反应的像素值分布积累函数图形。

附图标记说明：

1—芯片本体；2—驱动槽；3—检测流道单元；301—加样口；302—加样流道；303—加样腔；304—离心微阀；305—检测腔；306—废液腔；307—连接流道；3031—入口端；3032—出口端；3071—第一端；3072—第二端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种用于血型检测的微流控检测装置，包括微流控芯片，参照图1，微流控芯片包括圆盘状的芯片本体1、开设在芯片本体1中部的驱动槽2以及环绕设置在驱动孔外周的至少一个可独立进行检测的检测流道单元3；

检测流道单元3包括加样口301、加样流道302、多个加样腔303、连通于多个加样腔303之间的多个狭长的连接流道307、与每个加样腔303一一对应的多个检测腔305以及与末端的一个加样腔303连通的废液腔306；

加样口301通过加样流道302与首端的一个加样腔303连通，加样腔303与检测腔305之间设置有离心微阀304。

本发明中，各个加样腔303尺寸相同，加样腔303兼具加样与定量的功能，从而能简化检测流道的结构。

使用时，检测腔305预先封装有试剂，如血型抗体经冷风干燥或者冻干后封装，且不同检测腔305中封装的试剂不相同，以实现多种血型的检测，其中留有一个检测腔305不含试剂，作为参照。

在一种实施例中，驱动槽2为半圆形槽。驱动槽2用于与离心设备驱动连接，从而为微流控芯片提供旋转动力，以通过离心力操控流体的运动。

在一种实施例中，检测流道单元3中还是设置有排气口(图中未示出)。

在一种优选的实施例中，加样腔303呈棱形状，其具有入口端3031和出口端3032；

入口端3031和出口端3032处于正对位置，且入口端3031和出口端3032的连线的延长线通过芯片本体1的中心，多个加样腔303均匀间隔布置，通过多个连接流道307依次连通。该加样腔303结构的设计使得通过加样口301加样时，样品能顺利依次流入每个加样腔303，保证顺利加样；且有利于芯片本体1以一定转速转动时，加样腔303中的样品能顺利突破离心微阀304的阻碍而进入到检测腔305。

其中，连接流道307呈U形状，其具有第一端3071和第二端3072，连接流道307的第一端3071与加样腔303的出口端3032连通，连接流道307的第二端3072与相邻的一个加样腔303的入口端3031连通。连接流道307为呈U形状的狭长通道，具有一定的阻力，加样时通过以一定的压力注入样品能克服该阻力使样品能顺利依次流入每个加样腔303；使用时，狭长的连接流道307中容易形成气柱，当芯片本体1进行往复式震荡离心，由上述结构的连接流道307提供的适当阻力以及气柱的存在，能使多个加样腔303之间形成一道屏障，起到隔离作用，从而能防止在该过程中，相邻检测腔305之间出现液体混合而产生污染的现象(不同检测腔305中预封的试剂一般不相同，在离心过程中，虽然由于离心微阀304的作用，检测腔305内的液体基本不会外流，但实际上仍不可避免的会有少量液体突破离心微阀304而“泄露”进入到加样腔303，若没有连接流道307的阻力存在，则相邻的检测腔305之间容易因液体泄露而造成污染，会影响最终检测结果。)

在一种实施例中，单个检测流道单元3的总容积为180-200uL。

在一种实施例中，加样口301、加样流道302的深度均为0.7-1.2mm，加样腔303、连接流道307及检测腔305的深度均为1.2-1.8mm。通过适当增加流道深度，能减小流体在其中流动的阻力。

在一种实施例中，芯片本体1的直径为90mm-120mm，厚度为2.0-6.0mm。

在一种实施例中，芯片本体1材质为聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、亚克力(PMMA)或COP等具有较高的透光性的材料。

在一种优选的实施例中，芯片本体1上环绕驱动槽2设置由4个检测流道单元3，每个检测流道单元3包括6个依次连通的加样腔303，其中，分别封装5个不同的血型抗原，1个加样腔303作为空白对照。该用于血型检测的微流控检测装置还包括用于为微流控芯片提供旋转动力的离心驱动机构、用于对检测腔305进行检测的光学探测设备以及对光学探测设备获得的图像进行自动分析以获得检测结果的分析模块，微流控芯片通过驱动槽2与离心驱动机构驱动连接；

以下结合该微流控检测装置的检测步骤来做进一步说明，微流控检测装置的检测步骤包括：

1)通过加样口301向检测流道单元3中加入待分析的样品，加样流道302、多个加样腔303及连接流道307充满后多余的样品流入废液腔306；此时加样腔303被充满，同时实现了样品的定量；

2)使离心驱动机构驱动微流控芯片以第一转速转动(1000rpm离心5s)，使得加样腔303中的样品突破离心微阀304的阻力后进入检测腔305，与检测腔305中预先封装的试剂接触；

3)使离心驱动机构驱动微流控芯片以第二转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动(顺时针转速100rpm，时间3s，逆时针转速100rpm，时间3s；循环10次)，以产生往复式震荡离心，使样品与试剂在震荡力的作用下充分混合；该过程中，由于连接流道307的阻力作用，以及连接流道307中形成的空气柱的阻挡作用，使得此过程中检测腔305中泄露的少量液体进入到对应的加样腔303后，也无法进入到相邻的加样腔303中，从而不会进行导相邻的检测腔305中而造成污染；

4)使离心驱动机构驱动微流控芯片以第三转速转动(转速2200rpm，时间10s)，以使得检测腔305中的反应产物在离心力作用下离心至检测的侧壁上；

5)使离心驱动机构驱动微流控芯片以第四转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动(顺时针转速100rpm，时间3s，逆时针转速100rpm，时间3s；循环10次)，以产生往复式震荡离心，使阳性反应的检测腔305中的反应产物形成的凝集块从检测的侧壁上脱落，使阴性反应的检测腔305中的红细胞再次重悬于检测腔305中；同样的该过程中，连接流道307的存在也能避免相邻检测腔305之间发生污染的问题；

6)使检测腔305接受光学探测设备的检测，分析模块根据光学探测设备获得的图像分析得出检测结果。

在凝集反应中阴性反应的图像比较均一，像素值的分布符合高斯分布。参照图2-图4，图2为阴性反应结果的原始图片，图3为由图2得到的像素值分布的直方图(横坐标为图像中的各个像素点的像素值，纵坐标为像素值的概率)，图4为由图3得到的像素值分布积累函数图形(横坐标为像素值，纵坐标为累计概率)，通过图2-图4看出阴性反应像素值的分布符合高斯分布。

阳性反应因为发生了凝集反应，像素点的分布会偏离高斯分布。参照图5-图7，图5为阳性反应结果的原始图片，图6为由图5得到的像素值分布的直方图(横坐标为图像中的各个像素点的像素值，纵坐标为像素值的概率)，图7为由图6得到的像素值分布积累函数图形(横坐标为像素值，纵坐标为累计概率)，通过图5-图7看出阳性反应像素值的分布不符合高斯分布。

据此，本发明设计了以下检测方法，以对反应结果进行判断，具体的，分析模块的处理方法包括以下步骤：

6-1)将光学探测设备获得的图像转换为直方图，直方图中横坐标为图像中的各个像素点的像素值，纵坐标为像素值的概率；

6-2)将直方图转换为分布积累函数图，分布积累函数图的横坐标为像素值，纵坐标为累计概率；

6-3)用标准正态分布的概率密度函数表示该分布积累函数图，该概率密度函数为：

其中x为像素值，m为样本均值，std为样本标准差；

6-4)设标准正态分布的概率密度函数为y＝f(k)，则(x-m)/std＝k，所以x＝k*std+m；

6-5)生成n个数据点：{A₁,A₂,A₃…A_n}，该数据点的横坐标为标准高斯分布的分位数，该数据点的纵坐标为像素值，即A_n为(k_n，k_n*std+m)；

6-6)对n个数据点{A₁,A₂,A₃…A_n}做线性拟合，计算获得的直线的拟合度R²，若R²大于设定的阈值T，则判断该图像对应的反应结果为阴性，反之则为阳性。即对于阴性反应的图像，其像素值的分布符合高斯分布，则上述n个数据点{A₁,A₂,A₃…A_n}应该在一条直线上或是趋近于在一条直线上，所以预先通过大量实验确定一个合适的阈值T，当计算获得的直线的拟合度R²大于该阈值T时，则可判断为阴性反应。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括圆盘状的芯片本体、开设在所述芯片本体中部的驱动槽以及环绕设置在所述驱动孔外周的至少一个可独立进行检测的检测流道单元；

所述检测流道单元包括加样口、加样流道、多个加样腔、连通于所述多个加样腔之间的多个狭长的连接流道、与每个加样腔一一对应的多个检测腔以及与末端的一个加样腔连通的废液腔；

所述加样口通过所述加样流道与首端的一个加样腔连通，所述加样腔与检测腔之间设置有离心微阀。

2.根据权利要求1所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述加样腔呈棱形状，其具有入口端和出口端；

所述入口端和出口端处于正对位置，且所述入口端和出口端的连线的延长线通过所述芯片本体的中心；

多个所述加样腔均匀间隔布置，通过多个所述连接流道依次连通。

3.根据权利要求2所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述连接流道呈U形状，其具有第一端和第二端，所述连接流道的第一端与所述加样腔的出口端连通，所述连接流道的第二端与相邻的一个加样腔的入口端连通。

4.根据权利要求1所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，单个所述检测流道单元的总容积为180-200uL。

5.根据权利要求1所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述加样口、加样流道的深度均为0.7-1.2mm，加样腔、连接流道及检测腔的深度均为1.2-1.8mm。

6.根据权利要求1所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述驱动槽为半圆形槽。

7.根据权利要求1所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述芯片本体的直径为90mm-120mm，厚度为2.0-6.0mm。

8.根据权利要求3所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述芯片本体上环绕所述驱动槽设置由4个所述检测流道单元，每个所述检测流道单元包括6个依次连通的加样腔。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，还包括用于为所述微流控芯片提供旋转动力的离心驱动机构、用于对检测腔进行检测的光学探测设备以及对光学探测设备获得的图像进行自动分析以获得检测结果的分析模块，所述微流控芯片通过驱动槽与所述离心驱动机构驱动连接；

该微流控检测装置的检测步骤包括：

1)通过所述加样口向所述检测流道单元中加入待分析的样品，所述加样流道、多个加样腔及连接流道充满后多余的样品流入所述废液腔；

2)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第一转速转动，使得所述加样腔中的样品突破所述离心微阀的阻力后进入所述检测腔，与所述检测腔中预先封装的试剂接触；

3)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第二转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动，以产生往复式震荡离心，使样品与试剂充分混合；

4)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第三转速转动，以使得所述检测腔中的反应产物在离心力作用下离心至所述检测的侧壁上；

5)使所述离心驱动机构驱动所述微流控芯片以第四转速进行顺时针-逆时针交替的往复式转动，以产生往复式震荡离心，使阳性反应的检测腔中的反应产物形成的凝集块从所述检测的侧壁上脱落，使阴性反应的检测腔中的红细胞再次重悬于所述检测腔中；

6)使所述检测腔接受所述光学探测设备的检测，所述分析模块根据所述光学探测设备获得的图像分析得出检测结果。

10.根据权利要求9所述的用于血型检测的微流控检测装置，其特征在于，所述分析模块的处理方法包括以下步骤：

6-1)将所述光学探测设备获得的图像转换为直方图，直方图中横坐标为图像中的各个像素点的像素值，纵坐标为像素值的概率；

6-2)将直方图转换为分布积累函数图，分布积累函数图的横坐标为像素值，纵坐标为累计概率；

6-3)用标准正态分布的概率密度函数表示该分布积累函数图，该概率密度函数为：

其中x为像素值，m为样本均值，std为样本标准差；

6-4)设标准正态分布的概率密度函数为y＝f(k)，则(x-m)/std＝k，所以x＝k*std+m；

6-5)生成n个数据点：{A₁,A₂,A₃…A_n}，该数据点的横坐标为标准高斯分布的分位数，该数据点的纵坐标为像素值，即A_n为(k_n，k_n*std+m)；

6-6)对n个数据点{A₁,A₂,A₃…A_n}做线性拟合，计算获得的直线的拟合度R²，若R²大于设定的阈值T，则判断该图像对应的反应结果为阴性，反之则为阳性。

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