一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置及方法

1.本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置及方法。


背景技术：

2.血液由血细胞和血浆组成，是人体功能信息的宝库，与人体各系统的组织器官联系密切。血液中生物标志物的种类与含量能够反应机体的健康状况。因此血液检测，也是我们日常生活中最为常见的检测方式之一。
3.通常情况下，血液检测需要通过离心、沉降等方法滤除血液中的血细胞，从而避免血细胞对后续检测的干扰。然而，这些传统的血液分离方式都需要在实验室中进行，并且依赖大型离心设备，且需要血液样本较多，容易造成浪费。而且传统离心设备体积过大，不方便搬运与携带，不能满足及时检测的需要。血浆分离与分析间的时间间隔往往比较长，大部分离心机分离所需时间为1h左右，这会一定程度影响血浆成分分析的准确性与一致性，难以满足血液成分即时精准检测的需求。并且大部分血液检测费用过高，制约了疾病血液普查检测的发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述背景技术中的问题，提出一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置及方法；
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置，包括：加样层、分离层和检测层，所述的加样层、分离层和检测层依次从上到下通过螺丝相互连接；
6.所述加样层上设置有加样口；
7.所述分离层设置有四个重复分离单元，每个所述分离单元包括进样口、微流控通道、过滤槽、出样口以及废液收集室，所述进样口、过滤槽、出样口以及废液收集室通过微流控通道依次相连通，所述进样口和废液收集室设置在微流控通道的两端，所述进样口的入口与加样口的出口相互重叠，且相连通，所述过滤槽和出样口设置在微流控通道的底端；
8.所述检测层上设置有丝网印刷电极接口，所述丝网印刷电极接口上安装有丝网印刷电极，所述丝网印刷电极位于出样口的出口处。
9.进一步地，所述丝网印刷电极接口与出样口的出口相连通，所述丝网印刷电极接口的大小与出样口的出口的大小相匹配，且所述丝网印刷电极接口贴合在出样口的出口上。
10.进一步地，所述过滤槽正上方的加样层涂有疏水图层，所述疏水图层的大小与过滤槽的槽口大小相匹配。
11.进一步地，所述分离层检测前处于低压状态。
12.进一步地，所述加样层的四个角均设置有第一螺孔，所述分离层的四个角均设置
有第二螺孔，所述检测层的四个角均设置有第三螺孔，所述第一螺孔、第二螺孔和第三螺孔的直径均为1mm，且所述第一螺孔、第二螺孔和第三螺孔的位置互相重叠。
13.进一步地，所述加样层和检测层均为直径为50mm，厚度为2mm的圆形载玻片。
14.进一步地，所述加样口的直径为5mm，且深度为2mm，所述加样口位于加样层的圆心处。
15.进一步地，所述分离层为直径为50mm，厚度为3mm的圆形pdms。
16.进一步地，所述进样口是一个直径为5mm，深度为300μm的小孔，所述微流控通道宽为2mm，深度为300μm，所述过滤槽是一个直径为2mm，高为2mm的圆柱形微井，所述出样口为一个直径为4mm深度为3mm的小洞，所述废液收集室为一个长2mm，宽2mm，深度为300μm的长方体。
17.本发明还提供一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置的检测方法，包括：
18.步骤1：首先确定待测物，并基于待测物特性修饰丝网印刷电极；
19.步骤2：先将分离层pdms芯片至于真空中保存15min以上，使微流通道内部处于负压状态；
20.步骤3：取出pdms芯片，利用螺丝将加样层，分离层和检测层依次固定好；
21.步骤4：将5ml全血样本从加样口注入；
22.步骤5：在装置内部的负压驱动下，血液样本沿着微流控通道开始流动；
23.步骤6：当血液样本流经过滤槽时，由于血细胞和血浆所受重力差异，导致较重的血细胞掉入过滤槽，而较轻的血浆则继续向前流动；
24.步骤7：经过分离后的血液样本，到达了出样口，出样口下连接丝网印刷电极，当血浆完全覆盖丝网印刷电极的三电极区域后，开启电化学工作站进行检测；
25.步骤8：要根据不同的检测类型，选择电化学工作站不同的检测方式，通过对电化学工作站给出的结果进行分析，从而达到血液检测的目的。
26.有益效果：
27.1、本发明能够快速高效的完成血液样本的分离与检测，而且不需要外部供能，优化了操作步骤，同时减少了样本的污染，极大地降低了血液检测的成本。
28.2、本发明具有体积小，结构简单易携带的优点，能够实现血液样本的及时检测。
29.3、本发明能够同时检测多种疾病标志物，提高了检测效率。
30.4、本发明具有可扩展性，可通过在圆盘结构中增加血液分离单元实现更多样本的检测。
31.5、本发明使用丝网印刷电极代替传统的三电极，可实现即插即用，极大地简化了检测流程，节约了成本。
附图说明
32.图1为本发明实施例采样层结构示意图；
33.图2为本发明实施例分离层俯视图；
34.图3为本发明实施例分离单元剖面图；
35.图4为本发明实施例检测层结构示意图；
36.图5为本发明实施例丝网印刷电极结构示意图。
37.图中：1、加样层，1.1、加样口，1.2、第一螺孔，1.3、疏水图层，2、分离层，2.1、进样口，2.2、微流控通道，2.3、过滤槽，2.4、出样口，2.5、废液收集室，2.6、第二螺孔，3、检测层，3.1、丝网印刷电极接口，3.2、第三螺孔，4、丝网印刷电极，4.1、参比电极，4.2、对电极，4.3、工作电极，4.4、工作电极引线，4.5、参比电极引线，4.6、对电极引线。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
39.参考图1-4，本实施例公开了一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置，该装置包括加样层1、分离层2和检测层3，加样层1、分离层2和检测层3依次从上到下通相互连接，其中加样层1、分离层2和检测层3之间连接方式可以采用螺丝和螺栓等方式进行相互连接。
40.加样层1上设置有加样口1.1和第一螺孔1.2。
41.分离层2设置有四个重复分离单元和第二螺孔2.6，每个分离单元包括进样口2.1、微流控通道2.2、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5。进样口2.1、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5通过微流控通道2.2依次相连通。进样口2.1、微流控通道2.2、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5通过光刻刻在分离层2上表面上，且进样口2.1、微流控通道2.2、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5的上方均为开口。加样层1贴合覆盖在分离层2上表面上，对微流控通道2.2、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5的上方开口进行密封。进样口2.1和废液收集室2.5设置在微流控通道2.2的两端，进样口2.1的入口与加样口1.1的出口相互重叠，且相连通，过滤槽2.3和出样口2.4设置在微流控通道2.2的底端。
42.检测层3上设置有丝网印刷电极接口3.1和第三螺孔3.2，丝网印刷电极接口3.1上安装有丝网印刷电4，丝网印刷电极4位于出样口2.4的出口处。
43.本实施例中，第一螺孔1.2、第二螺孔2.6以及第三螺孔3.2的直径均为1mm,并且位置是互相重合的，在组装时可以用螺丝将其固定，使加样层1，分离层2以及检测层3紧密贴合在一起，其中加样层1和检测层3其材料为载玻片，分离层2其材料为pdms。
44.参考图1-3，加样层1在圆心处设有一个直径为5mm，深度为2mm的孔，加样层1贴合放置在进样口2.1、微流控通道2.2、过滤槽2.3、出样口2.4以及废液收集室2.5的正上方，且加样层1在该装置中与分离层2通过螺丝紧密结合，从而防止外界因素污染血液样本，作为血液样本的采样口1.1，并且与分离层2中的进样口2.1相重合，过滤槽2.3正上方的加样层1涂有疏水图层1.3，疏水图层1.3的大小与过滤槽2.3的槽口大小相匹配，从而防止过滤槽2.3中的血细胞溢出，影响检测结果。
45.本实施例中，加样层1上设有加样口用于血液样本的采集，并且覆盖在分离层之上还可以防止外界环境的污染，加样层1在与过滤槽2.3的正上方重叠处涂有疏水材料，使得过滤槽2.3对血细胞进行充分过滤，进而让检测结果更精准。
46.参考图2-3，分离层2设置有四个重复的分离单元和螺孔2.6，每个分离单元有进样口2.1，微流控通道2.2，过滤槽2.3，出样口2.4以及废液收集室2.5；在开始工作之前，需要先将分离层2置于低压条件(＜0.3atm)下15min以上，之后拿出来组装，并用螺丝将其固定；用户将血液样本滴落至直径为5mm，深度为2mm的采样口1.1，随后送至直径为5mm，深度为300μm的进样口2.1，等待进一步操作；pdms在低压状态下会存储一定势能，当其与外界接触
时，由于与大气压不同，所以会产生能量从而推动血液沿着宽2mm，深度为300μm的微流控通道2.2运动，然后利用血细胞和血浆质量的不同进行血液样本的分离，重量较大的血细胞留在直径为2mm，深度为2mm的圆柱形过滤槽2.3中，血浆则继续前进到直径为4mm，深度为3mm的出样口2.4(出样口直径根据丝网印刷电极三电极区域变化，要能覆盖三电极区域)；出样口2.4下方连接有丝网印刷电极4，当血浆落在丝网印刷电极4上后，就可以进行电化学检测；出样口2.4后连接有一个长2mm，宽2mm，深度为300μm的长方体废液收集室2.5，废液收集室收集多余的血液样本，并在过滤槽2.3过充之前停止流动。
47.本实施例中，分离层2在检测前需要处于低压状态(时间＞15min,压力＜0.3atm)，使pdms材料存储能量，且分离层2有四个重复的分离单元，可以同时实现多通道的检测，提高检测效率，其中进样口2.1是用来存储血液样本，过滤槽2.3是用来过滤血液样本中的血细胞，出样口2.4是将过滤后的血液直接送至丝网印刷电极进行检测，废液收集室2.5用来收集多余的血液样本，并在过滤槽2.3过充之前停止流动，防止血细胞溢出影响检测。
48.参考图4，检测层3设置有丝网印刷电极接口3.1，丝网印刷电极接口3.1上安装有丝网印刷电4，丝网印刷电极4位于出样口2.4的出口处。丝网印刷电极接口3.1与出样口2.4的出口相连通，丝网印刷电极接口3.1的大小与出样口2.4的出口的大小相匹配，且所述丝网印刷电极接口3.1贴合在出样口2.4的出口上，使得丝网印刷电极接口3.1位置在与出样口2.4相对应。丝网印刷电极接口3.1的长度以及深度根据所选的丝网印刷电极4而定。通过上述设置确保丝网印刷电极4能够刚好接入检测层中，丝网印刷电极的三电极区域正对出样口2.4，且接入的丝网印刷电极4能对出样口2.4中的血液进行密封，防止血液样本流出；检测层3在该装置中还起到支撑与密封作用。
49.本实施例中，检测层3位于自驱动圆盘式血液分离与检测装置的最下层，起到支撑作用，同时防止血液样本流出。
50.参考图5，丝网印刷电极4包括：参比电极4.1，对电极4.2，工作电极4.3，工作电极引线4.4，参比电极引线4.5，对电极引线4.6；出样口2.4中的血浆需要完全覆盖参比电极4.1，对电极4.2，工作电极4.3，这样才能进行电化学检测；工作电极引线4.4，参比电极引线4.5，对电极引线4.6分别连接至电化学工作站的相应位置，设置好电化学工作站之后进行检测。
51.本发明实施例能对极少量的血液样本进行快速高效分离，并能实现多通道的电化学检测，提高血液样本的检测效率，体积小，结构简单，易携带，花费时间少，费用低，完全可以满足快速高效的血液分离与检测，且自驱动圆盘式血液分离与检测装置进行血液样本的分离与检测，不需要人工进行干预，只要将血液样本滴落后即刻自动运行，不需要外部供能，大大减少了操作的复杂度同时减少了样品的污染；一般十几分钟就可以出结果，大大缩短了检测时间，无需使用专业化设备，降低了使用成本。
52.本发明不需要外部供能，从而减少了样本操作，提高了血液分离的效率；同时将血液分离与检测操作集成，缩小了装置体积，实现全血样本的即时、多通路检测；并且，接口连接丝网印刷电极，替代传统三电极，可实现即插即用。
53.本实施例还提供一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置的检测方法，包括如下步骤：
54.步骤1：首先确定待测物，并根据待测物修饰丝网印刷电极4。
55.步骤2：先将分离层2放在低压状态(＜0.3atm)下保存15min以上，使分离层内部处于低压状态。
56.步骤3：从低压环境中取出分离层2，利用螺丝将采样层1，分离层2和检测层3依次固定好。
57.步骤4：将5ml全血样本从采样口1.1注入至进样口内2.1。
58.步骤5：由于分离层内外的压强差，血液样本受到驱动从而沿着微流控通道2.2开始流动。
59.步骤6：当血液样本流经过滤槽2.3时，由于血细胞和血浆二者所受重力差异，较重的血细胞掉入过滤槽2.3，而较轻的血浆则继续向前流动。
60.步骤7：经过分离后的血液样本，到达了出样口2.4，出样口2.4下连接有丝网印刷电极4，当血液完全覆盖丝网印刷电极4的三电极区域后，开启电化学工作站进行检测。
61.步骤8：要根据不同的检测类型，选择电化学工作站不同的检测方式，通过对电化学工作站给出的结果进行分析，从而达到血液检测的目的。
62.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，包括：加样层(1)、分离层(2)和检测层(3)，所述加样层(1)、分离层(2)和检测层(3)依次从上到下相互连接；所述加样层(1)上设置有加样口(1.1)；所述分离层(2)上设置有四个重复分离单元，每个所述分离单元包括进样口(2.1)、微流控通道(2.2)、过滤槽(2.3)、出样口(2.4)以及废液收集室(2.5)，且均开设在分离层(2)上表面上，所述进样口(2.1)、过滤槽(2.3)、出样口(2.4)以及废液收集室(2.5)通过微流控通道(2.2)依次相连通，所述进样口(2.1)和废液收集室(2.5)设置在微流控通道(2.2)的两端，所述进样口(2.1)的入口与加样口(1.1)的出口相互重叠，且相连通，所述过滤槽(2.3)和出样口(2.4)设置在微流控通道(2.2)的底端；所述检测层(3)上设置有丝网印刷电极接口(3.1)，所述丝网印刷电极接口(3.1)上安装有丝网印刷电极(4)，所述丝网印刷电极(4)位于出样口(2.4)的出口处。2.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述丝网印刷电极接口(3.1)与出样口(2.4)的出口相连通，所述丝网印刷电极接口(3.1)的大小与出样口(2.4)的出口的大小相匹配，且所述丝网印刷电极接口(3.1)贴合在出样口(2.4)的出口上。3.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述过滤槽(2.3)正上方的加样层(1)涂有疏水图层(1.3)，所述疏水图层(1.3)的大小与过滤槽(2.3)的槽口大小相匹配。4.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述分离层(2)检测前处于低压状态。5.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述加样层(1)的四个角均设置有第一螺孔(1.2)，所述分离层(2)的四个角均设置有第二螺孔(2.6)，所述检测层(3)的四个角均设置有第三螺孔(3.2)，所述第一螺孔(1.2)、第二螺孔(2.6)和第三螺孔(3.2)的直径均为1mm，且所述第一螺孔(1.2)、第二螺孔(2.6)和第三螺孔(3.2)的位置互相重叠。6.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述加样层(1)和检测层(3)均为直径为50mm,厚度为2mm的圆形载玻片。7.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述加样口(1.1)的直径为5mm，且深度为2mm，所述加样口(1.1)位于加样层(1)的圆心处。8.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述分离层(2)为直径为50mm,厚度为3mm的圆形pdms。9.根据权利要求1所述自驱动圆盘式血液分离与检测装置，其特征在于，所述进样口(2.1)是一个直径为5mm,深度为300μm的小孔，所述微流控通道(2.2)宽为2mm,深度为300μm，所述过滤槽(2.3)是一个直径为2mm,高为2mm的圆柱形微井，所述出样口(2.4)为一个直径为4mm深度为3mm的小洞，所述废液收集室(2.5)为一个长2mm，宽2mm，深度为300μm的长方体。10.一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置的检测方法，其特征在于，包括：步骤1：首先确定待测物，并基于待测物特性修饰丝网印刷电极；步骤2：先将分离层pdms芯片至于真空中保存15min以上，使微流通道内部处于负压状
态；步骤3：取出pdms芯片，利用螺丝将加样层，分离层和检测层依次固定好；步骤4：将5ml全血样本从加样口注入；步骤5：在装置内部的负压驱动下，血液样本沿着微流控通道开始流动；步骤6：当血液样本流经过滤槽时，由于血细胞和血浆所受重力差异，导致较重的血细胞掉入过滤槽，而较轻的血浆则继续向前流动；步骤7：经过分离后的血液样本，到达了出样口，出样口下连接丝网印刷电极，当血浆完全覆盖丝网印刷电极的三电极区域后，开启电化学工作站进行检测；步骤8：要根据不同的检测类型，选择电化学工作站不同的检测方式，通过对电化学工作站给出的结果进行分析，从而达到血液检测的目的。

技术总结
本发明公开了一种自驱动圆盘式血液分离与检测装置及方法，该装置包括加样层，分离层和检测层，各层之间通过螺丝固定依次连接。加样层设置了加样口及第一螺孔；分离层包含四个重复的血液分离单元及第二螺孔，每个分离单元包含进样口、微流控通道、过滤槽、出样口及废液收集室；检测层设置了丝网印刷电极接口及第三螺孔。血液样本从加样口滴入装置中，在装置内部负压的驱动下，进入微流控通道，利用血细胞与血浆的重力差异实现血液过滤。过滤后的血浆流入检测层，与丝网印刷电极检测单元接触，实现电化学检测。使得不需要外部供能，从而减少了样本操作，并减小了分离装置的体积，提高了血液分离的效率，便于对血液样本实施即时检测和多通路的检测。和多通路的检测。和多通路的检测。


技术研发人员：张益之 罗晨成 高凡 钱志余
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/7/7