CN101748056A - 一种用完即弃多重聚合酶链式反应(pcr)芯片和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一聚合酶链式反应(PCR)装置，所述装置包括一芯片套件2，多个在所述芯片套件中的样本室1用以承载样本，一加热装置其中所述芯片套件置于所述加热装置之上，而所述芯片套件可以在所述加热装置上作有效的旋转，一旋转轮辅助所述芯片旋转和其中所述加热装置包括多个温度带设置成当所述芯片旋转时，所述样本室可使用一旋转-线性动作系统，从一温度带移动至另一温度带。

Description

一种用完即弃多重聚合酶链式反应(PCR)芯片和装置

技术领域

本发明涉及多重聚合酶链式反应(PCR)装置。特别地，本发明涉及一种用完即弃的PCR装置，其中所述装置包括样本室，而所述样本室是以旋转-线性运作系统带动由一温度带到另一温度带。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是一种重要的方法，能够以高至230倍的指数值形式，去扩增特定的脱氧核糖核酸(DNA)而不需要同时扩增其它在溶液里面的遗传物质。这种技术第一次在1986年推出，是分子生物学在应用上的重大突破。所述的扩增方法摹拟天然的DNA复制和修复的程序和在天然生化程序中常见的蛋白表达。

由一脱氧核糖核酸的单链中复制出脱氧核糖核酸是由特定的酶所进行，例如脱氧核糖核酸聚合酶。特定的脱氧核糖核酸能够以操纵双链脱氧核糖核酸在变性作用和杂化作用时的温度而大量生产。

聚合酶需要其它两项组件去复制脱氧核糖核酸。首先是确保四种核苷酸碱基的充足供应。核苷酸碱基是每片DNA的建构材料，它们是以英文字母A，C，G和T来表示，分别代表腺嘌呤，胞嘧啶，鸟嘌呤，和胸腺嘧啶。在一核苷酸链上，A永远跟在另一链上的T配对，而C永远跟G配对。两链是互补的。第二项组件是引物。它们是与基因序列互补的核苷酸所组成的短小合成链，而所述基因序列在DNA里的目标分段的任一侧面。没有引物，DNA聚合酶就不能够复制一条DNA链。所述引物与目标分段的任何一端杂交，并由所述聚合酶在它们当中从原材料(单核苷酸)里建构其余的链。

DNA单链的复制需要经过三个主要步骤，其称之为PCR。PCR混合物含有目标DNA，引物和核苷酸，和DNA聚合酶。第一步称为变性，是将DNA链由DNA双螺旋中分离出来。在这步骤中，只是将所述DNA加热至90°-95℃约30秒。然而，在这温度中，所述引物并不能与所述已分开的DNA链接合。因此，所述混合物会视乎所述DNA而冷却至一个比较低的温度如55°-64℃。在这个温度，所述引物会与DNA链的末端结合或退火，这过程需要大约20秒。最后一个步骤是完成DNA的复制。因为DNA聚合酶在大约75℃下表现最好，所以将所述混合物的温度提升。在这个温度，所述DNA聚合酶开始建构或增加单核苷酸至所述引物上，并最终制造一与样版(称之为伸延)互补的拷贝。这样就完成PCR周期。在这周期的结尾，每一片在混合物中的DNA皆被复制。当这个周期被重复30或更多次数之后，单一DNA就可以被生产超过十亿个拷贝。而所述变性作用，退火和伸延的周期是经热力循环所完成的，这有助于本工序小型化的意念。

自从在1950年代早期，把合成半导体实现成微电子芯片的微技术发展后，这些以光刻技术为基础的技术立刻在60年代中期应用在压力感应器的制造上。继压力感应器之后，安全气袋感应器和其它可机械性地移动的结构和液体处理装置亦相继发展。第一微流控芯片(LoC)分析系统是在1975年由S.C.Terry在史丹福大学发展的一气相透析。然而，唯有在80年代末期和90年代初期，LoC研究才开始认真的发展；在欧洲，有一些研究团体开发微型泵，流动感应器和分析系统的综合液体处理的概念。这些微型全化学分析系统(μTAS)的概念证明，通常在实验室规模下完成的前处理步骤，可以在完整的实验室分析中延长简单感应器的功能，包括如附加清洗和分离步骤。在90年代中期，当μTAS技术变成为基因组学应用，如微管电泳和DNA微数组，μTAS技术的研究和商业上的兴趣得到大大的提升。

其附加价值并不只限于整合实验室分析工序，同时亦提供个别组件和应用于其它非分析的实验室工序的可能性。虽然LOCs的应用仍然很新很有限，不同领域里的公司和应用研究团体开始不只发展出对诸如化学分析，环境监察，医学诊断和细胞组学的兴趣，而且还有在合成化学如快速蒒选和制药学上的微型反应器。除进一步应用的发展外，LoC系统的研究预期可以伸延至以纳米技术缩减液体处理结构的规模。

具体的LoCs应用有很多优点。典型的优点如：

·低容量的芯片相对令液体的消耗也减低，这样可以减低环境污染(更少废物)，减省昂贵反应剂的花费和使用更少的取样液体作诊断

·缩短混合时间(因缩短扩散距离)和快速加热(因缩短距离，增加表面面积与液体容量的比例，减少热容量)从而增加芯片的分析和速度操控和更佳的效率

·系统迅速的响应使工序控制更好(例如对放热化学反应的热控制)

·因功能整合和细小的容量，系统更小巧紧密

·因系统的小巧紧密使分析可大量并行，令高流量的分析更可行

·大量生产符合成本效益的用完即弃芯片，可降低生产成本

·庞大的功能整合和较低的储备液体和能量，可提供一个更安全的化学，放射性或生物研究平台

传统的宏观PCR装置通常包括计算机控制的热循环仪和载有PCR混合物的反应瓶。传统的PCR装置通常可以在适当的PCR温度范围内达至每秒1-2摄氏度的升温速率。要完成20-35个循环的PCR工序通常需要30至180分钟，这要视乎所使用的热循环仪的能力而定。较低的升温速率是因为PCR反应系统的物料是高热容量的。PCR产品能够使用传统的凝胶电泳来分析。

因微型制造技术的提升，Northrup等人制造了第一块PCR芯片。从此，很多不同类型的PCR芯片技术相继涌现。因为PCT混合物和温度控制组件之间的热容量小和热传递速度高，所以PCR芯片的基础是提供更快的DNA扩增速率。这种结果可以使用细小尺码，快速升温速率，低成本，低样本消耗，和高度整合来达成。

然而，正因为微型化的关系，上述表面面积与液体容量的比例增加，会引至有关于生物样本与信道表面的非特异性吸附和其黏弹性流动的特性可能变得很明显，这样可能限制在微液体装置内的PCR扩增。

任何在本说明书对先有技术的讨论，不应视为承认所讨论的先有技术是广为人知或形成公知常识的一部分。

发明内容

本发明提供了一聚合酶链式反应(PCR)装置，所述装置包括一芯片套件，多个在所述芯片套件中的样本室用以承载样本，一加热装置其中所述芯片套件置于所述加热装置之上，而所述芯片套件可以在所述加热装置上作有效的旋转，一旋转轮辅助所述芯片旋转而其中所述加热装置包括多个温度带设置成当所述芯片旋转时，所述样本室可使用一旋转-线性动作系统，从一温度带移动至另一温度带。

除非本文内容另有所指，“包括″这一词或其相似词在整篇说明书和权利要求书中应被理解为包含的意思，与排他相对，或解释为详尽彻底的含意；意即，“包括，但不限于”这个含意。

本发明包括几个新颖的特征和一部件组合，在下文中的描述和附图有完全的描写和阐明，亦应该理解到对本发明不同方面的详细修改是可行的，但并不脱离本发明的范围或放弃本发明的任何优点。

附图说明

本发明可根据以下的具体实施方式完全了解而附图只以插图方式公开，因此不代表限制本发明，其中：

图1描述所述PCR芯片装配在PCR圆盘轮。

图2描述所述拥有四个样本室的用完即弃聚合体PCR芯片。

图3描述PCR圆盘的发热套件。

图4描绘所述已装配的PCR圆盘旋转轮的图表。

图5描述所述已装配的PCR圆盘装置。

具体实施方式

本发明涉及一使用静态样本室和连续流动PCR装置的优点的聚合酶链式反应圆盘(PCRDisc)。在下文中，本说明书将会根据本发明的优选实施例描述本发明。然而应当理解的是，本说明书以优选的实施例阐述本发明仅仅是为了更容易了解本发明。因此，可预见的是，本发明所属领域的技术人员，在没有超出本权利要求所述的范围的前提下，可对本发明的作出各种修改和等同设计。

以下的具体实施方式将会根据任何单一或合并的附图来描述。

本发明涉及一用完即弃的PCR装置其包括样本室，而所述样本室在旋转-线性运作系统带动下，由一温度带移动到另一温度带。所述装置以旋转-线性运作系统带动样本室由一温度带到另一温度带，而并非使用外置泵将样本移动到不同的温度带。每一个别的样本室的温度可以个别控制。如此，多个有着不同退火温度的不同DNA样本可以同时在一单一工序中扩增。

在本发明概念的特定实施例中，所述PRC圆盘包括16个样本室1。个别可控制的加热装置亦有16组。图1显示所述PCR圆盘轮2。所述样本室1是由个别的单元盒3所组成，所述单元盒是由聚合体物料制造以减省制造成本。如图2所示，每一个单元盒3有共四个样本室1。特别设计和制造的外壳用以安置加热装置和装配所述PCR圆盘旋转轮(图3和4)。此外，一个单独发展的马达控制部件以供所述圆盘轮的旋转-线性运动。

如所示，所述圆盘2可以包括16个样本室1。然而在所提议的系统中，只有12个样本室被使用于实验中。这是因为NationalInstruments的控制系统提供的实体信道和可使用的加热装置数量有限制所致。在这系统中，所述加热装置4的编排如图3所示。每一个变性和退火温度带都有1排，每排有3个加热装置，而每一个延伸的温度带都有2排，每排3个的加热装置。额外添加进延伸温度带的加热装置是为了减少总循环时间。如前所述，延伸时间视乎模板DNA的碱基对长度。变性和退火的持续时间是最少的。当达到所需的温度，变性工序就可开始，因此不需要额外的留置时间。而在退火工序方面，因为引物的短炼，这个工序会在短时间内完成。为令所述延伸工序可完成PCR，变性和退火工序的所需时间决定加倍。时间的延长由退火温度带的1排后的2排并排的延伸加热装置所达成。以短碱基对的DNA扩增来说(少于100碱基对)，延伸的温度排可减少至只得一排。这样，所述系统能够重新装配成只有三个温度带而不是四个。

所述样本室1是靠旋转系统以顺时针方式旋转，从一个温度带移动至另一个温度带(参照图5)。当样本室被置于所述加热装置4的顶部后，线性运行控制器会将整个圆盘2向下缩回并压在所述加热装置4上。为使所有所述样本室1与加热装置4有完美的接触，每一个加热装置都载有一弹簧，当用力压时，可使所述加热装置从其本身原有的位置缩回几毫米。当所述圆盘2是在一较低的位置时(向加热装置压下时)，所述圆盘2会被容许保持在这个位置直至在预先设定的时间内完成所述PCR工序(视乎PCR样本而定)。当工序完成后，线性运行控制器便将所述圆盘2向上推，并且所述圆盘2会旋转九十度至下一排的加热装置4。其后，所述相同的线性运动会被再次执行。当所述样本在样本室从起始加热的变性排旋转360度后，就可完成一完全的PCR循环。PCT的循环数目可以凭控制圆盘的旋转运行数来规定。因此，全部12个样本可以在短时间内同时扩增。因加热装置的温度可独立控制，退火排的加热装置可以调教为3或4个退火温度。以此方法，3或4个有着不同退火温度的不同PCR样本可以同时在同一圆盘内扩增。此方法可以适当地命名为“PCR芯片多重技术”。

Claims (7)

1.一种聚合酶链式反应(PCR)装置，其特征在于，所述装置包括：

i.一芯片套件；

ii.多个在所述芯片套件中的样本室用以承载样本；

iii.一加热装置其中所述芯片套件置于所述加热装置之上，而所述芯片套件可以在所述加热装置上作有效的旋转；和

iv.一旋转轮辅助所述芯片旋转，

而其中所述加热装置包括多个温度带设置成当所述芯片旋转时，所述样本室可使用一旋转一线性动作系统，从一温度带移动至另一温度带。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述芯片包括独立的单元盒。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述单元盒包括最少四个样本室。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括一特别的外壳用以安置所述加热装置以装配所述旋转轮。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置额外包括一马达控制部件以提供所述芯片套件的线性和旋转运行。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述马达控制部件包括一线性运行控制器以将所述芯片套件向下缩回至所述加热装置上适当的温度带。

7.一种聚合酶链式反应(PCR)装置实质上如本文中附图或实施例中所述本发明的任一项实施例。

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