CN102220225A - 聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置 - Google Patents

Abstract

聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，涉及生化反应和医学检测领域，其包括带有螺旋式微流道结构的基底层，基底层与盖板层密封形成微流控芯片，在盖板层上有一个进样孔和一个出样孔。半导体加热制冷器在微流控芯片的下方，微处理器控制三个半导体加热制冷器件，整个微流道区域形成聚合酶链式反应所需的变性区、退火区、延伸区三个恒定温度场。三个铂电阻温度传感器置于微流控芯片和半导体加热制冷器之间。实时荧光检测系统在微流控芯片延伸区上方，包括电机、传动轴、光学支架、光源、光电探测器和荧光信号采集处理系统。本发明利用三个恒温区的设计省去了升降温时间缩短了聚合酶链式反应的时间，延长了半导体加热制冷器的使用寿命。

Description

聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置

技术领域

本发明涉及荧光聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)在微流控芯片上实现DNA扩增及实时荧光检测。应用于生化反应和医学检测领域。

背景技术

医学与生化装置中化是一个重要发展方向，微机电技术(Micro-electro-mechanicalsystems，MEMS)的发展为PCR反应在芯片上完成提供了可能。传统荧光PCR仪中存在以下缺点：仪器体积大，升降温速率慢，动态控温精度不高，半导体加热制冷器长期温度骤变寿命缩短。现在利用MEMS技术制造的PCR反应芯片分为三种：微阱式芯片、微流控芯片和微水浴芯片。微阱式芯片存在以下缺点：升降温速率慢，动态控温，温度精度不高，一般只有合金层微加热器，没有主动式的制冷器，如专利200310122607.9和200510011180.4等。微流控芯片存在以下缺点：一般只有合金层微加热器，没有主动制冷器件，如专利200410024703.4等。微水浴芯片200610043243.9等，加热制冷结构复杂。利用MEMS技术制造的PCR反应芯片，解决了仪器体积大的问题，但是又出现了主动制冷、实时荧光检测在芯片上集成的难题。

发明内容

本发明目的是提供一种可以在微流控芯片上进行PCR反应同时进行实时荧光检测的聚合酶链式反应及实时机电扫描检测装置，其具有温控精度高、稳定性强的特点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：其包括：

微流控芯片，其包括带有螺旋形微流道结构的基底层1、盖板层2，基底层1与盖板层2形成微流控芯片；在盖板层2上有两个孔分别为进样孔3和出样孔4，分别位于微流道的起点和终点；提供气压动力使样品流动的空气泵连接至进样孔3；基底层1材料为导热良好的材料；盖板层2为透光材料；

热循环单元，其包括半导体加热制冷器5和驱动电路、温度传感器6，以及基于微处理器与比例积分微分算法的控制模块；3个半导体加热制冷器5在环形微流体通道的下方样品流动方向依次构成变性、退火、延伸三个区，三个半导体加热制冷器5彼此之间留有一定的空隙，利用空气隔热；温度传感器6放置在半导体加热制冷器5和微流控芯片之间；温度传感器6连接至控制模块，控制模块连接至驱动电路，驱动电路与半导体加热制冷器5相连，控制半导体加热制冷器5的加热或制冷温度；

实时荧光检测单元，其包括电机7、传动轴8、光学支架9、光源10、光电探测器11，以及控制模块；光源10和光电探测器11位于微流控芯片中的延伸区上方，电机7连接传动轴8，传动轴8上光学支架9，光源10固定在光学支架9的末端，电机7带动光源和光电探测器沿一维水平运动；控制模块连接到光电探测器9。

上述热循环单元和实时荧光检测单元中的控制模块连接至计算机。

所述的基底层1与盖板层2以键合技术密封在一起形成微流控芯片.

所述的温度传感器6为铂电阻传感器；半导体加热制冷器5、温度传感器6、光源8、采用半导体工艺制作。

所述的控制模块是以采用数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA为核心的控制模块。

控制整个装置的计算机接口采用串口或USB或蓝牙或Wi-Fi或internet网络有线或无线方式连接至控制模块。

所述变性区的典型温度为95℃，退火区的典型温度为65℃，延伸区的典型温度为72℃。

聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，样品从进样孔进样后，空气泵不断向进样孔进气，提供气压动力使样品流动。数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)控制三个半导体加热制冷器，半导体加热制冷器在微流控芯片的下方，覆盖整个螺旋式微流道反应区域，铂电阻温度传感器置于微流控芯片和半导体加热制冷器之间，铂电阻温度传感器为DSP/FPGA提供温度反馈信号，利用比例积分微分(Proportional-integral-derivative，PID)算法形成闭环控制，产生PCR的三个反应区。半导体加热制冷器与铂电阻温度传感器是采用半导体工艺制作的。根据样品的位置，电机通过传动轴带动光源和光电探测器沿水平方向运动。样品完成一次扩增反应，电机控制光源照射样品，光电探测器对其检测一次，进行实时定量荧光检测。荧光信号采集处理系统与温度控制系统通过微处理器连接到计算机上。

样品在螺旋形微流道里流动，在变性区、退火区、延伸区之间不断循环进而完成多次扩增反应。微流控芯片实现了微量反应体系。

实时荧光检测装置中样品在微流道里流动一圈，即分别流过了变性区、退火区、延伸区，完成一次聚合酶链式反应，此过程反复循环可以完成多次反应，即实现DNA的扩增。电机通过传动轴带动光源和光电探测器沿着水平方向运动，到达样品的上方，光源照射样品，样品中的靶基因结合荧光基团，吸收光源能量后发射出特定波长的荧光，由于靶基因浓度与荧光强度成比例，通过检测荧光强度就可以实现实时定量荧光检测。

本发明具有实质性的特点与进步，本发明的技术效果：与经典的实时PCR仪相比，利用 MEMS技术制作微流控芯片，试剂微量化；通过三个恒温区的设计省去了升降温时间大大缩短了聚合酶链式反应的时间，同时延长了半导体加热制冷器的使用寿命。与已经发明的PCR微流控芯片相比，在芯片上制作半导体加热制冷器代替现有的微加热器，不仅可以加热而且可以主动制冷；提出一个低成本高灵敏度的实时荧光检测系统；微处理器采用数字信号处理器或现场可编程门阵列，可以方便地集成在微流控芯片上。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1本发明的结构俯视图。

图2本发明的结构侧视侧。

图3本发明的系统框图。

图中1、带有螺旋形微流道的基底层，2、盖板层，3、进样孔，4、出样孔，5、半导体加热制冷器，6、温度传感器，7、电机，8、传动轴，9、光学支架，10、光源，11、光电探测器，12、空气泵。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，包括微流控芯片、空气泵12、温度控制系统和荧光检测装置。在微流道下方是温度控制系统，在微流道上方是光电探测器11，空气泵12只要实现其功能位置不做具体规定。

微流控芯片连接方式：利用MEMS工艺制造带有螺旋形微流道的基底层1和盖板层2，两者通过键合成为微流控芯片。在盖板层2上有两个孔分别为进样孔3和出样孔4，进样孔3和出样孔4分别与微流道的起点和终点相对应，样品从进样孔3进样，进样后空气泵12从进样孔3进气，样品通过气压方式流动，最终样品从出样孔4排出。通过空气泵12的进气量可以控制样品的流速，进而根据微流道尺寸和样品流速可以知道样品的实时位置。空气泵12的位置不做具体规定，根据具体情况进行调节，只要实现其功能即可。

在微流控芯片下方是三个半导体加热制冷器5，其覆盖整个微流道区域，在三个半导体加热制冷器5之间留有一定的空隙，利用空气隔热。在微流控芯片和半导体加热制冷器5之间有铂电阻温度传感器6，实时监测PCR反应过程中的三个特征温度。采用微处理器DSP/FPGA输出脉宽调制波PWM控制两路半导体加热制冷，三个铂电阻温度传感器6为DSP/FPGA提供温度反馈信号，采用PID算法闭环控制调节温度，使整个微流道区域形成PCR反应所需的变性区、退火区、延伸区三个恒定温度场。通过控制变性区半导体加热制冷器5使微流道变性区恒温在典型温度95℃，为变性过程提供恒温；通过控制退火区半导体加热制冷器5使微流道 退火区恒温在典型温度65℃，为退火过程提供恒温；通过控制延伸区半导体加热制冷器5使微流道延伸区恒温在典型温度72℃，为延伸过程提供恒温。变性阶段1分钟，退火阶段30秒，延伸阶段则根据要扩增的DNA片段长短来决定，一般需要1分钟。样品经过变性、退火和延伸，完成一次聚合酶链式反应，聚合酶链式反应过程反复循环实现DNA的扩增。扩增反应前，通常需要10分钟预变性。

在微流控芯片上方是实时荧光检测系统，该系统包括电机7，传动轴8，光学支架9，光源10，光电探测器11和荧光信号采集处理系统。光源10和光电探测器11位于微流控芯片中的延伸区上方，光源10和光电探测器11平行设置，并且与微流道成大于10°的角度，光源10采用激光二极管，而光电探测器11采用光电倍增管。根据样品的流动速度和微流道尺寸可以计算出样品的实时位置，电机7通过传动轴8和光学支架9带动光源10和光电探测器11沿一维水平运动，到达样品的上方，当样品每完成一次扩增反应，实时荧光检测一次。荧光信号采集处理系统与温度控制系统通过控制模块接计算机。

所述热循环系统和所述实时荧光检测系统所用控制模块的微处理器为数字信号处理器或现场可编程门阵列，数字信号处理器或现场可编程门阵列通过串口或USB或蓝牙或Wi-Fi或internet网络等有线或无线方式连接到计算机上，上位机程序控制整个装置。

Claims (6)

1.聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：其包括：

微流控芯片，其包括带有螺旋形微流道结构的基底层(1)、盖板层(2)，基底层(1)与盖板层(2)形成微流控芯片；在盖板层(2)上有两个孔分别为进样孔(3)和出样孔(4)，分别位于微流道的起点和终点；提供气压动力使样品流动的空气泵连接至进样孔(3)；基底层(1)材料为导热材料；盖板层(2)为透光材料；

热循环单元，其包括半导体加热制冷器(5)和驱动电路、温度传感器(6)，以及基于微处理器与比例积分微分算法的控制模块；(3)个半导体加热制冷器(5)在环形微流体通道的下方样品流动方向依次构成变性、退火、延伸三个区；温度传感器(6)放置在半导体加热制冷器(5)和微流控芯片之间；温度传感器(6)连接至控制模块，控制模块连接至驱动电路，驱动电路与半导体加热制冷器(5)相连，控制半导体加热制冷器(5)的加热或制冷温度；

实时荧光检测单元，其包括电机(7)、传动轴(8)、光学支架(9)、光源(10)、光电探测器(11)，以及上述的控制模块；光源(10)和光电探测器(11)位于微流控芯片中的延伸区上方，电机(7)连接传动轴(8)，传动轴(8)上光学支架(9)，光源(10)固定在光学支架(9)的末端，电机(7)带动光源(10)和光电探测器(11)沿一维水平运动；光电探测器(9)连接到控制模块；

上述的控制模块连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：所述的基底层(1)与盖板层(2)以键合技术密封在一起形成微流控芯片。

3.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：所述的温度传感器(6)为铂电阻传感器；半导体加热制冷器(5)、温度传感器(6)、光源(8)采用半导体工艺制作。

4.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：所述的控制模块是以采用数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA为核心的控制模块。

5.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：控制整个装置的计算机接口采用串口或USB或蓝牙或Wi-Fi或internet网络有线或无线方式连接至控制模块。

6.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应器及实时机电扫描检测装置，其特征在于：反接所述的半导体加热制冷器(5)即可制冷取代传统的自然冷却。

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