CN102220227B - 聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置 - Google Patents

Abstract

聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置，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。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，使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。三个铂电阻温度传感器置于微流控道芯片和半导体加热制冷器之间，形成闭环温度控制。实时荧光检测系统包括光源、光电探测器和荧光信号采集处理系统。光源采用线阵发光二极管，光电探测器采用光电倍增管，两者通过光学支架固定在光源和光电探测器位于微流控芯片延伸区上方。本发明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微光学检测装置

技术领域

本发明涉及聚合酶链式反应(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

医学与生化检测设备中微型化是一个重要发展方向，微机电系统技术(Micro-electro-mechanical systems，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，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反应同时进行荧光检测的微型聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置，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微光学检测装置，它包括：

微流控芯片，其包括带有螺旋形微流道的基底层1、盖板层2，基底层1与盖板层2一起形成微流控芯片；在盖板层2上有两个孔分别为进样孔和出样孔，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10与进样孔3相连；基底层1的材料为导热性能良好的材料；盖板层2采用透光材料；

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在螺旋形微流体通道的下方，沿样品在微流体通道依次形成变性区、退火区和延伸区；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，该系统包括光源7、光电探测器9和上述的控制模块；光源7采用线阵发光二极管，光电探测器9采用光电倍增管，所述的线阵发光二极管与光电倍增管平行固定，并且与螺旋形微流道成大于10度的夹角；光源线阵发光二极管和光电倍增管位于微流控芯片延伸区上方；将微流道的荧光汇聚成一条直线光的柱面镜与接受直线光将其聚焦到一点的球面透镜组合式的微光学器件，置于微流道的上方，球面透镜的出射光由光电探测器9接收；光电探测器9连接到控制模块；

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℃。

样品从进样口进样后空气泵向进样口进气，提供气压动力使样品流动。样品在微流道里流动，依次经过变性区、退火区、延伸区，样品流动一圈即完成一次PCR反应。利用MEMS技术制造的微流控芯片实现了微量反应体系。

所述的温度控制采用DSP/FPGA输出脉宽调制波(Pulse-width modulating，PWM)控制三块半导体加热制冷器，三个铂电阻温度传感器为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。三个半导体加热制冷器彼此之间留有一定的空隙，利用空气隔热。

实时荧光检测系统中光源线阵LED和光电倍增管位于微流控芯片延伸区上方；制作柱面镜与球面透镜组合式的微光学器件，置于反应通道的上方，各个反应通道的荧光由于柱面镜汇聚作用成为一条直线，再经过球面透镜将汇聚的一条线再聚焦到一点，用光电倍增管接收。此过程反复循环可以完成多次反应实现DNA的扩增，同时进行实时荧光检测。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；发明一个低成本高灵敏度的实时荧光检测系统，采用制作柱面镜与球面透镜组合式的微光学器件，将所有通道的PCR的荧光信号汇聚到一个高性能光电倍增管中，实现实时定量荧光检测。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1本发明的结构俯视图。

图2本发明的结构侧视侧。

图3是图1的A-A剖视图。

图4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、光源，8、微光学器件，9、光电探测器，10、空气泵。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明微型聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置，包括微流控芯片、空气泵、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，在微流道上方是荧光检测装置，空气泵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上有两个贯通孔分别为进样孔3、出样孔4，进样孔3、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10从进样孔3进气，样品通过气压方式流动，多余气体从出样孔4排出。通过空气泵10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10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。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。微流控芯片和半导体加热制冷片5之间放置温度传感器6。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装置，光源7采用半导体工艺制作的线阵发光二极管，光电探测器9采用光电倍增管，线阵发光二极管与光电倍增管平行固定，并且与螺旋式微流道成一定角度，大于10度。线阵发光二极管和光电倍增管位于微流控芯片延伸区上方，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，线阵光源照明一次；制作柱面镜与球面透镜组合式的微光学器件8，置于反应通道的每一圈上方，每一个反应通道的荧光由于柱面镜汇聚作用成为一条直线，球面透镜将汇聚的一条线再聚焦到一点，用光电倍增管接收，对反应进行一次荧光探测；聚合酶链式反应过程反复循环实现DNA的扩增，同时进行实时荧光检测。如图4所示，荧光信号采集处理系统的光电探测器9与温度控制系统的温度传感器6通过控制模块连接到计算机上，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系统。

Claims (4)

1.聚合酶链式反应及实时微光学检测装置，其特征在于：它包括：

微流控芯片，其包括带有螺旋形微流道的基底层（1）、盖板层（2），基底层（1）与盖板层（2）一起形成微流控芯片；在盖板层（2）上有两个孔分别为进样孔和出样孔，分别位于螺旋形微流道的起点和终点；提供气压动力使样品流动的空气泵（10）与进样孔（3）相连；基底层（1）的材料为导热性能良好的材料；盖板层（2）采用透光材料；

控制模块，其为基于微处理器与比例积分微分算法的控制模块，控制模块连接至计算机；

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）；3个半导体加热制冷器（5）在螺旋形微流道的下方，沿样品在螺旋形微流道依次形成变性区、退火区和延伸区；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；三个半导体加热制冷器彼此之间留有空隙；

实时荧光检测单元，其包括光源（7）、光电探测器（9）；光源（7）采用线阵发光二极管，光电探测器（9）采用光电倍增管，所述的线阵发光二极管与光电倍增管平行固定，并且与螺旋形微流道成大于10度的夹角；光源线阵发光二极管和光电倍增管位于微流控芯片延伸区上方；将螺旋形微流道的荧光汇聚成一条直线光的柱面镜与接受直线光将其聚焦到一点的球面透镜组合式的微光学器件，置于螺旋形微流道的上方，球面透镜的出射光由光电探测器（9）接收；光电探测器（9）连接到控制模块。

2.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应及实时微光学检测装置，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及实时微光学检测装置，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。

4.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应及实时微光学检测装置，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internet网络有线或无线方式连接至控制模块。

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