CN102220228A - 聚合酶链式反应器及实时光学阵列检测装置 - Google Patents

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冯继宏
王冬
孔晶晶
张新磊
袁玉强
常宇
张晓光
曾毅
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聚合酶链式反应器及实时光学阵列检测装置，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，基底层与盖板层以键合技术密封在一起，在盖板层上有两个贯通孔分别为进样孔、出样孔；微处理器控制三个半导体加热制冷器件，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、延伸区三个恒定温度场；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件之间，形成闭环对温度进行控制。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。本发明利用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，缩短了聚合酶链式反应时间，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光学阵列检测装置
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
生化检测设备领域中微型化是一个发展方向，微机电技术(Micro-electro-mechanical systems，MEMS)的发展使PCR反应可以在芯片上完成。传统荧光PCR仪中存在以下缺点：仪器体积大，升降温速率慢，温度精度不高，半导体加热制冷器长期温度骤变寿命缩短。利用MEMS技术制造的微井式芯片，解决了仪器体积大的问题，但上述其他问题还存在。在三恒温区微流控芯片中，可以解决上述问题，但由于结构特点，又出现了液体流动动力问题和实现微流控芯片上聚合酶链式反应实时荧光检测的难题。
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光学阵列检测装置，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光学阵列检测装置，包括：
微流控芯片，该系统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，该系统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，该单元包括光源8、光电探测器9、及上述的控制模块；光源8采线阵发光二极管，光电探测器9采用线阵雪崩光电二极管，线阵LED和线阵雪崩光电二极管平行设置，并且与螺旋式微流道成夹角大于10°的角度，通过光学支架7固定；线阵LED和线阵雪崩光电二极管放置在微流控芯片延伸区上方；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℃。
本发明的工作过程如下，样品通过进样孔流入微流道，样品在空气泵的驱动下在微流道中流动，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，线阵发光二极管照明一次，同时线阵雪崩光电二极管对反应进行一次荧光探测；聚合酶链式反应反复循环实现DNA的扩增，同时进行实时荧光检测。
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，光源采用半导体工艺制作的线阵发光二极管，光电探测器采用线阵雪崩光电二极管，实现实时定量荧光检测。由于采用螺旋形微流道，使得样品在流道内更容易流动。对于多个样品进行检测时，仅需要更换微流控芯片，降低了实验成本。
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、光学支架，8、光源，9、光电探测器，10、空气泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步说明：
如图1和2所示，本发明聚合酶链式反应器及实时光学阵列检测装置，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。如图3所示，从上到下依次是盖板层2、带有螺旋形微流道的基底层1、温度传感器6和半导体加热制冷片5。
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。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，包括光源、光电探测器9和荧光信号采集处理系统。光源8采用半导体工艺制作的线阵发光二极管，光电探测器9采用线阵雪崩光电二极管，线阵LED和线阵雪崩光电二极管平行设置，并且与螺旋式微流道成大于10°角度，通过光学支架7固定，放置在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，线阵发光二极管照明一次，同时线阵雪崩光电二极管对反应进行一次荧光探测；聚合酶链式反应反复循环实现DNA的扩增，同时进行实时荧光检测。荧光信号采集处理系统与温度控制系统受控制模块控制，控制模块与计算机相连，如图4所示，计算机接口采用串口或USB或蓝牙或Wi-Fi或internet网络等有线或无线方式，上位机程序控制整个装置。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。

Claims (6)

1.聚合酶链式反应器及实时光学阵列检测装置，其特征在于它包括：
微流控芯片，该系统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，该系统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，该单元包括光源(8)、光电探测器(9)、及上述的控制模块；光源(8)采线阵发光二极管，光电探测器(9)采用线阵雪崩光电二极管，线阵LED和线阵雪崩光电二极管平行设置，并且与螺旋式微流道成夹角大于10°的角度，通过光学支架(7)固定；线阵LED和线阵雪崩光电二极管放置在微流控芯片延伸区上方；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光学阵列检测装置，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光学阵列检测装置，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光学阵列检测装置，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光学阵列检测装置，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光学阵列检测装置，其特征在于：反接所述的半导体加热制冷器(5)可以实现三个温区的制冷冷却，代替了传统的自然冷却。 
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