CN102939161A - 一种非接触式实时微聚合酶链式反应系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统，其包括：芯片，其具有用于容纳样品的反应室和在反应室下方的用于加热所述样品的嵌入式金属加热器；光学单元，其包括关联的LED驱动器和光检测放大器，且置于所述芯片上方用于检测荧光；感应加热器，其围绕所述芯片安装并电感耦合到金属加热器；红外温度传感器，其安装在所述芯片下方用于测量金属加热器的温度，其中，所述红外温度传感器与信号调节器接合；及控制器，其与信号调节器和感应加热器接合，以通过信号调节器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。

Description

一种非接触式实时微聚合酶链式反应系统及其方法

技术领域

本发明的实施方式涉及一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统，更具体而言，本发明的实施方式涉及一种PCR系统，其具有带有密封反应室的感应式加热的芯片和红外温度传感器。

背景技术

在分子生物学中，PCR是一种使单个或几个拷贝的脱氧核糖核酸(DNA)片段扩增至若干数量级从而产生特定DNA序列的百万计拷贝的技术。该方法是基于热循环，即连续地加热和冷却样品。随着PCR的进行，所产生的DNA自身用作复制模板。PCR包括加热和冷却的三个主要步骤，重复25-30次。每一个循环包括：(i)在～94度变性，此时全部双链解链成单链DNA；(ii)在～54度的较低温度下退火，此时两个引物与单链模板配对，(iii)在～72度延伸，其中聚合酶通过连接与模板互补的碱基而使引物延伸，由此对于每一个模板形成两个拷贝的双链DNA。

传统的台式PCR系统使用大的金属加热和冷却块使聚丙烯管内部装载的样品温度循环，反应室的小型化在集成化、速度和效率方面具有优势。由于这些优势，对PCR的小型化系统的开发已经成为极为关注的领域。许多研发团队已经使用适于生物反应的各种材料制作出装置。大部分的研发团队已使用硅作为其基材，因其具有高的热传导性和良好特性的加工条件。裸硅是光学不透明的并且有报道称其抑制PCR反应。氧化的硅或玻璃是优选的，但是这些芯片中的反应室、加热器和温度传感器的复杂的多步加工使其对于单一用途的一次性应用来说过于昂贵。此外，反应室密封步骤要求避免热蒸发，这通常通过不同类型的粘合法中的一种来完成，例如熔融粘合法、阳极粘合法、粘合剂粘合法、可逆粘合法和超声粘合法。另一方面，聚合物是生物相容性的低成本材料，其是透明的并且容易在较低温度下成型。但是，其热传导性与硅相比要低得多。因此加热器和温度传感器的设计非常重要。

加热方法的选择与材料的选择对于快速微芯片PCR方案起到重要的作用。一般说来，不同的团队通常使用的加热方法有两类：接触式和非接触式加热。接触式加热方法利用电阻加热器加热PCR溶液。加热器通常是薄膜金属，大多是铂(Pt)，这是因为其具有对于电阻的可重现的温度依赖性、承受高温的能力、良好的化学稳定性和高的纯度。此外，通常使用钛的薄层作为Pt的粘合层，这是由于后者在高温下展现高扩散率，这使得其性能恶化。但是Pt非常昂贵而且光学不透明。其它的金属或合金也已被用作加热器。一些商业上可得到的珀尔贴块热电单元也已经广泛用于PCR芯片的温度控制，尽管其具有较大的热质量、较慢的温度斜率并且是不透明的。最常用的PCR的非接触式加热方案是基于热空气循环，其通过快速切换所需温度的空气流来完成。但是对于单个芯片控制和应用热空气并非易事。在一些报道中，使用钨灯的红外辐射被用作非接触式热源，其对于35个循环需要不到15分钟。但是，钨灯是非相干的非聚焦光源，因此需要高功率(50-100W)以使芯片达到所需温度。在另一个报道中，描述了使用非昂贵的卤灯作为低功率辐射源用于硅微反应室中的温度的快速上升。

根据之前的讨论，有必要研发这样的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统以克服以上提到的问题，该系统具有带有密封反应室的感应式加热的聚合物芯片和和红外温度传感器，该芯片由选自包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸系物、聚丙烯和聚碳酸酯的组中的材料制成。

发明内容

发明目的

本发明的一个目的是提供一种具有感应加热器和红外辐射温度传感器的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统。

本发明的一个目的是提供一种具有带有反应室和嵌入式金属加热器的芯片的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统。

发明概述

通过提供如本发明中所要求保护的系统和方法，可以克服现有技术的缺点并提供额外的优点。

通过本发明的技术可以实现附加的特点和优点。本文中对本发明的其它具体实施方式和方面进行了详细说明并且被认为是本发明所要求保护的一部分。

本发明的基本的具体实施方式提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统。该系统包括具有用于容纳样品的反应室和在所述反应室下方嵌入的用于加热样品的金属加热器的芯片。包括关联的LED驱动器和光检测放大器的光学单元，其置于芯片上方用于检测荧光。感应加热器围绕芯片安装并且电感耦合到金属加热器。红外温度传感器安装在芯片下方用于测量金属加热器的温度，其中所述红外温度传感器与信号调节器接合。以及控制器与信号调节器和感应加热器接合，以通过信号调节器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。

在本发明的一个具体实施方式中，所述芯片由选自但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸系物、聚碳酸酯、聚丙烯的组中的材料制成。

在本发明的一个具体实施方式中，LED驱动器和光检测器放大器和脉冲宽度模块控制器与数据采集和控制系统接合以监测PCR的不同参数。

在本发明的一个具体实施方式中，所述感应加热器是线圈，所述线圈靠近所述芯片设置而用于感应加热金属加热器。而且芯片和线圈间的距离在0-10mm之间变化。

在本发明的一个具体实施方式中，控制器(5)选自脉冲宽度调节器、比例积分微分(PID)控制器和开/关转换器中的至少一种。

在本发明的一个具体实施方式中，在反应室的一侧具有喷嘴以在样品填充过程中限制所捕集的空气。

本发明的另一个具体实施方式提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统的操作方法。该方法包括将样品填充到芯片的反应室中的行为。使用嵌入式金属加热器加热样品，其中所述嵌入式金属加热器电感耦合到感应加热器以接收来自感应加热器的热能。然后使用红外温度传感器测量金属加热器的温度。以及使用控制器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。

在本发明的一个具体实施方式中，在填充样品之前通过设置在所述芯片的一端的喷嘴将所捕集的空气从反应室中冲走。

在本发明的一个具体实施方式中，使用包括关联的LED驱动器和光检测放大器的光学单元来检测荧光。

在本发明的一个具体实施方式中，使用数据采集和控制系统来监测聚合酶链式反应的不同参数。

在本发明的一个具体实施方式中，通过电磁感应方法由感应加热器向金属加热器供给热量。

以上概述仅作说明之用，并非意欲加以任何限制。除了以上所述的说明性方面、具体实施方式和特点外，进一步的方面、具体实施方式和特点通过附图和以下详细说明将是明显的。

附图说明

本发明的新颖的特点和特性如所附权利要求所阐述的那样。但是本发明自身，优选的使用方式，其进一步的目的和优点，也可以通过参考以下具体实施方式的详细说明结合附图得到最好的理解。现参照附图(其中相同的附图标记代表相同的元件)通过实施例描述一个或更多的具体实施方式，其中：

图1表示非接触式微PCR系统的框图。

图2a-2c表示带有嵌入式加热器和反应室的PDMS芯片的三步制备步骤。

图2d和2e表示PDMS芯片的顶视图和透视图。

图3a-3c表示线圈相对于芯片、物镜和IR传感器的位置。

图4表示围绕厚度为0.4mm的直径为8mm镍环的磁场线的2D数字模拟，该镍环用2匝由1mm直径导线制成的直径10mm的铜线圈感应加热，负载电流10A，频率为50kHz。

图5表示不同加热材料的耗散功率与频率的函数的数字模拟：不锈钢(SS)、铝(Al)和铜(Cu)。还显示了铜线圈自身(线圈)的耗散功率。

图6表示解链曲线，其显示实时荧光信号的导数与温度(芯片的未校准IR传感器读数和用于MJR热循环仪内部的管的校准热电偶)的函数。

图7表示循环过程中的温度分布。黑色线表示由计算机即时切换的设定点，而红色曲线表示来自IR传感器的(校正过的)温度。左图显示全部循环的完全的分布，而右图表示前几个循环。

图8表示在PDMS芯片中扩增300bp的λDNA的实时荧光信号以及使用商品化的热循环仪在聚丙烯管中进行类似试验中扩增300bp的λDNA的实时荧光信号。

图9表示在管中和在PDMS芯片中扩增的300bp的DNA的解链曲线分析。将两个样品加样到芯片中通过IR传感器记录解链曲线。

附图描述的本发明的具体实施方式仅作说明之用。本领域的技术人员容易理解本文以下对所述的对结构和方法的变化的说明不会背离本文中所述的本发明的原则范围。

具体实施方式

上文已经对本发明的特点和技术优点进行了大致的描绘以使得以下对本发明的详细说明更易于理解。本发明的其，他特点和优点将在下文中进行描述并构成了本发明要求权利的目标。本领域的技术人员应当理解公开的特定具体实施方式和概念可以被容易地利用作为改进或设计其它结构的基础以完成本发明的相同目的。本领域的技术人员还应当意识到这样的等同结构并不背离本发明在所附权利要求中的实质和范围。那些被认为是本发明的新颖的特点，无论是关于其组成还是操作方法的方面，与进一步的目的和优势一起，都可以根据以下说明结合附图内容得到更好的理解。但是，应当明确地理解每一个附图都是仅作为说明和描述之用，而并非意欲对本发明进行限制。

为了克服上文讨论的问题，本发明提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统(A)。该系统包括感应加热器(2)，其简单且不需要任何光辐射和附加的透镜和滤光器。感应加热导致具有提高的可靠性的更简单的芯片(1)的制作步骤。进一步地，系统中使用红外温度传感器(3)用于监测和控制芯片温度。这避免了使用如热电偶或电阻器的接触式的温度计，其需要使用复杂的制作步骤嵌入到芯片中。由于温度计并非芯片(1)自身的一部分，芯片的成本和可抛弃性被极大地改善。进一步地，温度计作为芯片读数单元的部分，其校准仅需要一次就可完成，而不需要对每一个芯片进行。除去加热之外，使用非接触式温度感应是充分实现完整的非接触式PCR芯片系统的优点所必需的。

本发明提供了使用PDMS芯片(1)的完整的非接触式PCR系统(A)的设计。通过使用电磁感应实现了非接触式加热，而且使用红外热电偶(4)完成了非接触式温度传感感应。更具体而言，本发明更特别涉及：带有嵌入式加热器(1b)的芯片(1)的设计；加热器金属及其几何形状的选择的优化；用于监测温度的红外温度传感器(3)的使用；加热器表面涂层的优化以利于最佳的红外发射和荧光；使用DNA解链曲线以校准红外温度计；PDMS芯片(1)内部的密封反应室(1a)，可以使用微量注射器将样品注入其中，以避免了对矿物油或其它添加剂作为挥发蒸发阻止剂的需求；用于加热器(1b)部件和反应室(1a)部件以及在空气中使用等离子体粘合将二者结合在一起的加工工艺；谐振激发的感应线圈，其频率被调谐到能向嵌入式加热器(1b)最佳地传输功率；和最后，用于基于来自红外温度传感器(3)的反馈调节感应加热器(2)的功率的低功率脉冲宽度调节(PWM)控制器(5)。

包括荧光检测单元的非接触式PCR系统(A)的原型已经构建并使用λDNA的扩增和解链进行测试。本发明的PCR装置在PCR过程中每0.5秒测量荧光。本发明展示了包括但不限于600bp、800bp和1000bp大小的λDNA的扩增，并且证实了与商品化的PCR机器相比具有解链曲线的产品特异性。通过在实时微芯片PCR应用中使用可抛弃的透明生物相容性的聚合物芯片而无需任何电接触能够为在不同的应用领域中快速部署这些低成本系统铺平道路。

方法和材料

图1是例举的具体实施方式，其表示了非接触式微PCR系统(A)。该系统包括具有电感耦合到感应加热器(2)的嵌入式金属加热器(1b)的PDMS芯片(1)。红外辐射温度传感器(3)从芯片(1)的底部测量加热器(1a)的温度。温度信号与设定点进行对比并且通过PWM开关控制回路(5)调节供给感应加热器(2)的功率。带有关联的LED驱动器和光检测放大器(7)的光学拾波器单元(6)置于芯片(1a)的上方以检测荧光。光检测放大器(7)和PWM开关控制回路(5)与数据采集和控制系统(8)接合。所述的数据采集和控制系统(8)具有监测聚合酶链式反应的参数的内置程序。单个子系统的进一步的细节将在下文中给出。

PDMS芯片的制作

图2a-2c是例举的具体实施方式，其表示了PCR芯片(1)的制作中涉及的步骤。芯片(1)的上半部分由反应室(1a)组成，其是使用复制模压技术制作。首先设计并使用SU-8和光刻蚀法制作母版。将负性光刻胶[SU82150]在30秒内在1000rpm下旋涂在一个两英寸的硅片上。在软烘后，将光掩模上的图案通过两分钟的UV暴露传递到SU8涂覆的硅片上。暴光后的图案进行后烘、显影30分钟然后硬化烘烤。为了得到芯片(1)的上半部分，将10∶1的PDMS倒入母版中，烘烤并剥离。反应室(1a)的体积为约5μL[～3mm直径和600μm高]。在圆形室的一侧具有喷嘴(1c)以在样品填充过程中限制所捕集的空气。芯片(1)的底部由嵌入在PDMS中的薄的圆形金属片组成。这是通过简单地将金属盘浸没在倒入憎水的玻璃载片上的PDMS薄层中而制得。在90摄氏度下烘烤硬化2小时后，将薄片切割并从玻璃载片上剥离。最后，PDMS的上半部分和下半部分暴露到空气等离子体中2分钟，在稍微加压下接触放置，然后在烤箱中在90摄氏度下加热30分钟以得到带有嵌入式反应室(1a)和加热器(1b)的不可逆结合的PCR芯片(1)。

为使用芯片(1)，反应室(1a)首先使用微量注射器在喷嘴(1c)处刺穿。然后使用微量注射器从相对的一侧用溶液填充该室(1a)。大部分的空气向喷嘴(1a)排出并从刺穿的排气孔逸出。任何残余的被捕集的空气泡都被限制在喷嘴(1c)中而不会干扰PCR或荧光信号。

图2d和2e分别表示了PDMS芯片(1)的俯视图和透视图。芯片(1)包括用于容纳样品的反应室(1a)和在反应室(1a)下方的用于加热样品的嵌入式金属加热器(1b)。芯片(1)进一步包括位于反应室(1a)的侧面的喷嘴(1c)用于将捕集的空气从反应室(1a)中冲走。

嵌入式加热器的设计

对于给定的初级线圈，耦合到第二级的功率取决于频率、金属的电阻率和几何尺寸(直径和厚度)。更大的尺寸能够提高耦合的功率，却由于增加了热质量而降低了被动冷却率。更高的频率会导致更好的加热效率，但是必须权衡功率晶体管中的开关损耗。对不同的商业上可得到的不同厚度的钢、铜和铝金属片进行了尝试，进行模拟以确定最佳的开关频率。将薄片的顶面打磨得很光滑能够改进收集的荧光信号而底面涂成黑色可以通过红外辐射温度传感器(3)得到最佳的热检测。

感应加热线圈和IR检测器

红外检测器(3)必须放置在～2mm以内以精确地感受直径～7mm的发射表面的温度。由此其正好被置于在芯片(1)的下方。

由于传感器主体为金属，感应加热器(2)初级线圈的位置很重要。当如图3a所示在芯片(1)下方使用10匝的线圈时，红外温度传感器(3)主体也被加热并且干扰温度信号。另一方面，如果如图3b所示将线圈置于芯片(1)上方时，带有金属主体的物镜(6)被加热并导致过度的功率耗散。而且，对芯片(1)的处理变得不便且造成加热效率的损失。因此，最终优化的设计如图3c所示，其由一个正好围绕芯片(1)设置并且远离光学单元(6)和IR传感器(3)的3匝线圈组成。感应加热线圈靠近芯片(1)设置并且感应线圈和芯片(1)之间的距离在0-10mm之间变化。

荧光检测单元

优化用于增补染料Sybr Green的荧光检测系统由470nm蓝LED激发源组成，使用分色镜投射并使用20X显微镜物镜会聚在PDMS芯片(1)上。520nm的发射通过该同一个透镜收集，使用带通滤光器过滤，并在硅光二极管上会聚。LED的强度被调制到190Hz并使用放大器中的锁定来同步检测光流。按时间绘制每秒钟获得的信号得到PCR过程中连续的荧光发射。

温度校准

传统的IR传感器必须针对涂黑的嵌入式加热器的发射率进校准。此外，位于离加热器(1b)～0.5mm远的反应室(1a)将处于较低的温度下。因此，在反应室(1a)内部使用的DNA自身作为校准的温度标准。具体是通过用荧光识别芯片(1)内部的DNA的解链温度，记录该解链发生时的IR传感器(3)的信号，并且与在商业上得到的PCR热循环仪中得到的实际解链温度相比较来完成。通过使用具有不同解链温度的DNA，传感器读数可以校准到实际的室的温度。对于给定的系统(A)，这仅需要做一次，因为后续反应的发生是在类似的芯片(1)内部相对于传感器来说是同样的位置处。

信号处理和功率控制电子设备

来自红外辐射温度传感器(3)的DC信号通过精密操作用放大器缓冲并使用带有来自模拟装置(Analog Devices)的冷连接补偿的热电偶放大器IC进行放大。信号被输入也能够产生PWM波形的微控制器的内置比较器中。来自PC的设定温度也被通过USB DAC/ADC系统输入到比较器中。比较器的输出由MOSFET驱动器控制并且所述的输出以PWM信号的形式输送到动力MOSFET。然后晶体管开关打开，将来自5伏特DC的动力提供到由感应加热器初级线圈和10μF的低功耗电容组成的谐振回路中。USB-DAQ系统将IR温度信号记录到PC上，如同来自光学单元的荧光信号一样。

样品制备

PCR样品制备是使用2X DyNAmo Sybr green Master mix、Taq聚合酶、λDNA、PCR水和引物。用1微升的λDNA模板、2.5微升的P1[5-AGT GTCGAA TTC TGATCG TGG TGA TAT CCG-3]、2.5微升的P2[5-AGT GTC AAG CCT CAG CTT CAGTTC TCT-3]、1微升的Taq聚合酶、25微升的Master mix和18微升的PCR水制成50微升的混合物来产生311bp的扩增的DNA。使用不同的引物来产生～600bp和～1000bp的扩增的λDNA。

非接触式PCR的执行步骤

非接触式实时PCR系统(A)使用密封的一次性的带有嵌入式金属加热器(1b)的PDMS芯片(1)来运行PCR反应，需要执行以下步骤：

a.按照通常的商业可得到的台式热循环仪的规程制备PCR样品。样品含有模板DNA、引物、dNTPs、Taq聚合酶或等价物、适用的盐和PCR水中的缓冲剂。样品还含有Sybr Green或Taqman荧光探针。可以使用商业的Master mixs(例如DyNAmo试剂盒)或其等价物。

b.使用洁净并且已灭菌的带有细针头的注射器在喷嘴(1c)处刺穿反应室(1a)以释放被捕集的空气。由于在一些情况下空气泡并不干扰反应因而该步骤是可选的。

c.将约5到10微升的样品通过刺穿顶部密封注射到PDMS芯片(1)的反应室(1a)中。在该过程中被捕集的空气被推向喷嘴(1c)处通过步骤2刺穿的孔逸出。任何残存的被捕集的空气在凹口处形成小气泡而不会干扰随后的PCR反应。

d.将带有PCR样品的PDMS芯片(1)置于感应加热器(2)的线圈内部的小夹具内。夹具的位置是预先调整以获得最佳的加热和荧光并且不会受到任何反应的干扰。

e.将光学头部降低到收集荧光的位置。头部的位置是预先调整以获得最大的荧光并且不会受到任何反应的干扰。

f.在一些设计中，光学头部是固定的而样品夹具是可移动的以放置和移动芯片(1)。在最终的位置处，光学透镜距离PDMS表面数个毫米。

g.红外辐射温度传感器(3)位于样品夹具下方预先调整的位置并且不会受到任何反应的干扰。样品夹具具有一个中心孔以使得传感器通过该孔收集红外辐射。

h.在PDMS芯片(1)和光学头部(6)布置就位后，向微型计算机给出一个命令以执行软件控制器。反应的参数，即初始的保温温度和时间、在用于变性、退火和延伸步骤的各温度和时间下的循环次数、以及最终的延伸温度和时间也输入软件中。然后软件向控制每一步骤的温度和时间的硬件发布命令。在每一个循环过程中，荧光被连续地或以用户确定的次数记录下来。

i.在反应后，样品冷却至室温。现在可以将PDMS芯片(1)从夹具上移出。

j.荧光和温度的数据随时间的函数可以由软件回溯和分析。

结果

围绕薄金属片的小线圈产生的磁通量密度可以通过QuickField 2-D电磁模拟器测量，如图4所示。

对于模拟，线圈由电导率为5.88x10⁷S/m的1mm直径铜导线制成的两个直径10mm的导线环组成。加热器是电导率为1x10⁷S/m的直径8mm且厚度0.4mm的镍盘并且频率为50Hz。除去磁场外，铜线圈(初级)和加热器盘(第二级)中耗散的功率随频率的函数也针对不同加热器材料(即不锈钢(SS)、铝(Al)和铜(Cu))进行了计算，如图5所示。

已经观察到，初级(线圈)中耗散的功率相对地独立于材料而随频率增加。另一方面，加热器中耗散的功率最大的是在低频下的Al而在较高的频率下是不锈钢。但是在开关晶体管中消耗的功率在更高的频率下增加，由此在PCR实验中选择在最佳频率～130KHz下的Al加热器(具有与铜类似的电导率但是其打磨的表面具有更好的荧光反射)。最佳的加热器几何形状为厚度0.38mm、直径7.14mm的Al片，并且在底侧涂黑以获得最高的红外发射性。

温度校准的进行是通过比较在芯片(1)中的与装载于来自MJ Research USA的商业的热循环仪中的聚丙烯管中的三种不同的DNA(即λDNA 300bp、600bp和1000bp)的解链曲线来完成。装载约5微升并且温度从退火(54度)到变性(90度)斜线上升。

图6表示了得到的解链曲线，表1将IR传感器(3)在PDMS芯片(1)内的DNA的解链温度的读数与从商业的热循环仪读出的实际解链温度进行了对比。

表1：不同的λDNA样品的来自管(校准的热电偶)和芯片(未校准的IR传感器)的解链温度。

λDNA	管中的解链曲线	芯片中的解链曲线
			300	81	67
600	83.5	68.4
			1000	88.5	73

在两个建立的校准曲线之间的线性匹配和IR传感器(3)的读数被修正以显示后续PCR实验的反应室(1a)内部的样品的真实温度。用于在芯片中装载5μL的PCR规程包括初始的在96度下60秒的变性步骤，随后是变性(96度15秒)、退火(48度15秒)和延伸(72度100秒)步骤进行18个循环，以及最终的在72度下延伸300秒。图7表示了在来自非接触式IR传感器(3)的反馈下开关加热器控制所维持的温度分布。需要说明的是，在变性步骤和退火步骤之间切换时使用了一个小的～5W的风扇用于改进冷却效率。

图8显示的实时荧光信号是来自PDMS芯片中300bpλDNA的扩增与使用商业的热循环仪的聚丙烯管中进行的类似试验。

扩增对于全部的DNA样品(300bp、600bp和1000bp)可以重复地获得。在扩增后，如图9所示在同一芯片中进行解链曲线分析。还显示了由另一个PDMS芯片中装载的类似的DNA样品获得的解链曲线，但其是在使用商业的热循环仪的管中扩增的。在PDMS装置中的两个解链运行几乎是一模一样的，由于不同的循环数而具有微小的差别。

工业应用

本发明可以广泛地应用在Bio-MEMS领域，即，使用聚合酶链式反应(PCR)的DNA扩增。DNA扩增用于病原体检测、法医调查、生物防御、食物和水源控制、环境监测、DNA测序等等的各种形式。

等价物

关于本文中使用的大致任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员能够根据上下文和/或应用恰当地从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。不同的单数/复数的变更应当在此明确旨在澄清的目的。

本领域的技术人员应当理解，总体而言，本文中使用的术语，特别是在所附权利要求中(例如，权利要求书中的部分)，通常意欲为“开放”的术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当解释为“至少具有”，术语“包含”应当解释为“包含但不限于”，等等)。本领域的技术人员还应当理解，如果意欲引用某个特定数字的在前权利要求，其目的是明确地列举在权利要求中，如果缺少这样的列举，则不存在这样的目的。例如，为帮助理解，以下所附权利要求可以包括使用介绍性的短语“至少一个”和“一个或更多的”来介绍权利要求的列举。但是，使用这样的短语并不必然意味着通过不定冠词“a”或“an”将任何含有这样的权利要求列举的具体的权利要求限定到仅含有一个这样的列举的发明，即便同样的权利要求包括介绍性的短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词如“a”或“an”(例如，“a”和/或“an”通常解释为“至少一个”或“一个或更多的”)；同样也应把握用于介绍列举的权利要求所使用的定冠词的应用。此外，即使明确地列举了引用的具体数字的权利要求，本领域的技术人员也应当理解这样的列举通常应当解释为至少是列举的数字(例如，仅仅列举了“两个列举”而没有其他修饰，通常意味着至少两个列举，或者是两个或更多的列举)。进一步地，在使用“A、B和C中的至少一个，等”的惯常模式的情况下，一般说来这样的解释对于本领域的技术人员来说能够理解这种惯常做法(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”包括但不限于系统仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C，等)。在那些使用“A、B和C中的至少一个，等”的惯常模式的情况下，一般说来这样的解释对于本领域的技术人员来说能够理解这种惯常做法(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”包括但不限于系统仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C，等)。本领域的技术人员还应当进一步理解实际上任何转折连词和/或短语中存在两个或更多的可选择的术语时，无论其是出现在说明书、权利要求或附图中，均应理解为考虑有可能包括术语之一、术语中的任意一个或是两个术语。例如，短语“A或B”应当理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

尽管本文公开了不同的方面和具体实施方式，其它的方面和具体实施方式对于本领域的技术人员来说是显然的。本文公开的不同的方面和具体实施方式仅作说明之用，并非意欲限制，真正的范围和实质体现在权利要求中。

附图标记

附图标记	说明
		A	PCR系统
1	PDMS芯片
		1a	反应室
1b	金属加热器
		1c	喷嘴
2	感应加热器
		3	红外温度传感器
4	信号调节器
		5	PWM控制器
6	光学单元
		7	LED驱动器和光检测放大器
8	数据采集和控制系统

Claims (12)

1.一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统(A)，其包括：

芯片(1)，其具有用于容纳样品的反应室(1a)和在所述反应室(1a)下方的用于加热所述样品的嵌入式金属加热器(1b)；

光学单元(6)，其包括关联的LED驱动器和光检测放大器(7)，且置于所述芯片(1)上方用于检测荧光；

感应加热器(2)，其围绕所述芯片(1)安装并电感耦合到金属加热器(1b)；

红外温度传感器(3)，其安装在所述芯片(1)下方用于测量金属加热器(1a)的温度，其中，所述红外温度传感器(3)与信号调节器(4)接合；及

控制器(5)，其与信号调节器(4)和感应加热器(2)接合，以通过信号调节器(4)基于从红外温度传感器(3)接收的反馈来调节感应加热器(2)的功率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述芯片由选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸系物、丙烯和聚碳酸酯中的至少一种材料制造。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述LED驱动器和光检测放大器(7)和脉冲宽度模块控制器(5)与数据采集和控制系统(8)接合以监测PCR的不同参数。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感应加热器(2)是线圈，所述线圈靠近芯片(1)设置而用于感应加热金属加热器(1a)。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器(5)选自脉冲宽度调节器、比例积分微分(PID)控制器和开/关转换器中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，在反应室(1)的一侧具有喷嘴(1c)以在所述样品填充过程中限制被捕集的空气。

7.一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统的操作方法，所述方法包括：

将样品填充到芯片(1)的反应室(1a)中；

使用嵌入式金属加热器(1b)加热所述样品，其中，所述嵌入式金属加热器(1b)电感耦合到感应加热器(2)用于接收来自感应加热器(2)的热能；

使用红外温度传感器(3)测量金属加热器(1b)的温度；及

使用控制器(5)基于从红外温度传感器(3)接收的反馈来调节感应加热器(2)的功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，填充所述样品之前通过在芯片(1)的一端设置的喷嘴将被捕集的空气从反应室(1a)中冲走。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，使用包括关联的LED驱动器和光检测放大器(7)的光学单元(6)来检测荧光。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，使用数据采集和控制系统(8)来监测聚合酶链式反应的不同参数。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，通过电磁感应方法由感应加热器(2)向金属加热器(1a)供给热量。

12.如权利要求1所述的系统(A)用于选自DNA扩增、DNA提取、细胞分析和化学分析/合成中的至少一种BIO-MEMS应用。

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