CN103333789A - 便于集成的实现pcr的装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便于集成的实现PCR的装置及操作方法,装置包括温度控制模块、半导体制冷器模块、导热模块、进样模块、电源模块和反应管道模块。温度控制模块根据设置的温度参数来输出两路控制信号,实现导通或关断半导体制冷器的正向和反向电流。半导体制冷器一面紧贴在散热块上,另一面紧贴导热模块。反应管道内嵌在导热模块内。实验时,进样模块将反应液吸入反应管道,并吸引至导热模块处,关闭两端的阀门,完成进样与密封;开启温控模块,半导体制冷器正向电流导通时对导热模块进行加热,半导体制冷器的反向电流导通时对导热模块进行制冷;通过导热模块温度变化实现对反应管道的温度控制,最终在反应管道内实现PCR。
Description
技术领域
本专利涉及一种PCR的实验装置,特别涉及一种便于集成的实现PCR的装置及操作方法,适用于便携式、自动化的生化检测系统,属于生物学、分析化学和医学检测领域。
背景技术
多聚酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是一种在体外实现DNA复制过程的核酸快速扩增技术,它是一种无细胞扩增技术,广泛应用于现代医学和生物学研究。PCR是一个在热循环条件下的酶催化过程,通过高温变性、低温退火和适温延伸的循环进行,使目的DNA片段得以迅速扩增。
实现PCR技术的关键外部条件是快速而准确的温度循环控制。目前,用于实现PCR的装置主要分为普通台式PCR仪和PCR芯片两大类。普通台式PCR仪的温控模块(4)为金属导热块,反应体系在金属块上的PCR管内完成反应,其可满足普通实验室大通量(一般为96孔)的实验需求。但它存在热容大,升温速度慢;反应液温度不均匀;体积大,不便携,不方便集成等缺点。PCR芯片又分为微流控PCR芯片和静态腔式的PCR芯片两种。微流控PCR芯片是利用微机电系统技术在硅、玻璃或高聚物基底材料上加工出一系列的微通道,再集成微加热器和温度传感器等控制单元,在芯片上形成三个温区,将PCR体系依次流过三个温区,依靠液体的主动运动来实现PCR体系的温度变化,最终实现PCR反应。这种芯片的循环次数受芯片结构设计的限制,每个阶段的反应时间比例也已固定。其缺点是加工工艺复杂,反应过程需要有持续的动力来推动反应混合液的均匀流动。静态腔式的PCR芯片是在硅、玻璃或高聚物基底材料上加工出一个微小的腔体,再集成微加热器和温度传感器等控制单元,实际上是传统热循环扩增仪的微型化装置。在这种装置中,反应混合液通常被固定在微腔内,通过在外部控制加热器的温度,实现快速升/降温,完成扩增循环。这种芯片的循环次数不受限制,芯片尺寸小,可根据不同需要设计不同的微反应室阵列,进行高通量的PCR扩增,便于微型化和便携化,其缺点是反应过程容易产生气泡,反应液的回收损失较大,且不便于和进样系统集成。
发明内容
为了解决上述PCR仪在系统集成和装置自动化中存在的问题,本专利的目的是提供一种便于集成的实现PCR的装置及操作方法,装置包括反应管道模块1、导热模块2、半导体制冷器模块3、温度控制模块4、电源模块5和进样模块。
所述的反应管道模块1,采用硅胶软管;
所述的导热模块2为一铝块,其上加工有可以放置反应管道模块1的通孔2-1,和放置温度传感器的埋孔2-2,可根据需要在半导体制冷器模块3上放置多个导热模块2,同时实现多路扩增;
所述的半导体制冷器模块3的最高输入电压为15.7V;
所述的温度控制模块4包括可编程温控仪、固态继电器和温度传感器,可编程温控仪的加热信号输出端连接一个固态继电器,此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块3的正向电流通路,可编程温控仪的制冷信号输出端连接另一个固态继电器,此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块3的反向电流通路;
所述的电源模块5采用输出两路15V电压的直流电源;
所述的进样模块包括阀门16、阀门27和蠕动泵8,其中阀门16和阀门27采用夹管阀,蠕动泵8采用微型蠕动泵;
半导体制冷器模块3固定在散热块上,导热模块2固定在半导体制冷器模块3上,半导体制冷器模块3与散热块的接触面和半导体制冷器模块3与导热模块2的接触面上均涂有导热硅脂,反应管道模块1固定在导热模块的通孔2-1内,其一端连接阀门16,另一端连接阀门27和蠕动泵8,温度传感器内置于导热块的埋孔2-2内,孔内填充导热硅脂;
用本装置实现PCR的操作步骤如下:
1、通过蠕动泵8将PCR体系吸入反应管道,并将PCR体系吸引至导热模块2内的反应管道处,然后用阀门16和阀门27将液柱两端的硅胶管夹紧,阀门16、阀门27与硅胶管形成反应密封腔;
2、设置温控模块4的温度参数和时间,包括预变性的温度和持续时间,扩增循环数,变性、退火、延伸的温度和持续时间,最后延伸的温度和持续时间;
3、温控模块4根据设置的参数输出加热、制冷两路开关信号,控制半导体制冷器模块3的正向电流导通或反向电流导通,正向电流导通时,半导体制冷器模块3对导热模块2进行加热;反向电流导通时,半导体制冷器模块3对导热模块2进行制冷。温度传感器内置于导热模块2的埋孔2-2内,将导热模块2的温度值反馈给温控模块4。温控模块4通过控制导热模块2的温度实现对反应管道1的温控,反应液最终在反应管道密封腔内实现PCR。
本专利的优点:
1、本专利进样方便,通过蠕动泵可以非常方便的将反应液吸到导热块的反应管道内,蠕动泵体较小,这种进样方式便于系统集成;
2、本专利的反应液温度均匀,其反应管内嵌于导热块内部,几乎不存在温度梯度。
3、本专利的反应液回收率高,反应过程中液体密封,蒸发损失少,管道内壁残存液体少。
4、本专利的反应液在反应过程中不会产生气泡,从而有利于后期的荧光定位观测,这一点在静态腔式PCR芯片中很难避免。
5、本专利的反应管道成本低廉,不需要特别的微加工;反应管道便于清洗,有利于反复使用;反应管道生物相容性好,不需做管道内壁修饰等特殊处理。
附图说明
图1为系统总结构图。
图2(a)为导热模块上视图,(b)为A-A方向剖面图。
图3(b)为导热模块前视图,(a)为B-B方向剖面图。
图中:1反应管道;2导热模块;2-1放置反应管道的通孔;2-2放置温度传感器的埋孔;3半导体制冷器模块;4温控模块;5电源模块;6阀门1;7阀门2;8蠕动泵。
具体实施方式
本专利所述装置在实验室做了验证性实验,并与普通PCR仪(型号:伯乐S1000)的反应结果做了对比。验证试验中,采用的硅胶管外径3mm,内径1.5mm,采用的电源模块5的两路输出电压均为15V,采用的20ul的PCR反应体系如下:TaKaRa生物技术公司的Taq酶(0.3ul)、dNTP(2ul)、buffer(2ul));上海生工生物公司的混合引物(2ul);上海植物生理生态研究所提供的模板(0.5ul)——拟南芥野生型DNA,无菌水(13.2ul)。
本装置采用的参数为:
1、预变性:3min,温度为94℃;
2、变性:30s,温度为93℃;
3、退火:30s,温度为55℃;
4、延伸:50s,温度为72℃;重复2、3、4步30次;
5、最后延伸:10min,温度为72℃。
作为对照的普通PCR仪的温度参数设置为:
1、预变性:5min,温度为94℃;
2、变性:50s,温度为93℃;
3、退火:50s,温度为55℃;
4、延伸:60s,温度为72℃;重复2、3、4步30次;
5、最后延伸:10min,温度为72℃。
实验结果:上述两种扩增产物(500bps)经琼脂糖凝胶电泳后放荧光台观察,本装置的扩增条带清晰,与普通PCR仪的扩增效果相当,且总扩增时间短。
Claims (2)
1.一种便于集成的实现PCR的装置,装置包括反应管道模块(1)、导热模块(2)、半导体制冷器模块(3)、温度控制模块(4)、电源模块(5)和进样模块,其特征在于:
所述的反应管道模块(1)采用硅胶软管;
所述的导热模块(2)为一铝块,其上加工有可以放置反应管道模块(1)的通孔(2-1)和放置温度传感器的埋孔(2-2);
所述的半导体制冷器模块(3)的最高输入电压为15.7V;
所述的温度控制模块(4)包括可编程温控仪、固态继电器和温度传感器,可编程温控仪的加热信号输出端连接一个固态继电器,此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块(3)的正向电流通路,可编程温控仪的制冷信号输出端连接另一个固态继电器,此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块(3)的反向电流通路;
所述的电源模块(5)采用输出两路15V电压的直流电源;
所述的进样模块包括阀门1(6)、阀门2(7)和蠕动泵(8),其中阀门1(6)和阀门2(7)采用夹管阀,蠕动泵(8)采用微型蠕动泵;
半导体制冷器模块(3)固定在散热块上,导热模块(2)固定在半导体制冷器模块(3)上,半导体制冷器模块(3)与散热块的接触面和半导体制冷器模块(3)与导热模块(2)的接触面上均涂有导热硅脂,反应管道模块(1)固定在导热模块的通孔(2-1)内,其一端连接阀门1(6),另一端连接阀门2(7)和蠕动泵(8),温度传感器内置于导热块的埋孔(2-2)内,孔内填充导热硅脂。
2.一种基于权利要求1所述的便于集成的实现PCR的装置的操作方法,其特征在于操作方法如下:
蠕动泵(8)将反应液吸入反应管道模块(1)内,并吸引至导热模块(2)内的反应管道处,然后用阀门1(6)和阀门2(7)将液柱两端的硅胶管夹紧,阀门1(6)、阀门2(7)与硅胶管(1)形成反应管道密封腔,完成进样与密封;
温控模块(4)根据设置的参数输出加热、制冷两路开关信号,控制半导体制冷器模块(3)的正向电流导通或反向电流导通,正向电流导通时,半导体制冷器模块(3)对导热模块(2)进行加热;反向电流导通时,半导体制冷器模块(3)对导热模块(2)进行制冷;温度传感器置于导热模块(2)的埋孔(2-2)内,将导热模块(2)的温度值反馈给温控模块(4);温控模块(4)通过控制导热模块(2)的温度实现对导热模块(2)内的反应管道的温控,反应液最终在反应管道密封腔内实现多聚酶链式反应。
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