CN103602578A - 一种用于微流控pcr生物芯片试剂的推送工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺，在微通道开端处一小段内，通过硅油注射器注入一段硅油，紧接在硅油后面通过试剂注射器注入PCR试剂，PCR试剂之后再注入一段硅油，使注入的硅油封闭PCR试剂的两端，用试剂位置传感器测量PCR试剂在微通道内的位置，根据位置信息用微泵控制PCR试剂在微通道内的流动与驻停，使试剂在通过高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区时停留PCR反应所需要的时间，以实现PCR的扩增。这种通过控制试剂在不同温区停留的时间实现PCR扩增的工艺，改变了以往控制试剂流速的方式，可以更精确地控制PCR的扩增时间，大大减少PCR试剂的使用量，节约试剂，此工艺可以减少芯片内所需微通道的长度，使生物芯片体积减小、更加微型化。

Description

一种用于微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺

技术领域

本发明涉及一种微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺，用于推动微流控PCR生物芯片中试剂在微通道内的运动，属于生物学、分析化学及医学检测领域。

背景技术

微全分析系统（Miniaturized Total Analysis System，μ-TAS）的概念,于20世纪90年代初首次提出，在此后十余年中该领域已发展为当前世界上最前沿的科技领域之一。μ-TAS概念是在100平方毫米左右(甚至更小的面积)的芯片上，实现微型化的全过程与步骤的生物化学分析系统,达到生物化学分析目的。微全分析系统具有检测速度快、试样用量少、通量高等显著的特点，因此深受世界各国的关注,并开展了大量相关研究。

微流控技术很快成为实现μ-TAS理念的实用技术，其实质是在微米级结构中操控纳升和皮升体积流体的技术和科学。微流控技术在实现μ-TAS整套理念和目标的过程中,主要是以实现现代宏观实验室中的生物和化学分析检验系统的“功能缩微和结构集成”为具体目的。其特征是,其各类导流和容纳流体的有效结构(包括微通道,反应室和其他某些功能部件)至少在一个维度上为微米尺度。与现代实验室宏观尺度全过程与步骤的实验装置相比,微米级结构的流体环境的面积/体积比例显著增加,也就是说,连接各类有效结构(包括反应室和其他某些功能部件)完成分析检验全过程与步骤的主要方式是,以微通道为各类功能部件连接微结构,以微通道中微体积流体的流动为各类功能部件产生功能作用基本条件的。

微流控PCR芯片是微流控技术的重要应用之一，聚合酶链式反应(Polymerase ChainReaction)简称PCR，由高温热变性（94℃左右）、低温退火复性（55℃）和适温延伸（72℃）组成一个周期循环，一个循环可以使DNA的基因片段总量（按2的N次方）增加，这样基因片段会迅速扩增。PCR技术的实用性，使得其应用广泛，多用于医学应用来检测细菌、病毒类疾病；诊断遗传疾病；诊断肿瘤；应用于法医物证学。

目前应用PCR技术的仪器有很多，常见的传统微流控PCR扩增方法是把试剂注满芯片的微通道，使反应中高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区温度不变，而推动微通道中的PCR试剂在三个温区内不断移动，分别实现试剂变性、试剂退火、试剂延伸，达到PCR扩增。当前市场上的微流控PCR扩增方法都是用40个微通道来实现40个PCR温度的循环。这样的结果与方法在扩增反应中所用的PCR扩增时间和PCR试剂用量上，都被40个微通道限制和浪费；此外为保证PCR试剂在不同温区扩增所需时间，目前普遍采用控制试剂流速的方法，但其平稳的流速不容易得到控制，而且装置体积大、精度不高、操控难；由于40个微通道结构长度的制约，使得生物芯片的体积较大，严重影响了微型生物芯片的集成自动化控制与微型便携化，限制了仪器的微型化发展空间。

另外对于非传统的微流控PCR扩增方法，注射在微通道中的PCR试剂不动，而通过高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区温度不断改变，实现PCR扩增。由于受到当前加热和制冷技术的制约，微型加热和制冷装置有降温和升温的速度极限，这样制约了PCR扩增的时间；此外在控制温度精度上也同样存在难度，不能保证试剂完全反应或者在温度变化中产生其他反应。

发明内容

本发明的目的是：提供一种全新的微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺，通过控制试剂在不同温区停留的时间实现PCR的扩增。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺，主要包括微泵、硅油注射器、试剂注射器、硅油、PCR试剂、微通道、试剂位置传感器，其特征在于：在微通道开端处一段内，通过硅油注射器注入一段硅油，紧接在硅油后面通过试剂注射器注入PCR试剂，PCR试剂之后再注入一段硅油，使注入的硅油封闭PCR试剂的两端；在之后的微通道内设置三个试剂位置传感器，分别位于聚合酶链式反应的高温热变性、低温退火和适温延伸的三个温区处，用以判断PCR试剂在微通道内的位置；位于微通道端口的微泵根据试剂位置传感器测量到的PCR试剂的位置控制PCR试剂在微通道内的流动与驻停，其中，当位于高温热变性处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂变性需要的时间，当位于低温退火处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂退火需要的时间，当位于适温延伸处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂延伸需要的时间。

本发明的微流控PCR生物芯片试剂的注射工艺与现有工艺相比，具有以下明显的优势和有益效果：通过控制试剂在不同温区停留的时间以实现PCR的扩增，避免了以往难以控制试剂平稳流速的问题，使在不同温区时间的控制更为精确，有利于芯片分析检验过程的准确完成，同时极大的减少了PCR试剂的使用量，提高PCR反应效率。此工艺的应用还能减少PCR生物芯片内微通道的长度，从而减小生物芯片的体积，在“功能集成和结构缩微”技术水平上，达到真正意义上的微全分析系统（μ-TAS）技术要求。

附图说明

图1是本发明一种用于微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺的示意图。

图中：1-微泵；2-硅油注射器，3-试剂注射器，4-硅油，5-PCR试剂，6-微通道，7-试剂位置传感器。

具体实施方式

在微通道口通过硅油注射器2注入一段硅油，紧接在硅油后面通过试剂注射器3注入实验所需的PCR试剂5，试剂之后再注入一段硅油，使注入的硅油4封闭PCR试剂的两端；利用试剂位置传感器7测得PCR试剂在微通道6内流动时所处的位置信息，试剂位置传感器7有三个，分别设置在位于聚合酶链式反应的高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区的微通道处。根据试剂位置传感器7测得的PCR试剂在微通道6内流动时所处的位置信息，利用微泵1控制PCR试剂在微通道6内的流动与驻停，当位于高温热变性处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂变性需要的时间，当位于低温退火处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂退火需要的时间，当位于适温延伸处的试剂位置传感器测量到PCR试剂时，微泵停止推动试剂延伸需要的时间，从而实现PCR的一次扩增，如此循环往复最终可获得特定基因片段。

PCR试剂在通过高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区时停留的具体时间可根据待扩增DNA片段的长度而定，实际情况中片段长度不同所需时间不同，一般在高温热变性、低温退火和适温延伸三个温区时各需要时间为1min/kb。位置传感器7测得的PCR试剂在微通道6内流动时所处的位置信息送到计算机，计算机根据该信息控制微泵的运行与停止。

Claims (1)

1.一种用于微流控PCR生物芯片试剂的推送工艺，主要包括微泵（1）、硅油注射器（2）、试剂注射器（3）、硅油（4）、PCR试剂（5）、微通道（6）、试剂位置传感器（7），其特征在于：在微通道（6）开端处一段内，通过硅油注射器（2）注入一段硅油（4），紧接在硅油后面通过试剂注射器（3）注入PCR试剂（5），PCR试剂之后再注入一段硅油（4），使注入的硅油封闭PCR试剂的两端；在之后的微通道（6）内设置三个试剂位置传感器（7），分别位于聚合酶链式反应的高温热变性、低温退火和适温延伸的三个温区处，用以判断PCR试剂在微通道（6）内的位置；位于微通道（6）端口的微泵（1）根据试剂位置传感器（7）测量到的PCR试剂的位置控制PCR试剂在微通道（6）内的流动与驻停，其中，当位于高温热变性处的试剂位置传感器（7）测量到PCR试剂时，微泵（1）停止推动试剂变性需要的时间，当位于低温退火处的试剂位置传感器（7）测量到PCR试剂时，微泵（1）停止推动试剂退火需要的时间，当位于适温延伸处的试剂位置传感器（7）测量到PCR试剂时，微泵（1）停止推动试剂延伸需要的时间。

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