CN103614294B - 一种基于气体热胀冷缩的微流道pcr扩增系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，该系统包括气体腔、隔热层、退火低温区、延伸适温区、热变高温区、PCR试剂、半导体加热制冷片和单片机；整个系统利用半导体帕尔帖原理，通过互换电极来使半导体制冷片加热技术实现气体的热胀冷缩，从而改变在整体微通道中PCR试剂两边压强，实现PCR试剂在三个不同温区内移动，达到PCR试剂的扩增循环；本系统不仅可以减少相应的芯片误差，而且对于微型系统结构中，压强的作用更为明显，大大提高了对PCR试剂的控制能力，其主要适用于失重条件下的空间范围内应用的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测。

Description

一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统

技术领域

本发明涉及一种微流道PCR扩增系统，属于生物学和分析化学及医学检测领域，尤其涉及一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统。

背景技术

随着我国载人航天技术的日趋成熟，航天任务周期的逐渐延长，对航天员健康保障的要求也会越来越高。航天器中处于非监控状态的微生物严重威胁航天员的健康。长期航天飞行中，微生物菌群的增长及菌株变异会影响仪器设备的性能及工作环境条件，对航天器及其仪器设备的正常运行产生危害。为了预防空间飞行中感染性疾病的发生、传播和进行有效治疗，必须严密监控航天器中的微生物。其中PCR扩增技术正是检测系统的反应核心技术之一，一个合理的PCR扩增系统不仅增加了设备的便携性、实用性，而且提高了PCR扩增效率。

PCR—聚合酶链式反应是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术,即无性细胞分子克隆技术,其原理类似于天然DNA的复制,是体外酶促反应选择性地合成特异性DNA的一种方法。反应步骤是人工合成一对寡核苷酸引物与特异扩增DNA片段两条链的两端序列分别互补,由高温(在摄氏96度左右)热变性、低温(在摄氏55度左右)复性和适温(在摄氏72度左右)延伸组成一个周期循环进行,使DNA片段得以迅速扩增。在合适条件下,这种循环不断重复,前一个循环的产物DNA可作为后一个循环的模板DNA参与DNA的合成,使产物DNA的量按2n方式扩增。从理论上讲经过三十多次的循环反应,DNA扩增倍数为10⁶～10⁹。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。

半导体加热制冷原理—帕尔帖原理，即利用当两种不同的导体组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。帕尔帖原理的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级想低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。半导体电子制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，它是利用"帕尔帖效应"的一种制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。

在PCR反应过程中，PCR产物是随着循环次数的增长呈指数增加的状态，所以在微型生物芯片中，往往起始样品中的所要检测的目标DNA数量太少，需要不断的复制，才能达到检测标准；研究表明PCR扩增循环进行40次循环后，到达了一个生物曲线峰值，之后如果再进行PCR扩增反应，目标产物也不会再有明显增加，所以实验一般都取40次PCR扩增循环。

目前市场上有很多应用PCR扩增反应的仪器。但是这些仪器都过于庞大不易携带并且都受到重力限制，无法适应空间作业要求。现在PCR扩增反应仪器都是应用单片机对步进电机的控制操作，实现对PCR试剂在三个温区的移动，但是其中控制电路中的AD芯片与DA芯片存在自己本身的延时误差，由于PCR扩增反应是一个40次循环的反复过程，所以由于每一个循环都存在一部分不可避免误差性，导致40次反复循环后严重影响了扩增结果。因此对于微型系统结构造成的误差损失更为明显。而且如果为提高电路控制芯片的质量减少客观误差的同时，却提高了设备的成本并且效果并不明显。此外由于电路的本身体积限制，降低了系统的集成性，不能后续为检测与采集系统增添外设。

因此，本发明提出了一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，该系统的气体腔被半导体加热制冷片包裹，使得在气体腔中的气体温度能完全快速的升温/降温，通过改变试剂两边微通道内的压强差来实现PCR试剂在整个微通道中移动的目的；运用气体热胀冷缩原理通过PCR试剂两边不同的压强来控制的移动，不仅可以减少相应的芯片误差，而且对于微型系统结构中，压强的作用更为明显，大大提高了对PCR试剂的控制能力，其主要适用于失重条件下的空间范围内应用的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，主要用于失重条件下的空间范围内应用的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测系统的后续搭建，目的在于将微通道循环PCR扩增模块和半导体加热制冷模块集成，实现适用于空间作业要求的便携式微型化PCR荧光实时检测系统，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，该系统包括气体腔、隔热层、退火低温区、延伸适温区、热变高温区、PCR试剂、半导体加热制冷片和单片机；系统的动力装置包括气体腔、半导体加热制冷片和单片机；微通道中包括三个温区即退火低温区、延伸适温区、热变高温区；其中，系统的动力装置主体为两个气体腔，气体腔一侧与隔热层相接触，另一侧由半导体加热片环形包裹，半导体加热片与单片机连接并由其控制；三个温区的退火低温区、延伸适温区、热变高温区各自中间处设有隔热层，以保证三个温区的温度恒定；两个温区连接处的隔热层设有PCR试剂内通过的微通道口。

整个系统利用半导体帕尔帖原理，通过互换电极来使半导体制冷片加热技术实现气体的热胀冷缩，从而改变在整体微通道中PCR试剂两边压强，实现PCR试剂在三个不同温区内移动，达到PCR试剂的扩增循环；利用一个气体腔为系统动力的主体，类似于温度计里液体升降原理，而且微型器皿里的气体压强更为明显。气体腔加热的时候整个气体膨胀，对PCR试剂产生向外的推力；反之气体腔制冷的时候整个气体收缩，对PCR试剂产生向内的拉力。具体操作如下：将整个微通道（包括气体腔）内注满了膨胀系数大的气体或易汽化的气体，之后把PCR试剂加入相应的初始上下两个微通道的退火低温区当中；其中试剂不与气体相溶、相反应，并且由于微通道毛细吸附性，微通道中会出现一段PCR试剂，通过加热一边的气体腔并制冷另一边的气体腔来完成PCR试剂向制冷的一方的方向移动，完成在微通道中三个温区即退火低温区—延伸适温区—热变高温区的一次循环；然后由单片机控制的半导体制冷片改变其内部压强即将原来加热的一方变为制冷并将制冷的一方变为加热，使将PCR试剂在微通道内由再次回到退火低温区，再进行下一次循环工作任务。循环是由退火低温区—延伸适温区—热变高温区之后再退火低温区—延伸适温区—热变高温区不断进行的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、经过实验得出系统提高PCR扩增反应的效率，这种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，其实验装置的搭建满足“功能集成结构微缩”易于便携的技术特点，并且运用单片机对半导体加热制冷片的合理算法控制，使得PCR试剂在三个温度区中准确移动。

2、相比传统的PCR扩增装置中在其温度区中部分的PCR试剂需要充分反应才可以继续移动，导致PCR扩增反应时间过多的浪费在PCR试剂的移动时间上与PCR试剂反应的等待时间上。所以对于此系统中，不仅PCR试剂可以在一个温度区内完全反应之后立刻进入下一个温度区进行反应，而且对于双对称结构设计，才可以分别反应两种不同的PCR试剂，因此提高了PCR扩增反应的效率。

3、经过实验得出此系统改善了单片机系统的控制算法的同时，节约资源，而且系统更加微型化；对于传统由电机驱动的PCR扩增系统，由于步进电机的大小所限很难将整个系统做的微型化，而且由于传统控制电路中的AD芯片与DA芯片自带的系统误差，对于微型化系统芯片小的误差也会放大化，而且经过40次循环，会把每一次误差成倍数增加；所以本系统中对于半导体加热制冷片进行控制，不仅不需要对步进电机的复杂控制，只是对于温度的控制，大大减少了系统的控制电路体积，而且不免了芯片的固定误差，增大了单片机的控制精度，因此本系统可以在增加系统效率的同时将体积做的更加微型化。

附图说明

图1为基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统总结构图。

图2为系统中的半导体加热制冷模块侧面剖视图。

图3为基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统工作原理图

图中：1、气体腔，2、隔热层，3、退火低温区，4、延伸适温区，5、热变高温区，6、PCR试剂，7、半导体加热制冷片，8、单片机。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统总结构图，图2为系统中的半导体加热制冷模块侧面剖视图，该系统包括气体腔1、隔热层2、退火低温区3、延伸适温区4、热变高温区5、PCR试剂6、半导体加热制冷片7和单片机8；系统的动力装置包括气体腔1、半导体加热制冷片7和单片机8；微通道中包括三个温区即退火低温区3、延伸适温区4、热变高温区5；其中，系统的动力装置主体为两个气体腔1，气体腔1一侧与隔热层2相接触，另一侧由半导体加热片7环形包裹，半导体加热片7与单片机8连接并由其控制；三个温区的退火低温区3、延伸适温区4、热变高温区5各自中间处设有隔热层2，以保证三个温区的温度恒定；两个温区连接处的隔热层2设有PCR试剂6内通过的微通道口。

如图3所示为基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统工作原理图，整个系统利用半导体帕尔帖原理，通过互换电极来使半导体制冷片7加热技术实现气体的热胀冷缩，从而改变在整体微通道中PCR试剂6两边压强，实现PCR试剂6在三个不同温区内移动，达到PCR试剂6的扩增循环；利用一个气体腔1为系统动力的主体，类似于温度计里液体升降原理，而且微型器皿里的气体压强更为明显。气体腔1加热的时候整个气体膨胀，对PCR试剂6产生向外的推力；反之气体腔1制冷的时候整个气体收缩，对PCR试剂6产生向内的拉力。具体操作如下：将整个微通道（包括气体腔1）内注满了膨胀系数大的气体或易汽化的气体，之后把PCR试剂6加入相应的初始上下两个微通道的退火低温区3当中；其中试剂不与气体相溶、相反应，并且由于微通道毛细吸附性，微通道中会出现一段PCR试剂6，通过加热一边的气体腔并制冷另一边的气体腔来完成PCR试剂6向制冷的一方的方向移动，完成在微通道中三个温区即退火低温区3—延伸适温区4—热变高温区5的一次循环；然后由单片机8控制的半导体制冷片7改变其内部压强即将原来加热的一方变为制冷并将制冷的一方变为加热，使将PCR试剂6在微通道内由再次回到退火低温区3，再进行下一次循环工作任务。循环是由退火低温区3—延伸适温区4—热变高温区5之后再退火低温区3—延伸适温区4—热变高温区5不断进行的。

Claims (2)

1.一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，其特征在于：该系统包括气体腔(1)、隔热层(2)、退火低温区(3)、延伸适温区(4)、热变高温区(5)、PCR试剂(6)、半导体加热制冷片(7)和单片机(8)；系统的动力装置包括气体腔(1)、半导体加热制冷片(7)和单片机(8)；微通道中包括三个温区即退火低温区(3)、延伸适温区(4)、热变高温区(5)；其中，系统的动力装置主体为两个气体腔(1)，气体腔(1)一侧与隔热层(2)相接触，另一侧由半导体加热制冷片(7)环形包裹，利用一个气体腔(1)为系统动力的主体，气体腔(1)加热的时候整个气体膨胀，对PCR试剂(6)产生向外的推力；反之气体腔(1)制冷的时候整个气体收缩，对PCR试剂(6)产生向内的拉力；其中试剂不与气体相溶、相反应，并且由于微通道毛细吸附性，微通道中会出现一段PCR试剂(6)，通过加热一边的气体腔并制冷另一边的气体腔来完成PCR试剂(6)向制冷的一方的方向移动，完成在微通道中三个温区即退火低温区(3)—延伸适温区(4)—热变高温区(5)的一次循环；半导体加热制冷片(7)与单片机(8)连接并由其控制；三个温区的退火低温区(3)、延伸适温区(4)、热变高温区(5)各自中间处设有隔热层(2)；两个温区连接处的隔热层(2)内设有PCR试剂(6)通过的微通道口。

2.根据权利要求1所述的一种基于气体热胀冷缩的微流道PCR扩增系统，其特征在于：整个系统利用半导体帕尔帖原理，通过互换电极来使半导体加热制冷片(7)加热实现气体的热胀冷缩，从而改变在整体微通道中PCR试剂(6)两边压强，实现PCR试剂(6)在三个不同温区内移动，达到PCR试剂(6)的扩增循环；将整个微通道内注满了膨胀系数大的气体或易汽化的气体，之后把PCR试剂(6)加入相应的初始上下两个微通道的退火低温区(3)当中；然后由单片机(8)控制的半导体加热制冷片(7)改变其内部压强即将原来加热的一方变为制冷并将制冷的一方变为加热，使将PCR试剂(6)在微通道内由再次回到退火低温区(3)，再进行下一次循环工作任务；循环是由退火低温区(3)—延伸适温区(4)—热变高温区(5)之后再退火低温区(3)—延伸适温区(4)—热变高温区(5)不断进行的。