CN103695308A - 一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道pcr扩增系统 - Google Patents

一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道pcr扩增系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，该系统包括作为生物芯片的载体微通道、动力模块、单片机控制模块；系统的动力由压电陶瓷和微型电磁阀二者联合作用实现的且利用单片机对微型电磁阀门控制；主要用于微型载体上的PCR扩增反应和在无重力环境内的PCR扩增反应的实时荧光检测装置与集成生物芯片的后续搭建，目的由单微通道循环PCR扩增反应模块和两种分别适用于常规体积和微型体检的动力模块组成，适合在空间在轨失重环境里进行自动工作，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。

Description

一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统
技术领域
本发明涉及一种单微通道PCR扩增系统，属于生物学、分析化学及医学检测领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统。
背景技术
随着载人航天技术日趋成熟，其任务周期也随之逐渐延长，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对航天员的健康构成了严重威胁。在长期航天飞行中，微生物菌群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，必须严密监控航天器中的微生物，因此急需一种空间在轨生物危害实时自动报警系统，该系统的核心是微生物核酸荧光检测微系统。由于空间在轨要求设备具有全自动和微体积、小重量的技术特点。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。因此简化微流控荧光PCR工作系统是实现空间在轨生物危害实时自动报警系统要求的关键。
聚合酶链式反应（PCR）是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术,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。
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，并且体积能够做的很小，完全可以移植到生物微型器件上，具有很高的抗干扰能力。
目前有很多种PCR扩增反应仪器。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。现在传统的PCR扩增反应仪器都是利用机械推动原理来完成PCR扩增反应，应用单片机对步进电机的控制操作实现PCR试剂的移动，但是其中控制电路中利用的芯片存在自身的延时误差，这样PCR扩增反应是一个40次循环的反复过程，其中由于每一个循环都存在一部分不可避免误差，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。
对于非传统的PCR扩增反应仪器主要是利用温区的移动控制的方式来完成对于定点的PCR试剂的反应控制。但是其中温度控制中的升温速度和降温速度不易控制，并且如果升温过快会降低PCR试剂中的生物活性甚至使样品细菌致死。此外温度控制循环很慢，从高温区不能迅速降到低温区，导致最后的生物曲线不明显。所以温度控制电路过于庞大不易移植到整体生物微型仪器当中。
因此运用压电陶瓷鼓动的方式来输送PCR试剂移动，不仅可以减少相应的芯片误差，而且对于微型系统结构中，温区固定，大大提高了对PCR试剂的控制能力。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，主要用于微型载体上的PCR扩增反应和在无重力环境内的PCR扩增反应的实时荧光检测装置与集成生物芯片的后续搭建，目的由单微通道循环PCR扩增反应模块和两种分别适用于常规体积和微型体检的动力模块组成，适合在空间在轨失重环境里进行自动工作，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。
压电陶瓷与两侧阀门由单片机控制以实现PCR试剂在微通道中的移动；对于常规体积的PCR扩增反应装置，其动力装置采利用风箱工作原理，将两个开关型阀门分别放在装置两旁；当压电陶瓷通正向电之后，压电陶瓷变形产生向下的压力，对整体两侧产生向外的压力，这样左边阀门由于压力作用而关闭，右边阀门同样由于压力作用而打开，使其微通道当中的PCR试剂得以从右侧排出；同理，当压电陶瓷通反向电之后，压电陶瓷变形产生向上的吸力，对整体两侧产生向外的拉力，左边的阀门由于拉力作用而打开，右边由于拉力作用而关闭，使其微通道当中的PCR试剂得以从左侧注入。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，该系统包括作为生物芯片的载体微通道、动力模块、单片机控制模块；具体而言，生物芯片的载体微通道包括三个温区即退火低温区、延伸适温区、热变高温区，以上三者相互连接构成了单循环微通道，内部充满了PCR试剂；动力模块包括压电陶瓷、微型电磁阀；单片机控制模块包括单片机、电阻、三极管、光电耦合隔离器；动力模块中的压电陶瓷、微型电磁阀由单片机控制模块对其进行控制。
系统的动力由压电陶瓷和微型电磁阀二者联合作用实现的；当压电陶瓷通正向电之后，压电陶瓷变形产生向下的压力，对整体两侧产生向外的压力，此时由单片机控制使左侧电磁阀关闭，右侧电磁阀打开，使其微通道当中的PCR试剂得以从右侧排出；同理，当压电陶瓷通反向电之后，压电陶瓷变形产生向上的拉力，对整体两侧产生向外的拉力，此时由单片机控制使左侧电磁阀打开，右侧电磁阀关闭，使其微通道当中的PCR试剂得以从左侧注入；通过控制动力模块即可实现PCR试剂段在微通道中三个温区退火低温区、延伸适温区、热变高温区内的循环工作任务。
由于开关型阀门制作工艺的限制其不能将开关型阀门做到微米级别，所以利用单片机对微型电磁阀门控制；首先对单片机做一个时钟校准，算出每个循环所用的时间间隔，每当过了三分之一循环时间之后，单片机分别用两个I/O口来控制压电陶瓷和微型电磁阀；其先对微型电磁阀电路输出一个高电平，经过电阻、三极管后将电信号放大，输入到光电耦合隔离器中使得光电耦合器导通再经过电阻、三极管放大，此时微型电磁阀吸合，微通道关闭；之后再通过另一个I/O口控制压电陶瓷鼓动，使整个系统产生推力；反之，当对微型电磁阀电路输出一个低电平，光电耦合隔离器截止，此时电磁阀断开，微通道打开；然后通过另一个I/O口控制压电陶瓷收缩，使整个系统产生拉力，来完成一个完成的动力循环运作。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明经由实验检验，这种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道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，并且运用单片机对压电陶瓷与两侧阀门的合理控制来使PCR试剂移动，使得PCR试剂在三个温度区中准确移动。
2、相比传统PCR反应装置中很大一部分时间里一部分PCR试剂在反应而另一部分PCR试剂却在移动下一个温区的过程中等待，降低了整体的PCR试剂的反应效率；这个时间内，试剂完全没有反应单纯的等待其他部分的试剂反应，导致反应需要几个小时，而此装置本身就是一个整通道的PCR试剂，温区循环已固定设计，使得PCR试剂快速流畅的速度完成整个循环，避免了在传统中试剂的移动时所损耗的时间，提高了反应速度；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，而且对于常规体积的动力装置设计，更加减少了对于电路系统的依赖，更加减少了电磁对于实验结果的影响，因此在提高了PCR扩增反应的效率的同时又提高PCR扩增反应质量。
3、经过实验得出此系统简化了单片机系统的控制算法使得系统更加微型化，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；所以本系统中通过单片机对压电陶瓷与两侧阀门的控制来使PCR试剂在微通道中移动，不仅不需要对步进电机的复杂控制，只是对于压电陶瓷的控制，大大减少了系统的控制电路体积，因此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为基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统结构图。
图2a为压电陶瓷动力装置的原理图。
图2b为压电陶瓷动力装置的微型电磁阀门工作时左关右开示意图。
图2c为为压电陶瓷动力装置的微型电磁阀门工作时左开右关示意图。
图3为单片机控制模块的电路原理图。
图中：1、退火低温区，2、延伸适温区，3、热变高温区，4、动力装置，5、压电陶瓷，6、单片机，7、电阻，8、三极管，9、光电耦合隔离器，10、微型电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，在本发明的装置总结构中，主要是利用压电陶瓷中机械能和电能互相转换原理，对于整个微通道当中充满了PCR试剂，通过互换电极来使压电陶瓷鼓动压缩的技术与两边的阀门联合作用实现动力装置部分的动力产生，从而在整体微通道中产生推动PCR试剂的动力，实现PCR试剂在三个不同温区内的移动，达到PCR试剂扩增循环实验。
如图2a、2b、2c及图3所示，一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，该系统包括作为生物芯片的载体微通道、动力模块4、单片机控制模块；具体而言，生物芯片的载体微通道包括三个温区即退火低温区1、延伸适温区2、热变高温区3，以上三者相互连接构成了单循环微通道，内部充满了PCR试剂；动力模块4包括压电陶瓷5、微型电磁阀10；单片机控制模块包括单片机6、电阻7、三极管8、光电耦合隔离器9；动力模块4中的压电陶瓷5、微型电磁阀10由单片机控制模块对其进行控制。
系统的动力由压电陶瓷5和微型电磁阀10二者联合作用实现的；当压电陶瓷5通正向电之后，压电陶瓷5变形产生向下的压力，对整体两侧产生向外的压力，此时由单片机6控制使左侧电磁阀关闭，右侧电磁阀打开，使其微通道当中的PCR试剂得以从右侧排出；同理，当压电陶瓷5通反向电之后，压电陶瓷5变形产生向上的拉力，对整体两侧产生向外的拉力，此时由单片机控制使左侧电磁阀打开，右侧电磁阀关闭，使其微通道当中的PCR试剂得以从左侧注入；通过控制动力模块4即可实现PCR试剂段在微通道中三个温区退火低温区1、延伸适温区2、热变高温区3内的循环工作任务。
由于开关型阀门制作工艺的限制其不能将开关型阀门做到微米级别，所以利用单片机6对微型电磁阀门10控制；首先对单片机6做一个时钟校准，算出每个循环所用的时间间隔，每当过了三分之一循环时间之后，单片机分别用两个I/O口来控制压电陶瓷5和微型电磁阀10；其先对微型电磁阀电路输出一个高电平，经过电阻7、三极管8后将电信号放大，输入到光电耦合隔离器9中使得光电耦合器导通再经过电阻7、三极管8放大，此时微型电磁阀吸合，微通道关闭；之后再通过另一个I/O口控制压电陶瓷5鼓动，使整个系统产生推力；反之，当对微型电磁阀电路输出一个低电平，光电耦合隔离器9截止，此时电磁阀断开，微通道打开；然后通过另一个I/O口控制压电陶瓷收缩，使整个系统产生拉力，来完成一个完成的动力循环运作。

Claims (3)

1.一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，其特征在于：该系统包括作为生物芯片的载体微通道、动力模块（4）、单片机控制模块；具体而言，生物芯片的载体微通道包括三个温区即退火低温区（1）、延伸适温区（2）、热变高温区（3），以上三者相互连接构成了单循环微通道，内部充满了PCR试剂；动力模块（4）包括压电陶瓷（5）、微型电磁阀（10）；单片机控制模块包括单片机（6）、电阻（7）、三极管（8）、光电耦合隔离器（9）；动力模块（4）中的压电陶瓷（5）、微型电磁阀（10）由单片机控制模块对其进行控制；在该系统中，主要是利用压电陶瓷中机械能和电能互相转换原理，对于整个微通道当中充满了PCR试剂，通过互换电极来使压电陶瓷鼓动压缩的技术与两边的阀门联合作用实现动力装置部分的动力产生，从而在整体微通道中产生推动PCR试剂的动力，实现PCR试剂在三个不同温区内的移动，达到PCR试剂扩增循环实验。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，其特征在于：系统的动力由压电陶瓷（5）和微型电磁阀（10）二者联合作用实现的；当压电陶瓷（5）通正向电之后，压电陶瓷（5）变形产生向下的压力，对整体两侧产生向外的压力，此时由单片机（6）控制使左侧电磁阀关闭，右侧电磁阀打开，使其微通道当中的PCR试剂得以从右侧排出；同理，当压电陶瓷（5）通反向电之后，压电陶瓷（5）变形产生向上的拉力，对整体两侧产生向外的拉力，此时由单片机控制使左侧电磁阀打开，右侧电磁阀关闭，使其微通道当中的PCR试剂得以从左侧注入；通过控制动力模块（4）即可实现PCR试剂段在微通道中三个温区退火低温区（1）、延伸适温区（2）、热变高温区（3）内的循环工作任务。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，其特征在于：利用单片机（6）对微型电磁阀门（10）控制；首先对单片机（6）做一个时钟校准，算出每个循环所用的时间间隔，每当过了三分之一循环时间之后，单片机分别用两个I/O口来控制压电陶瓷（5）和微型电磁阀（10）；其先对微型电磁阀电路输出一个高电平，经过电阻（7）、三极管(8)后将电信号放大，输入到光电耦合隔离器（9）中使得光电耦合器导通再经过电阻（7）、三极管（8）放大，此时微型电磁阀吸合，微通道关闭；之后再通过另一个I/O口控制压电陶瓷（5）鼓动，使整个系统产生推力；反之，当对微型电磁阀电路输出一个低电平，光电耦合隔离器（9）截止，此时电磁阀断开，微通道打开；然后通过另一个I/O口控制压电陶瓷收缩，使整个系统产生拉力，来完成一个完成的动力循环运作。
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