CN105296351A

CN105296351A - 用于聚合酶链式反应的芯片、实时检测装置和系统

Info

Publication number: CN105296351A
Application number: CN201510873118.XA
Authority: CN
Inventors: 陆祖宏; 李清宁; 严勇; 孙利; 魏颖颖; 李成强; 孙杰; 王磊
Original assignee: Beijing Puruo Bosheng Biotechnology Co Ltd; Peking University
Current assignee: Beijing Puruo Bosheng Biotechnology Co Ltd; Peking University
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明公开了一种用于聚合酶链式反应的芯片、实时检测装置和系统。本发明的PCR芯片采用多层结构，并与检测装置的温控模块、微流控模块、微弱电信号检测模块和恒压源模块连接，在微型的芯片上完成PCR温控、微流控和微弱信号的采集测量，实现PCR扩增的实时电化学检测，不涉及光源及光电转化，在反应过程中实时监控，避免造成污染。本发明的PCR芯片及其实时检测装置小巧，便于携带，易于在基层推广使用。

Description

用于聚合酶链式反应的芯片、实时检测装置和系统

技术领域

本发明涉及一种聚合酶链式反应(PCR)的芯片及实时检测装置，具体涉及一种基于电化学的生物芯片和对芯片的微弱电流检测的装置。

背景技术

聚合酶链式反应(PolymeraseChainReaction，简称PCR)，是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火(复性)及适温延伸等反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增，具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。它不仅可用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基础研究，还可用于病原体检测、产前诊断、肿瘤基因检测、疗效评估、食品安全检测、食品转基因检测等医疗、食品、卫生领域。

实时荧光定量PCR(QuantitativeReal-timePCR)，在PCR扩增过程中，通过添加荧光物质，对PCR进程进行实时检测，有效地解决了传统定量只能终点检测的局限，实现了每一轮循环均检测一次荧光信号的强度，并记录在电脑软件之中，通过对每个样品Ct值的计算，根据标准曲线获得定量结果。实时荧光定量PCR所使用的荧光物质可分为两种：荧光探针和荧光染料，前者包括Taqman荧光探针、分子信标等，后者主要为SYBR荧光染料。荧光定量PCR仪由基本PCR部分、荧光检测部分和上位计算机部分等组成，其中荧光检测部分包括激励光源、光电倍增管、信号采集与处理等部分，因此设计复杂、机体庞大、成本较高，难以基层推广使用。

电化学芯片为PCR检测提供了一种有效方法，无需使用特定光源，不必进行光电转化倍增等步骤，因此简单易行，易于实现仪器小型化和便携化。电化学芯片研究已开展多年，但目前大部分电化学芯片都是在PCR扩增完成之后，将扩增产物加入到芯片中，根据阴阳性样本给出的不同电信号进行判断，一方面操作繁琐，不能实现实时监测，另一方面PCR产物的开盖操作大大增加了污染的可能性。因此电化学芯片虽然具备一系列优点，但尚未实现大规模使用。

发明内容

为了克服目前荧光定量PCR仪结构复杂、电化学芯片难以实现实时监测的缺点，本发明提出了一种新的聚合酶链式反应的芯片及其实时检测装置和系统。本发明的芯片采用多层结构，提高了操作的便捷性，保证了反应的一致性，在微型的芯片上完成PCR温控、微流控和微弱信号的采集测量，在确保使用便捷的基础上，完成了生物传感器类芯片的灵敏测量。

本发明采用如下技术方案：

一种PCR芯片，包括调温基底和依次层叠在调温基底上的电化学基板、反应池板、进出液孔板、注射接头板和热盖，以及对电化学基板与其上各部件的相对位置进行固定的限位器，其中：热盖对芯片的顶层加热；热盖下的注射接头板上设有多个试剂注射接头；与试剂注射接头的位置相对应，在进出液孔板上开有试剂的进液孔和出液孔；每组进液孔和出液孔对应一个设于反应池板上的反应池；电化学基板具有反应面和电路连接点，反应面朝上，并设置有与反应池对应的PCR反应区域；调温基底对电化学基板的温度进行调节控制；限位器上设置与外部电气连接的引出接口。

所述热盖设有加热板和温度传感器，其中加热板可以采用加热薄膜，或者其他加热器件，例如帕尔贴，通过PID温度调节使热盖的温度维持恒定。

调温基底包括升降温板和温度传感器，通过PID温度调节使基底的温度控制在设定的温度，实现对芯片底部的温度可控的加热。调温基底可利用芯片工艺，基于帕尔贴等类似原理集成在芯片底部。

同时，本发明提供了一种对上述PCR芯片进行实时检测的装置，包括：恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块和MCU，其中恒压源模块为PCR芯片提供恒电位；温控模块调节控制PCR芯片的反应温度；微流控模块通过导管连接PCR芯片，实现PCR反应样品溶液的加载、抽取和混合；信号采集模块采集PCR反应样品的电信号，并传递给MCU；恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块分别连接MCU，由MCU对各模块进行实时控制。

PCR芯片实时检测装置与PCR芯片连接，通过MCU对各个模块的控制完成该装置对PCR芯片的电压控制、温度控制、微流控制和信号采集，实现对PCR扩增的实时电化学检测。恒压源模块连接PCR芯片的电化学基板；温控模块连接PCR芯片的调温基底和热盖；微流控模块通过导管与PCR芯片中的试剂注射接头对接；信号采集模块则连接电化学基板；各模块分别连接MCU，而MCU连接上位机(PC机)，由上位机对整个装置进行控制操作，并实现数据的显示和存储。PCR芯片、实时检测装置和上位机构成了一个用于PCR反应和实时电化学检测的系统。

优选的，上述PCR芯片实时检测装置中的恒压源模块包括DA波形发生电路、增益偏置电路、阻抗匹配电路和功率放大电路，MCU给出指定命令控制DA波形发生电路产生指定的电压波形，并将电压波形传给增益偏置电路，实现电位的增益调节和偏置调节；接着经过阻抗匹配电路实现电压的阻抗匹配，再由功率放大电路实现电压的功率放大；功率放大电路连接PCR芯片，为PCR芯片提供恒电位。

进一步的，上述PCR芯片实时检测装置中的信号采集模块包括I-V转化电路、仪表放大电路、阻抗匹配电路和AD采集电路，PCR芯片的电信号传递给I-V转化电路，将电流信号转变为电压信号，再传递给仪表放大电路，实现信号的放大；接着进入阻抗匹配电路，实现输出信号的阻抗匹配；阻抗匹配电路与AD采集电路连接，完成信号的采集处理；由信号采集电路将信号传输给MCU。

为降低外部电路的干扰，需要对信号采集模块、恒压源模块、MCU和PCR芯片区域进行电路屏蔽和降噪处理，MCU通过隔离电路连接上位PC机。

本发明将电化学芯片与温控系统、微流控系统、微弱电信号检测系统结合在一起，实现PCR扩增的实时电化学检测，不涉及光源及光电转化，在反应过程中实时监控，无需开盖以免造成污染。本发明的PCR芯片及其实时检测装置小巧，便于携带，易于在基层推广使用。

附图说明

图1为本发明PCR芯片的整体结构图。

图2为本发明PCR芯片的分体结构图。

图3为PCR芯片实时检测装置与PCR芯片和上位机的整体框架的连接方式图。

图4为PCR芯片实时检测装置的恒压源模块和信号采集模块电路与上位机和PCR芯片的连接电路框图。

图中：1-热盖，2-注射接头板，3-进出液孔板，4-反应池板，5-限位器，6-电化学基板，7-调温基底，8-PC机，9-PCR芯片实时检测装置，10-PCR芯片，11-电路隔离区域，13-恒压源模块，13-信号采集模块。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，如图1和2所示为本发明所述PCR芯片的结构示意图，包括：热盖1、注射接头板2、进出液孔板3、反应池板4、限位器5、电化学基板6和调温基底7，其中：热盖1完成对芯片的顶层加热；热盖1下是注射接头板2，注射接头板2上设有多个试剂注射接头，与外部的实时检测装置的微流控模块对接；与试剂注射接头的位置相对应，在进出液孔板3上开有试剂的进液孔和出液孔；每组进液孔和出液孔对应一个设于反应池板4上的反应池；电化学基板6具有反应面和电路连接点，反应面上设置与反应池对应的PCR反应区域，电路连接点是电化学基板6的外部接口；调温基底7位于电化学基板6下，对电化学基板6的温度进行调节控制；限位器5用于固定PCR芯片的各个部件，并设置PCR芯片与外部电气连接的引出接口。

PCR芯片的组装参见图2，在调温基底7上依次层叠电化学基板6(反应面向上)、反应池板4、进出液孔板3、注射接头板2；利用限位器5对上述部件的相对位置进行限定后，将热盖1附在芯片的顶层并固定，完成对芯片的组装。

热盖1设有加热板和温度传感器，通过PID温度调节使热盖1的温度维持恒定。其中加热板可以采用加热薄膜，或者其他加热器件，例如帕尔贴。

调温基底7包括升降温板和温度传感器，通过PID温度调节使基底的温度控制在设定的温度，实现对芯片底部的温度可控的加热。调温基底是利用芯片工艺，基于帕尔贴等类似原理集成在芯片底部。

如图3所示，上述PCR芯片10与PCR芯片实时检测装置9连接，实现PCR扩增的实时电化学检测。PCR芯片实时检测装置9包括恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块和MCU(单片机)，通过MCU对各个模块的控制完成该装置对PCR芯片的电压控制、温度控制、微流控制和信号采集。其中，恒压源模块连接PCR芯片的电化学基板6，提供PCR反应阶段所需的恒压源环境；温控模块与PCR芯片的调温基底7和热盖1连接，调节控制PCR反应所需的温度；微流控模块通过导管与PCR芯片中的试剂注射接头对接，实现生物样品溶液的加载和分配；信号采集模块连接电化学基板6，实现对PCR反应样品电信号的采集。恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块分别连接MCU，而MCU连接PC机8，由PC机8对整个装置9进行控制操作，并实现数据的显示和存储。

PCR芯片实时检测装置不仅能够对PCR芯片进行温度反馈控制，完成生物样品溶液的加载、抽取、混合，从而实现生物样本DNA扩增，还能够对扩增过程中的电信号进行实时采集，实现对电化学芯片的实时监测。

图4显示了PCR芯片实时检测装置的信号采集模块13与恒压源模块12的电路结构。恒压源模块12包括DA波形发生电路、增益偏置电路、阻抗匹配电路和功率放大电路。MCU控制DA波形发生电路，DA波形发生电路与增益偏置电路连接，实现电位的增益调节和偏置调节；增益偏置电路与阻抗匹配电路连接，实现电压的阻抗匹配；阻抗匹配电路与功率放大电路连接，实现电压的功率放大；功率放大电路与PCR芯片相连，为PCR芯片提供恒电位。

信号采集模块13包括I-V转化电路、仪表放大电路、阻抗匹配电路和AD采集电路。PCR芯片的电信号传递给I-V转化电路，I-V转化电路与仪表放大电路连接，实现信号的放大；仪表放大电路与阻抗匹配电路连接，实现输出信号的阻抗匹配；阻抗匹配电路与AD采集电路连接，完成信号的采集处理；由信号采集电路将信号传输给MCU。

为降低外部电路的干扰，对图4中所示的电路隔离区11进行了电路屏蔽和降噪处理，信号采集模块13、恒压源模块12、MCU和PCR芯片都在屏蔽范围内，MCU通过隔离电路连接上位PC机。

PCR芯片实时检测装置通过与PC机通讯读取电压指令值，MCU给出指定命令控制DA波形发生电路产生指定的电压波形，并将电压波形传给增益偏置电路，实现目的电压；目的电压经过阻抗匹配电路和功率放大电路实现对PCR芯片在很小的阻抗下输出恒定电流的电压信号。由于电路中采用双向电源，使目的电压范围可以在V_o电压波动：

V_{o} = \frac{R_{f}}{R} (V_{i} - V_{f}),

其中，V_i是输入电压，V_f是参考电压，是放大比例。

如图4所示，功率放大电路通过限位器与PCR芯片的电化学基板6相连，通过高阻抗FET放大器将PCR芯片的微弱电流变化转化成微弱的电压变化。

V_i0＝-IR，

其中，I是检测电流，R是I-V电路转换电阻。

利用阻抗匹配特性提高提取微弱信号的能力。通过与I-V转换电路相连的仪表放大电路实现将微弱的小电压放大成较大的电压，同时，根据给定采集电压范围控制仪表放大器的放大倍数，实现对电流采集范围的可调。利用与仪表放大电路相连的阻抗匹配电路，实现对电压不失真的保护，尽力保证信号的有效性。在阻抗匹配电路中，利用有源滤波电路和要求的带宽范围，去掉高频干扰。利用高精度的AD采集电路，实现模拟信号的高精度采集和数字转化。然后由AD采集电路将转化的数字信号发给MCU。MCU通过隔离电路完成PC通讯，实现数据的存储和分析。

本实施例中软件包括上位机PC软件系统和单片机软件系统。单片机软件系统采用多中断处理、PID负反馈算法、AD/DA命令编写、等软件技术实现信号采集、电压控制、温度实时平衡，实现利用检测PCR电流信号判断DNA扩增状态检测，并将原始数据实现上位机PC保存。

本实施例上位机软件系统使用LabView2012软件，利用其强大的图形化编程实现和下位机通讯。使用户可以更方便的监控PCR数据状态和实时检测装置中的例如温度、微流控液体状态、电压状态和采集的电信号。

上述实施例只能说明本发明的技术构思及特例，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神和范围的情况下做的修饰和变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种PCR芯片，包括调温基底和依次层叠在调温基底上的电化学基板、反应池板、进出液孔板、注射接头板和热盖，以及对电化学基板与其上各部件的相对位置进行固定的限位器，其中：热盖对芯片的顶层加热；热盖下的注射接头板上设有多个试剂注射接头；与试剂注射接头的位置相对应，在进出液孔板上开有试剂的进液孔和出液孔；每组进液孔和出液孔对应一个设于反应池板上的反应池；电化学基板具有反应面和电路连接点，反应面朝上，并设置有与反应池对应的PCR反应区域；调温基底对电化学基板的温度进行调节控制；限位器上设置与外部电气连接的引出接口。

2.如权利要求1所述的PCR芯片，其特征在于，所述热盖设有加热板和温度传感器；所述调温基底包括升降温板和温度传感器。

3.如权利要求2所述的PCR芯片，其特征在于，所述热盖的加热板为加热薄膜或帕尔贴。

4.如权利要求2所述的PCR芯片，其特征在于，所述调温基底基于帕尔贴原理集成在芯片底部。

5.如权利要求1所述的PCR芯片，其特征在于，所述热盖和调温基底通过PID温度调节控制温度。

6.一种PCR芯片实时检测装置，包括：恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块和MCU，其中恒压源模块为PCR芯片提供恒电位；温控模块调节控制PCR芯片的反应温度；微流控模块通过导管连接PCR芯片，实现PCR反应样品溶液的加载、抽取和混合；信号采集模块采集PCR反应样品的电信号，并传递给MCU；恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块分别连接MCU，由MCU对各模块进行实时控制。

7.如权利要求6所述的PCR芯片实时检测装置，其特征在于，所述恒压源模块包括DA波形发生电路、增益偏置电路、阻抗匹配电路和功率放大电路，MCU给出指定命令控制DA波形发生电路产生指定的电压波形，并将电压波形传给增益偏置电路，实现电位的增益调节和偏置调节；接着经过阻抗匹配电路实现电压的阻抗匹配，再由功率放大电路实现电压的功率放大；功率放大电路连接PCR芯片，为PCR芯片提供恒电位。

8.如权利要求6所述的PCR芯片实时检测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括I-V转化电路、仪表放大电路、阻抗匹配电路和AD采集电路，PCR芯片的电信号传递给I-V转化电路，将电流信号转变为电压信号，再传递给仪表放大电路，实现信号的放大；接着进入阻抗匹配电路，实现输出信号的阻抗匹配；阻抗匹配电路与AD采集电路连接，完成信号的采集处理；由信号采集电路将信号传输给MCU。

9.一种进行PCR反应和实时电化学检测的系统，包括权利要求1～5任一所述的PCR芯片、权利要求6～8任一所述的PCR芯片实时检测装置和上位机，PCR芯片实时检测装置与PCR芯片连接，所述PCR芯片实时检测装置通过MCU对各个模块的控制实现对PCR芯片的电压控制、温度控制、微流控制和信号采集，其中：恒压源模块连接PCR芯片的电化学基板；温控模块连接PCR芯片的调温基底和热盖；微流控模块通过导管与PCR芯片中的试剂注射接头对接；信号采集模块连接电化学基板；MCU连接上位机，由上位机对整个装置进行控制操作，并实现数据的显示和存储。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块、恒压源模块、MCU和PCR芯片设置在电路屏蔽区中，MCU通过隔离电路连接上位机。