CN105543073B - 一种集成式数字核酸扩增检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种集成式数字核酸扩增检测系统，包括信息处理与人机交互，信息处理与人机交互通过信息交互和驱动模组、光学模块以及热学模相连，驱动模组、光学模块以及热学模块和液滴芯片配合，信息处理与人机交互将指令控制信息输送到驱动模组、光学模块和热学模块并接受反馈信息，本发明在避免样本污染的同时缩短检测时间，实现集成化数字PCR扩增和检测。

Description

一种集成式数字核酸扩增检测系统
技术领域
本发明涉及核酸检测微流控技术领域，具体涉及一种集成式数字核酸扩增检测系统。
背景技术
传统的核酸检测一般采用基于聚合酶链式反应(polymerase chain reaction)的方法实现核酸检测，基于该技术的实时荧光定量PCR仪和基因扩增仪已经成为现代生命科学实验室和临床检验实验室的基本设备。数字PCR技术是近几年发展起来的一种绝对定量核酸扩增检测技术，数字PCR相对于实时荧光定量PCR最大的优点是可以实现低丰度痕量核酸检测。其基本原理是利用微流控技术将原始样本细分到若干个微反应腔或者微液滴中形成若干个微反应单元，原理上每个微反应单元中只有1个或者少于1个核酸模板，再通过核酸扩增后直接计数并利用泊松分布得到原始样本中核酸绝对载量。微液滴由于其良好的两相分割和分离能力在数字PCR实现分样有很大优势。
现有的基于微液滴技术的数字PCR仪器和技术大多采用分液-扩增-检测三步的方法实现低丰度核酸检测，且基本都需要液滴发生器、PCR循环仪和液滴阅读仪三个独立的仪器及相关耗材协同完成，在中间存在液滴转移等一系列操作，操作相对复杂且存在生物交叉污染的可能；并且现有的基于微液滴的数字PCR检测方法大多采用流式荧光逐个液滴检测的手段实现液滴计数，由于液滴数量巨大，检测液滴耗时较长，极大的限制了数字PCR的检测通量。现有数字PCR技术存在集成度不足且检测时间较慢的缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成式数字核酸扩增检测系统，在避免样本污染的同时缩短检测时间，实现集成化数字PCR扩增和检测。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种集成式数字核酸扩增检测系统，包括信息处理与人机交互1，信息处理与人机交互1通过信息交互3和驱动模组4、光学模块5以及热学模块6相连，驱动模组4、光学模块5以及热学模块6和液滴芯片2配合，信息处理与人机交互1将指令控制信息输送到驱动模组4、光学模块5和热学模块6并接受反馈信息；
所述的液滴芯片2包括液滴生成21和阵列式液滴排布22；
所述的驱动模组4包括功率驱动41、流体控制42和运动控制43，功率驱动41分别和流体控制42、运动控制43、光学模块5和热学模块6输入相连，提供所需的功率输入；流体控制42输出和液滴生成21相连，用于驱动油相和水相生成液滴；热学模块6输出和阵列式液滴排布22接触，用于提供核酸扩增的温度条件；光学模块5输出和阵列式液滴排布22耦合，检测液滴。
所述的信息处理与人机交互1由计算机上位机和嵌入式系统下位机组成。
所述的信息交互3采用总线通信。
所述的光学模块5采用CCD相机或光纤接光电传感器。
所述的运动控制43采用精密二维移动平台搭建而成。
所述的热学模块6采用半导体加热制冷实现快速热循环。
本发明的有益效果：本发明通过将液滴荧光检测和液滴热循环系统集成，减少了液滴转移等系列操作；同时基于CCD相机的液滴荧光检测系统克服了常规的基于流式荧光检测系统检测通量不足和检测速度的限制；同时通过系统化集成全自动操作，避免了之前三台仪器协作可能带来的生物交叉污染和人工操作带来的偶然误差。
附图说明
图1为本发明集成式数字核酸扩增检测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例的具体结构示意图。
图3为集成式数字PCR系统示意图。
图4为利用集成式数字PCR液滴生成驱动连接示意图。
图5为液滴芯片2的示意图。
图6为生成液滴和液滴阵列分布实物图。
图7为集成式数字核酸扩增液滴检测结果图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明。
如图1所示，一种集成式数字核酸扩增检测系统，包括信息处理与人机交互1，信息处理与人机交互1通过信息交互3和驱动模组4、光学模块5以及热学模块6相连，驱动模组4、光学模块5以及热学模块6和液滴芯片2配合，信息处理与人机交互1将指令控制信息输送到驱动模组4、光学模块5和热学模块6并接受反馈信息；
液滴芯片2包括液滴生成21和阵列式液滴排布22；
驱动模组4包括功率驱动41、流体控制42和运动控制43，功率驱动41分别和流体控制42、运动控制43、光学模块5和热学模块6输入相连，提供所需的功率输入；流体控制42输出和液滴生成21相连，用于驱动油相和水相生成液滴；热学模块6输出和阵列式液滴排布22接触，用于提供核酸扩增的温度条件；光学模块5输出和阵列式液滴排布22耦合，检测液滴。
为实现高通量检测，所述的运动控制43输出和热学模块6、光学模块5输入相连，在液滴检测过程中实现成像式检测，运动控制43在需要的情况下辅助实现大面积光学扫描，通过移动光学模块5扫描液滴阵列，还可以通过移动热学模块6及阵列式液滴排布22实现液滴阵列扫描检测，也可单独移动液滴芯片2实现液滴阵列扫描。
下面结合实施例对本发明做详细描述。
如图2所示，在实施例中，一种集成式数字核酸扩增检测系统，包括信息处理与人机交互1，信息处理与人机交互1通过信息交互3和驱动模组4、光学模块5以及热学模块6相连，驱动模组4、光学模块5以及热学模块6和液滴芯片2配合，信息处理与人机交互1将指令控制信息输送到驱动模组4、光学模块5和热学模块6并接受反馈信息。
如图3所示，所述的驱动模组4包括流体控制42，流体控制42由流体驱动器421、储藏油的罐子422、传输管路423连接组成，液滴芯片2包括液滴生成21和阵列式液滴排布22，运动控制43和热学模块6、光学模块5输入相连，光学模块5有CCD检测相机51、镜头52、滤光片组53和光源54连接组成，热学模块6为提供核酸扩增条件的温度。
如图4所示，液滴芯片2的液滴生成21包括水相入口和油相入口。
如图5所示，所述的流体驱动器422将油421驱动至液滴芯片2的液滴生成21油相入口，再通过另外管路将添加至液滴芯片2试剂槽中的样品和试剂水相驱动，水相和油相通过“X”流道生成微液滴，微液滴再通过微流道进入阵列式液滴排布22；再利用热学模块6的温块部分61提供核酸扩增的温度条件，根据目的不同可分别实现核酸等温扩增或者PCR扩增。
本发明的工作原理为：
将原始纯化后核酸样本和PCR试剂加入液滴芯片2水相入口，生成液滴如图6所示；液滴生成结束后，将液滴芯片2入口和出口封闭，利用热学模块6提供核酸PCR扩增所需温度条件，进行核酸扩增；扩增结束后，利用光学模块5对扩增后液滴荧光检测，扩增后检测部分图像如图7所示。
利用运动控制43对液滴芯片2进行移动，结合光学检测期间连续检测运动扫描，在将所有检测图片软件拼接后进行液滴计数，对所有检测图像进行处理并计数，并利用泊松分布修正结果，得到原始样本中阳性样本的量，并将所得结果和同种样本在Bio-radQX200TM上做对比试验，如表1所示，通过表1可以看出所采用的集成式数字核酸扩增系统可以有效实现目标序列核酸样本计数。
表1.检测结果计数

Claims (6)

1.一种集成式数字核酸扩增检测系统，包括信息处理与人机交互(1)，其特征在于：信息处理与人机交互(1)通过信息交互(3)和驱动模组(4)、光学模块(5)以及热学模块(6)相连，驱动模组(4)、光学模块(5)以及热学模块(6)和液滴芯片(2)配合，信息处理与人机交互(1)将指令控制信息输送到驱动模组(4)、光学模块(5)和热学模块(6)并接受反馈信息；
所述的液滴芯片(2)包括液滴生成(21)和阵列式液滴排布(22)；
所述的驱动模组(4)包括功率驱动(41)、流体控制(42)和运动控制(43)，功率驱动(41)分别和流体控制(42)、运动控制(43)、光学模块(5)和热学模块(6)输入相连，提供所需的功率输入；流体控制(42)输出和液滴生成(21)相连，用于驱动油相和水相生成液滴；热学模块(6)输出和阵列式液滴排布(22)接触，用于提供核酸扩增的温度条件；光学模块(5)输出和阵列式液滴排布(22)耦合，检测液滴；
所述运动控制(43)辅助实现大面积光学扫描，通过移动光学模块(5)扫描液滴阵列，或通过移动热学模块(6)及阵列式液滴排布(22)实现液滴阵列扫描检测，或单独移动所述液滴芯片(2)实现液滴阵列扫描；
流体控制(42)由流体驱动器(421)、储藏油的罐子(422)、传输管路(423)连接组成；所述的流体驱动器(421)将油驱动至液滴芯片(2)的液滴生成(21)油相入口，再通过另外管路将添加至液滴芯片(2)试剂槽中的样品和试剂水相驱动，水相和油相通过X流道生成微液滴，微液滴再通过微流道进入阵列式液滴排布(22)；再利用热学模块(6)的温块部分(61)提供核酸扩增的温度条件，根据目的不同可分别实现核酸等温扩增或者PCR扩增；光学检测期间连续检测运动扫描，在将所有检测图片软件拼接后进行液滴计数，对所有检测图像进行处理并计数，并利用泊松分布修正结果，得到原始样本中阳性样本的量。
2.根据权利要求1所述的一种集成式数字核酸扩增检测系统，其特征在于：所述的信息处理与人机交互(1)由计算机上位机和嵌入式系统下位机组成。
3.根据权利要求1所述的一种集成式数字核酸扩增检测系统，其特征在于：所述的信息交互(3)采用总线通信。
4.根据权利要求1所述的一种集成式数字核酸扩增检测系统，其特征在于：所述的光学模块(5)采用CCD相机或光纤接光电传感器。
5.根据权利要求1所述的一种集成式数字核酸扩增检测系统，其特征在于：所述的运动控制(43)采用精密二维移动平台搭建而成。
6.根据权利要求1所述的一种集成式数字核酸扩增检测系统，其特征在于：所述的热学模块(6)采用半导体加热制冷实现快速热循环。
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