CN105670924A - 自然对流聚合酶链反应微系统 - Google Patents

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李振庆
杨波
黄嘉欣
王林燕
张大伟
山口佳则
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Abstract

本发明涉及一种自然对流聚合酶链反应微系统，包括温控模块、自然对流PCR芯片模块和芯片位置调节模块，温控模块由两个自动恒温控制仪和变压器、上下两个金属电加热元件及两个金属电加热元件上的热敏电阻组成，自然对流PCR芯片模块通过芯片位置调节模块固定在上下两个金属电加热元件之间，两个自动恒温控制仪输出分别控制两个金属电加热元件温度，上下两个金属电加热元件形成自然对流PCR芯片模块的温度对流场。结构简单，制作成本低廉，易操作，可实现快速PCR反应。与传统PCR仪及常规自然对流装置相比，本发明有微型化、成本低、PCR耗时短特点。

Description

自然对流聚合酶链反应微系统
技术领域
本发明涉及一种循环系统，特别涉及一种自然对流聚合酶链反应PCR微系统。
背景技术
传统PCR(聚合酶链反应PolymeraseChainReaction)仪通过循环加热、冷却的方式实现PCR反应的变性、退火和扩展过程，导致了传统的PCR仪升降温变化速率慢，反应液受热不均匀，较大的反应体积增加了生物试剂的消耗量等不足，造成了装置价格昂贵、反应时间长，样品耗量大，提高了实验成本。采用自然对流实现PCR，无需对反应腔体反复加热，节约了反应时间，而且自然对流PCR芯片体积较小，每次PCR反应所需试剂量少，节约了实验成本。因此，本发明设计了一种结构简单紧凑的自然对流PCR微系统，可实现DNA的快速PCR反应。
发明内容
本发明是针对传统PCR升降温变化速率慢，反应液受热不均匀的问题，提出了一种自然对流聚合酶链反应微系统，是一款微型化、易操作、反应时间短的自然对流PCR装置。
本发明的技术方案为：一种自然对流聚合酶链反应微系统，包括温控模块、自然对流PCR芯片模块和芯片位置调节模块，温控模块由两个自动恒温控制仪和变压器、上下两个金属电加热元件及两个金属电加热元件上的热敏电阻组成，芯片位置调节模块由滑杆、螺母和滑动基座、上下基座组成，上金属电加热元件为中空金属结构，左右各与两个管道连接，两个管道用于注入和排出水；下金属电加热元件置于自然对流PCR芯片模块底部，自然对流PCR芯片模块夹在两个金属电加热元件之间，自然对流PCR芯片模块由单个或阵列自然对流PCR腔体组成，自然对流PCR芯片置于自然对流PCR腔体内；滑杆穿过滑动基座，滑杆两头固定在上下基座上，滑动基座沿着滑杆上下滑动，两个金属电加热元件及自然对流PCR芯片模块置于上基座和滑动基座之间，锁紧滑动基座上正对滑杆的螺母，可固定滑动基座，使自然对流PCR芯片模块紧贴在两个金属电加热元件之间，两个热敏电阻检测分别检测上下两个金属电加热元件的温度，检测的温度送两个自动恒温控制仪，两个自动恒温控制仪输出分别控制两个金属电加热元件温度，电源输入通过变压器给两个自动恒温控制仪供电。
所述自然对流PCR芯片上表面依次贴有PCR热封膜和铝箔，自然对流PCR芯片置于注有PCR反应液的自然对流PCR腔体内。
所述注入水的上金属电加热元件和下金属电加热元件形成自然对流PCR芯片模块的温度对流场。
本发明的有益效果在于：本发明自然对流聚合酶链反应微系统，结构简单，制作成本低廉，易操作，可实现快速PCR反应。与传统PCR仪及常规自然对流装置相比，本发明有微型化、成本低、PCR耗时短特点。
附图说明
图1为本发明自然对流聚合酶链反应微系统结构示意图；
图2为本发明自然对流聚合酶链反应微系统主视图；
图3为本发明自然对流聚合酶链反应微系统俯视图；
图4为本发明自然对流聚合酶链反应微系统侧视图；
图5为本发明自然对流聚合酶链反应微系统产物毛细管电泳结果图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种自然对流型PCR系统，包括温控模块、自然对流PCR芯片模块6和芯片位置调节模块，温控模块由两个自动恒温控制仪1、2和变压器3、上下两个金属电加热元件4、5及两个金属电加热元件上的热敏电阻组成，芯片位置调节模块由滑杆7、螺母9和滑动基座8、上下基座10、11组成。两个热敏电阻检测分别检测上下两个金属电加热元件的温度，检测的温度送两个自动恒温控制仪，两个自动恒温控制仪输出分别控制两个金属电加热元件温度。电源输入通过变压器3给两个自动恒温控制仪1、2供电。
金属电加热元件5为中空金属结构，金属电加热元件5左右各与管道12、13连接，管道12、13用于注入和排出水，由于水的比热容较大，便于控制加热温度的变化范围，使其温度波动小；金属电加热元件4置于自然对流PCR芯片模块6底部，自然对流PCR芯片模块6夹在两个金属电加热元件4、5之间，自然对流PCR芯片模块6由单个或阵列自然对流PCR腔体组成，自然对流PCR芯片置于自然对流PCR腔体内。滑杆7穿过滑动基座8，滑杆7两头固定在上下基座10、11上，滑动基座8沿着滑杆7上下滑动，两个金属电加热元件4、5及自然对流PCR芯片模块6置于上基座10和滑动基座8之间，锁紧滑动基座8上正对滑杆7的螺母9，可固定滑动基座8。至少一个自然对流PCR芯片放置于热敏电阻4上。
一种自然对流PCR微系统使用方法，其步骤为：首先利用管道12、13将中空的金属电加热元件5注入水，再将两个自动温控仪1、2设定至特定温度，使金属电加热元件4、5达到自然对流PCR所需的温度。配置PCR反应液，将自然对流PCR芯片模块6取出，并通过移液枪把PCR反应液注入自然对流PCR芯片的反应腔内，将PCR热封膜贴于自然对流PCR芯片上表面，再贴一层铝箔，之后将自然对流PCR芯片模块6放回原处，调整滑动基座8使自然对流PCR芯片上表面紧贴于金属电加热元件5下表面，使得芯片内PCR反应液体形成自然对流，实现PCR反应。实例：运用自然对流型PCR装置实现对λ-DNA进行扩增，并采用毛细管电泳方法对λ-DNAPCR产物实施检测。
采用铝壳金属电加热元件4与5，金属电加热元件5为中空结构，且与塑料管道12、13相连接，并通过管道将金属电加热元件5内注入水。
通过设置自动恒温控制仪，使得金属电加热元件4的温度为55°C，金属电加热元件5的温度为97°C。
配制PCR反应试剂，其中包含0.7μlλ-DNA样品，34.3μlPCR反应液包括3.5μl10×FastBufferI,2.8μldNTP(2.5μM),0.7μlPCR引物1(5’-GATGAGTTCGTGTCCGTACAACTGG-3’)和0.7μlPCR引物2(5’-GGGCAATCAGTTCATCTTTCGTCATGG-3’),0.175μlSpeed-STARHSDNAPolymerase,0.35μlPVP(10%)以及26.075μl灭菌水，并将以上比例配制的PCR反应试剂分别加入自然对流PCR芯片和T-100PCR热循环仪(Bio-Rad,美国)中。
在自然对流PCR芯片上表面贴上PCR热封膜,并在热封膜上边贴一层铝箔，增强热敏电阻与芯片之间的导热性。
将自然对流PCR芯片放置在金属电加热元件4上，通过调节滑动基座8使自然对流PCR芯片与金属电加热元件5下表面贴合。20分钟后，取出芯片内PCR反应液并采用毛细管电泳法对PCR产物检测。毛细管总长度和有效长度分别为9.0cm和6.0cm，电动力进样条件为(100V/cm,1秒),毛细管电泳分离样时电场强度80V/cm。将芯片内PCR产物与传统热循环仪中的PCR产物以及100bpDNAladder电泳结果做对照如图5所示，（a）为经传统PCR扩增的λ-DNA的电泳结果，（b）为经自然对流PCR微系统扩增的λ-DNA的电泳结果，（c）为100bpDNAladder的电泳结果。效果与传统PCR仪结果一致。

Claims (3)

1.一种自然对流聚合酶链反应微系统，其特征在于，包括温控模块、自然对流PCR芯片模块和芯片位置调节模块，温控模块由两个自动恒温控制仪和变压器、上下两个金属电加热元件及两个金属电加热元件上的热敏电阻组成，芯片位置调节模块由滑杆、螺母和滑动基座、上下基座组成，上金属电加热元件为中空金属结构，左右各与两个管道连接，两个管道用于注入和排出水；下金属电加热元件置于自然对流PCR芯片模块底部，自然对流PCR芯片模块夹在两个金属电加热元件之间，自然对流PCR芯片模块由单个或阵列自然对流PCR腔体组成，自然对流PCR芯片置于自然对流PCR腔体内；滑杆穿过滑动基座，滑杆两头固定在上下基座上，滑动基座沿着滑杆上下滑动，两个金属电加热元件及自然对流PCR芯片模块置于上基座和滑动基座之间，锁紧滑动基座上正对滑杆的螺母，可固定滑动基座，使自然对流PCR芯片模块紧贴在两个金属电加热元件之间，两个热敏电阻检测分别检测上下两个金属电加热元件的温度，检测的温度送两个自动恒温控制仪，两个自动恒温控制仪输出分别控制两个金属电加热元件温度，电源输入通过变压器给两个自动恒温控制仪供电。
2.根据权利要求1所述自然对流聚合酶链反应微系统，其特征在于，所述自然对流PCR芯片上表面依次贴有PCR热封膜和铝箔，自然对流PCR芯片置于注有PCR反应液的自然对流PCR腔体内。
3.根据权利要求2所述自然对流聚合酶链反应微系统，其特征在于，所述注入水的上金属电加热元件和下金属电加热元件形成自然对流PCR芯片模块的温度对流场。
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