CN106222069B - 一种圆盘式芯片pcr仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆盘式芯片PCR仪及检测方法，该PCR仪包括：圆盘式芯片定位单元、加热单元、高速离心单元、光学检测单元、低速回转单元、切换单元及控制单元；圆盘式芯片定位单元对圆盘式芯片进行定位，高速离心单元驱动圆盘式芯片高速转动，控制单元控制切换单元在高速离心单元和低速回转单元之间切换，低速回转单元驱动圆盘式芯片低速转动，同时加热单元对圆盘式芯片进行加热，此时用光学检测单元对圆盘式芯片中待检测样品进行光学检测。该检测方法为利用该PCR仪实现的检测方法。本发明的圆盘式芯片PCR仪及检测方法，将高速离心和低速荧光检测集成为一体，检测过程无需人为参与，提高了检测效率，且降低了样品处理过程中的风险。

Description

一种圆盘式芯片PCR仪及检测方法

技术领域

本发明涉及生物学及分析化学领域，特别涉及一种圆盘式芯片PCR仪及检测方法。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是生命科学、医学领域的重要技术，用于对目标DNA进行大量扩增。PCR仪是进行PCR的主要仪器，广泛应用于在诊断遗传性疾患、检测临床标本中病原体的核酸、对法医标本作遗传学鉴定等方面。传统PCR分析技术使用多孔孔板放入样品进行检测，所需生物试样和试剂多。

微流控是通过微细加工技术，把生物和化学等领域中涉及到的样品制备、分离、混合、反应及检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，可以实现整个分析过程的自动化、微型化和快速化，实验室如样品处理、样品过滤、样品分离及样品检测等整个分析过程集成在一块芯片上进行。

目前，微流控芯片可分为圆盘式和板式。对于使用圆盘式芯片进样方法来说，是将待测样品加入微流控芯片(圆盘式芯片统称微流控芯片)进样孔后，将芯片放入离心机高速旋转，使试剂均匀分布进入反应检测池，离心完后还需将芯片放置到另外一台PCR仪器上进行荧光测试。完成整个恒温扩增微流控PCR检测测试需使用两台仪器，芯片需要在两台仪器间切换，检测过程需要人力参与，大大降低了检测效率。同时也增加了在样品处理过程中的风险。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种圆盘式芯片PCR仪及检测方法，将高速离心和低速荧光检测集成为一体，可实现两个功能的自动切换，检测过程无需人为参与，提高了检测效率，且降低了样品处理过程中的风险。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种圆盘式芯片PCR仪，其包括：圆盘式芯片定位单元、加热单元、高速离心单元、光学检测单元、低速回转单元、切换单元以及控制单元，其中，

所述圆盘式芯片定位单元用于对圆盘式芯片进行定位；

所述圆盘式芯片包括：进样孔以及反应检测池，所述进样孔用于注入待检测样品；

所述高速离心单元用于驱动所述圆盘式芯片高速转动，使所述待检测样品均匀分布到所述反应检测池中；

所述加热单元用于对所述圆盘式芯片进行加热，使所述反应检测池中的所述待检测样品进行扩增；

所述低速回转单元用于驱动所述圆盘式芯片低速回转；

所述光学检测单元用于当所述圆盘式芯片低速回转时，对所述反应检测池中的所述待检测样品进行光学检测；

所述控制单元与所述切换单元相连，所述切换单元与所述高速离心单元以及所述低速回转单元相连，所述控制单元用于控制所述切换单元在所述高速离心单元和所述低速回转单元之间进行切换。

较佳地，所述高速离心单元包括：第一电机，所述第一电机的输出轴与所述圆盘式芯片相连；

所述低速回转单元包括：第二电机；

所述切换单元包括：第三电机、第一齿轮以及第二齿轮，所述第一齿轮与所述第一电机的输出轴相连，所述第二齿轮与所述第二电机的输出轴相连，当所述高速离心单元工作时，所述第一齿轮与所述第二齿轮分开，所述第一电机用于驱动所述第一电机的输出轴高速转动，进而带动所述圆盘式芯片高速转动；当需要切换到低速回转单元工作时，所述切换电机用于驱动所述第二齿轮与所述第一齿轮相啮合，所述第二电机用于驱动所述第二电机的输出轴转动，所述第二电机的输出轴带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮带动所述第一电机的输出轴低速回转，进而带动所述圆盘式芯片低速回转。

较佳地，所述圆盘式芯片定位单元包括：芯片安装定位机构以及轴向旋转定位机构。

较佳地，所述芯片安装定位机构包括：定位柱及压紧块组成，所述定位柱固定在所述高速离心单元的输出轴和/或所述低速回转单元的输出轴上，且与所述高速离心单元的输出轴和/或所述低速回转单元的输出轴同心；所述压紧块用于当所述圆盘式芯片安装完成时，对所述圆盘式定位芯片进行压紧；

所述轴向旋转定位机构包括：码盘和检测元件组成，所述码盘与所述高速离心单元的输出轴同心；所述检测元件用于检测码盘的旋转，进而确定所述圆盘式芯片的周向回转位置。

较佳地，还包括：支架，所述支架用于支撑所述圆盘式芯片定位单元、加热单元、高速离心单元、光学检测单元、低速回转单元、切换单元以及控制单元。

较佳地，所述加热单元为腔式加热单元；

所述腔式加热单元包括：多个加热单元，多个所述加热单元组成腔式加热单元。

较佳地，还包括：外壳，所述外壳罩设在圆盘式芯片PCR仪的外侧。

本发明还提供一种圆盘式芯片PCR检测方法，其包括以下步骤：

S11：将圆盘式芯片固定在PCR仪上；

S12：驱动所述圆盘式芯片高速转动，使通过所述圆盘式芯片的进样孔注入的待检测样品均匀分布到所述圆盘式芯片的反应检测池中；

S13：当所述待检测样品均匀分布到所述反应检测池中后，切换到驱动所述圆盘式芯片低速回转，对所述圆盘式芯片进行加热；

S14：对所述反应检测池中的待检测样品进行光学检测。

较佳地，所述步骤S12中的切换到驱动所述圆盘式芯片低速回转具体包括：

S121：高速离心单元的第一电机停止工作，切换单元的第三电机驱动与低速回转单元的第二电机的输出轴相连的第二齿轮和与高速离心单元的第一电机的输出轴相连的第一齿轮相啮合；

S122：所述第二电机转动，带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮带动所述第一电机的输出轴转动，进而带动与所述第一电机的输出轴相连的所述圆盘式芯片低速回转。

较佳地，所述步骤S11包括：

S111：通过定位柱使所述圆盘式芯片与PCR仪的输出轴同心；

S112：通过压紧块将所述圆盘式芯片压紧。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的圆盘式芯片PCR仪及检测方法，将高速离心、扩增及低速荧光检测功能集成为一体，可实现自动切换，检测过程无需人为参与，提高了检测效率，且降低了样品处理过程中的风险；

(2)本发明的圆盘式芯片PCR仪及检测方法，高速离心单元和低速回转单元之间通过齿轮啮合实现自动切换，切换有效方便，使用同一输出轴驱动圆盘式芯片，圆盘式芯片定位一次即可，操作简单。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例的圆盘式芯片PCR仪的结构示意图；

图2为本发明的实施例的外壳及支架的结构示意图；

图3为本发明的实施例的圆盘式芯片定位单元的结构示意图；

图4为本发明的实施例的定位柱的截面图；

图5为本发明的实施例的腔式加热单元的结构示意图；

图6为本发明的实施例的切换单元的示意图。

标号说明：1-圆盘式芯片定位单元，2-加热单元，3-高速离心单元，4-光学检测单元，5-低速回转单元，6-切换单元，7-控制单元，8-支架，9-外壳，10-圆盘式芯片；

11-芯片安装定位机构，12-轴向旋转定位机构，

111-定位柱，112-压紧块，113-螺钉；

121-码盘，122-检测元件，123-螺母；

21-第一加热单元，22-第二加热单元；

211-盖板，212-加热板，213-护板，214-销轴；

31-第一电机；

311-第一电机的输出轴，312-轴承；

51-第二电机；

61-第三电机，62-第一齿轮，63-第二齿轮，64-固定连接板，65-导轨；

81-底板，82-长侧支板，83-第一固定板，84-短侧支板，85-第二固定板，86-支柱，87-隔离支板；

91-上壳，92-下壳。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

结合图1-图6，对本发明的圆盘式芯片PCR仪进行详细描述，其结构示意图如图1所示，其包括：圆盘式芯片定位单元1、加热单元2、高速离心单元3、光学检测单元4、低速回转单元5、切换单元6以及控制单元7。其中，圆盘式芯片定位单元1用于对圆盘式芯片进行定位；圆盘式芯片包括：进样孔以及反应检测池，进样孔用于注入待检测样品；高速离心单元3用于驱动圆盘式芯片高速转动，使待检测样品均匀分布到反应检测池中；加热单元2用于对圆盘式芯片进行加热，使反应检测池中的待检测样品进行扩增；低速回转单元5用于驱动圆盘式芯片低速回转；光学检测单元4用于当圆盘式芯片低速回转时，对反应检测池中的待检测样品进行光学检测；控制单元7与切换单元6相连，切换单元6与高速离心单元3以及低速回转单元5相连，控制单元7用于控制切换单元6在高速离心单元3和低速回转单元5之间进行切换。

本实施例的工作原理为：从圆盘式芯片的进样孔中注入待检测样品，用高速离心单元3驱动圆盘式芯片进行高速转动，使待检测样品进行离心运动，均匀分布到反应检测池中；当待检测样品均匀分布到反应检测池中后，切换到低速回转单元，驱动圆盘式芯片低速回转，边低速回转边加热，同时用光学检测单元对待检测样品进行光学检测，以观察待检测样品的扩增现象。

本实施例中，高速离心单元3包括：第一电机31，第一电机31的输出轴311与圆盘式芯片相连，第一电机31用于驱动圆盘式芯片10进行高速转动；低速回转单元5包括：第二电机51；切换单元6包括：第三电机61、第一齿轮62以及第二齿轮63，第一齿轮62与第一电机31的输出轴311相连，第二齿轮63与第二电机51的输出轴相连；当由高速离心单元3切换到低速回转单元5时，第三电机61驱动第二齿轮63与第一齿轮62相啮合，此时第一电机31停止工作，第二电机51带动第二齿轮63转动，进而带动第一齿轮62转动，进而带动第一电机31的输出轴311转动，进而带动圆盘式芯片10低速回转。本实施例中，为了使切换更加平稳，将第三电机61以及第二齿轮63安装在固定连接板64上，固定连接板64安装在导轨65上，这样可以使第二齿轮63沿导轨65更加平稳的运动，如图6所示。

本实施例中，为了使圆盘式芯片定位更加精准，圆盘式芯片定位单元1包括：芯片安装定位机构11以及轴向旋转定位机构12，如图3所示。其中，芯片安装定位机构11包括：定位柱111以及压紧片112，两者都通过螺钉113固定在第一电机31的输出轴311上，并且与第一电机31的输出311轴同心；压紧片通过设置在压紧片后的弹簧实现对圆盘式芯片的压紧，压紧片112可以伸缩，方便圆盘式芯片的安装与取出。轴向旋转定位机构12包括：码盘121以及检测元件122，码盘121通过螺母123固定在第一电机31的输出轴311上，并且与第一电机31的输出轴311同心；检测元件122设置在第二固定板85上，检测码盘121的旋转，用于确定圆盘式芯片的周向回转位置。

本实施例中，为了固定使圆盘式芯片固定更稳，定位柱111的截面为两条平行线以及两个圆弧围成的图形，如图4所示。不同实施例中，定位柱111的截面也可以为其他多边形或者不规则图形。

本实施例中，为了对圆盘式芯片定位单元1、加热单元2、高速离心单元3、光学检测单元4、低速回转单元5、切换单元6以及控制单元7进行很好的支撑，设置了支架8，如图2所示。本实施例中，支架8包括：底板8、长侧支板82、第一固定板83、短侧支板84、第二固定板85、支柱86以及隔离支板87。底板81设置与最底层，两个长侧支板82竖直设置于底板8的两侧，第一固定板83架设于两长侧支板82的顶端，底板81、两长侧支板82以及第一固定板83形成一个中空的四边形结构，控制单元7设置于其中，高速离心单元的第一电机31页设置于其中；两短侧支板84竖直设置于第一固定板83的上端，第二固定板85架设于两短侧支板84的顶端，第一固定板83、两短侧支板84以及第二固定板也形成一个中空结构，低速回转单元5以及切换单元6设置于其中；两支柱86竖直设置于第二固定板85的上端，隔离支板87设置于两支柱86的顶端，第二固定板85、两支柱86以及隔离支板87也形成一个中空结构，高速离心单元3设置于其中，高速离心单元3的第一电机的输出轴311依次穿过第一固定板83以及第二固定板85与圆盘式芯片10相连，且第一电机的输出轴311通过轴承312固定在第二固定板85中，实现了第一电机31的稳定旋转；光学检测单元4设置于第二固定支板85的上端；圆盘式芯片定位单元及圆盘式芯片设置于隔离支板87的上端。本实施例的支架结构设计合理，既5节约空间，又能够使整个PCR仪结构稳定，但是此处并不是对本发明的限制，不同实施例中，支架可以有不同的设计方式，各单元也可根据需要进行不同位置的布置。

本实施例中，为了对整个PCR仪进行保护，使其少受外界环境的干扰，还设置有外壳9，外壳9罩设在所有单元的外侧。且本实施例中的加热单元2为非接触式加热，包括两个加热单元：第一加热单元21和第二加热单元22，第一加热单元21设置在外壳9的顶部，第一加热单元21包括：依次设置的三层，分别为：盖板211、加热板212以及护板213，第一加热单元21通过销轴214固定在外壳9上，可销轴214转动，以实现打开或关闭，如图5所示。当需要安装固定圆盘式芯片的时候，第一加热单元21打开，当安装完成后，第一加热单元21合上；闭合后，第一加热单元21和设置在支架8上的第二加热单元组成加热腔，对圆盘式芯片进行加热，以使圆盘式芯片的反应池中的待检测样品扩增，本实施例的特殊的加热单元对圆盘式芯片的加热效果，能够更好地保证圆盘式芯片中的待检测样品温度的均匀性。不同实施例中，加热单元可以设置在不同的位置，加热单元的数量也不一定为两个，只要能够对圆盘式加热单元进行加热，使其扩增即可。

本实施例中，为了方便拆卸与安装，外壳9分为上下两部分，分别为：上壳91、下壳92。不同实施例中，外壳9也可以为一体化结构，或者由两部分以上组成。

较佳实施例中，第一加热单元21和外壳9上还设置有开盖状态检测装置，用于实现开盖状态检测。

较佳实施例中，控制单元7还用于实现低速回转时，反应检测池位置的定位及检测、加热控制、温度检测、开盖状态检测以及光学检测的相关运算等功能。

下面对本发明的圆盘式芯片PCR检测方法进行详细描述，其包括以下步骤：

S11：将圆盘式芯片固定在PCR仪上；

S12：驱动圆盘式芯片高速转动，使通过圆盘式芯片的进样孔注入的待检测样品均匀分布到圆盘式芯片的反应检测池中；

S13：当待检测样品均匀分布到反应检测池中后，切换到驱动圆盘式芯片低速回转，对圆盘式芯片进行加热；

S14：对反应检测池中的待检测样品进行光学检测。

较佳实施例中，步骤S12中的切换到驱动圆盘式芯片低速回转具体包括：

S121：高速离心单元的第一电机停止工作，切换单元的第三电机驱动与低速回转单元的第二电机的输出轴相连的第二齿轮和与高速离心单元的第一电机的输出轴相连的第一齿轮相啮合；

S122：第二电机转动，带动第二齿轮转动，第二齿轮带动第一齿轮转动，第一齿轮带动第一电机的输出轴转动，进而带动与第一电机的输出轴相连的圆盘式芯片低速回转。

较佳实施例中，步骤S11包括：

S111：通过定位柱使圆盘式芯片与PCR仪的输出轴同心；

S112：通过压紧块将圆盘式芯片压紧。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种圆盘式芯片PCR仪，其特征在于，包括：圆盘式芯片定位单元、加热单元、高速离心单元、光学检测单元、低速回转单元、切换单元以及控制单元，其中，

所述圆盘式芯片定位单元用于对圆盘式芯片进行定位；

所述圆盘式芯片包括：进样孔以及反应检测池，所述进样孔用于注入待检测样品；

所述高速离心单元用于驱动所述圆盘式芯片高速转动，使所述待检测样品均匀分布到所述反应检测池中；

所述加热单元用于对所述圆盘式芯片进行加热，使所述反应检测池中的所述待检测样品进行扩增；

所述低速回转单元用于驱动所述圆盘式芯片低速回转；

所述光学检测单元用于当所述圆盘式芯片低速回转时，对所述反应检测池中的所述待检测样品进行光学检测；

所述控制单元与所述切换单元相连，所述切换单元与所述高速离心单元以及所述低速回转单元相连，所述控制单元用于控制所述切换单元在所述高速离心单元和所述低速回转单元之间进行切换；

所述高速离心单元包括：第一电机，所述第一电机的输出轴与所述圆盘式芯片相连；

所述低速回转单元包括：第二电机；

所述切换单元包括：第三电机、第一齿轮以及第二齿轮，所述第一齿轮与所述第一电机的输出轴相连，所述第二齿轮与所述第二电机的输出轴相连，当所述高速离心单元工作时，所述第一齿轮与所述第二齿轮分开，所述第一电机用于驱动所述第一电机的输出轴高速转动，进而带动所述圆盘式芯片高速转动；当需要切换到低速回转单元工作时，所述第三电机用于驱动所述第二齿轮与所述第一齿轮相啮合，所述第二电机用于驱动所述第二电机的输出轴转动，所述第二电机的输出轴带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮带动所述第一电机的输出轴低速回转，进而带动所述圆盘式芯片低速回转；

所述圆盘式芯片定位单元包括：芯片安装定位机构以及轴向旋转定位机构；

所述芯片安装定位机构包括：定位柱及压紧块组成，所述定位柱固定在所述高速离心单元的输出轴和/或所述低速回转单元的输出轴上，且与所述高速离心单元的输出轴和/或所述低速回转单元的输出轴同心；所述压紧块用于当所述圆盘式芯片安装完成时，对所述圆盘式定位芯片进行压紧；

所述轴向旋转定位机构包括：码盘和检测元件组成，所述码盘与所述高速离心单元的输出轴同心；所述检测元件用于检测码盘的旋转，进而确定所述圆盘式芯片的周向回转位置；

支架，所述支架用于支撑所述圆盘式芯片定位单元、加热单元、高速离心单元、光学检测单元、低速回转单元、切换单元以及控制单元；

所述加热单元为腔式加热单元；

所述腔式加热单元包括：多个加热单元，多个所述加热单元组成腔式加热单元；

外壳，所述外壳罩设在圆盘式芯片PCR仪的外侧。

2.一种圆盘式芯片PCR检测方法，采用了如权利要求1所述的一种圆盘式芯片PCR仪，其特征在于，包括以下步骤：

S11：将圆盘式芯片固定在PCR仪上；

S12：驱动所述圆盘式芯片高速转动，使通过所述圆盘式芯片的进样孔注入的待检测样品均匀分布到所述圆盘式芯片的反应检测池中；

S13：当所述待检测样品均匀分布到所述反应检测池中后，切换到驱动所述圆盘式芯片低速回转，对所述圆盘式芯片进行加热；

S14：对所述反应检测池中的待检测样品进行光学检测。

3.根据权利要求2所述的圆盘式芯片PCR检测方法，其特征在于，所述步骤S12中的切换到驱动所述圆盘式芯片低速回转具体包括：

S121：高速离心单元的第一电机停止工作，切换单元的第三电机驱动与低速回转单元的第二电机的输出轴相连的第二齿轮和与高速离心单元的第一电机的输出轴相连的第一齿轮相啮合；

S122：所述第二电机转动，带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮带动所述第一电机的输出轴转动，进而带动与所述第一电机的输出轴相连的所述圆盘式芯片低速回转。

4.根据权利要求2所述的圆盘式芯片PCR检测方法，其特征在于，所述步骤S11包括：

S111：通过定位柱使所述圆盘式芯片与PCR仪的输出轴同心；

S112：通过压紧块将所述圆盘式芯片压紧。