CN106337021B - 用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统 - Google Patents

用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其包括核酸反应芯片单元、加热单元和风扇单元,所述加热单元设置于核酸反应芯片单元的底部,所述风扇单元设置于加热单元的底部,所述加热单元包括基底设置于所述基底背面的若干加热传感器,所述加热传感器包括金属线圈和设置于所述金属线圈两端的两个电极。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:系统包含48个微滴阵列反应室,能够用于多个核酸溶液的聚合酶链式反应同时进行;采用4个金属线圈作为加热器并单独控制,精确度更高;采用金属线圈作为加热器,升温速度快;采用金属线圈同时作为加热器和温度传感器,集成化程度更高。

Description

用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统
技术领域
本发明涉及一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,属于医疗诊断芯片技术领域。
背景技术
分子诊断是当代医学发展的重要前沿领域之一,其核心是对编码与疾病相关的各种结构蛋白、酶、抗原抗体、免疫活性分子、致病突变基因等的特异性检测。分子诊断可以实现疾病的诊断和病情的监控、并指导个性化治疗,在病毒感染、细菌感染疾病、优生优育、遗传病筛查、肿瘤早期诊断方面发挥了巨大的作用。1985年,美国PE公司的Mullis等人发明了聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR),聚合酶链式反应是指脱氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid,DNA)在94℃高温时会变性成单链,55℃低温时单链与引物按碱基互补配对原则结合,72℃适温时DNA聚合酶合成互补链。PCR仪是基于聚合酶链式反应的温控设备,实现在变性温度,退火温度和延伸温度间的循环控制。随后PE公司研制出了第一台PCR热循环仪,使得核酸扩增成为现实,具有跨时代的意义。
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术和生命科学技术的快速发展,生物MEMS(Bio-MEMS)技术被广泛应用于医疗器械领域。Bio-MEMS器件的研究为生命科学研究以及医疗检测器械提供了一种低污染、高效率、低成本、低样耗的技术,是生化分析的重大革命,具有重要的科学意义。
通过对现有技术的检索发现,Zhao等在Sensors andActuators A:Physical,2003,108(1):162-167中提出了一种微反应腔式PCR芯片,该芯片以硅材料作为基底,将加热器和温度传感器集成在了反应腔的底部,采用自然冷却的方式来降温。该系统仅能用于进行少量核酸溶液的情况,不能用于大规模的核酸反应。
邱宪波等在《中国医疗器械杂志》,2005,29(04):252-254中提出了一种用于定量PCR反应的温度控制系统,该系统采用半导体制冷片作为加热制冷器件,采用半导体热敏电阻作为温度传感器。该设计中半导体制冷片在使用过程中容易损坏,且系统的平均升温速度仅能达到2.5℃/s。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核酸扩增反应面积大、温度控制精确、升温速度快、集成化程度高、制作工艺简单的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明提供一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其包括核酸反应芯片单元、加热单元和风扇单元,所述加热单元设置于核酸反应芯片单元的底部,所述风扇单元设置于加热单元的底部,所述加热单元包括基底设置于所述基底背面的若干加热传感器,所述加热传感器包括金属线圈和设置于所述金属线圈两端的两个电极。
作为优选方案,所述核酸反应芯片单元包括外边框、反应室边框和基片,所述外边框嵌套于基片的外侧,所述反应室边框设置于基片的表面,将基片分隔出若干个微滴阵列反应室,
作为优选方案,所述微滴阵列反应室的行数为6行,列数为8列。
作为优选方案,所述外边框的材料为聚二甲基硅氧烷,所述反应室边框的材料为光刻胶,所述基片的材料为玻璃。
作为优选方案,所述金属线圈的数量为4个。
作为优选方案,所述金属线圈呈蛇形。
作为优选方案,所述金属线圈的宽度W(width)为25.2~27.0mm,线圈长度L(length)为34.2~36.0mm,线圈线间距LS(line space)为0.2~1.0mm,线圈线宽LW(linewidth)为0.1~0.5mm,厚度为1~10μm。
作为优选方案,所述金属线圈的材料为镍或铂。
作为优选方案,所述风扇单元包括四个等距离对称排列的风扇。
作为优选方案,所述基底的材料为硅材料。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、系统包含48个微滴阵列反应室,能够用于多个核酸溶液的聚合酶链式反应同时进行;
2、采用4个金属线圈作为加热器并单独控制,精确度更高;
3、采用金属线圈作为加热器,升温速度快;
4、采用金属线圈同时作为加热器和温度传感器,集成化程度更高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明的剖面示意图;
图2为本发明中核酸反应芯片的结构示意图;
图3为本发明中加热传感器的结构示意图;
图4为聚合酶链式反应温控系统温度循环示意图。
图中:1、核酸反应芯片单元,2、加热单元,3、风扇单元,11、外边框,12、反应室边框,13、基片,21、基底,22、加热传感器;221、蛇形金属线圈,222、电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1~3所示,本发明提供一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统包括核酸反应芯片单元1、加热单元2和风扇单元3,加热单元2设置于核酸反应芯片单元1的底部,风扇单元3设置于加热单元2的底部,加热单元2包括基底21设置于基底21背面的若干加热传感器22,加热传感器22包括蛇形金属线圈221和设置于所述蛇形金属线圈221两端的两个电极222。
核酸反应芯片单元1包括外边框11、反应室边框12和基片13,外边框11嵌套于基片13的外侧,反应室边框12设置于基片13的表面,将基片13分隔出若干个微滴阵列反应室,微滴阵列反应室的行数为6行,列数为8列。
蛇形金属线圈221为金属镍或铂材料,蛇形金属线圈221为蛇形绕线结构,每一个线圈所占区域宽度W为26.2mm,长度L为35.2mm,线圈的间距LS为0.8mm,线圈的宽度LW为0.2mm,线圈的厚度为7μm。电极222设置在金属线圈的两端,为长方体结构,长度为5mm,宽度为2.5mm,厚度为7μm。
外边框的材料为聚二甲基硅氧烷,厚度为5mm;反应室边框的材料为光刻胶,厚度为500μm;基片的材料为玻璃,基底的材料为硅材料。
蛇形金属线圈的数量为4个。
风扇单元包括四个等距离对称排列的风扇。
本实施例涉及的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统在温控中的温度变化如图1所示,循环过程中控制温度在94℃(高温变性)时维持60s,控制温度在55℃(低温退火)时维持60s,控制温度在72℃(适温延伸)时维持60s,一个反应中重复循环30-50次。
实施例2
如图1~3所示,本发明提供一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统包括核酸反应芯片单元1、加热单元2和风扇单元3,加热单元2设置于核酸反应芯片单元1的底部,风扇单元3设置于加热单元2的底部,加热单元2包括基底21设置于基底21背面的若干加热传感器22,加热传感器22包括蛇形金属线圈221和设置于所述蛇形金属线圈221两端的两个电极222。
核酸反应芯片单元1包括外边框11、反应室边框12和基片13,外边框11嵌套于基片13的外侧,反应室边框12设置于基片13的表面,将基片13分隔出若干个微滴阵列反应室,微滴阵列反应室的行数为6行,列数为8列。
蛇形金属线圈221为金属镍或铂材料,蛇形金属线圈221为蛇形绕线结构,每一个线圈所占区域宽度W为27.0mm,长度L为36.0mm,线圈间距LS为1.0mm,线圈宽度LW为0.5mm,线圈的厚度为8μm。电极222设置在金属线圈的两端,为长方体结构,长度为5mm,宽度为2.5mm,厚度为8μm。
外边框的材料为聚二甲基硅氧烷,厚度为5mm;反应室边框的材料为光刻胶,厚度为500μm;基片的材料为玻璃,基底的材料为硅材料。
蛇形金属线圈的数量为4个。
风扇单元包括四个等距离对称排列的风扇。
实施例3
如图1~3所示,本发明提供一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统包括核酸反应芯片单元1、加热单元2和风扇单元3,加热单元2设置于核酸反应芯片单元1的底部,风扇单元3设置于加热单元2的底部,加热单元2包括基底21设置于基底21背面的若干加热传感器22,加热传感器22包括蛇形金属线圈221和设置于所述蛇形金属线圈221两端的两个电极222。
核酸反应芯片单元1包括外边框11、反应室边框12和基片13,外边框11嵌套于基片13的外侧,反应室边框12设置于基片13的表面,将基片13分隔出若干个微滴阵列反应室,微滴阵列反应室的行数为6行,列数为8列。
蛇形金属线圈221为金属镍或铂材料,蛇形金属线圈221为蛇形绕线结构,每一个线圈所占区域宽度W为25.2mm,长度L为34.2mm,线圈的间距LS为0.2mm,线圈的宽度LW为0.1mm,线圈的厚度为3μm。电极222设置在金属线圈的两端,为长方体结构,长度为5mm,宽度为2.5mm,厚度为3μm。
外边框的材料为聚二甲基硅氧烷,厚度为5mm;反应室边框的材料为光刻胶,厚度为500μm;基片的材料为玻璃,基底的材料为硅材料。
蛇形金属线圈的数量为4个。
风扇单元包括四个等距离对称排列的风扇。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,包括核酸反应芯片单元、加热单元和风扇单元,所述加热单元设置于核酸反应芯片单元的底部,所述风扇单元设置于加热单元的底部,所述加热单元包括基底设置于所述基底背面的若干加热传感器,所述加热传感器包括金属线圈和设置于所述金属线圈两端的两个电极;所述外边框的材料为聚二甲基硅氧烷,所述反应室边框的材料为光刻胶,所述基片的材料为玻璃;
所述核酸反应芯片单元包括外边框、反应室边框和基片,所述外边框嵌套于基片的外侧,所述反应室边框设置于基片的表面,将基片分隔出若干个微滴阵列反应室
所述金属线圈呈蛇形;所述金属线圈的宽度W为25.2~27.0mm,线圈长度L为34.2~36.0mm,间距LS为0.2~1.0mm,线宽LW为0.1~0.5mm,厚度为1~10μm。
2.如权利要求1所述的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,所述微滴阵列反应室的行数为6行,列数为8列。
3.如权利要求1所述的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,所述金属线圈的数量为4个。
4.如权利要求1所述的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,所述金属线圈的材料为镍或铂。
5.如权利要求1所述的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,所述风扇单元包括四个等距离对称排列的风扇。
6.如权利要求1所述的用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统,其特征在于,所述基底的材料为硅材料。
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