CN106520550A - 一种基于电磁推动的微流道pcr扩增系统 - Google Patents

一种基于电磁推动的微流道pcr扩增系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，属于生物学和分析化学及医学检测领域。该系统包括退火低温区、延伸适温区、热变高温区、PCR试剂、电磁推动模块；主要用于失重条件下的空间范围内应用的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测系统的后续搭建，目的在于将微通道循环PCR扩增模块和电磁推动模块集成，实现适用于空间作业要求的便携式微型化PCR荧光实时检测系统，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。

Description

一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统
技术领域
本发明涉及一种微流道PCR扩增系统，属于生物学和分析化学及医学检测领域，尤其涉及一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统。
背景技术
随着我国载人航天技术的日趋成熟，航天任务周期的逐渐延长，对航天员健康保障的要求也会越来越高。航天器中处于非监控状态的微生物严重威胁航天员的健康。长期航天飞行中，微生物菌群的增长及菌株变异会影响仪器设备的性能及工作环境条件，对航天器及其仪器设备的正常运行产生危害。为了预防空间飞行中感染性疾病的发生、传播和进行有效治疗，必须严密监控航天器中的微生物。其中PCR扩增技术正是检测系统的反应核心技术之一，一个合理的PCR扩增系统不仅增加了设备的便携性、实用性，而且提高了PCR扩增效率。PCR—聚合酶链式反应是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术,即无性细胞分子克隆技术，其原理类似于天然DNA的复制,是体外酶促反应选择性地合成特异性DNA的一种方法。反应步骤是人工合成一对寡核苷酸引物与特异扩增DNA片段两条链的两端序列分别互补，由高温(在摄氏96度左右)热变性、低温(在摄氏55度左右)复性和适温(在摄氏72度左右)延伸组成一个周期循环进行,使DNA片段得以迅速扩增。在合适条件下，这种循环不断重复,前一个循环的产物DNA可作为后一个循环的模板DNA参与DNA的合成,使产物DNA的量按2n方式扩增。从理论上讲经过三十多次的循环反应，DNA扩增倍数为106～109。PCR技术的实用性，使得其应用广泛，多用于医学应用来检测细菌、病毒类疾病；诊断遗传疾病；诊断肿瘤；应用于法医物证学。
在PCR反应过程中，PCR产物是随着循环次数的增长呈指数增加的状态，所以在微型生物芯片中，往往起始样品中的所要检测的目标DNA数量太少，需要不断的复制，才能达到检测标准；研究表明PCR扩增循环进行40次循环后，到达了一个生物曲线峰值，之后如果再进行PCR扩增反应，目标产物也不会再有明显增加，所以实验一般都取40次PCR扩增循环。
单微通道PCR扩增装置的出现为PCR扩增系统的缩微提供了一个很先进的思路，具有诸多优点，见发明专利《一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统》，公开号CN103695308B。目前单通道PCR扩增反应装置进样控制方式有三种：1、应用单片机对步进电机的控制操作，实现对PCR试剂在三个温区的移动，但是其中控制电路中的AD芯片与DA芯片存在自己本身的延时误差，由于PCR扩增反应是一个40次循环的反复过程，所以由于每一个循环都存在一部分不可避免误差性，导致40次反复循环后严重影响了扩增结果，对于微型系统结构造成的误差损失更为明显。而且如果为提高电路控制芯片的质量减少客观误差的同时，则提高了设备的成本并且效果并不明显。此外由于电路的本身体积限制，降低了系统的集成性，不能后续为检测与采集系统增添外设。2、利用气体的热胀冷缩原理，使用单片机驱动半导体制冷片改变微通道中的压强对试剂进行推动，这种控制方式是非线性的，控制难度比较大，而且装置需要空间较大，不便于缩微；3、利用压电陶瓷的形变对微通道中试剂形成挤压力，进而实现试剂在微通道中的推动，这种方式缺点是形变量小，形成的推动力有限，目前的器件条件下不足以实现试剂在三个温区的移动。
针对以上情况，本发明提出一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，它采用电磁铁作为试剂推动的动力源，直接通过通电断电操作就可以完成微通道中试剂在三个温区的移动，不需要复杂的控制系统，具有非接触，装置简单，体积小，移动复位精度高，易于实现结构缩微，功能集成的优点，而且由于降低了成本，微通道及推动部分可以一次性使用，避免了试剂的交叉污染。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，主要用于失重条件下的空间范围内应用的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测系统的后续搭建，目的在于将微通道循环PCR扩增模块和电磁推动模块集成，实现适用于空间作业要求的便携式微型化PCR荧光实时检测系统，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：该系统包括退火低温区、延伸适温区、热变高温区、PCR试剂、电磁推动模块；电磁推动模块主体为两个条形电磁铁芯，电磁铁芯上均绕有线圈，在电磁铁芯的轴线上对应有两个铁块，铁块上嵌入到橡胶活塞中，铁块及活塞部分被嵌入到石英材质的微通道中，两个铁块中间通过连接杆连接；三个温区的退火低温区、延伸适温区、热变高温区各自中间处设有隔热层，以保证三个温区的温度恒定；微通道从退火低温区、延伸适温区、热变高温区中穿过。当对电磁铁通电时，对应的铁块就会在磁力的作用下带动活塞在微通道中向通电的电磁铁一侧移动，依次在三个温区中往返运动直到完成40个循环。
一种基于电磁推动微流道PCR扩增系统，如图1-2所示，该系统采用左右对称结构，该系统采用左右对称结构，包括电磁铁芯a1、线圈a2、微通道3、热变高温区模块4、退火低温区模块5、延伸适温区模块6、线圈b7、电磁铁芯b8、U形活塞a9、弹簧a10、橡胶活塞a11、铁块a12、PCR试剂13、第一连接杆14、第二连接杆15、铁块b16、进样孔17，排气口18、弹簧b19、U形活塞b20、橡胶活塞b21。
热变高温区模块4、退火低温区模块5、延伸适温区模块6依次连接组成该系统的工作区，微通道3穿过热变高温区模块4、退火低温区模块5、延伸适温区模块6的中间；电磁铁芯a1、电磁铁芯b8对称设置在工作区的两侧，两个电磁铁芯上分别绕有线圈a2和线圈b7；U形活塞a9、U形活塞b20对称设置在微通道3的两侧；橡胶活塞a11、橡胶活塞b21对称设置在U形活塞a9、U形活塞b20之间；U形活塞a9、橡胶活塞a11之间连接有弹簧a10，U形活塞b20、橡胶活塞b21之间连接有弹簧b19；橡胶活塞a11和橡胶活塞b21之间的上下位置平行连接有第一连接杆14和第二连接杆15。
铁块a12、铁块b16分别嵌入在橡胶活塞a11和橡胶塞b21中；铁块a12和弹簧a10连接，铁块b16和弹簧b19连接。微通道3的中间依次设有进样孔17和排气口18。
当对线圈通电时，对应的电磁铁芯就能够对微通道3中活塞内的铁块产生磁力，由于磁力大于弹簧产生的弹力，活塞带动试剂向通电的电磁铁芯一侧移动，需要扩增的PCR试剂13设置在橡胶活塞a11和橡胶活塞b21之间，弹簧a10和弹簧b19的作用是当两个电磁铁芯断电时使得橡胶活塞a11、PCR试剂13和橡胶活塞b21能够快速复位到退火低温区模块5的位置；
高温变性的过程工作方式：首先向线圈2通入电流，橡胶活塞a11、PCR试剂13和橡胶活塞b21会向U形活塞a9的方向移动，当橡胶活塞a11在磁力的作用下移动到与U形活塞a9接触时，U形活塞a9会对橡胶活塞a11产生一个阻挡力，在与弹簧a10弹力的共同作用下使橡胶活塞a11停止移动，U形活塞a9上开有排气的小孔，热变高温区模块4在微通道3外部被设置在对应PCR试剂13的位置，当PCR试剂13在高温约96℃的作用下完成变性后，线圈a2断电，此时橡胶活塞a11、PCR试剂13和橡胶活塞b21在弹簧a10弹力的作用下几乎瞬时的返回初始位置，退火低温区模块5被设置在PCR试剂13此时位置的外部。
微通道3由石英毛细管构成。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
实验装置的搭建满足“功能集成结构微缩”易于便携的技术特点，通过对电磁铁磁性的控制完成PCR试剂在三个温度区中准确移动的目的，由弹簧产生的弹力进行精确复位，不需复杂的控制系统，不但进一步缩微了荧光PCR扩增系统，具有结构简单，操作简便的优点；而且由于复位几乎是瞬时的，这降低了PCR试剂在三个温区移动所需的时间，提高了PCR扩增效率；成本降低后系统微通道部分可一次性使用，可以避免试剂的交叉污染；本系统采用了非接触式控制方法，对装置位置摆放的要求得以降低，使其更易于集成在荧光PCR检测系统，实现适用于空间作业要求的便携式微型化PCR荧光实时检测系统，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。
附图说明
图1为基于电磁推动的微流道PCR扩增系统总图。
图2为系统微通道部分剖面示意图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的一个完整扩增过程做进一步说明。
图1为基于电磁推动的微流道PCR扩增系统总图，图2为系统微通道部分剖面示意图。
首先向通过进样孔17向微通道3中的橡胶活塞a11和橡胶塞b21之间注入需要扩增的PCR试剂13后使用光学UV胶将进样孔17和排气口18密封。将热变高温区模块4温度控制为96℃，退火低温区模块5温度控制为55℃，延伸适温区模块6温度控制为72℃，向线圈a2通入电流，电磁铁芯a1开始工作，橡胶活塞a11、PCR试剂13和橡胶活塞b21会向U形活塞a9的方向移动，当橡胶活塞a11在磁力的作用下移动到与U形活塞a9接触时，U形活塞a9会对橡胶活塞a11产生一个阻挡的力，在与弹簧a10弹力的共同作用下使橡胶活塞a11停止移动，U形活塞a9上开有排气的小孔，热变高温区模块4在微通道3外部被设置在对应的PCR试剂13的位置，当PCR试剂13在高温96℃的作用下完成变性后线圈a2断电，此时橡胶活塞a11、PCR试剂13和橡胶活塞b21在弹簧b10弹力的作用下几乎瞬时的返回图2所示的位置，退火低温区模块5被设置在PCR试剂13此时位置的外部，PCR试剂在此位置完成低温复性过程，向线圈b7通电，电磁铁芯b8开始对铁块b16产生磁力，当橡胶活塞b21移动到与U形活塞b20接触时会停止移动，延伸适温区模块6被设置在PCR试剂13此时对应位置的外部，PCR试剂完成适温延伸过程，给线圈b7断电，PCR试剂几乎瞬时的回到图2所示位置，至此完成PCR试剂扩增的一个循环，继续重复此过程直到PCR试剂完成40个扩增循环。

Claims (6)

1.一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：该系统包括退火低温区、延伸适温区、热变高温区、PCR试剂、电磁推动模块；电磁推动模块主体为两个条形电磁铁芯，电磁铁芯上均绕有线圈，在电磁铁芯的轴线上对应有两个铁块，铁块上嵌入到橡胶活塞中，铁块及活塞部分被嵌入到石英材质的微通道中，两个铁块中间通过连接杆连接；三个温区的退火低温区、延伸适温区、热变高温区各自中间处设有隔热层，以保证三个温区的温度恒定；微通道从退火低温区、延伸适温区、热变高温区中穿过；当对电磁铁通电时，对应的铁块就会在磁力的作用下带动活塞在微通道中向通电的电磁铁一侧移动，依次在三个温区中往返运动直到完成40个循环。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：该系统采用左右对称结构，包括电磁铁芯a(1)、线圈a(2)、微通道(3)、热变高温区模块(4)、退火低温区模块(5)、延伸适温区模块(6)、线圈b(7)、电磁铁芯b(8)、U形活塞a(9)、弹簧a(10)、橡胶活塞a(11)、铁块a(12)、PCR试剂(13)、第一连接杆(14)、第二连接杆(15)、铁块b(16)、进样孔(17)，排气口(18)、弹簧b(19)、U形活塞b(20)、橡胶活塞b(21)；
热变高温区模块(4)、退火低温区模块(5)、延伸适温区模块(6)依次连接组成该系统的工作区，微通道(3)穿过热变高温区模块(4)、退火低温区模块(5)、延伸适温区模块(6)的中间；电磁铁芯a(1)、电磁铁芯b(8)对称设置在工作区的两侧，两个电磁铁芯上分别绕有线圈a(2)和线圈b(7)；U形活塞a(9)、U形活塞b(20)对称设置在微通道(3)的两侧；橡胶活塞a(11)、橡胶活塞b(21)对称设置在U形活塞a(9)、U形活塞b(20)之间；U形活塞a(9)、橡胶活塞a(11)之间连接有弹簧a(10)，U形活塞b(20)、橡胶活塞b(21)之间连接有弹簧b(19)；橡胶活塞a(11)和橡胶活塞b(21)之间的上下位置平行连接有第一连接杆(14)和第二连接杆(15)；
铁块a(12)、铁块b(16)分别嵌入在橡胶活塞a(11)和橡胶塞b(21)中；铁块a(12)和弹簧a(10)连接，铁块b(16)和弹簧b(19)连接；微通道(3)的中间依次设有进样孔(17)和排气口(18)。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：当对线圈通电时，对应的电磁铁芯就能够对微通道(3)中活塞内的铁块产生磁力，由于磁力大于弹簧产生的弹力，活塞带动试剂向通电的电磁铁芯一侧移动，需要扩增的PCR试剂(13)设置在橡胶活塞a(11)和橡胶活塞b(21)之间，弹簧a(10)和弹簧b(19)的作用是当两个电磁铁芯断电时使得橡胶活塞a(11)、PCR试剂(13)和橡胶活塞b(21)能够快速复位到退火低温区模块(5)的位置。
4.根据权利要求2所述的一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：高温变性的过程工作方式：首先向线圈(2)通入电流，橡胶活塞a(11)、PCR试剂(13)和橡胶活塞b(21)会向U形活塞a(9)的方向移动，当橡胶活塞a(11)在磁力的作用下移动到与U形活塞a(9)接触时，U形活塞a(9)会对橡胶活塞a(11)产生一个阻挡力，在与弹簧a(10)弹力的共同作用下使橡胶活塞a(11)停止移动，U形活塞a(9)上开有排气的小孔，热变高温区模块(4)在微通道(3)外部被设置在对应PCR试剂(13)的位置，当PCR试剂(13)在高温(约96℃)的作用下完成变性后，线圈a(2)断电，此时橡胶活塞a(11)、PCR试剂(13)和橡胶活塞b(21)在弹簧a(10)弹力的作用下几乎瞬时的返回初始位置，退火低温区模块(5)被设置在PCR试剂(13)此时位置的外部。
5.根据权利要求2所述的一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：微通道(3)由石英毛细管构成。
6.根据权利要求2所述的一种基于电磁推动的微流道PCR扩增系统，其特征在于：首先向通过进样孔(17)向微通道(3)中的橡胶活塞a(11)和橡胶塞b(21)之间注入需要扩增的PCR试剂(13)后使用光学UV胶将进样孔(17)和排气口(18)密封；将热变高温区模块(4)温度控制为96℃，退火低温区模块(5)温度控制为55℃，延伸适温区模块(6)温度控制为72℃，向线圈a(2)通入电流，电磁铁芯a(1)开始工作，橡胶活塞a(11)、PCR试剂(13)和橡胶活塞b(21)会向U形活塞a(9)的方向移动，当橡胶活塞a(11)在磁力的作用下移动到与U形活塞a(9)接触时，U形活塞a(9)会对橡胶活塞a(11)产生一个阻挡的力，在与弹簧a(10)弹力的共同作用下使橡胶活塞a(11)停止移动，U形活塞a(9)上开有排气的小孔，热变高温区模块(4)在微通道(3)外部被设置在对应的PCR试剂(13)的位置，当PCR试剂(13)在高温的作用下完成变性后线圈a(2)断电，此时橡胶活塞a(11)、PCR试剂(13)和橡胶活塞b(21)在弹簧b(10)弹力的作用下几乎瞬时的返回，退火低温区模块(5)被设置在PCR试剂(13)此时位置的外部，PCR试剂在此位置完成低温复性过程，向线圈b(7)通电，电磁铁芯b(8)开始对铁块b(16)产生磁力，当橡胶活塞b(21)移动到与U形活塞b(20)接触时会停止移动，延伸适温区模块(6)被设置在PCR试剂(13)此时对应位置的外部，PCR试剂完成适温延伸过程，给线圈b(7)断电，至此完成PCR试剂扩增的一个循环，继续重复此过程直到PCR试剂完成40个扩增循环。
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