CN106906137B - 一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置 - Google Patents

一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，该装置包括微流控芯片、提取单元、加热单元、检测单元。在提取单元的协助下，利用微流控芯片中的AOM膜捕获裂解样品中的核酸，再利用纯化与洗涤试剂对AOM膜进行清洗以实现核酸纯化，并使得核酸模板停留在AOM膜上，然后，通过加热单元为反应腔的上下端提供稳定的反应温度，使AOM膜上的核酸模板参与对流PCR反应，由此实现了核酸提取与核酸扩增的一体化集成。检测单元包括LED灯与照相机，由LED灯激发反应试剂中的荧光染料，再通过照相机对多个反应孔位的荧光信号实现同时检测。该系统复杂度低、操作简单、检测时间短，集核酸提取、扩增及检测于一体，能够提高核酸诊断分析的效率。

Description

一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置
技术领域
本发明涉及生命医学检测、诊断技术领域，尤其涉及一种基于氧化铝膜(氧化铝膜)的核酸快速提取及对流CPCR(Convective PCR,CPCR)扩增于一体的基于微流控芯片的高通量核酸分析装置。
背景技术
传统的核酸提取方法往往涉及到诸多手工步骤，导致核酸提取效率较低，不利于实现核酸诊断的自动化。基于微流控芯片的核酸提取由于自动化程度高、核酸提取效率高、出错概率小，操作简单，正日益受到世界各国的关注。传统的PCR扩增方法往往需要对反应样品进行持续性的、周期性的升降温控制，由于各步反应之间的过渡过程时间较长，因此，PCR扩增所需的总时间往往较长。基于热对流原理的对流PCR技术通过反应试剂的热对流过程来实现高效的等效温度循环，因此，其所需的扩增反应时间显著少于传统PCR扩增反应。
将基于微流控芯片的核酸自动提取方法，如基于氧化铝膜的核酸提取方法，与微流控芯片背景下的对流PCR技术相互结合，构建一体化的高通量核酸自动提取及快速扩增方法，能够显著降低核酸提取与扩增一体化系统的复杂度，提高核酸提取与扩增的效率，为实现方便快捷、操作简单的一体化高通量核酸诊断分析打下坚实的基础。
发明内容
本发明目的在于提供了一种集基于氧化铝膜的核酸快速提取及对流CPCR扩增检测一体的高通量核酸分析装置，该装置能够同时完成多个、多种核酸提取和CPCR扩增反应，实现核酸提取、扩增和检测的一体化操作，实现高通量核酸分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，该装置集基于氧化铝膜的核酸快速提取及对流CPCR扩增检测一体的高通量核酸分析装置，该装置包括微流控芯片、加热单元、提取单元、检测单元。
微流控芯片包括反应腔2、氧化铝膜3、膜固定件4。氧化铝膜3固定在膜固定件4中，膜固定件4实现对氧化铝膜3的支撑和固定，膜固定件4紧密配合在反应腔2底部。反应腔2是核酸提取的通道和核酸扩增的场所。
加热单元包括：上加热套环5、上外加热器6、上中心加热器7、测温元件8、下加热套环9、下外加热器10、下中心加热器11。反应腔2固定在上加热套环5和下加热套环9中间，上外加热器6紧贴在上加热套环5的四周，上中心加热器7固定在上加热套环5的中间，下外加热器10紧贴在下加热套环9的四周，下中心加热器11固定在下加热套环9的中间。上外加热器6、上中心加热器7、下外加热器10、下中心加热器用于加热，测温元件8分别埋入上加热套环5和下加热套环9中，实现上下两层温度的检测。
提取单元包括：光耦开关12、开关固定件13、旋转电机14、电机固定件15、旋转盘16、抽吸转接件17、废液腔18、吸水纸19、抽吸器20、抽吸器固定件21。旋转电机14通过电机固定件15安装在底板1上，光耦开关12通过开关固定件13固定在电机固定件15上，实现对旋转盘16的准确定位，抽吸转接件17固定在旋转盘16上，通过旋转盘16的转动，分别实现多个反应腔2中废液的吸收。旋转盘16固定在旋转电机14的旋转轴上。抽吸器20通过抽吸器固定件21固定在底板1上，在废液腔18中固定吸水纸19，通过抽吸器20，利用抽吸器转接件17将反应腔2核酸提取过程中产生的废液转移到废液腔18中。
检测单元包括：CCD照相机22、摄像头23、接收滤光片24、LED灯25、LED固定件26、激发滤光片27、LED固定环28。接收滤光片24位于CCD照相机22和摄像头23之间，接收滤光片24实现对检测荧光的过滤，LED灯25通过LED固定件26固定在LED环28上，激发滤光片27位于LED灯25前部，实现对LED灯激发光的过滤，LED环28与下加热套环9同轴心，每个LED灯25与反应腔2垂直，从而为CPCR扩增过程提供激发光。
氧化铝膜3位于微流控芯片反应腔2底部，氧化铝膜3作为一种固相核酸捕获载体，既能够捕获、纯化核酸，又能够直接参与CPCR反应，提供CPCR扩增模板，实现核酸提取与CPCR扩增的一体化。
在氧化铝膜3紧密固定在膜固定件4中，膜固定件4紧密装入反应腔2底部，使得氧化铝膜3被固定在反应腔2底部，并充分接触。
裂解后的检测样品或者核酸纯化试剂在负压作用下，依次通过反应腔2的毛细管微通道及氧化铝膜3，其中，裂解样品中的核酸模板被氧化铝膜3表面捕获，而核酸纯化试剂则通过氧化铝膜3。
通过抽吸器20带动抽吸转接件17，使得反应腔2内气压小于大气压，反应腔2中的废液在负压的作用下，被废液腔18中的吸水纸19吸收，实现废液从反应腔2到废液腔18的转移，控制旋转电机14，依次完成多个反应腔2中废液的转移，实现核酸的高通量提取。
CPCR扩增试剂在负压作用下，逐渐进入并充满反应腔2的毛细管微通道，且CPCR反应试剂与氧化铝膜3相互接触，在反应腔2毛细管微通道中完成CPCR扩增反应。
裂解后的检测样品或纯化试剂进样，均通过抽吸器20的持续性抽吸，通过抽吸转接件17，获取负压来实现的。
核酸提取结束后，停止抽吸器20，利用胶带封住反应腔2底部的小孔，实现对反应腔2的封闭，扩增试剂停留在反应腔2。
由多个LED灯25分别激发多个反应孔位中试剂的荧光染料，再通过CCD照相机22经由接收滤光片24对多个反应孔位的荧光信号进行同时检测，由此实现了高通量核酸检测。
在微流控芯片反应腔2的上下端分别设置上加热套环5和下加热套环9，通过上下两端加热实现CPCR扩增，也可以仅设置下加热套环9，采用单加热源加热来实现CPCR扩增。
测温元件8是热电阻或热电偶；上外加热器6、上中心加热器7、下外加热器10和下中心加热器采用加热电阻膜。
控制旋转电机14在光耦开关12下初始化，每次旋转电机14顺时针转动某个设定角度，带动抽吸转接件17依次配对每个反应腔2，利用抽吸器20，切换负压系统，对各个反应孔位实施逐个核酸提取操作，由此实现高通量核酸提取的。
抽吸器20是注射器或是真空泵。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明以一种基于氧化铝膜3的核酸快速提取及CPCR扩增芯片，将核酸提取与核酸扩增过程一个芯片中完成，实现核酸提取与扩增的一体化操作，降低系统复杂度，节约成本。
2、本发明利用氧化铝膜3进行核酸提取，可以提高核酸提取效率和质量，为后续的CPCR扩增提供了基础。
3、本发明具有体积小、结构简单、操作简单、自动化程度高、核酸提取效率高，一体化等优点，既可以与现有方法相结合，也能够与反应及检测装置一起，构成一体化的微流控检测系统。
附图说明
图1为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置的结构示意图。
图2为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中氧化铝膜和反应腔配合结构示意图。
图3为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中加热模块结构示意图。
图4为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中旋转模块结构示意图。
图5为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中废液存储结构示意图。
图6为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中检测单元摄像模块结构示意图。
图7为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中检测单元激发模块结构示意图。
图8.1为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中双加热源结构示意图。
图8.2为一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置中单加热源结构示意图。
图中：
1、底板 2、反应腔 3、氧化铝膜
4、膜固定件 5、上加热套环 6、上外加热器
7、上中心加热器 8、测温元件 9、下加热套环
10、下外加热器 11、下中心加热器 12、光耦开关
13、开关固定件 14、旋转电机 15、电机固定件
16、旋转盘 17、抽吸转接件 18、废液腔
19、吸水纸 20、抽吸器 21、抽吸器固定件
22、CCD照相机 23、摄像头 24、接收滤光片
25、LED灯 26、LED固定件 27、激发滤光片
28、LED固定环
具体实施方式
下面将结合本发明中图1至图8.2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
如图8.1所示，本发明的一个实施例操作过程为利用光耦开关12完成对旋转盘16的初始化，通过移液枪或自动加样针将样本溶液加入反应腔2中，抽动抽吸器20，使样本溶液透过氧化铝膜3，进入抽吸转接件17中，并被转移到废液腔18中，被吸水纸19吸收，样本溶液中的核酸被吸附在氧化铝膜3表面。同样方式将洗涤液注入反应腔2中，抽动抽吸器20，使洗涤液透过氧化铝膜3，完成洗涤操作，控制旋转电机14，带动旋转盘16，每次转动某个设定角度，重复上述操作，从而完成多个反应腔2中样本溶液和洗涤液的转移，由此完成核酸的高通量快速提取；然后，将扩增试剂注入反应腔2中。启动加热单元，采用上下层双热源加热方式，设置上加热套环5温度为55℃，下加热套环9温度为95℃，完成CPCR扩增，由此实现了核酸提取与核酸扩增一体化的操作过程。在CPCR扩增过程中实时点亮LED灯25，CCD照相机22每个30秒对多个反应腔2进行拍照，进行图像处理，分析扩增效果，实现CPCR扩增实时图像检测；或者在CPCR扩增反应之前利用CCD照相机22对多个反应腔2进行拍摄图片，扩增完成之后，点亮LED灯25，利用CCD照相机22拍摄图片，进行图像处理，分析扩增效果，实现CPCR扩增高通量终点图像检测。
如图8.2所示，本发明的另一个实施例：反应腔2的底部设置下加热套环9，以相同方式完成核酸提取过程后，将扩增试剂注入反应腔2中。启动加热单元，采用下层单热源加热方式，设置下加热套环9温度为95℃，完成CPCR扩增，由此实现了核酸提取与核酸扩增一体化的操作过程。以相同的方式，利用LED灯25为CPCR扩增反应提供激发光，利用CCD照相机22对多个反应腔2进行拍照，进行图像处理，分析扩增效果，实现CPCR扩增高通量实时图像检测或者高通量终点图像检测。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：该装置集基于氧化铝膜的核酸快速提取及对流CPCR扩增检测一体的高通量核酸分析装置，该装置包括微流控芯片、加热单元、提取单元、检测单元；
微流控芯片包括反应腔(2)、氧化铝膜(3)、膜固定件(4)；氧化铝膜(3)固定在膜固定件(4)中，膜固定件(4)实现对氧化铝膜(3)的支撑和固定，膜固定件(4)紧密配合在反应腔(2)底部；反应腔(2)是核酸提取的通道和核酸扩增的场所；
加热单元包括：上加热套环(5)、上外加热器(6)、上中心加热器(7)、测温元件(8)、下加热套环(9)、下外加热器(10)、下中心加热器(11)；反应腔(2)固定在上加热套环(5)和下加热套环(9)中间，上外加热器(6)紧贴在上加热套环(5)的四周，上中心加热器(7)固定在上加热套环(5)的中间，下外加热器(10)紧贴在下加热套环(9)的四周，下中心加热器(11)固定在下加热套环(9)的中间；上外加热器(6)、上中心加热器(7)、下外加热器(10)、下中心加热器(11)用于加热，测温元件(8)分别埋入上加热套环(5)和下加热套环(9)中，实现上下两层温度的检测；
提取单元包括：光耦开关(12)、开关固定件(13)、旋转电机(14)、电机固定件(15)、旋转盘(16)、抽吸转接件(17)、废液腔(18)、吸水纸(19)、抽吸器(20)、抽吸器固定件(21)；旋转电机(14)通过电机固定件(15)安装在底板(1)上，光耦开关(12)通过开关固定件(13)固定在电机固定件(15)上，实现对旋转盘(16)的准确定位，抽吸转接件(17)固定在旋转盘(16)上，通过旋转盘(16)的转动，分别实现多个反应腔(2)中废液的吸收；旋转盘(16)固定在旋转电机(14)的旋转轴上；抽吸器(20)通过抽吸器固定件(21)固定在底板(1)上，在废液腔(18)中固定吸水纸(19)，通过抽吸器(20)，利用抽吸转接件(17)将反应腔(2)核酸提取过程中产生的废液转移到废液腔(18)中；
检测单元包括：CCD照相机(22)、摄像头(23)、接收滤光片(24)、LED灯(25)、LED固定件(26)、激发滤光片(27)、LED固定环(28)；接收滤光片(24)位于CCD照相机(22)和摄像头(23)之间，接收滤光片(24)实现对检测荧光的过滤，LED灯(25)通过LED固定件(26)固定在LED固定环(28)上，激发滤光片(27)位于LED灯(25)前部，实现LED灯激发光的过滤，LED固定环(28)与下加热套环(9)同轴心，每个LED灯(25)与反应腔(2)垂直，从而为CPCR扩增过程提供激发光。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：氧化铝膜(3)位于微流控芯片反应腔(2)底部，氧化铝膜(3)作为一种固相核酸捕获载体，既能够捕获、纯化核酸，又能够直接参与CPCR反应，提供CPCR扩增模板，实现核酸提取与CPCR扩增的一体化。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：在氧化铝膜(3)紧密固定在膜固定件(4)中，膜固定件(4)紧密装入反应腔(2)底部，使得氧化铝膜(3)被固定在反应腔(2)底部，并充分接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：裂解后的检测样品或者核酸纯化试剂在负压作用下，依次通过反应腔(2)的毛细管微通道及氧化铝膜(3)，其中，裂解样品中的核酸模板被氧化铝膜(3)表面捕获，而核酸纯化试剂则通过氧化铝膜(3)。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：通过抽吸器(20)带动抽吸转接件(17)，使得反应腔(2)内气压小于大气压，反应腔(2)中的废液在负压的作用下，被废液腔(18)中的吸水纸(19)吸收，实现废液从反应腔(2)到废液腔(18)的转移，控制旋转电机(14)，依次完成多个反应腔(2)中废液的转移，实现核酸的高通量提取。
6.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：CPCR扩增试剂在负压作用下，逐渐进入并充满反应腔(2)的毛细管微通道，且CPCR反应试剂与氧化铝膜(3)相互接触，在反应腔(2)毛细管微通道中完成CPCR扩增反应。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：裂解后的检测样品或纯化试剂进样，均通过抽吸器(20)的持续性抽吸，通过抽吸转接件(17)，获取负压来实现的；
核酸提取结束后，停止抽吸器(20)，利用胶带封住反应腔(2)底部的小孔，实现对反应腔(2)的封闭，扩增试剂停留在反应腔(2)。
8.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：由多个LED灯(25)分别激发多个反应孔位中试剂的荧光染料，再通过CCD照相机(22)经由接收滤光片(24)对多个反应孔位的荧光信号进行同时检测，由此实现了高通量核酸检测。
9.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：在微流控芯片反应腔(2)的上下端分别设置上加热套环(5)和下加热套环(9)，通过上下两端加热实现CPCR扩增，也可以仅设置下加热套环(9)，采用单加热源加热来实现CPCR扩增；
测温元件(8)是热电阻或热电偶；上外加热器(6)、上中心加热器(7)、下外加热器(10)和下中心加热器(11)采用加热电阻膜。
10.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的高通量核酸分析装置，其特征在于：控制旋转电机(14)在光耦开关(12)下初始化，每次旋转电机(14)顺时针转动某个设定角度，带动抽吸转接件(17)依次配对每个反应腔(2)，利用抽吸器(20)，切换负压系统，对各个反应孔位实施逐个核酸提取操作，由此实现高通量核酸提取的；
抽吸器(20)是注射器或是真空泵。
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