CN107051598A - Pcr微流控芯片和其制备与使用方法以及pcr设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCR微流控芯片包括样本腔和导热通道；导热通道内设置有导热液；导热液能够吸收红外线。本发明还公开了该芯片的制备和使用方法，以及含有该芯片的PCR设备。该PCR设备还包括PCR温控平台；PCR温控平台包括蠕动泵、油箱、红外光源、数据采集卡、热电偶、热电偶冷端补偿电路以及控制红外光源和蠕动泵的供电电路板。本发明的PCR微流控芯片设计简单，便于加工，节省工序，成本低；PCR温控平台控温方式简单，便于系统集成，使用便捷，便于携带。

Description

PCR微流控芯片和其制备与使用方法以及PCR设备

技术领域

本发明涉及DNA扩增相关耗材与设备领域，尤其是涉及一种PCR微流控芯片和其制备与使用方法以及一种PCR设备。

背景技术

PCR，中文译为聚合酶链式反应，是一种DNA的快速扩增技术。PCR技术通过两个短的称为引物的DNA小片段和一种耐热的酶的作用，可以在3个小时内把特定的DNA量提高1000万倍。PCR技术使分子生物学研究一下子获得了突破，而且随着PCR技术的日趋完善，PCR在人类社会生活中的应用也越来越广泛。比如说在“DNA指纹”中，科学家们只需要一根头发甚至一个细胞就可以完成DNA指纹的鉴定工作，这里实际上就要采用PCR技术，因为一个细胞中的DNA含量很低，不容易直接检测到它的指纹；通过PCR技术把这个细胞中的DNA片断扩增1000万倍，这样DNA量就足够作指纹鉴定了。再比如检验血液中的某种病毒，有时病毒量极少(例如有的艾滋病病毒携带者)，通过传统的检查方法费力又费时，这时PCR技术先选定这种病毒DNA上的一段DNA，设计合适的引物DNA，然后通过PCR技术扩增很快就可以判断出血样中是否扩增出了大量的DNA，如果是的话，那么就说明血样中带有该种病毒了。

PCR微芯片是利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术和微流控技术制备的微流体芯片，微流控芯片具有体积小、比表面积大、集成度高、反应速度快、传热快等特性。通过在硅、玻璃、塑料、高聚物等基片材料上加工出一系列的微通道、微反应室及各种微控制器，从而使PCR在芯片上能够快速扩增。与常规的PCR扩增技术相比，PCR微芯片具备高效、快速、消耗试剂少、易于携带、集成度高等优点，是近年来研究的热点之一，在分子生物学、疾病检测、生物技术、免疫学、基因组工程、临床医学及环境检测等各个领域都有很广泛的应用。

根据芯片样品腔室的不同，PCR可以分为静态腔室PCR和动态连续流式PCR。前者是传统PCR的微型化，反应混合物固定在微反应池内，其温度不断地反复循环；后者是DNA样品和反应物通过连续流动经过三个不同的恒温带,从而达到DNA片段扩增的目的。国外对于两类芯片的研究相对较多，而国内的研究机构相对较少。

静态微腔式PCR芯片通常以硅和玻璃作为基底材料，加工方法通常以光刻和湿法腐蚀等方法为主。德国高技术物理研究所的Poser等人最早详细地讨论了静态微腔式PCR芯片上的热传导和温度分布问题。他们利用有限元方法研究芯片反应腔内的温度分布情况以及温度转换时热传导的瞬时变化。他们通过集成在基底上的薄膜电阻加热器实现加热，通过风扇完成冷却，这种装置比常规PCR热循环仪的热响应速度更快，可以进一步缩短反应时间。美国加州大学伯克利分校的Lagally等人和Lawrence Livermore国家实验室的Northrup等人将电阻加热器和风扇空气制冷配合使用进行温度控制，而更多的人则是用帕尔帖元件进行温度控制。以上都属于接触式温度控制元器件，其缺点是对芯片材料的热导率有一定要求。除了接触式控温以外，也有少数科研小组以钨丝灯作为红外辐射源，使用透镜把红外线聚焦于预加热位置进行加热。

利用静态微腔式PCR芯片，台湾成功大学工程科学系的Lin等人将Pyrex7740耐热玻璃通过阳极键合的方式与硅材料基片构成一个容积为50μL的微型反应腔，在半小时内完成了30个温度循环，扩增了145bp的丙肝病毒cDNA分子，但是有比较明显的非特异性扩增条带。

加拿大多伦多大学机械工业工程系的Xiang等人将PDMS基片与玻璃盖片键合在一起，构成具有多个不同容积微反应腔的PCR芯片，以薄膜加热器进行接触式加热，采用空气制冷方式，在扩增过程中利用荧光显微镜进行实时检测。由于该装置的升/降温速率较慢，所以扩增时间较长，与常规PCR热循环扩增仪的时间基本相当。

中国科学院电子学研究所赵燕青和崔大付利用薄膜技术与MEMS技术，将热电材料依照帕尔帖模型排列组合制作于PCR芯片的反应室底部，实现对反应室升温及降温的操作，并通过改变电流方向，实现两者的切换，制作出集成了微反应室、温度传感器以及热电材料温控组件的微反应腔式PCR芯片。

PCR芯片与常规PCR仪的对比：一般来说，常规的PCR热循环扩增仪存在以下缺点：

1.热容大、升/降温速率慢：常规PCR是采用外置的加热或冷却系统对反应管内的DNA模板和各种原料进行温度控制，使其温度在三个温度间不断循环变化，从而实现DNA模板的扩增。由于待扩增DNA处于一个静止的反应管内，因此温度变化的速度决定了反应速度的快慢。由于外置的加热块的体积通常很大，比热较大，反应液要想达到设定的温度需要很长时间(30～60s)，因此使得整个反应时间变长。

2.反应液温度不均匀：由于外置的加热块本身温度就很不均匀，并且反应液体积较大(20～100μL)，要达到设定的温度时，反应液中容易存在温度梯度，使温度不均匀。一般的PCR反应管的上、下部平均温差会达到10℃，这必会使引物的退火效率和扩增的特异性大大降低。

3.生化试剂消耗量大：常规仪器的反应管体积较大增加了生化试剂的消耗量，从而使得反应很昂贵，但用常规的仪器操作微小体积样品的难度会很大。因此，必须使PCR混合液的体积减少，不仅可使循环时间缩短，还可以提高扩增产物的含量。

微流控芯片则易于实现少量样品的操作，因此PCR微流控芯片已经成为当前研究的一个热点。PCR微流控芯片是采用MEMS技术加工出一系列的微通道和微反应室，再集成各种控制单元，实现DNA的快速特异性扩增。其优点为：

1.减小了温度循环系统的体积：PCR微流控芯片一般采用微加热系统，集成在芯片上，使得热容降低，升/降温速率有了大幅度的提高(一般为15～40℃/s)，反应时间也相应的成倍缩短。

2.反应液所需的体积减小：微流控芯片的通道尺寸一般为微米量级甚至更低，从而减少了反应试剂的消耗，提高了温度的均匀性，增强了扩增的特异性。

3.微通道的比表面积较大：由于采用微流控芯片，其通道尺寸一般为微米量级甚至更低，与常规反应管相比，其比表面积较大。

4.易于集成、功能化：把微加热器和微传感器等控制单元和其它样品混合和检测等都利用微加工技术，直接集成在芯片上，可提高热传递速率、提高自动化程度和全过程运行的速度。

由上可知，PCR微流控芯片与传统PCR仪相比，具有体积小、操作简便、反应速度快、价格低、样品用量少、节省试验经费、无污染、便于集成化、结果可靠的优点，现在已经被广泛的使用。

然而现有的PCR芯片，虽然能够降低混合液的消耗量，但因其温度循环仍然依赖于温控系统的加热/冷却速率，所以扩增速度仍然相对较慢，同时温度控制系统结构复杂、体积较大，限制了样品的体积，无法根据不同需要进行调整，而且由于加热器和制冷器必须与芯片集成在一起，所以芯片制作成本较高，这也成为今后进一步商业化应用的最大障碍。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明公开了一种PCR微流控芯片，包括样本腔和导热通道；导热通道内设置有导热液；导热液能够吸收红外线。优选地，导热通道为螺旋形的通道。

在一种具体实施方式中，还包括从上到下依次叠置的样本层、传热层和导热液层；样本腔设置在样本层上；导热通道设置在导热液层上。优选地，导热通道通过聚四氟乙烯管和蠕动泵以及油箱相连。

进一步地，还包括上密封层和下密封层，使得从上到下依次叠置上密封层、样本层、传热层、导热液层和下密封层。进一步地，这五层由螺栓、垫片和螺帽紧固。传热层的目的是为了把导热液的温度传递给样本。进一步地，传热层包括铜箔。优选地，铜箔的厚度为100μm。

上密封层、样本层、导热液层和下密封层的材料包括有机玻璃PMMA、PDMS和普通玻璃中一种或者多种。

进一步地，样本层上设置有镂空。优选地，该镂空为样本层中的四个L形的材料被切除所形成的。这个设计的目的是减小芯片的热容积，加快升温降温的速度。

在另一个具体实施方式中，样本腔和导热通道位于同一层上，样本腔设置在导热通道周围。

进一步地，导热液包括碳纳米管和油；油包括导热油、润滑油、矿物油、食用油中的一种或者多种。优选地，导热液中碳纳米管的浓度为4mg/ml。

进一步地，样本腔呈椭圆形，且样本腔的数量>1个；其中一个样本腔与热电偶连接。椭圆形便于加入样本时排出空气，避免产生气泡。优选地，样本腔的数量是3个，中间一个与热电偶连接，便于在PCR的过程中实时采集温度。实际操作时，中间的腔室里填充蒸馏水，另外两个腔室里填充PCR样本，这样可避免样本被污染。

本发明还公开了如上所述的PCR微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过Adobe Illustrator设计每一层的图案；

步骤二、根据步骤一设计的图案，通过激光切割机Gravograph LS100进行切割，以及用电钻打孔；

步骤三、将每一层材料用乙醇、纯净水冲洗，用氮气吹干后用螺栓紧固。

本发明还公开了如上所述的PCR微流控芯片的使用方法，包括以下步骤：

1)、向其中一个样本腔中加入蒸馏水，将热电偶插入此样本腔，然后用硅胶密封；

2)、向剩余的样本腔中加入样本，然后用ARseal^TM胶带密封。

本发明还公开了一种PCR设备，包括如上所述的PCR微流控芯片。

进一步地，还包括PCR温控平台。在一个具体实施方式中，PCR温控平台包括蠕动泵、油箱、红外光源、数据采集卡、热电偶、热电偶冷端补偿电路以及控制红外光源和蠕动泵的供电电路板；油箱内储存的是导热液；蠕动泵和油箱通过管道与导热通道连接，为其提供导热液；红外光源被设置为向导热通道的导热液供热升温；红外光源的波长是760nm-2000nm；数据采集卡被设置为采集热电偶探测到的数据；热电偶与热电偶冷端补偿电路连接；热电偶与样本腔连接。

在另一个具体实施方式中，PCR温控平台包括风扇、红外光源、数据采集卡、热电偶、热电偶冷端补偿电路以及控制风扇和红外光源的供电电路板；风扇被设置为向PCR微流控芯片降温；红外光源被设置为向导热通道的导热液供热升温；数据采集卡被设置为采集热电偶探测到的数据；热电偶与热电偶冷端补偿电路连接；热电偶与样本腔连接。

进一步地，红外光源包括LED灯。

进一步地，红外光源的电压和蠕动泵的电压均由PWM信号进行控制，通过调节PWM信号的占空比控制升温速度和降温速度的快慢；PWM信号的占空比由PID算法进行控制。

本发明的有益效果：

1、PCR微流控芯片设计简单，便于加工，节省工序；

2、PCR微流控芯片成本低；

3、PCR温控平台控温方式简单，便于系统集成，使用便捷；

4、PCR温控平台体积小，使得该PCR设备便携，可用在家庭或者偏远地区。

此外，PCR温控平台控温控温灵活，可以实现多种PCR方式，如三个温度梯度或两个温度梯度循环的传统PCR方式以及恒温PCR方式，如环介导等温扩增(Loop-MediatedIsothermal Amplification，LAMP)、链置换扩增法(Strand DisplacementAmplification，SDA)、解旋酶依赖性扩增(Helicase Dependent Amplification，HAD)等。

附图说明

图1是本发明所涉及的PCR微流控芯片的一种具体实施方式的结构分解示意图。

图2是本发明所涉及的PCR微流控芯片的一种具体实施方式的正面的结构示意图。

图3是本发明所涉及的PCR微流控芯片的一种具体实施方式的背面的结构示意图。

图4是本发明所涉及的PCR微流控芯片的另一种具体实施方式的结构示意图。

图5是本发明所涉及的PCR设备的结构示意图。

图6是本发明所涉及的PCR设备的工作原理示意图。

图7是PWM信号的示意图。

图8是本发明所涉及的PCR设备的升温过程示意图。

图9是本发明所涉及的PCR设备的降温过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

实施例1

图1示出了本发明涉及的PCR微流控芯片的一个具体实施例。在本实施例中，PCR微流控芯片包括从上到下依次叠加设置的上密封层3、样本层4、传热层5、导热液层6和下密封层7。通过内六角螺栓1、上层平垫2、下层平垫8、弹簧垫片9和螺帽10将上述5层紧固在一起。传热层5是铜箔或其他传热材料。铜箔厚度是100μm，或者其他厚度。

样本层4上设置有3个并排的椭圆形样本腔。位于中间的那个椭圆形样本腔与热电偶连接。样本层4上还设置了4个L形的镂空。由于上密封层3采用的是透明的有机玻璃，因此从PCR微流控芯片的正面可以看出样本层4的以上所述的结构，如图2所示。

导热液层6上设置有螺旋形的导热通道。在导热通道中设置有导热液。导热液是能够吸收红外线的材料。比如碳纳米管和油的混合溶液；油包括导热油、润滑油、矿物油、食用油中的一种或者多种。导热液中碳纳米管的浓度为4mg/ml或者其他。由于下密封层7采用的是透明的有机玻璃，因此从PCR微流控芯片的背面可以看出导热液层6的上述结构，如图3所示。

上密封层3、样本层4、导热液层6和下密封层7的材料包括有机玻璃PMMA、PDMS或者普通玻璃中一种或者多种，这4层的材料可以相同也可以不同。

实施例2

在本实施例中，PCR微流控芯片包括从上到下依次叠加设置的样本层、传热层和导热液层。由于在加工过程中不切透样本腔的顶部和导热通道的底部，因此无需额外的上密封层和下密封层。其他与实施例1同。

实施例3

图4示出了本发明涉及的PCR微流控芯片的另一个具体实施例。在本实施例中，PCR微流控芯片包括样本腔41和导热通道61。样本腔41设置在导热通道61 周围，两者处于同一平面，未进行分层。样本腔41呈椭圆形，数量为2个，其中一个与热电偶502连接，但样本腔41的形状和数量不限于此。导热通道61呈S形，但不限于此。

实施例4

图5示出了本发明所涉及的PCR设备的一种具体实施方式。在本实施例中，PCR设备包括如实施例1-3任一例所述的PCR微流控芯片300和PCR温控平台。PCR温控平台包括蠕动泵100、油箱200、红外光源400、数据采集卡600、热电偶、热电偶冷端补偿电路500以及控制红外光源和蠕动泵的供电电路板700。油箱200内储存的是导热液；蠕动泵100和油箱200通过管道与导热通道连接，为其提供导热液；红外光源400被设置为向导热通道的导热液供热升温。红外光源400的波长是760nm-2000nm。红外光源400为LED灯，但不限于此。数据采集卡600被设置为采集热电偶探测到的数据。热电偶与样本腔连接后，通过导线501与热电偶冷端补偿电路700连接。

PCR温控平台的温控工作原理如图6所示：红外光源400和蠕动泵100的电压由PWM信号进行控制，通过调节PWM信号的占空比，可以控制升温速度和降温速度的快慢。当红外光源400占空比最大，蠕动泵100占空比为0时，升温速度最快；当红外光源400占空比为0，蠕动泵100占空比最大时，降温速度最快。这是因为碳纳米管对红外线有吸收作用。当红外光源400占空比最大，蠕动泵100占空比为0时，导热液不流动，红外光源400的输出功率最大，这时导热液可以快速吸收大量热量并通过传热层把热量传递给样本腔。升温过程如图9所示，打开红外光源，关闭蠕动泵，虚线箭头表示红外光源发出的红外线。

当红外光源400占空比为0，蠕动泵100占空比最大时，红外光源400关掉，被加热过的导热液流走，导热液层的导热通道被油箱200里常温的导热液填充，这部分导热液的温度比样本温度低，从而可以通过传热层吸收样本腔的热量，对样本腔进行降温。降温过程如图9所示，关闭红外光源，打开蠕动泵，实线箭头表示被蠕动泵驱动的导热液的流向。

红外光源400和蠕动泵100的占空比由PID算法进行控制，根据设定温度与采集到的温度的变化实时调节两者的占空比，达到快速升/降温以及稳定温度的目的。LED灯和蠕动泵的控制信号是PWM信号。PWM信号如图7所示，或类似于图7。在该图中，实线表示占空比的变化，虚线代表在不同占空比下信号的有效值。

实施例5

在本实施例中，PCR设备包括如实施例1-3任一例所述的PCR微流控芯片和PCR温控平台。该PCR温控平台包括风扇、红外光源、数据采集卡、热电偶、热电偶冷端补偿电路以及控制风扇和红外光源的供电电路板；风扇被设置为向PCR微流控芯片降温；红外光源被设置为向导热通道的导热液供热升温；数据采集卡被设置为采集热电偶探测到的数据；热电偶与热电偶冷端补偿电路连接；热电偶与样本腔连接。

在本实施例中，导热液密封在导热通道里，加热时仍采用红外光源照射，降温时采用风扇冷却。

以上详细描述了本发明的一个具体实施方式，仅为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PCR微流控芯片，其特征在于，包括样本腔和导热通道；所述导热通道内设置有导热液；所述导热液能够吸收红外线。

2.根据权利要求1所述的PCR微流控芯片，其特征在于，还包括从上到下依次叠置的样本层、传热层和导热液层；所述样本腔设置在所述样本层上；所述导热通道设置在所述导热液层上。

3.根据权利要求2所述的PCR微流控芯片，其特征在于，还包括上密封层和下密封层，使得从上到下依次叠置所述上密封层、所述样本层、所述传热层、所述导热液层和所述下密封层。

4.根据权利要求1所述的PCR微流控芯片，其特征在于，所述样本层上设置有镂空。

5.根据权利要求1所述的PCR微流控芯片，其特征在于，所述导热液包括碳纳米管和油；所述油包括导热油、润滑油、矿物油、食用油中的一种或者多种。

6.根据权利要求1所述的PCR微流控芯片，其特征在于，所述样本腔呈椭圆形，且所述样本腔的数量>1个；其中一个所述样本腔与热电偶连接。

7.根据权利要求2所述的PCR微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过Adobe Illustrator设计每一层的图案；

步骤二、根据所述步骤一设计的图案，通过激光切割机Gravograph LS100进行切割，以及用电钻打孔；

步骤三、将每一层材料用乙醇、纯净水冲洗，用氮气吹干后用螺栓紧固。

8.根据权利要求2所述的PCR微流控芯片的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、向其中一个所述样本腔中加入蒸馏水，将热电偶插入此样本腔，然后用硅胶密封；

2)、向剩余的所述样本腔中加入样本，然后用ARseal^TM胶带密封。

9.一种PCR设备，其特征在于，包括根据权利要求1所述的PCR微流控芯片，以及PCR温控平台；所述PCR温控平台包括蠕动泵、油箱、红外光源、数据采集卡、热电偶、热电偶冷端补偿电路以及控制所述红外光源和所述蠕动泵的供电电路板；所述油箱内储存的是所述导热液；所述蠕动泵和所述油箱通过管道与所述导热通道连接，为其提供所述导热液；所述红外光源被设置为向所述导热通道的导热液供热升温；所述红外光源的波长是760nm-2000nm；所述数据采集卡被设置为采集所述热电偶探测到的数据；所述热电偶与所述热电偶冷端补偿电路连接；所述热电偶与所述样本腔连接。

10.根据权利要求9所述的PCR设备，其特征在于，所述红外光源的电压和所述蠕动泵的电压均由PWM信号进行控制，通过调节PWM信号的占空比控制升温速度和降温速度的快慢；所述PWM信号的占空比由PID算法进行控制。