CN107129933A - 一种基于电驱动的数字微流控pcr芯片装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，涉及微流控芯片领域，包括设置在PCR芯片一端进行加热的加热片和温度探头，加热片和温度探头位于芯片的下方，在芯片的下端面随形设置一层隔热垫层；芯片的上端面设置电极，通过在电极上加载电压，控制液滴在芯片温度梯度的不同区域间往复循环，实现液滴的温度循环，即可实现PCR反应；通过调整隔热垫层的导热系数或者厚度，来调节芯片单位距离内温度梯度的大小。本发明简化芯片PCR的结构，降低温度控制单元的控制难度，降低制造成本，同时还能够提高其使用灵活性。

Description

一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置。
背景技术
微流控芯片(microfluidics)又称微流控芯片实验室或芯片实验室(lab-on-a-chip,LOC)，是20世纪90年代在毛细管电泳基础上发展起来的一种新技术，通过微加工技术将微管道、微反应器、微电极、微检测器等不同功能的元件集成起来，具备将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米薄片上的能力。微流控技术因其所需样品体积小、检测效率高、使用成本低且易于和其他技术设备集成，具有良好的兼容性、有望实现便携式检测装置等特点，吸引了众多研究者的关注。近年微流控芯片技术迅速向生物医学领域渗透，显示了广阔的应用前景，越来越多迹象表明这项技术已成为新一代医学研究和医学检测极其重要的平台。
PCR和实时定量PCR(real-time PCR)是分子生物学常用实验技术，由于其检测快速、灵敏，在临床检测中的应用逐步增加。在数字微流控芯片上不仅能实现PCR检测，还能够进一步提高其检测速度。Chang等人就将数字微流控技术和PCR技术整合成一体，用来检测II型登革热病毒。实验人员通过操控液滴在不同温度间的运动，短时间内完成了II型登革热病毒的基因扩增。Schell研究组就是在数字微流控平台上利用real-time PCR技术实现了对血液中白色念珠菌的检测；而Elizabeth等人的研究小组则利用相同的检测装置，实现了呼吸道标本的肺炎支原体的实时扩增检测。
(1)PCR芯片的加热装置
PCR反应的特征在于试剂在不同温度之间进行循环，从而实现DNA片段的扩增。在目前的微流控PCR芯片中，通常采用以下方式实现温度控制：
1、单加热单元：例如Yi-Hsien Chang等人使用一个加热单元、一个温度探头和一个温控单元，在固定位置升温或降温，实现温度循环。单加热单元的数字PCR装置相对简单，通常使用加热单元升温而自然散热降温，升温速度快而降温速度慢，其温度循环速度受芯片的热容影响极大。
2、双加热单元或三加热单元：通过在不同区域使用各自独立的加热单元、温度探头和温控单元，形成不同的温度区域。通过驱动液滴在不同区域的往复运动，通过液滴与不同区域的芯片间进行热交换来实现液滴的温度循环。通常芯片的热容较大，而液滴体积小而热容也小，因此，该装置中液滴温度循环较快。双加热或三加热单元PCR装置缺点是结构及控制较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，以解决上述技术问题。
针对现有技术中要实现多个温度循环时，需要多个加热单元和温控单元，结构较复杂且温度控制的灵活性较差。本发明的目的在于通过一个加热单元和温控单元，在芯片上实现温度梯度，通过控制液滴运行位置，实现液滴的温度循环。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：：
一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：包括设置在PCR芯片一端进行加热的加热片和温度探头，加热片和温度探头位于芯片的下方，
在芯片的下端面随形设置一层隔热垫层，降低温度(或热量)的传导，从而在玻璃芯片上形成需要的温度梯度；
芯片的上端面设置电极，通过在电极上加载电压，控制液滴在芯片温度梯度的不同区域间往复循环，实现液滴的温度循环，即可实现PCR反应；
通过调整隔热垫层的导热系数或者厚度，来调节芯片单位距离内温度梯度的大小。
作为优选，所述加热片为PTC加热片。
作为优选，所述隔热垫层为耐高温绝缘陶瓷片，厚度为0.5-5mm，导热系数为5-50W/M.K。
作为优选，所述芯片的材质包括玻璃、硅片或印刷线路板。
作为优选，所述芯片上形成的温度梯度为40-100℃。
本发明可用于(但不限于)通道式微流控芯片，基于电润湿驱动的微流控芯片，基于光波驱动的微流控芯片，基于声波驱动的微流控芯片。
本发明的有益效果是：
本发明简化芯片PCR的结构，降低温度控制单元的控制难度，降低制造成本，同时还能够提高其使用灵活性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为芯片上电极的布局示意图；
图3为红外热成像仪对芯片的测温结果；
图4为芯片RT-qPCR液滴操控示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
实施例1，如图1、图2所示，
一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，包括设置在PCR芯片一端进行加热的PTC加热片4和温度探头5，PTC加热片4和温度探头5位于芯片2的下方，
在芯片2的下端面随形设置一层耐高温绝缘陶瓷片3，厚度为0.5-5mm，导热系数为5-50W/M.K；
芯片2的上端面设置电极1，通过在电极1上加载电压，控制液滴在芯片温度梯度的不同区域间往复循环，实现液滴的温度循环，即可实现PCR反应；
通过调整隔热垫层的导热系数或者厚度，来调节芯片单位距离内温度梯度的大小。
芯片2为玻璃材质，导热性较好，容易导致整个芯片均匀升温的状态，芯片上形成的温度梯度为40-100℃。位于芯片2的上方设置有检测拍照装置6。
检测大肠杆菌的应用：
检测大肠杆菌的实时荧光定量PCR芯片设计
芯片的布局：如图2所示，RT-qPCR芯片包括上样区A2、电极区A1、扩增区A3、检测区A4和电极引线A5，将目标DNA液体通过注射器注入上样区，从上样区分离出液滴并运送到电极区，在95℃和60℃之间反复运动，经过35个循环后进行荧光检测。
实时荧光定量PCR芯片检测
①反应体系(见表1)
表1DMF样品准备
②DMF辅助设备(如图1)
由于RT-qPCR反应过程需要温度的变化，故本实验在下极板芯片下放有耐高温绝缘陶瓷片，在陶瓷片高温端放置有陶瓷加热片和温度探头，通过智能温控仪使温度达到实验所需(图1)。
图3红外热成像仪对芯片的测温结果
如图3所示，在智能温控仪表的控制下，加热片温度上升达到稳定后，红外热成像仪显示出芯片表面的温度，芯片高温端(右端)能达到90℃以上， 低温端(左端)达到60℃以下，能够满足RT-qPCR的反应条件。
③操作过程
如图4所示，按照顺序依次进行：加样(1)→分发微液滴(2)→生成微液滴(3)→液滴合并(4)→液滴往返运行进行扩增(5)→荧光显微镜实时检测(6)，其中图4中A为染料、B为样本。
加样时，染料液滴：样本液滴＝1：1(体积比)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：包括设置在PCR芯片一端进行加热的加热片和温度探头，加热片和温度探头位于芯片的下方，
在芯片的下端面随形设置一层隔热垫层；
芯片的上端面设置电极，通过在电极上加载电压，控制液滴在芯片温度梯度的不同区域间往复循环，实现液滴的温度循环，即可实现PCR反应；
通过调整隔热垫层的导热系数或者厚度，来调节芯片单位距离内温度梯度的大小。
2.根据权利要求1所述的基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：所述加热片为PTC加热片。
3.根据权利要求1所述的基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：所述隔热垫层为耐高温绝缘陶瓷片，厚度为0.5-5mm，导热系数为5-50W/M.K。
4.根据权利要求1所述的基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：所述芯片的材质包括玻璃、硅片或印刷线路板。
5.根据权利要求1所述的基于电驱动的数字微流控PCR芯片装置，其特征在于：所述芯片上形成的温度梯度为40-100℃。
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