CN107619781B - 一种单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置 - Google Patents

Abstract

一种单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置，包括微流控芯片、加热模块、检测模块；通过微流控芯片与加热模块、检测模块相互配合，实现单反应控温扩增反应及实时荧光检测，满足POCT现场快速检测的需求；其中，微流控芯片包括多个反应腔，每个反应腔允许实现不同温度的LAMP反应，芯片结构组成包括盖片、结构片、底片，底片中存放有热膨胀微球颗粒，在芯片加热初始阶段迅速膨胀使反应芯片上的弹性薄膜变形，封闭反应腔与外界的连接通道；加热模块由相互独立的多个加热子模块构成，各子模块反应温度可独立设置，且互不影响，各加热子模块对LAMP芯片中的多反应腔实施独立加热控制；利用一体化光电检测模块对多反应腔进行多波长巡检，实现实时LAMP扩增检测。

Description

一种单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置

技术领域

本发明涉及生命医学检测及疾病诊断领域，尤其涉及一种基于环介导等温扩增（LAMP）原理，用于微流控芯片的单反应控温高通量核酸扩增检测装置。

背景技术

近年来，在分子诊断学领域，除了普通PCR方法外，涌现出了多种用于核酸检测与分析的等温扩增技术，如LAMP、NASBA、RCA等。普通PCR反应涉及到2-3个不同的反应温度，与此不同，等温扩增往往在某个单一温度条件下完成。而且，等温扩增所需的反应时间往往少于PCR反应时间。作为一种出现时间较早，技术发展较为成熟的等温扩增技术，LAMP等温扩增由于反应温度条件较为简单，而且所需反应时间较短，正日益受到人们的关注与重视，在核酸检测领域占据越加重要的地位。

微流控芯片在微尺度空间下，借助各类功能单元来完成生物化学反应所需的多个反应步骤，为生物医学诊断、分析化学、生命科学等领域提供了一个具有独到优势的技术平台。除了有利于实现整个检测、分析、诊断过程的自动化外，微流控芯片的反应器体积往往要显著小于传统的反应试管，这既节省了反应试剂，同时也有利于减少反应时间。因此，基于微流控芯片的LAMP等温扩增方法正日益受到各国科研人员的关注。基于微流控技术，一方面可以减少LAMP等温扩增所需的反应时间与试剂消耗，另一方面，有利于实现高通量检测，提高检测效率。因此，基于新型的加热技术及检测技术来实现灵活度高、适应性强的高通量LAMP等温扩增，一方面有利于提高LAMP核酸检测的灵活度，拓展适用范围，另一方面有利于降低装置复杂度及核酸检测的成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种POCT型的单反应控温高通量核酸扩增反应检测装置，该装置能够提供基于微流控芯片的单反应控温高通量LAMP扩增，允许进行针对不同靶标的单反应控温LAMP实时荧光检测。

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POCT（Point-of-Care Test）型单反应控温高通量LAMP扩增检测装置，该反应检测装置包括微流控芯片、加热模块、检测模块；通过微流控芯片与加热模块、检测模块的相互配合，实现单反应控温多反应腔LAMP实时检测；

其中，微流控芯片包括盖片3、结构片4和底片5；

所述盖片3位于结构片4的顶部，用以封闭结构片4，结构片4中间内部平行分布有数个反应腔6，各个反应腔6的两端分别设置有注入通道10和气孔通道11；盖片3上有注入孔1和气孔2；注入通道10与气孔通道11的底端分别构建有弹性薄膜7；

平行分布的反应腔6之间设置有绝热槽8，与结构片4中绝热槽8相对应的位置，盖片3与底片5均设有绝热槽8，绝热槽8中配置有绝热板19；

所述底片5固定在结构片4的底部，底片5内部设置有与各注入通道10和气孔通道11相对应的空腔，空腔中存放着热膨胀微球颗粒9；

盖片3、底片5与结构片4相互配合，最终成为一个完整的LAMP反应芯片；

加热模块包括导热铝片12和数组功率电阻13；每组功率电阻13以串联形式紧密贴合在导热铝片12的底部；

检测模块包括一体化光电检测模块15、运动导轨14、底座16；

一体化光电检测模块15固定在运动导轨14上，通过步进电机的作用在运动导轨14上做水平直线运动；一体化光电检测模块15的底部有光电探测头18；

底座16上有芯片托台17，加热模块固定在芯片托台17的底部，导热铝片12即为芯片托台17的上端面，导热铝片12与微流控芯片能够紧密贴合。

所述盖片3、结构片4、底片5的材料可以是聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

所述盖片3与结构片4，结构片4与底片5之间的连接方式为有机溶剂、热粘接方式实现化学粘接或采用压敏双面胶实现物理粘接。

芯片上自带微阀中的热膨胀微球颗粒9为聚合物材料，其内部封闭有气体，在加热条件下发生膨胀，弹性薄膜7为柔软的弹性材料如PDMS；热膨胀微球颗粒9在加热过程中迅速膨胀，体积变大，使弹性薄膜7变形，堵塞注入通道10和气孔通道11，封闭反应腔6与外界的连接通道。

所述反应腔6之间有绝热槽8，盖片3和底片5在其相同位置均设有绝热槽8，绝热槽8中配备有黑色绝热板（19），将各个反应腔6隔离成温度独立的反应区间，同时防止各反应腔6之间的荧光串扰。

导热铝板12通过绝热槽8隔离出多个温度独立的加热区间，每个加热区间作用于微流控芯片的一个反应腔6；每个独立加热区间均配备有若干个功率电阻13，功率电阻13以串联的方式连接，实现各个加热区间温度的独立控制；导热铝片12经过发黑处理，以克服激发光对荧光检测的影响。

底座16上芯片托台17的尺寸与微流控芯片一致，使微流控芯片能够与芯片托台17紧密配合，同时使微流控芯片紧密贴合在导热铝片12的上端面，以实现微流控芯片的位置固定及快速导热。

通过步进电机的作用，使一体化光电检测模块15能够在运动导轨14上做水平直线运动，一体化光电检测模块15底部的光电探测头18位于各反应腔6的正上方，在软件的控制下能够精确定位到每个反应腔6的正上方，以实现加热过程中实时荧光检测。

一体化光电检测模块15中有一组或两组不同波长的激发光路和接收光路，可以实现多波长的荧光检测。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明设计了一种单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置，通过微流控芯片与加热模块、检测模块的相互配合，实现POCT型的单反应控温高通量LAMP扩增检测。

2、本发明提出了一种一次性的芯片自带微阀，该微阀通过热膨胀微球颗粒在加热过程中体积膨胀，使弹性薄膜变形堵塞通道，封闭反应腔与外界的连接通道，简化了芯片检测操作流程。

3、本发明提出了一种针对单反应控温高通量LAMP扩增的加热模块，通过功率电阻来加热微流控反应腔；加热器被绝热槽隔离成多个独立的子加热模块，对每个反应腔的温度进行独立控制，实现变温度高通量LAMP扩增检测。

4、本发明提出了一种多波长的一体化光电检测模块，针对不同荧光染料，实现实时LAMP扩增检测。

附图说明

图1为本发明单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置示意图。

图2为本发明微流控芯片结构示意图。

图3为本发明LAMP芯片微阀工作原理图。

图4为本发明加热模块结构示意图。

图5为本发明单反应控温高通量微流控芯片核酸扩增装置一个实施例示意图。

图中：1、注入孔， 2、气孔， 3、盖片，4、结构片，5、底片，6、反应腔，7、弹性薄膜，8、绝热槽，9、热膨胀微球颗粒，10、注入通道，11、气孔通道，12、导热铝片，13、功率电阻，14、运动导轨，15、一体化光电检测模块，16、底座，17、芯片托台，18、光电探测头，19、绝热板

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少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作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-5所示，该装置操作过程通过移液枪将LAMP扩增体系通过注入孔1注入到反应腔6中，将微流控芯片推入芯片托台17中，分别设置导热铝板12中各组功率电阻13的加热温度，启动加热过程，功率电阻13加热微流控芯片，在加热初始阶段，底片5中的热膨胀微球颗粒9迅速膨胀，使弹性薄膜7变形，封闭注入通道10和气孔通道11；

启动加热后，选择一体化光电检测模块15的荧光检测波长，开启荧光检测；一体化光电检测模块15通过步进电机的作用在运动导轨14上做水平直线运动，对每个反应腔6进行精确定位和荧光检测，最终，实现对变温度高通量LAMP扩增检测。

本发明的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，该装置能够实现高通量LAMP扩增检测，利用其多温区变温度的特点，允许实现对不同反应条件下不同靶标的并行扩增检测。与传统核酸检测方法相比，基于LAMP反应原理的POCT型微流控芯片检测系统能够显著简化核酸检测流程及装置复杂度，实现低成本、方便、快捷的核酸诊断。

上述附图及具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。如盖片厚度、反应腔的形状、尺寸、数量，绝热材料、导热材料、热膨胀微球颗粒材料等。

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 (7)

1.一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：包括微流控芯片、加热模块、检测模块；通过微流控芯片与加热模块、检测模块的相互配合，实现变温度多反应腔LAMP实时检测；

其中，微流控芯片包括盖片（3）、结构片（4）和底片（5）；

所述盖片（3）位于结构片（4）的顶部，用以封闭结构片（4），结构片（4）中间内部平行分布有数个反应腔（6），各个反应腔（6）的两端分别设置有注入通道（10）和气孔通道（11）；盖片（3）有注入孔（1）和气孔（2）；注入通道（10）与气孔通道（11）的底端分别构建有弹性薄膜（7）；

平行分布的反应腔（6）之间设置有绝热槽（8），与结构片（4）中绝热槽（8）相对应的位置，盖片（3）与底片（5）均设有绝热槽（8）；绝热槽（8）中配置有绝热板（19）；

所述底片（5）固定在结构片（4）的底部，底片（5）内部设置有与各注入通道（10）和气孔通道（11）相对应的空腔，空腔中存放着热膨胀微球颗粒（9）；

盖片（3）、底片（5）与结构片（4）相互配合，最终成为一个完整的LAMP反应芯片；

加热模块包括导热铝片（12）和数组功率电阻（13）；每组功率电阻（13）以串联形式紧密贴合在导热铝片（12）的底部；

检测装置包括一体化光电检测模块（15）、运动导轨（14）、底座（16）；

一体化光电检测模块（15）固定在运动导轨（14）上，通过步进电机的作用在运动导轨（14）上做水平直线运动；一体化光电检测模块（15）的底部有光电探测头（18）；

底座（16）上有芯片托台（17），加热模块固定在芯片托台（17）的底部，导热铝片（12）即为芯片托台（17）的上端面，导热铝片（12）与微流控芯片能够紧密贴合；

芯片上自带微阀中的热膨胀微球颗粒（9）为聚合物材料，其内部封闭有气体，在加热条件下发生膨胀，弹性薄膜（7）为软的弹性材料PDMS；热膨胀微球颗粒（9）在加热过程中迅速膨胀，体积变大，使弹性薄膜（7）变形，堵塞注入通道（10）和气孔通道（11），封闭反应腔（6）与外界的连接通道；

所述反应腔（6）之间有绝热槽（8），盖片（3）和底片（5）在其相同位置均设有绝热槽（8），绝热槽（8）中配备有黑色绝热板（19），将各个反应腔（6）隔离成温度独立的反应区间，同时防止各反应腔（6）之间的荧光串扰。

2.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：导热铝片（12）通过绝热槽（8）隔离出多个温度独立的加热区间，每个独立的加热区间均配备有若干个功率电阻（13），功率电阻（13）以串联的方式连接，实现各个加热区间温度的独立控制；导热铝片（12）经过发黑处理，以克服激发光对荧光检测的影响。

3.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：通过步进电机的作用，一体化光电检测模块（15）能够在运动导轨（14）上做水平直线运动，一体化光电检测模块（15）底部的光电探测头（18）位于各反应腔（6）的正上方，在软件的调控下能够快速精确定位到每个反应腔（6）的正上方，以实现加热过程中实时荧光检测。

4.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：一体化光电检测模块（15）中有一组或两组不同波长的激发光路和接收光路，可以实现多波长的荧光检测。

5.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：所述盖片（3）与结构片（4），结构片（4）与底片（5）之间的连接方式为有机溶剂、热粘接方式实现化学粘接或采用压敏双面胶实现物理粘接。

6.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：所述盖片（3）、结构片（4）、底片（5）的材料是聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

7.根据权利要求1所述的一种变温度高通量LAMP微流控芯片扩增装置，其特征在于：通过移液枪将LAMP扩增体系通过注入孔（1）注入到反应腔（6）中，将微流控芯片推入芯片托台（17）中，分别设置导热铝片（12）中各组功率电阻（13）的加热温度，启动加热过程，功率电阻（13）加热微流控芯片，在加热初始阶段，底片（5）中的热膨胀微球颗粒（9）迅速膨胀，使弹性薄膜（7）变形，关闭注入通道（10）和气孔通道（11）；

启动加热后，选择一体化光电检测模块（15）的荧光检测波长，开启荧光检测；一体化光电检测模块（15）通过步进电机的作用在运动导轨（14）上做水平直线运动，对每个反应腔（6）进行精确定位和荧光检测，最终，实现变温度高通量LAMP扩增检测。

Images