CN108865876A - 非接触磁传送阵列式pcr微通道结构及扩增方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了非接触磁传送阵列式PCR微通道结构及扩增方法，非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构包括：三个恒温温区即96℃温区，72℃温区和55℃温区；还包括由励磁线圈构成的线圈组I、线圈组II、线圈组III和线圈组IV，励磁线圈均匀绕制在透明石英导管上；三个恒温温区之间连接有透明石英导管；在透明石英导管中进行扩增运行的PCR试剂模块由永磁铁和试剂腔体两个相连接组成。该发明提出的试剂推动方式是一种在传送通道中没有物质传动的驱动试剂方式，故障率大幅度减少。同时三个温区为不变的恒温区，有利于实现PCR扩增的温度稳定控制。该传动机构结构简单，便于阵列式设计，有利于面向空间应用的“功能集成和结构缩微”。

Description

非接触磁传送阵列式PCR微通道结构及扩增方法
技术领域
本发明涉及一种非接触磁传送阵列式微通道PCR扩增系统，属于生物学、分析化学及医学检测领域，尤其涉及一种非接触磁传送阵列式PCR微通道结构的设计及PCR扩增控制方法。
背景技术
自1999年以来,中国载人航天工程正式实施，逐渐实现了无人到载人飞行，单人单天到多人多天等一系列重大突破。随着航天工程三步走的第三步-建造空间站工程的推进，航天员身体健康是空间站工作顺利完成的重要保障。由于空间站在轨运行过程中长期处在密闭状态，空间站内的微生物损害航天员健康并且腐蚀材料损坏设备器材，必须严密监控空间站中的微生物，急需创建微生物检测报警系统，该系统的核心是微生物核酸荧光检测微系统，PCR扩增技术正是检测系统的反应核心技术之一，PCR扩增技术具有简便、快速、敏感及较好重复稳定性的特点。空间站空间有限，要求所设计的系统体积小、重量轻，对系统的微型化提出了苛刻的要求，其中的传动机构是PCR扩增的关键，是实现系统体积微型化，简洁化，并且顺利高效完成PCR扩增的关键。
PCR是聚合酶链式反应的简称，是一种放大扩增特定的DNA片段的核酸扩增技术，利用体外酶促合成特异DNA片段，由高温96℃变性、低温55℃复性及适温72℃延伸等一系列的反应组成一个周期循环，大约进行40个左右的循环过程后，使得特定的DNA得以迅速扩增。PCR技术应用广泛，不仅可以用于基因检测、基因分型、克隆和核酸序列分析等基础研究，还适用于日常的临床诊断、法医学调查和农业生物技术研究。
目前的PCR扩增的装置大致可以分为两类，一类是试剂位置不动，通过环境温度在三个温区之间循环变化，使得试剂完成扩增。比如水浴式循环仪加热方式、金属块或半导体制冷片加热、金属薄膜加热方式、化学致热加热方式等，另一类是通过机械传动或使用固体、液体或气体等推动试剂，在三个温区中循环运动，使得试剂完成扩增。如注射泵驱动、热驱动。从上面可以看出，第一类的驱动方式，由于需要从一个温区的温度升到另外一个温区温度，完成扩增时间较长，温度不恒定；第二类驱动方式，需要物体的传动装置，会导致故障率增多，并且不利于阵列式结构设计，以及装置系统的微型化，难以满足航天的设计要求。
本发明提出了一种PCR扩增的传动结构设计及其PCR扩增控制方法，采用非接触式的电磁驱动方式，可以实现阵列化设计，满足微型化的要求，较大的降低了系统装置的故障率问题，同时温区恒定，有利于扩增的稳定快速的完成；同时利用非接触磁传送阵列式PCR微通道结构的特点，对PCR的扩增控制过程进行设计，减少了PCR的扩增周期时间。
发明内容
本发明的目的是为解决当前PCR扩增的传动机构扩展速度慢、体积大和有接触传动机构问题，提出一种非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构的设计及PCR扩增控制方法，主要用于在失重条件下PCR的扩增，及后期PCR荧光仪的缩微设计。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。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构，包括：三个恒温温区即96℃温区(1)，72℃温区(4)和55℃温区(5)；还包括由励磁线圈(2)构成的线圈组I(8)、线圈组II(9)、线圈组III(10)和线圈组IV(11)，励磁线圈(2)均匀绕制在透明石英导管(3)上；三个恒温温区之间连接有透明石英导管(3)；在透明石英导管中进行扩增运行的PCR试剂模块由永磁铁(6)和试剂腔体(7)两个相连接组成。
96℃温区(1)、72℃温区(4)和55℃温区(5)三者之间顺次连接，96℃温区(1)的外侧设有线圈组I(8)，96℃温区(1)、72℃温区(4)之间通过线圈组II(9)连接，72℃温区(4)和55℃温区(5)之间通过线圈组III(10)连接，55℃温区(5)的外侧设有线圈组IV(11)；三个恒温温区之间通过透明石英导管(3)连接，透明石英导管(3)的外侧设有励磁线圈(2)；通过控制励磁线圈(2)通过的电流，励磁线圈中产生磁场，PCR试剂模块中的永磁体受到磁力在透明石英导管中运行。
三个恒温温区采用热铝块制作而成。
使用上述装置—非接触式磁传送阵列式PCR微通道装置，进行PCR扩增的控制方法如下：
步骤1)非接触式磁传送阵列式PCR微通道的PCR扩增，由一个个单管PCR试剂的扩增组成：初始PCR试剂模块放置在线圈组I(8)处，线圈组I(8)通电，此时试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中，经过时间T1后，试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中的试剂腔体(7)的温度由室温升至96℃，此时试剂腔体(7)试剂腔体(7)的试剂开始变性阶段；
步骤2)线圈组I(8)断电，线圈组II(9)通电，PCR试剂模块受到电磁力的作用运动到线圈组II(9)处，此时线圈组II(9)立即断电，线圈组III(10)通电，PCR试剂模块移动到线圈组III(10)处，线圈组III(10)断电，线圈组IV(11)通电，这时试剂腔体(7)处在空气中，露出的试剂腔体(7)由外置的荧光检测光路在此处进行检测；
步骤3)试剂腔体(7)温度开始由96℃降低，经过时间T2后，试剂腔体(7)温度降到55℃，当试剂腔体(7)温度降为55℃时，线圈组IV(11)断电，线圈组III(10)通电，PCR试剂模块移动到线圈组III(10)处，试剂腔体(7)位于55℃温区，此时试剂腔体(7)内的试剂开始复性阶段，T3时间后复性完成；
步骤4)复性完成后，此时线圈组III(10)断电，线圈组II(9)通电，PCR试剂模块移动到线圈组II(9)处，试剂腔体(7)位于72℃温区中，T4时间后试剂腔体(7)由55℃升至72℃，此时试剂腔体(7)内的试剂开始延伸阶段，经过T5时间后延伸完成；
步骤5)延伸完成后，试剂完成一次扩增，接下来线圈II断电，线圈I通电，此时PCR试剂模块移动到线圈I处，试剂腔体(7)由72℃经过时间T6后升至96℃，一个扩增循环至此完成；
步骤6)重复步骤1)步骤5)，直至完成所有PCR试剂模块的循环次数。
本发明所具有的有益效果：
(1)该发明提出的试剂推动方式是一种在传送通道中没有物质(如,通过某些机械传动或使用固体、液体或气体)传动的驱动试剂方式。因此,本系统的故障率可以大幅度减少。同时,三个温区为不变的恒温区,有利于实现PCR扩增的温度稳定控制。
(2)该发明由于电磁驱动自身特点，用于扩增的PCR试剂从高温变性区到低温复性区的过程中可以被驱动到循环通道外部，接触外界条件(可用常温或制冷低温)进行降温。同时当进行荧光PCR检测时,这种设计可以使试剂更接近光电检测系统工作端面，大大减小荧光在传递过程中的衰减。
(3)该发明传动机构结构简单，便于阵列式设计，有利于面向空间应用的“功能集成和结构缩微”。
附图说明
图1是本发明的非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构示意图；
图中：1、96℃温区，2、励磁线圈，3、透明石英导管，4、72℃温区，5、55℃温区，6、永磁铁(6)，7、试剂腔体，8、线圈组I，9、线圈组II，10、线圈组III，11、线圈组IV。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构包括：三个恒温温区即96℃温区(1)，72℃温区(4)和55℃温区(5)；还包括由励磁线圈(2)构成的线圈组I(8)、线圈组II(9)、线圈组III(10)和线圈组IV(11)，励磁线圈(2)均匀绕制在透明石英导管(3)上；三个恒温温区之间连接有透明石英导管(3)；在透明石英导管中进行扩增运行的PCR试剂模块由永磁铁(6)和试剂腔体(7)两个相连接组成。
96℃温区(1)、72℃温区(4)和55℃温区(5)三者之间顺次连接，96℃温区(1)的外侧设有线圈组I(8)，96℃温区(1)、72℃温区(4)之间通过线圈组II(9)连接，72℃温区(4)和55℃温区(5)之间通过线圈组III(10)连接，55℃温区(5)的外侧设有线圈组IV(11)；三个恒温温区之间通过透明石英导管(3)连接，透明石英导管(3)的外侧设有励磁线圈(2)；通过控制励磁线圈(2)通过的电流，励磁线圈中产生磁场，PCR试剂模块中的永磁体受到磁力在透明石英导管中运行。
三个恒温温区采用热铝块制作而成。
使用上述装置—非接触式磁传送阵列式PCR微通道装置，进行PCR扩增的控制方法如下：
步骤1)非接触式磁传送阵列式PCR微通道的PCR扩增，由一个个单管PCR试剂的扩增组成：初始PCR试剂模块放置在线圈组I(8)处，线圈组I(8)通电，此时试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中，经过时间T1后，试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中的试剂腔体(7)的温度由室温升至96℃，此时试剂腔体(7)试剂腔体(7)的试剂开始变性阶段；
步骤2)线圈组I(8)断电，线圈组II(9)通电，PCR试剂模块受到电磁力的作用运动到线圈组II(9)处，此时线圈组II(9)立即断电，线圈组III(10)通电，PCR试剂模块移动到线圈组III(10)处，线圈组III(10)断电，线圈组IV(11)通电，这时试剂腔体(7)处在空气中，露出的试剂腔体(7)由外置的荧光检测光路在此处进行检测；
步骤3)试剂腔体(7)温度开始由96℃降低，经过时间T2后，试剂腔体(7)温度降到55℃，当试剂腔体(7)温度降为55℃时，线圈组IV(11)断电，线圈组III(10)通电，PCR试剂模块移动到线圈组III(10)处，试剂腔体(7)位于55℃温区，此时试剂腔体(7)内的试剂开始复性阶段，T3时间后复性完成；
步骤4)复性完成后，此时线圈组III(10)断电，线圈组II(9)通电，PCR试剂模块移动到线圈组II(9)处，试剂腔体(7)位于72℃温区中，T4时间后试剂腔体(7)由55℃升至72℃，此时试剂腔体(7)内的试剂开始延伸阶段，经过T5时间后延伸完成；
步骤5)延伸完成后，试剂完成一次扩增，接下来线圈II断电，线圈I通电，此时PCR试剂模块移动到线圈I处，试剂腔体(7)由72℃经过时间T6后升至96℃，一个扩增循环至此完成；
步骤6)重复步骤1)步骤5)，直至完成所有PCR试剂模块的循环次数。

Claims (3)

1.非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构，其特征在于：该结构包括，三个恒温温区即96℃温区(1)，72℃温区(4)和55℃温区(5)；还包括由励磁线圈(2)构成的线圈组I(8)、线圈组II(9)、线圈组III(10)和线圈组IV(11)，励磁线圈(2)均匀绕制在透明石英导管(3)上；三个恒温温区之间连接有透明石英导管(3)；在透明石英导管中进行扩增运行的PCR试剂模块由永磁铁(6)和试剂腔体(7)两个相连接组成；
96℃温区(1)、72℃温区(4)和55℃温区(5)三者之间顺次连接，96℃温区(1)的外侧设有线圈组I(8)，96℃温区(1)、72℃温区(4)之间通过线圈组II(9)连接，72℃温区(4)和55℃温区(5)之间通过线圈组III(10)连接，55℃温区(5)的外侧设有线圈组IV(11)；三个恒温温区之间通过透明石英导管(3)连接，透明石英导管(3)的外侧设有励磁线圈(2)；通过控制励磁线圈(2)通过的电流，励磁线圈中产生磁场，PCR试剂模块中的永磁体受到磁力在透明石英导管中运行。
2.根据权利要求1所述的非接触式磁传送阵列式PCR微通道结构，其特征在于：三个恒温温区采用热铝块制作而成。
3.利用权利要求1所述PCR微通道结构进行的PCR扩增方法，其特征在于：
1)非接触式磁传送阵列式PCR微通道的PCR扩增，由一个个单管PCR试剂的扩增组成：初始PCR试剂模块放置在线圈组I处，线圈组I通电，此时试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中，经过时间T1后，试剂腔体(7)位于96℃恒温温区中的试剂腔体(7)的温度由室温升至96℃，此时试剂腔体(7)的试剂开始变性阶段；
2)线圈组I断电，线圈组II通电，PCR试剂模块受到电磁力的作用运动到线圈组II处，此时线圈组II立即断电，线圈组III通电，PCR试剂模块移动到线圈组III处，线圈组III断电，线圈组IV通电，这时试剂腔体(7)处在空气中，露出的试剂腔体(7)由外置的荧光检测光路在此处进行检测；
3)试剂腔体(7)温度开始由96℃降低，经过时间T2后，试剂腔体(7)温度降到55℃，当试剂腔体(7)温度降为55℃时，线圈组IV断电，线圈组III通电，PCR试剂模块移动到线圈组III处，试剂腔体(7)位于55℃温区，此时试剂腔体(7)内的试剂开始复性阶段，T3时间后复性完成；
4)复性完成后，此时线圈组III断电，线圈组II通电，PCR试剂模块移动到线圈组II处，试剂腔体(7)位于72℃温区中，T4时间后试剂腔体(7)由55℃升至72℃，此时试剂腔体(7)内的试剂开始延伸阶段，经过T5时间后延伸完成；
5)延伸完成后，试剂完成一次扩增，接下来线圈II断电，线圈I通电，此时PCR试剂模块移动到线圈I处，试剂腔体(7)由72℃经过时间T6后升至96℃，一个扩增循环至此完成；
6)重复步骤1)步骤5)，直至完成所有PCR试剂模块的循环次数。
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