CN110079452A - 一种基于相变材料的恒温基因扩增装置 - Google Patents

一种基于相变材料的恒温基因扩增装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，涉及生物医学检测领域，包括加热模块、相变材料控温模块和恒温扩增模块，其中，加热模块包括化学加热装置，相变材料控温模块包括在融化过程中吸热但温度保持不变的相变材料，恒温扩增模块与基因扩增单元相连；加热模块连接相变材料控温模块，恒温扩增模块连接相变材料控温模块。本发明通过放热的化学反应对相变材料进行加热，并通过相变材料的物理融化过程保持在一定温度的特性，进行恒温基因扩增反应，特别是在微流控芯片上的恒温基因扩增反应，不需要热传感器对温度进行测量并且进行精准的控制，也不需要外接电源或大容量电池，降低了成本并扩大了应用范围。

Description

一种基于相变材料的恒温基因扩增装置
技术领域
本发明涉及生物医学检测领域，尤其涉及一种基于相变材料的恒温基因扩增装置。
背景技术
基因扩增可以对样品中的目标基因序列进行扩增和检测，其可以被应用于生物学研究、分子医学检测、犯罪现场分析以及农畜牧业检测等诸多方面。相较于传统的检测方法，基因扩增检测通常具有更高的灵敏度和特异性。基因扩增最具代表性的是聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)，美国科学家Kary Banks Mullis在1985年发明了聚合酶链式反应，即简易DNA扩增法。PCR通常由三步反应：1)利用双链DNA在95℃高温时变性成为单链；2)低温时(50-65℃)，引物(primer)会与单链DNA按碱基互补配对原则结合；3)温度升高至聚合酶反应温度(通常为72℃)，聚合酶沿5’至3’的方向合成与单链DNA的互补链。一个循环完成后，目标基因序列的数量理论上会增加2倍，还可以从第一步开始下一个热循环，完成对目标基因的指数型扩增。扩增的特异性通常依赖于引物的设计和引物-单链DNA结合温度的设计。有些改进的PCR方法可以将第二步和第三步结合，从而省略了扩增温度控制步骤。PCR方法要求在至少两个温度区间循环变化，并且对温度控制要求较为严格，这就要求PCR仪器的设备提供精确的温度控制，这使得PCR仪器设计较为复杂，并且检测一般需要在实验室完成。
恒温基因扩增是近年来发展的一种新型的基因扩增技术，其特点是基因扩增反应可以在一个恒定的温度完成，不再需要PCR反复的热循环步骤。现在已经涌现了很多恒温扩增的方法，原理也不尽相同，其中最具有代表性的有NASBA(Nucleic Acid Sequence-BasedAmplification),LAMP(Loop-mediated isothermal amplification)以及RPA(Recombinase Polymerase Amplification)。由于每个反应原理使用的反应体系略有差异，所以恒温扩增的温度也会有所不同。NASBA通常在41℃左右，LAMP通常在63-65℃，RPA最优的反应温度在37-39℃左右。
虽然恒温基因扩增不再需要在两个或者三个温度之间进行热循环，但仍然需要对反应温度进行控制。通常的方法是采用具有热传感器的电加热的方法。这套控温系统虽然较PCR仪器相对简单，但其通常还是需要接入电源或者使用大容量的电池，这很大程度上限制了恒温基因检测在实验室之外，例如野外或偏远地区的实际应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，通过放热反应加热相变材料，并通过相变材料的物理融化过程保持在一定温度的特性，进行恒温基因扩增反应，无需热传感器、电源及大容量电池。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，用于恒温基因扩增反应时无需热传感器、电源及大容量电池。
为实现上述目的，本发明提供一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，包括加热模块、相变材料控温模块和恒温扩增模块，其中，所述加热模块包括化学加热装置和/或电加热装置，所述相变材料控温模块包括在融化过程中吸热但温度保持不变的相变材料，所述恒温扩增模块与基因扩增单元相连；所述加热模块连接所述相变材料控温模块，所述恒温扩增模块连接所述相变材料控温模块。
进一步地，所述化学加热装置设置为使用生石灰和水的化学放热反应加热。
进一步地，所述相变材料为有固定融解温度的固体物质，可为单一组分物质或混合物。
进一步地，所述混合物为固体石蜡或可在低温进行相变的金属。
进一步地，所述加热模块为第一矩形槽，所述化学加热装置放置于所述第一矩形槽内，所述相变材料控温模块为第二矩形槽，所述相变材料放置于所述第二矩形槽内，所述第二矩形槽上方周围设置有卡板，所述恒温扩增模块包括平面板和导热元件，所述导热元件直接连接于所述平面板下方；所述第二矩形槽设于所述第一矩形槽内，所述卡板被设置为卡接于所述第一矩形槽上方，所述恒温扩增模块设于所述第二矩形槽内。
进一步地，所述卡板上设置有凹槽，用作测温孔。
进一步地，所述恒温扩增模块与所述基因扩增单元之间还设置有导热易形变材料或液体介质，用于增加热传导效率。
进一步地，所述恒温扩增模块被设置为通过3D打印技术或机械加工而得，且所述恒温扩增模块的材料为导热性好的金属材料，所述金属材料为铝、铜、铁或合金材料。
进一步地，所述恒温扩增模块的所述平面板上方还可设置有凹槽，用于放置非平板状的所述基因扩增单元。
进一步地，所述基因扩增单元为包含基因扩增反应体系的微流控芯片、PCR试管、孔板或特殊设计的试管之一。
本发明提供一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，通过放热反应，例如生石灰与水的反应，对相变材料进行加热；通过相变材料在相变(固液)过程中温度保持不变的性质，为恒温扩增反应提供所需要的温度；从而使恒温扩增模块对微流控芯片上进行的恒温基因扩增反应进行加热不需要外接电源或大容量电池，同时不需要热传感器对温度进行测量并且进行精准的控制，降低了成本并扩大了应用范围。
以下将结合附图对本发明的构思、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。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的恒温基因扩增装置的整体结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例的恒温基因扩增装置的各模块位置关系示意图；
图3是本发明一个较佳实施例的加热模块示意图；
图4是本发明一个较佳实施例的相变材料控温模块示意图；
图5是本发明一个较佳实施例的恒温扩增模块俯视角度示意图；
图6是本发明一个较佳实施例的恒温扩增模块仰视角度示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1和图2所述，本发明提供一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，包括加热模块、相变材料控温模块和恒温扩增模块，其中，相变材料控温模块设置于加热模块上方，恒温扩增模块设置于相变材料控温模块上方，以上三个模块直接相互接触，或由导热材料相连。
加热模块包括化学加热装置和/或电加热装置，化学加热装置为使用生石灰和水的化学放热反应加热，电加热装置为使用电阻丝等加热；相变材料控温模块包括在融化过程中吸热但温度保持不变的相变材料，通常为有固定融解温度的固体物质，可为单一组分物质或混合物，如固体石蜡，或可在低温进行相变的金属，如水银，相变材料可以反复使用。在本实施例中，相变材料为固体石蜡，其是一类可以从石油中分离出来的碳原子数约为18-30的烃类化合物，因受烷烃长短、支链、环烃及其配比等因素影响，固体石蜡的熔点可以在一定范围内根据实际的应用进行相应的调整。
如图3所示，加热模块为第一矩形槽，化学加热装置和电加热装置放置于第一矩形槽内，如图4所示，相变材料控温模块为第二矩形槽，相变材料放置于第二矩形槽内，第二矩形槽上方周围设置有卡板2，卡板2上设置有圆柱形凹槽，用作测温孔1；如图5和图6所示，恒温扩增模块包括平面板3和导热元件4，导热元件4直接连接于平面板3下方，导热元件4可为若干柱状体，如圆柱体。恒温扩增模块的平面板3上方可直接放置平板状的基因扩增单元，如微流控芯片；还可设置有凹槽，用于放置非平板状的所述基因扩增单元，如试管、八连管或孔板等。恒温扩增反应可以在一般的PCR试管中进行，也可以在特殊设计的试管中完成。
在本实施例中，加热模块由3D打印PLA(Poly lactic acid)材料完成，其中中空的凹槽部分设计为100mm(长)×100mm(宽)×100mm(深)，在其中可以放置一个含有70g生石灰的加热包。相变材料控温模块和恒温扩增模块通过机械加工的方式加工铝材制备，壁厚为1mm-2mm，其中相变材料控温模块中的凹槽为80mm(长)×80mm(宽)×30mm(深)，在其中放置50g固体石蜡(sigma，paraffin wax，CAS号8002-74-2)，恒温扩增模块包括平面板3和设置于平面板3下方的9个直径为10mm，高度为25mm的圆柱体，增加恒温扩增模块与相变材料控温模块的接触面积，提高热传导效率。
恒温扩增模块的平面板3与微流控芯片，特别是滑动式微流控芯片，直接接触，进行恒温基因扩增。为了保证芯片与恒温扩增模块的充分接触，恒温扩增模块与芯片接触之间的表面可以附加一个导热易形变材料，或者如本实施例这样，在芯片和恒温扩增模块中间使用液体介质，例如矿物油等，提高热传导效率。
本实施例中，利用基于相变材料的恒温基因扩增装置进行恒温LAMP基因扩增反应用于HPV病毒的检测。LAMP是一种可以在63℃左右对目标基因片段进行扩增的实验技术，其反应体系通常包含bst酶和4-6个反应引物。其中，使用的微流控芯片为在Lab Chip 201010:2666-2672中描述过的玻璃材质的滑动式微流控芯片，共有1280个反应微孔，每个微孔的体积约为2.6nL。反应过程具体如下：
在加热模块的凹槽中加入250mL的去离子水，水与加热包(内含生石灰)反应放热，加热相变材料控温模块；
相变材料控温模块中的固体石蜡开始部分融化；
从测温孔1检测恒温扩增模块的温度，在相变材料控温模块中的固体石蜡完全融化前，恒温扩增模块的温度保持在60-65℃间，为LAMP反应提供所需要的反应温度；
在恒温扩增模块的平面板3上方滴加矿物油，将已加载检测HPV病毒的反应体系的滑动式微流控芯片放置于带有矿物油的平面板3上方；
在LAMP反应所需的时间内，保持相变材料控温模块中的固体石蜡没有完全融化；
在反应时间结束后，取下滑动式微流控芯片，并查看检测结果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术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)

1.一种基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，包括加热模块、相变材料控温模块和恒温扩增模块，其中，所述加热模块包括化学加热装置和/或电加热装置，所述相变材料控温模块包括在融化过程中吸热但温度保持不变的相变材料，所述恒温扩增模块与基因扩增单元相连；所述加热模块连接所述相变材料控温模块，所述恒温扩增模块连接所述相变材料控温模块。
2.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述化学加热装置设置为使用生石灰和水的化学放热反应加热。
3.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述相变材料为有固定融解温度的固体物质，可为单一组分物质或混合物。
4.如权利要求3所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述混合物为固体石蜡或可在低温进行相变的金属。
5.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述加热模块为第一矩形槽，所述化学加热装置放置于所述第一矩形槽内，所述相变材料控温模块为第二矩形槽，所述相变材料放置于所述第二矩形槽内，所述第二矩形槽上方周围设置有卡板，所述恒温扩增模块包括平面板和导热元件，所述导热元件直接连接于所述平面板下方；所述第二矩形槽设于所述第一矩形槽内，所述卡板被设置为卡接于所述第一矩形槽上方，所述恒温扩增模块设于所述第二矩形槽内。
6.如权利要求5所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述卡板上设置有凹槽，用作测温孔。
7.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述恒温扩增模块与所述基因扩增单元之间还设置有导热易形变材料或液体介质，用于增加热传导效率。
8.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述恒温扩增模块被设置为通过3D打印技术或机械加工而得，且所述恒温扩增模块的材料为导热性好的金属材料，所述金属材料为铝、铜、铁或合金材料。
9.如权利要求5所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述恒温扩增模块的所述平面板上方还可设置有凹槽，用于放置非平板状的所述基因扩增单元。
10.如权利要求1所述的基于相变材料的恒温基因扩增装置，其特征在于，所述基因扩增单元为包含基因扩增反应体系的微流控芯片、PCR试管、孔板或特殊设计的试管之一。
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