CN110205242B - 一种快速实现数字pcr反应的微流控芯片组件及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件及其应用，所述微流控芯片组件包括至少一个微流控芯片、设置于微流控芯片下方的散热器、设置于微流控芯片上方的加热器，所述散热器与所述微流控芯片之间设置有半导体制冷器及设置于半导体制冷器上方的导热板，所述微流控芯片底部键合有薄膜层，所述薄膜层与所述导热板抵接。本发明实现了液滴产生及PCR反应在同一微流控芯片上，避免了现有技术中液滴生成后的转移，通过键合薄膜层，减小了加热对象的热容，从而实现快速升降温。
Description
技术领域
本发明属于高通量的分析系统技术领域，尤其涉及一种快速实现PCR反应，尤其是应用于数字PCR的微流控芯片组件及应用该组件的集成设备。
背景技术
微流控是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，它拥有容量小（纳升，皮升，飞升级别）以及低能量消耗的特性。人们运用微流控技术把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到由微流控管道为基本结构的微流控芯片上，实现了快速样品处理及检测、试剂和样品使用量少等优点。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
数字PCR，一种基于单分子PCR方法来进行计数的核酸定量，是一种绝对定量的方法。其原理是通过微流控或微滴化方法，将大量稀释后的核酸溶液分散至芯片的微反应器或微滴中，每个反应器的核酸模板数少于或等于1个。经过PCR循环之后，有一个核酸分子模板的反应器或微液滴就会给出荧光信号，没有模板的反应器或微液滴就没有荧光信号。根据相对比例和反应器的体积，推算出原始溶液的核酸浓度。
现有数字PCR的实现一般采用Bio-Rad的数字PCR系统。在他们的系统中，用户将生成的液滴用移液器移至PCR反应试管中，然后将试管放入PCR热循环仪中进行PCR反应，待反应完毕后用户将PCR 管取出放入液滴荧光检测仪中进行液滴荧光的检测。其检测的原理是将液滴和油打入一个毛细管中，液滴单个的通过检测位置，通过仪器对液滴有无荧光进行读取。但该系统有以下缺点：1）用户在系统产生完液滴后需要进行人工地将液滴转移到96孔板中才能进行下一步PCR反应，这样会造成液滴的损失或者破裂；2）由于传热速率的限制（试管内样品量较厚，加热从试管外侧开始），PCR在试管中进行反应速度较慢，所以整个PCR过程时间长，一般需要150分钟。
PCR由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成，并进行这三个基本反应的循环。由于这三个反应是在不同温度下进行的，控制这三个反应的温度的准确性以及实现这三个温度的速度对PCR反应的质量和速度至关重要。因此PCR仪器的发展和如何控制温度循环紧密联系在一起。早期的PCR扩增仪通过设置不同的恒温水浴或金属温度并将需要扩增的DNA样品通过机械手移位的方法来进行样品温度的变化。但该仪器体积大，接近于手工操作。如果采用变温水浴或变温金属来改变温度，虽可以省去机械手来移动样品的装置，但这样的仪器改变温度的速度还是很慢。随着半导体行业的快速发展，目前市场上先进的PCR仪器都会采用半导体加热制冷装置来改变温度的方式，比如赛默飞的QuantStudio, 伯乐的CFXqPCR系列等。但现有的仪器都是针对高通量设计的，达到的最快升降温速率在4C/s左右。因为高通量的设置为同时处理很多样品，样品通常放在96或384孔板内，需要控温的面积大，所以需要升降温的样品对象热容量很高（需要同时对存放样品的96或384孔板进行升降温），很难实现快速的升降温。目前市场上没有一款针对微流控芯片专门设计的PCR仪器。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件及应用该组件的集成设备。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件，包括至少一个微流控芯片、设置于微流控芯片下方的散热器，所述散热器与所述微流控芯片之间设置有半导体制冷器及设置于半导体制冷器上方的导热板，所述微流控芯片底部键合有薄膜层，所述薄膜层与所述导热板抵接。
优选地，所述导热板与所述半导体制冷器外圈包覆有隔热层。
优选地，所述微流控芯片包括芯片主体，所述芯片主体上凸设有油孔、样品孔及废液孔，所述芯片主体上设置有密封盖，所述密封盖上开设有用于与油孔、样品孔及废液孔相配合的安装孔，所述安装孔内设置有密封垫。
优选地，微流控芯片上方设置加热器, 所述加热器可以采用加热电阻、陶瓷加热器等。导热板材质可以采用铝合金、铜等形式。
优选地，所述加热器上方设置有气动压板。
优选地，所述气动压板提供气压作用于微流控芯片反应腔室。
优选地，所述微流控芯片底部键合有薄膜层。
优选地，所述微流控芯片底部的薄膜层厚度为10μm-500μm，所述微流控芯片及薄膜的总厚度在1mm-5mm之间，其中不包括微流控芯片上的凸出加样孔。
优选地，所述微流控芯片并列设置有两个以上，所述微流控芯片设置于芯片托盘上。
优选地，所述导热板周圈设置有具有加热控温功能的柔性隔热垫。
优选地，一种包括以上所述的实现快速PCR反应的微流控芯片组件的集成设备，包括机架，所述机架上设置有滑轨，所述微流控芯片组件设置于所述滑轨上，所述机架上设置有用于驱动所述微流控芯片组件在所述滑轨上运动的驱动电机；所述微流控芯片组件上方设置有用于驱动气动压板运动的驱动机构，所述微流控芯片组件的一侧还设置有与其电性连接的温控系统和气控系统。
优选地，所述机架上还设置有与所述温控系统及气控系统电性连接的工控机。
一种实现快速PCR反应的微流控芯片组件的集成设备的反应方法，包括如下步骤，
S1、驱动电机驱动微流控芯片组件向设备外移动直至芯片托盘外露设备；
S2、在微流控芯片的油孔和样品孔中分别通过移液器加载油相试剂和水相试剂；
S3、通过密封盖对S2中的微流控芯片进行试剂的密封；
S4、驱动电机驱动微流控芯片组件向设备内运动至气动压板的正下方；
S5、所述驱动机构驱动所述气动压板及加热器沿微流控芯片方向移动直至加热器与所述微流控芯片上表面贴紧，所述微流控芯片的底部与导热板抵接；
S6、工控机分别控制温控系统及气控系统对微流控芯片组件进行气压及温度的控制完成PCR的热循环过程；
S6、驱动电机驱动S6中完成PCR过程的微流控芯片组件推出设备外，取出微流控芯片，完成整个工序。
本发明的有益效果体现在：实现了液滴产生及PCR反应在同一微流控芯片上，避免了现有技术中液滴生成后的转移，通过键合薄膜层，减小了加热对象的热容，从而实现快速升降温。
附图说明
图1：本发明微流控芯片与薄膜层的结构关系示意图。
图2：本发明带有密封盖的微流控芯片结构示意图。
图3：本发明微流控芯片组件的结构示意图。
图4：本发明微流控芯片组件的原理结构图。
图5：本发明另一实施例微流控芯片组件的结构示意图。
图6：应用本发明微流控芯片组件的设备。
图7：本发明实际应用中导热板升温的速率曲线。
图8：本发明实际应用时微流控芯片内样品升温速率曲线。
具体实施方式
本发明揭示了一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件及应用该微流控芯片组件的设备，以下结合图1-图6所示进行具体阐述说明。
一种具有能实现快速PCR反应的微流控芯片组件的设备，包括机架56，所述机架56上设置有滑轨55。所述滑轨外侧设置有导柱51，所述导柱51上架设有驱动板91，所述驱动板91内设置有驱动机构92。所述驱动机构92可以为驱动电机，在此不做限制。
所述滑轨55上设置有微流控芯片组件，所述机架56上设置有用于驱动所述微流控芯片组件在所述滑轨55上运动的驱动电机（图中未示意）。所述微流控芯片组件设置于驱动板91的下方。为更好的实现自动化控制，所述微流控芯片组件的一侧还设置有与其电性连接的温控系统52和气控系统53。所述机架56上还设置有与所述温控系统52及气控系统53电性连接的工控机54。
所述微流控芯片组件包括至少一个微流控芯片11、设置于微流控芯片11下方的散热器5、设置于微流控芯片11上方的加热器8，所述加热器8上方设置有气动压板9，所述气功压板9上设置有与所述微流控芯片上油孔、样品孔及废液孔联通的出口。所述气动压板9与驱动机构92连接，所述驱动机构92工作，可带动所述气动压板9及加热器8沿导柱方向进行运动。
所述加热器上设置有金属块，所述金属块可以很好的将热量传输给微流控芯片11，所述金属块的面积以微流控芯片所需加热面积进行设置，为了确保加热的效果，所述金属块的面积比微流控芯片所需加热面积大5%-100%。
所述微流控芯片11包括芯片主体1，所述芯片主体1上凸设有加样孔2，所述加样孔包括油孔、样品孔及废液孔。所述芯片主体上设置有密封盖4，所述密封盖4上开设有用于与油孔、样品孔及废液孔相配合的安装孔41，所述安装孔41内设置有密封垫。以保证微液滴生成时不受到外界的污染，同时也能有效的增加气动结构的密封性。由于微流控芯片所需处理样品量少，所以所述芯片主体1的底部通过与薄膜层3进行键合，从而与芯片主体1形成微流控芯片内流道的密封。所述微流控芯片尺寸微小，所述薄膜层3厚度为10μm-500μm，该薄膜层3加上所述芯片主体1的厚度也仅在1mm-5mm之间。
所述散热器5与所述微流控芯片11之间设置有半导体制冷器7及设置于半导体制冷器7上方的导热板71，所述薄膜层3与所述导热板71抵接。为了有效导热，所述导热板71面积的设计思路与加热器面积一样，一般比微流控芯片11所需加热面积大5%-100%。
为了避免热量损失，所述导热板71与所述半导体制冷器7外圈包覆有隔热层72。
本发明的微流控芯片组件不仅仅适合单通量的结构形式，同时可以满足高通量的需求。即在其他结构同样设置的情况下，改变微流控芯片的数量，例如通过并列设置所述微流控芯片于芯片托盘上得以实现。本发明实施例中并列设置有4个，如图5所示。为了进一步的减少材料和材料之间的间隙，增加导热率，所述导热板71周圈设置有柔性隔热垫73。所述气动压板及加热器可以采用一体式结构。
本发明还揭示了一种实现快速PCR反应的微流控芯片组件的集成设备的反应方法，包括如下步骤，
首先，微流控芯片及实际的加载
S1、驱动电机驱动微流控芯片组件沿滑轨55向设备外移动直至芯片托盘外露设备；将微流控芯片加载至芯片托盘上。
S2、在微流控芯片11的油孔和样品孔中分别通过移液器加载油相试剂和水相试剂。
S3、通过密封盖4对S2中的微流控芯片进行试剂的密封。
其次，生成微液滴及进行PCR反应
S4、驱动电机驱动微流控芯片组件向设备内运动至气动压板9的正下方；
S5、所述驱动机构92驱动所述气动压板9及加热器8沿微流控芯片方向移动直至加热器8与所述微流控芯片上表面贴紧，所述微流控芯片的底部与导热板71抵接。
S6、工控机分别控制温控系统及气控系统对微流控芯片组件进行气压及温度的控制完成PCR的热循环过程；气控系统将高精度气压作用至微流控芯片的样品孔及油孔，水相样品及油相试剂通过微流道进入到微流控芯片内部形成稳定均一的微液滴乳浊液，产生的乳浊液通过微流控流道进入到PCR腔室。
通过温控系统进行温度的控制，同时结合气控系统保护液滴，完成PCR反应过程。
最终，完成工序
S7、驱动电机驱动S6中完成PCR过程的微流控芯片组件推出设备外，取出微流控芯片，完成整个工序。
本发明的结构其导热板的升温速率快，结合图7所示，在58℃到98℃之间，20%-80%区间内，平均升温速率可达14.6C/s，平均降温速率可达8.8C/s。结合图8所示，微流控芯片内部的样品升降温速率均超过5 C/s。远远超过现有技术中升降温速率。
当然本发明尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件，其特征在于：
包括至少一个微流控芯片、设置于微流控芯片下方的散热器、所述散热器与所述微流控芯片之间设置有半导体制冷器及设置于半导体制冷器上方的导热板，所述微流控芯片与所述导热板抵接；
所述导热板与所述半导体制冷器外圈包覆有隔热层；
所述微流控芯片包括芯片主体，所述芯片主体上凸设有油孔、样品孔及废液孔，所述芯片主体上设置有密封盖，所述密封盖上开设有用于与油孔、样品孔及废液孔相配合的安装孔，所述安装孔内设置有密封垫；
所述微流控芯片上方设置加热器，所述加热器上方设置有气动压板，所述气动压板上设置有与所述微流控芯片上油孔、样品孔及废液孔联通的出口，所述气动压板与驱动机构连接，所述驱动机构带动所述气动压板和所述加热器的运动；所述微流控芯片底部键合有薄膜层，所述微流控芯片底部的薄膜层厚度为10μm-500μm。
2.如权利要求1所述的一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件，其特征在于：
所述微流控芯片并列设置有两个以上，所述微流控芯片设置于芯片托盘上。
3.如权利要求1或2所述的一种快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件，其特征在于：
所述导热板周圈设置有柔性隔热垫。
4.一种具有如权利要求1所述的快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件的集成设备，其特征在于：
包括机架，所述机架上设置有滑轨，所述微流控芯片组件设置于所述滑轨上，所述机架上设置有用于驱动所述微流控芯片组件在所述滑轨上运动的驱动电机；所述微流控芯片组件上方设置有用于驱动气动压板运动的驱动机构，所述微流控芯片组件的一侧还设置有与其电性连接的温控系统和气控系统。
5.如权利要求4所述的具有快速实现数字PCR反应的微流控芯片组件的集成设备，其特征在于：
所述机架上还设置有与所述温控系统及气控系统电性连接的工控机。
6.一种利用根据权利要求1～3中任一项所述的微流控芯片组件和根据权利要求4或5所述的微流控芯片组件的集成设备进行数字聚合酶链式反应(PCR)的反应方法，其特征在于：
包括如下步骤，
S1、驱动电机驱动微流控芯片组件向设备外移动直至芯片托盘外露设备；
S2、在微流控芯片的油孔和样品孔中分别通过移液器加载油相试剂和水相试剂；
S3、通过密封盖对S2中的微流控芯片进行试剂的密封；
S4、驱动电机驱动微流控芯片组件向设备内运动至气动压板的正下方；
S5、所述驱动机构驱动所述气动压板及加热器沿微流控芯片方向移动直至加热器与所述微流控芯片上表面贴紧，所述微流控芯片的底部与导热板抵接；
S6、工控机分别控制温控系统及气控系统对微流控芯片组件进行气压及温度的控制完成PCR的热循环过程；
S7、驱动电机驱动S6中完成PCR过程的微流控芯片组件推出设备外，取出微流控芯片，完成整个工序。
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