CN110408529A - 直线扫描式pcr仪以及利用其进行pcr检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于PCR芯片检测的直线扫描式PCR仪，包括温控组件，检测件和控制机构；所述温控组件包含两个以上的芯片温控模块，每个所述芯片温控模块包括具有独立加热和温控功能的芯片加载组件，每个所述芯片加载组件加载一个PCR反应芯片，并对其进行温度控制；所述检测件包括光学检测元件和扫描运动机构，所述光学检测元件固定设置在沿直线运动的扫描运动机构上；所述光学检测元件包括激发光源和检测器件，检测器件依次对各个PCR反应芯片进行信号采集检测。这种直线扫描式PCR仪，用于PCR芯片的检测，能在仪器正在进行一轮PCR时，开始新测试，真正能做到随到随检。
Description
技术领域
本发明涉及生物学及分析化学领域，特别涉及一种用于PCR芯片检测的直线扫描式PCR仪以及利用其进行PCR检测的方法。
背景技术
PCR(聚合酶联反应)是分子生物学研究的重要手段，反应时间一直是PCR反应的限制因素，一个常规的PCR反应往往要一两个小时，在临床检测中，尤其对于急诊来说，这么长的检测时间限制了其应用领域。随着PCR快速试剂的研发应用，反应时间的瓶颈主要集中在升降温速度上，基于此，怎样提高PCR反应的升降温速度就成为了其拓展应用的关键。另外，以往的PCR检测设备，往往一轮结束后才能开始新的一轮测试，在急诊应用中，随来随检的需求越来越多，PCR设备的随检功能也越来越重要。目前的PCR仪大多是把样品装入样品管全都同时放入仪器，待全部测试做完得到结果，这样的PCR仪一方面不能随到随检，必须等前面的样品全部做完才能进行下一次实验，另一方面，样品管(例如8联排管盖)，由于是管状结构，升温降温慢，不利于提高PCR仪进行扩增的效率。
发明内容
本发明提供了一种直线扫描式PCR仪，用于PCR芯片的检测，能在仪器正在进行一轮PCR时，开始新测试，真正能做到随到随检。
一种直线扫描式PCR仪，其特征在于，包括温控组件，检测件和控制机构；
所述温控组件包含两个以上的芯片温控模块，每个所述芯片温控模块包括具有独立加热和温控功能的芯片加载组件，每个所述芯片加载组件加载一个PCR反应芯片，并对其进行温度控制；各所述芯片加载组件具有使得其上的所述PCR反应芯片并列排列在一条直线上，且所述PCR反应芯片的检测面均朝向所述检测件并得到PCR反应芯片加载信息的芯片加载结构；所述芯片加载组件依据所述PCR反应芯片加载信息对其执行温度控制程序；
所述检测件包括光学检测元件和扫描运动机构，所述光学检测元件固定设置在沿直线运动的扫描运动机构上，所述扫描运动机构的运动直线与所述PCR反应芯片排列成的直线平行，所述扫描运动机构包括驱动件，所述驱动件接收所述控制机构发出的驱动命令；所述光学检测元件包括激发光源和检测器件，所述激发光源发出的检测光路垂直于所述PCR反应芯片的检测面，检测器件依次对各个PCR反应芯片进行信号采集检测；所述控制机构用于接受和处理所述检测件采集的信号与控制所述扫描运动机构的驱动。
优选的，所述扫描运动机构包括驱动件，所述驱动件接收依据所述芯片加载组件的加载信息确定的驱动命令；所述控制机构通过接收来自所述检测件采集的信号，与接收所述芯片加载组件的加载信息来控制所述扫描运动机构的驱动。其中所述芯片加载组件的加载信息包括加载的PCR芯片的位置信息，用于确定光学检测元件直线移动的范围，在加载有PCR反应芯片的区间内移动。
所述芯片加载组件按照实验的目标温度进行温度控制，包括高温变性、低温退火(复性)及适温延伸的温度变化周期，所述传感器监测温控器件温度。
所述芯片加载组件的芯片加载结构包括加热板、固定件和接触传感器，所述接触传感器用于得到所述PCR反应芯片加载信息；所述固定件用于将所述PCR芯片固定在所述加热板上，当PCR反应芯片加载到所述芯片加载组件时，所述加热板与所述PCR反应芯片的反应池区域紧密贴合。
优选的，所述加热板的加热面为金属平面，能与PCR反应芯片的反应池区域外表面完全贴合。
所述加热板并列排列在一条直线上。
所述温控组件还包括散热器。所述散热组件能更快的帮助温控组件降温到合适的温度。
所述加热板为立式或平式设置，所述PCR反应芯片加载到所述芯片加载组件上的加载方式为立式加载或者平式加载。
优选的，所述PCR反应芯片加载到所述芯片加载组件上的方式为立式。
所述固定件选自卡扣或固定胶。优选的，加载方式为卡扣。
一种进行PCR检测的方法，包括以下步骤：在光学检测元件检测待测PCR反应芯片的同时，在具有独立加热和温控功能的芯片加载组件上加载其他待测PCR反应芯片，使得所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片并列排列在一条直线上，控制机构收到所述芯片加载组件发出的所述PCR反应芯片加载信息后，控制所述芯片加载机构对所述PCR反应芯片进行温度控制程序，以及控制所述光学检测元件往复于所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片间直线运动，对所有PCR反应芯片进行检测。
该方法还包括以下步骤：
所述待测PCR反应芯片被加载到芯片加载组件后，所述芯片加载组件对所述待测PCR反应芯片利用预先设定的温度控制程序A对其进行温度控制，所述控制机构收到所述芯片加载机构的PCR反应芯片加载信息，控制所述光学检测元件对其进行PCR扫描，测得的信号传输到所述控制机构进行存储和处理。
该方法还包括以下步骤：
所述待测PCR反应芯片的PCR未完成前，所述其他待测PCR反应芯片被加载到其他所述芯片加载组件，所述芯片加载组件对所述其他待测PCR反应芯片利用预先设定的温度控制程序B对其进行温度控制，所述控制机构收到所述芯片加载组件发出的所述PCR反应芯片加载信息后，控制光学检测元件在所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片之间进行直线往复运动对每个PCR反应芯片进行扫描，测得的信号传输到所述控制系统进行存储和处理，所述控制信号自动分拣出每个PCR反应芯片各自的信号，并对其作出处理。
该方法还包括以下步骤：当所述检测件完成对所述待测PCR反应芯片的检测后，所述控制机构将所述光学检测元件的直线移动方式切换为仅对所述其他待测PCR反应芯片的扫描。
本发明公开的直线扫描式PCR仪以及用其进行PCR的方法，具有下述优势：
1.直线扫描式PCR仪具有随到随检的功能，不必像以往一样，等待上一轮PCR样品的检测结束再进行新一轮PCR测试，缩短了样品排队等待时间，可以更快的得到检测结果；
2.每个芯片温控模块是独立的，可以独立的进行不同的高温变性、低温退火(复性)及适温延伸的温度变化周期，不同需求的PCR芯片的检测可以同时进行；
3、仪器结构小巧便携，可以适用于床旁现场检测。
附图说明
图1是本发明PCR反应检测装置的结构示意图；
1-PCR反应芯片，2-直线扫描式PCR仪，21-芯片温控模块，22-检测组件，23-散热器，24-接触传感器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购买获得的常规产品。
实施例1、直线扫描式PCR仪
如图1所示，直线扫描式PCR仪，包括温控组件，检测件22和控制机构；
温控组件包括六个芯片温控模块21，每个芯片温控模块21包括具有独立加热和温控功能的芯片加载组件，每个芯片加载组件加载一个PCR反应芯片，并对其进行温度控制；各芯片加载组件具有使得其上的PCR反应芯片并列排列在一条直线上，且PCR反应芯片的检测面均朝向所述检测件并得到PCR反应芯片加载信息的芯片加载结构；芯片加载组件依据PCR反应芯片加载信息对其执行温度控制程序；PCR反应芯片加载信息由设置在芯片加载组件上的接触传感器感应，只有接触传感器感应到PCR反应芯片加载到位，芯片加载组件才能对PCR反应芯片执行温度控制程序。芯片加载组件按照实验的目标温度进行温度控制，包括高温变性、低温退火(复性)及适温延伸的温度变化周期，传感器监测温控器件温度。升温及降温程序储存在控制机构中，该程序以及目标温度也可以在控制系统中进行更改。
检测件22包括检测光路和扫描运动机构，光学检测元件固定设置在沿直线运动的扫描运动机构上，扫描运动机构的运动直线与PCR反应芯片排列成的直线平行，扫描运动机构包括驱动件，驱动件接收控制机构发出的驱动命令；光学检测元件包括激发光源和检测器件，激发光源发出的检测光路垂直于PCR反应芯片的检测面，检测器件依次对各个PCR反应芯片进行信号采集检测；控制机构通过接收来自检测件采集的信号与芯片加载组件的加载信息来控制扫描运动机构的驱动，给扫描运动机构的驱动件下驱动指令。
当PCR反应芯片加载到芯片加载组件上，接触传感器感应到PCR反应芯片已经加载完成和所属芯片加载组件的位置信息，加载信息均传递给控制机构，控制机构控制芯片加载组件开始对PCR反应芯片进行温度控制程序，该程序预先储存在控制机构中，控制结构发出扫描的指令，光学检测元件在芯片加载机构的全长范围进行直线运动扫描，即无论有几个芯片加载组件上设置有PCR反应芯片，光学检测元件总是在芯片加载机构的全长范围移动，并检测所有PCR反应芯片的数据。
在另一些实施例中，扫描运动机构包括驱动件，驱动件接收依据芯片加载组件的加载信息确定的驱动命令；控制机构通过接收来自所述检测件采集的信号与所述芯片加载组件的加载信息来控制所述扫描运动机构的驱动。
当PCR反应芯片加载到芯片加载组件上，接触传感器感应到PCR反应芯片已经加载完成和所属芯片加载组件的位置信息，加载信息均传递给控制机构，控制机构控制芯片加载组件开始对PCR反应芯片进行温度控制程序，该程序预先储存在控制机构中，控制结构发出扫描的指令，光学检测元件仅对已插入PCR芯片的范围进行往复的直线运动扫描。
芯片加载组件的芯片加载结构包括加热板、固定件和接触传感器，接触传感器用于得到PCR反应芯片加载信息；固定件用于将所述PCR芯片固定在加热板上，当PCR反应芯片加载到芯片加载组件时，加热板与PCR反应芯片的反应池区域紧密贴合。
加热板的加热面为金属平面，能与PCR反应芯片的反应池区域外表面完全贴合，对PCR反应芯片的反应池进行温度控制。
在一些实施例中，芯片加载组件与加热板均并列排列在一条直线上，PCR反应芯片固定在加热板上时，其检测面也在同一条直线上。
在另一些实施例中，芯片加载组件在一个平面上，但是没有并列排列在一条直线上，但是芯片加载组件的加热板并列排列在一条直线上，PCR反应芯片固定在加热板上，PCR反应池区域与加热板贴合时，其检测面在同一条直线上。
温控组件还包括散热组件23，散热组件能更快的帮助温控组件降温到所需的温度。具体的，每个芯片温控模块21具有独立的散热器。在一些实施例中，散热组件包括散热风扇。
加热板为立式或平式设置，PCR反应芯片加载到芯片加载组件上的加载方式为立式加载或者平式加载。
在一些实施例中，芯片加载组件为立式，PCR反应芯片加载到芯片加载组件上的方式为立式。
在另一些实施例中，芯片加载组件为平式，PCR反应芯片加载到芯片加载组件上的方式为平式，检测件位于芯片加载组件的上侧或者下侧。
固定件可以是卡扣或固定胶。
在一些实施例中，固定件是与加热板匹配的插槽，接触传感器位于插槽的底部，当PCR反应芯片插入插槽，接触传感器24将PCR反应芯片加载信息传递给控制机构，PCR反应芯片加载信息即PCR芯片插入插槽的位置信息，控制机构接收该信息，进而指示驱动件对光学检测元件进行相应的直线扫描运动范围的变化。加热板与弹性片组成插槽，将PCR反应芯片插入插槽，弹性片能卡住芯片使其固定，并使得PCR反应芯片反应池区域的外表面紧贴加热板。用户将PCR反应芯片1插入到插槽后，插槽中设置的接触传感器也可以检测芯片是否插入及插入的状态是否到位，用户可以通过操控界面启动反应检测，若在位传感器没有检测到芯片到位，则检测不能被启动。
在一些实施例中，控制机构是计算机及软件。
在一些实施例中，每个所述芯片温控模块可以独立控温可以独立的进行不同的高温变性、低温退火(复性)及适温延伸的温度变化周期，不同需求的PCR芯片的检测可以同时进行，得到相应的扩增曲线。
在一些实施例中，如图1所示，PCR反应芯片是立式加载，每个反应芯片平行设置四个反应池，PCR反应芯片的反应池位于芯片的下部，加液口和排气口设置在芯片的上部，这样可以使PCR微反应池的反应体系在扩增中的产生气泡排至液体顶部，同时有利于直线检测。
光学检测元件22包括4个光路，每个光路具有各自的激发LED、激发光滤片、分光镜、检测光滤片及检测器件，检测器件将接受到的光信号转变为电信号传递给控制系统采集和处理数据。这样的检测组件可以同时检测一个PCR反应芯片上的四个反应池。
实施例2、进行PCR检测的方法
步骤1：待测PCR反应芯片被加载到芯片加载组件后，芯片加载组件对待测PCR反应芯片利用预先设定的温度控制程序A对其进行温度控制，控制机构收到芯片加载机构的PCR反应芯片加载信息，控制光学检测元件对其进行PCR扫描，测得的信号传输到控制机构进行存储和处理。其中，光学检测元件可以是对所有芯片加载机构的全长范围内扫描，或是仅对插入PCR芯片的范围进行扫描。
步骤2：待测PCR反应芯片的PCR未完成前，其他待测PCR反应芯片被加载到其他芯片加载组件，使得待测PCR反应芯片和其他待测PCR反应芯片并列排列在一条直线上，控制机构收到所述芯片加载组件发出的所述PCR反应芯片加载信息后，控制芯片加载机构对PCR反应芯片进行温度控制程序，，以及控制所述光学检测元件往复于所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片间直线运动，对所有PCR反应芯片进行检测。其中，光学检测元件可以是对所有芯片加载机构的全长范围内扫描的往复运动，或是对待测PCR反应芯片和其他待测PCR反应芯片间的往复直线运动，对所有PCR反应芯片进行检测。测得的信号传输到控制机构进行存储和处理，控制信号自动分拣出每个PCR反应芯片各自的信号，并对其作出处理。
步骤3：当所述检测件完成对所述待测PCR反应芯片的检测后，控制机构可以将光学检测元件的直线移动方式切换为仅对其他待测PCR反应芯片的扫描，或仍然扫描全长。
在上述方法中，待测PCR反应芯片可以指一组待测反应芯片，其他待测PCR反应芯片也可以指另一组待测反应芯片待测反应芯片；每个反应芯片都被各自独立的芯片温控模块所控制。检测组件对所述PCR反应芯片A和PCR反应芯片B进行扫描可以看做对PCR反应芯片A和PCR反应芯片B中的每一个进行扫描，方式为检测组件的检测光路的直线移动。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种直线扫描式PCR仪，其特征在于，包括温控组件，检测件和控制机构；
所述温控组件包含两个以上的芯片温控模块，每个所述芯片温控模块包括具有独立加热和温控功能的芯片加载组件，每个所述芯片加载组件加载一个PCR反应芯片，并对其进行温度控制；各所述芯片加载组件具有使得其上的所述PCR反应芯片并列排列在一条直线上，且所述PCR反应芯片的检测面均朝向所述检测件并得到PCR反应芯片加载信息的芯片加载结构；所述芯片加载组件依据所述PCR反应芯片加载信息对其执行温度控制程序；
所述检测件包括光学检测元件和扫描运动机构，所述光学检测元件固定设置在沿直线运动的扫描运动机构上，所述扫描运动机构的运动直线与所述PCR反应芯片排列成的直线平行，所述扫描运动机构包括驱动件，所述驱动件接收所述控制机构发出的驱动命令；所述光学检测元件包括激发光源和检测器件，所述激发光源发出的检测光路垂直于所述PCR反应芯片的检测面，检测器件依次对各个PCR反应芯片进行信号采集检测；
所述控制机构用于接受和处理所述检测件采集的信号与控制所述扫描运动机构的驱动。
2.根据权利要求1所述的直线扫描式PCR仪，其特征在于，
所述扫描运动机构包括驱动件，所述驱动件接收依据所述芯片加载组件的加载信息确定的驱动命令；
所述控制机构用于接收和处理来自所述检测件采集的信号，和接收所述芯片加载组件的加载信息来控制所述扫描运动机构的驱动。
3.根据权利要求1或2所述的直线扫描式PCR仪，其特征在于，所述芯片加载组件的芯片加载结构包括加热板、固定件和接触传感器，所述接触传感器用于得到所述PCR反应芯片加载信息；所述固定件用于将所述PCR芯片固定在所述加热板上，当PCR反应芯片加载到所述芯片加载组件时，所述加热板与所述PCR反应芯片的反应池区域紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的直线扫描式PCR仪，其特征在于，所述加热板并列排列在一条直线上。
5.根据权利要求3所述的直线扫描式PCR仪，其特征在于，所述加热板为立式或平式设置，所述PCR反应芯片加载到所述芯片加载组件上的加载方式为立式加载或者平式加载。
6.根据权利要求5所述的直线扫描式PCR仪，其特征在于，所述固定件选自卡扣或固定胶。
7.一种进行PCR检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：在光学检测元件检测待测PCR反应芯片的同时，在具有独立加热和温控功能的芯片加载组件上加载其他待测PCR反应芯片，使得所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片并列排列在一条直线上，控制机构收到所述芯片加载组件发出的所述PCR反应芯片加载信息后，控制所述芯片加载机构对所述PCR反应芯片进行温度控制程序，以及控制所述光学检测元件往复于所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片间直线运动，对所有PCR反应芯片进行检测。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述待测PCR反应芯片被加载到芯片加载组件后，所述芯片加载组件对所述待测PCR反应芯片利用预先设定的温度控制程序A对其进行温度控制，所述控制机构收到所述芯片加载机构的PCR反应芯片加载信息，控制所述光学检测元件对其进行PCR扫描，测得的信号传输到所述控制机构进行存储和处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述待测PCR反应芯片的PCR未完成前，所述其他待测PCR反应芯片被加载到其他所述芯片加载组件，所述芯片加载组件对所述其他待测PCR反应芯片利用预先设定的温度控制程序B对其进行温度控制，所述控制机构收到所述芯片加载组件发出的所述PCR反应芯片加载信息后，控制光学检测元件在所述待测PCR反应芯片和所述其他待测PCR反应芯片之间进行直线往复运动对每个PCR反应芯片进行扫描，测得的信号传输到所述控制系统进行存储和处理，所述控制信号自动分拣出每个PCR反应芯片各自的信号，并对其作出处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：当所述检测件完成对所述待测PCR反应芯片的检测后，所述控制机构将所述光学检测元件的直线移动方式切换为仅对所述其他待测PCR反应芯片的扫描。
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