CN110819702A - 一种数字pcr系统及数字pcr液滴形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法，该数字PCR系统包括液滴形成组件及液滴喷孔组件，所述液滴形成组件包括导热板及盖板，所述盖板的一侧面设有至少一个倒U型台阶，所述导热板、所述盖板及所述倒U型台阶共同围成底部开口的液滴形成腔室；所述液滴喷孔组件连接于所述液滴形成组件下方，包括若干液滴喷孔，所述液滴喷孔与所述液滴形成腔室连通，且所述液滴喷孔内设有汽化部件，用于使所述液滴喷孔中的数字PCR溶液液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的液滴形成油中，以形成数字PCR液滴。本发明使用热泡技术进行高速数字PCR液滴形成，具有高效的数字PCR油利用率，并可进行原位PCR温控及原位数字PCR信号收集。

Description

一种数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法
技术领域
本发明属于生物医药领域，尤其是疾病检测领域，涉及一种一体化原位数字PCR系统及 液滴形成方法。
背景技术
聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)提出至今已有20年时间，期间PCR已 发展成为分子生物学领域的一项关键技术和常规技术，极大地推动了生命科学各个领域的发 展。特别是90年代后期，美国ABI公司推出的实时荧光定量PCR(real timePCR，qPCR)技术 及相关产品更是将PCR由体外合成及定性/半定量检测技术发展成为一种高灵敏、高特异性 和精确定量的基因分析技术。
尽管经过十几年时间的迅速发展，qPCR技术已经用于除外伤和营养缺乏症外所有疾病的 诊断，但是，在PCR扩增过程中影响其扩增效率的因素有很多，不能保证在反应过程中扩增 效率保持不变和实际样品与标准样品以及不同样品之间的扩增效率是相同的，由此导至其定 量分析所依赖的基础——循环阈值(CT)不是恒定不变的。因此qPCR的定量只是“相对定量”， 其准确度和重现性依然不能够满足分子生物学定量分析的要求。
20世纪末，Vogelstein等提出数字PCR(digital PCR，dPCR)的概念，通过将一个样本分 成几十到几万份，分配到不同的反应单元，每个单元包含一个或多个拷贝的目标分子(DNA 模板)，在每个反应单元中分别对目标分子进行PCR扩增，扩增结束后对各个反应单元的荧 光信号进行统计学分析。与qPCR不同的是，数字PCR不依赖于CT值，因此不受扩增效率影响，扩增结束后通过直接计数或泊松分布公式来计算每个反应单元的平均浓度(含量)，能 够将误差控制在5％以内，数字PCR可以不需要对照标准样品和标准曲线来实现绝对定量分 析。
数字PCR(也可称单分子PCR)一般包括两部分内容，即PCR扩增和荧光信号分析。在PCR 扩增阶段，与传统技术不同，数字PCR一般需要将样品稀释到单分子水平，并平均分配到几 十至几万个单元中进行反应。不同于qPCR对每个循环进行实时荧光测定的方法，数字PCR 技术是在扩增结束后对每个反应单元的荧光信号进行采集。最后通过直接计数或泊松分布公 式计算得到样品的原始浓度或含量。
由于数字PCR是一种核酸分子绝对定量技术，相较于qPCR，能够直接数出DNA分子的个数，是对起始样品的绝对定量，因此特别适用于依靠CT值不能很好分辨的应用领域，例如拷贝数变异、突变检测、基因相对表达研究(如等位基因不平衡表达)、二代测序结果验证、miRNA表达分析、单细胞基因表达分析等。
目前市面上的数字PCR技术主要有三种。一种是通过在特定仪器中使用流动的油切断水 相的PCR溶液形成液滴，然后在另外的两台仪器中完成PCR和检测；一种是通过将PCR溶 液分布到挖空的硅片上，然后在特定仪器中进行PCR以及另外一台仪器中进行检测；最后一 种是在一种仪器上将液体通过狭窄的沟道注入腔体形成液滴，并完成PCR，然后在另一台仪 器中完成检测。然而，当前的三种方法的液滴形成速度或者通量各有限制。此外，上述三种 技术无一例外的依赖多台大型仪器。这不但增加了仪器的购置的成本，限制了数字PCR的广 泛使用；而且增加了实验操作的复杂度。
因此，如何提供一种大于每秒形成1000个液滴的高速的数字PCR液滴形成技术、液滴 形成与PCR温控和检测仪器集成的原位PCR技术、高效的数字PCR油利用率方法，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种一体化原位数字PCR系统及 液滴形成方法，用于解决现有技术中液滴形成速度慢、通量小、操作复杂、PCR油利用率低 的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数字PCR系统，包括：
液滴形成组件，包括导热板及盖板，所述盖板的一侧面设有至少一个倒U型台阶，所述 导热板、所述盖板及所述倒U型台阶共同围成底部开口的液滴形成腔室；
液滴喷孔组件，连接于所述液滴形成组件下方，包括若干液滴喷孔，所述液滴喷孔自所 述液滴喷孔组件的上表面开口，并往所述液滴喷孔组件的下表面方向延伸，但未贯穿所述液 滴喷孔组件的下表面，所述液滴喷孔与所述液滴形成腔室连通，且所述液滴喷孔内设有汽化 部件，用于使所述液滴喷孔中的数字PCR溶液液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的 液滴形成油中，以形成数字PCR液滴。
可选地，所述液滴喷孔组件包括热泡打印芯片。
可选地，所述倒U型台阶的高度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到的 数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
可选地，所述导热板面向所述盖板的一侧面具有沿所述倒U型台阶外缘设置的凸台。
可选地，所述导热板靠近所述液滴形成腔室开口处逐渐向外延伸，形成一斜坡，以扩大 所述液滴形成腔室的开口尺寸。
可选地，所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成油注入孔，所述液滴形成油注入孔 穿通所述导热板，与所述液滴形成腔室连通。
可选地，所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成腔室排气孔，所述液滴形成腔室排 气孔穿通所述导热板，与所述液滴形成腔室连通。
可选地，所述汽化部件设置于所述液滴喷孔的底面或侧壁。
可选地，所述液滴喷孔的开口形状包括圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。
可选地，所述汽化部件包括加热部件，通过加热所述数字PCR溶液液体层使其汽化。
可选地，所述加热部件包括至少一层金属层。
可选地，所述PCR系统还包括至少一个用于储存数字PCR溶液的PCR试剂腔室，所述液滴喷孔组件中设有流道，所述液滴喷孔通过所述流道与所述PCR试剂腔室连通。
可选地，所述流道包括至少一条主流道及与所述主流道连接的多条支流道，每个所述液 滴喷孔分别与一条所述支流道连接。
可选地，所述数字PCR系统还包括基座，所述PCR试剂腔室自所述基座的上表面开口， 并往所述基座的下表面方向延伸，但未贯穿所述基座的下表面，所述液滴喷孔组件连接于所 述基座上表面，并覆盖所述PCR试剂腔室的开口。
可选地，所述基座的下表面设有至少一个数字PCR溶液注入孔，所述数字PCR溶液注 入孔与所述PCR试剂腔室连通。
可选地，所述基座的下表面设有至少一个PCR试剂腔室排气孔，所述PCR试剂腔室排 气孔与所述PCR试剂腔室连通。
可选地，所述数字PCR系统还包括软性线路板，所述软性线路板连接于所述基座上方， 所述软性线路板中设有用于收容所述液滴喷孔组件的通孔，且所述软性线路板表面设有若干 第一连接焊垫及若干第二连接焊垫，所述液滴喷孔组件通过导线与所述第一连接焊垫连接。
可选地，所述软性线路板通过胶粘方式与所述基座连接。
可选地，所述基座表面设有至少一条用于防止胶水流到所述液滴喷孔组件上的沟道，所 述沟道分布于所述液滴喷孔组件的外周。
可选地，所述软性线路板中设有至少两个定位穿孔，所述基座表面设有与所述定位穿孔 位置相对应的定位凸起。
可选地，所述数字PCR系统还包括一控制器，所述控制器包括控制器外壳及位于所述控 制器外壳内的控制器电路板，所述控制器外壳具有用于放置所述基座的承载部，所述承载部 表面设有若干与所述控制器电路连接板连接的电路连接导电针，且所述电路连接导电针与所 述第二连接焊垫的位置相对应。
可选地，所述基座的一端设置有至少一个限位槽，所述控制器外壳设置有至少一个与所 述限位槽相对应的限位件。
可选地，所述基座设置有一限位通孔，所述限位通孔贯穿所述基座的正面及背面，所述 控制器外壳设置有与所述限位通孔相对应的限位件。
可选地，所述控制器还包括一机盖，所述机盖与所述控制器外壳连接，用于遮盖所述基 座。
可选地，所述数字PCR系统还包括用于加热或冷却所述液滴形成腔室的外置半导体制冷 器。
可选地，所述外置半导体制冷器具有一风扇。
可选地，所述数字PCR系统还包括用于测试所述液滴形成腔室温度的外置温度传感器。
可选地，所述数字PCR系统还配置有光学检测系统，用于在不转移样品的情况下进行 PCR信号收集检测。
可选地，所述盖板采用透明材质。
本发明还提供一种数字PCR液滴形成方法，包括以下步骤：
向PCR试剂腔室内注入数字PCR溶液，使数字PCR溶液进入与所述PCR试剂腔室连通的液滴喷孔，形成液体层；
向液滴形成腔室中添加液滴形成油，其中，所述液滴形成腔室由导热板、盖板及设置于 所述盖板的一侧面的倒U型台阶共同围成；
采用汽化部件使所述液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的所述液滴形成油中， 以形成所述数字PCR液滴。
可选地，所述汽化部件包括加热部件，通过加热所述液体层使其汽化。
可选地，通过控制所述加热部件的发热时间、发热次数及发热间隔时间来控制所述数字 PCR液滴的形成速度。
可选地，所述液体层的厚度范围是0.2nm～30000nm。
可选地，所述液滴形成腔室的厚度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到 的数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
可选地，待所述PCR试剂腔室内的数字PCR溶液完全推入所述液滴形成腔室中形成数 字PCR液滴后，将所述PCR试剂腔室用液滴形成油填充。
可选地，利用外置半导体制冷器对所述液滴形成腔室进行升温或降温。
可选地，所述数字PCR液滴的形成速度大于1000个/秒。
如上所述，本发明的数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法，具有以下有益效果：
(1)本发明使用热泡技术进行高速数字PCR液滴形成，液滴的快速形成依赖于液滴喷 孔内的汽化部件对纳米级厚度液体层的瞬间加热汽化，从而将液滴喷孔中的数字PCR溶液快 速推入液滴形成油中以形成数字PCR液滴，相比于市面上每秒钟100个液滴的形成速度，本 发明中的液滴形成技术可以实现大于1000个每秒的液滴形成速度。
(2)相比于油相与水相共同运动产生液滴的方法，本发明的技术方案中的油相是静态的， 因此油相的消耗量被大大减少，减少了50％左右的油相用量。
(3)可以利用外置半导体制冷器对液滴形成腔室进行精确的温控，因此实现了原位温控 PCR。而且整合的光学系统可以在不转移样品的情况下进行检测。这既减少了操作时间，也 通过减少人为误差提高了检测的准确性。
(4)原位数字PCR液滴可平铺成一层的结构。
附图说明
图1显示为本发明的数字PCR系统的立体结构示意图。
图2显示为本发明的数字PCR系统的俯视图。
图3显示为本发明的数字PCR系统的仰视图。
图4-图7显示为本发明的数字PCR系统的侧视图。
图8显示为本发明的数字PCR系统的分解结构示意图。
图9显示为本发明的数字PCR系统中盖板的立体结构示意图。
图10显示为本发明的数字PCR系统中导热板的立体结构示意图。
图11显示为本发明的数字PCR系统中液滴形成组件的立体结构示意图。
图12显示为本发明的数字PCR系统中液滴形成组件的俯视图。
图13显示为本发明的数字PCR系统中液滴形成组件的仰视图。
图14-图17显示为本发明的数字PCR系统中液滴形成组件的侧视图。
图18显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件与软性线路板组合的正面立体结构 示意图。
图19显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件与软性线路板组合的俯视图。
图20显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件与软性线路板组合的仰视图。
图21-图24显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件与软性线路板组合的侧视图。
图25显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件的立体结构示意图。
图26显示为本发明的数字PCR系统中液滴喷孔组件的局部剖面图。
图27显示为本发明的数字PCR系统中基座的正面立体结构示意图。
图28显示为本发明的数字PCR系统中基座的俯视图。
图29显示为本发明的数字PCR系统中基座的仰视图。
图30-图33显示为本发明的数字PCR系统中基座的侧视图。
图34显示为本发明的数字PCR系统中控制器的立体结构示意图。
图35显示为本发明的数字PCR系统中机盖被拿掉后所呈现的控制器俯视图。
图36显示为本发明的数字PCR系统中控制器外壳底板被拿掉后所呈现的控制器仰视图。
图37显示为本发明的数字PCR系统中外置半导体制冷器设置于控制器外壳中的示意图。
图38显示为利用本发明的数字PCR系统形成的数字PCR液滴的光学显微镜图。
图39显示为利用本发明的数字PCR系统形成的数字PCR液滴的荧光图。
元件标号说明
1 液滴形成组件
2 导热板
3 盖板
4 倒U型台阶
5 液滴喷孔组件
6 液滴喷孔
7 汽化部件
8 凸台
9 斜坡
10 液滴形成油注入孔
11 液滴形成腔室排气孔
12 PCR试剂腔室
13 主流道
14 支流道
15 基座
16 数字PCR溶液注入孔
17 PCR试剂腔室排气孔
18 软性线路板
19 通孔
20 第二连接焊垫
21 沟道
22 定位穿孔
23 定位凸起
24 控制器
25 控制器外壳
26 承载部
27 电路连接导电针
28 限位槽
29、31 限位件
30 限位通孔
32 机盖
33 外置半导体制冷器
34 风扇
35 下沉式平台
36 凸起
37 电路板连接点
38 外壳支撑结构
39 通风口
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图39。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种数字PCR系统，请参阅图1至图7，其中，图1显示为所述数字PCR系统的立体结构示意图，图2显示为所述数字PCR系统的俯视图，图3显示为所述数字PCR 系统的仰视图，图4、图5、图6及图7显示为所述数字PCR系统在四个方向上的侧视图。
请参阅图8，显示为所述数字PCR系统的分解结构示意图，可见，所述数字PCR系统包 括液滴形成组件1及液滴喷孔组件5，其中，所述液滴喷孔组件5连接于所述液滴形成组件1 下方。
具体的，液滴形成组件1包括导热板2及盖板3。请参阅图9及图10，其中，图9显示为所述盖板3的立体结构示意图，图10显示为所述导热板2的立体结构示意图。如图9所示，所述盖板3的一侧面设有至少一个倒U型台阶4。
请参阅图11至图17，其中，图11显示为所述导热板2及所述盖板3组合成所述液滴形 成组件1的立体结构示意图，图12显示为所述液滴形成组件1的俯视图，图13显示为所述液滴形成组件1的仰视图，图14、图15、图16及图17显示为所述液滴形成组件1在四个方 向上的侧视图。可见，所述导热板2、所述盖板3及所述倒U型台阶4共同围成底部开口的 液滴形成腔室。本实施例中，所述倒U型台阶4的数量以一个为例，相应的，所述液滴形成 腔室的数量也为一个。在其它实施例中，所述倒U型台阶4的数量也可以为多个，以构建多 个液滴形成腔室。
具体的，所述倒U型台阶4的高度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到 的数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
作为示例，如图9所示，所述倒U型台阶4由三段直线台阶连接而成，在其它实施例中， 所述倒U型台阶4的各段也可以不局限于直线，例如所述倒U型台阶4可以由直线台阶和曲 线台阶组合而成，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，所述倒U型台阶4可以是对所述盖板3进行光刻、刻蚀等工艺得到，也可以 是厚度合适的双面胶。所述倒U型台阶4与所述盖板3的外缘之间具有预设距离，若所述盖 板3与所述导热板2之间采用胶粘连接方式，所述倒U型台阶4的外围区域可以用于点胶水。
具体的，所述盖板3的材质包括但不限于透明或不透明的塑料、玻璃中的任意一种，所 述盖板3还可以采用金属材质。本实施例中，所述盖板3优选采用透明材质。
作为示例，如图10所示，所述导热板2面向所述盖板3的一侧面具有沿所述倒U型台阶4外缘设置的凸台8，所述凸台8对所述盖板3的粘接起了定位作用。本实施例中，所述 凸台8的高度与所述盖板3的厚度相当，当然，所述凸台8的绝对高度并不重要，可以根据 需要进行调整。
作为示例，如图10所示，所述导热板2靠近所述液滴形成腔室开口处逐渐向外延伸，形 成一斜坡9，以扩大所述液滴形成腔室的开口尺寸。所述斜坡9可以为喷射出的液滴预留空 间，防止高速喷出的液滴与已形成的液滴碰撞融合。
作为示例，如图10所示，所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成油注入孔10，所 述液滴形成油注入孔10穿通所述导热板2，与所述液滴形成腔室连通。本实施例中，所述液 滴形成油注入孔10优选设置于所述斜坡9处。
作为示例，如图10所示，所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成腔室排气孔11， 所述液滴形成腔室排气孔11穿通所述导热板2，与所述液滴形成腔室连通。
作为示例，所述液滴喷孔组件5可包括热泡打印芯片。热泡打印技术是打印机领域的一 项主要技术，其基本原理是通过加热将墨滴喷出。本发明中，所述液滴喷孔组件5可采用现 有的热泡打印芯片。
本实施例中，所述液滴喷孔组件5连接于一软性线路板18。请参阅图18至图24，其中， 图18显示为所述液滴喷孔组件5与所述软性线路板18组合的正面立体结构示意图，图19显 示为所述液滴喷孔组件5与所述软性线路板18组合的俯视图，图20显示为所述液滴喷孔组 件5与所述软性线路板18组合的仰视图，图21、图22、图23及图24显示为所述液滴喷孔组件5与所述软性线路板18组合在四个方向上的侧视图。
具体的，所述软性线路板18中设有用于收容所述液滴喷孔组件5的通孔19，且所述软 性线路板18表面设有若干第一连接焊垫(未图示)及若干第二连接焊垫20，所述液滴喷孔 组件5通过导线与所述第一连接焊垫连接，以通过所述软性线路板18将所述液滴喷孔组件5 与外部控制器连接。所述液滴喷孔组件5可以通过标准的打线(Wire Bond)工艺与所述第一 连接焊垫连接。
请参阅图25及图26，其中，图25显示为所述液滴喷孔组件5的立体结构示意图，图26 显示为所述液滴喷孔组件5的局部剖面图。如图25所示，所述液滴喷孔组件5包括若干液滴 喷孔6，所述液滴喷孔6与所述液滴形成腔室连通。本实施例中，所述液滴喷孔6排列成两行，且每行液滴喷孔均匀分布。在其它实施例中，所述液滴喷孔6也可以采用其它排列方式，此处不应过分限制本发明的保护范围。如图26所示，所述液滴喷孔6自所述液滴喷孔组件5的上表面开口，并往所述液滴喷孔组件5的下表面方向延伸，但未贯穿所述液滴喷孔组件5的下表面。作为示例，所述液滴喷孔5的开口形状包括但不限于圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。
具体的，如图26所示，所述液滴喷孔6内设有汽化部件7，用于使所述液滴喷孔6中的 数字PCR溶液液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的液滴形成油中，以形成数字PCR 液滴。其中，所述液滴喷孔6的容积决定了要形成的数字PCR液滴的体积。
作为示例，所述汽化部件7设置于所述液滴喷孔6的底面，所述汽化部件7可以采用加 热部件，通过加热所述数字PCR溶液液体层使其汽化。本实施例中，所述加热部件包括加热 片，所述加热片可以是单层金属层，也可以是复合多层金属层。所述汽化部件7的形状包括 但不限于圆形或方形，面积可以是所述液滴喷孔6底面积的0.5～2倍。在其它实施例中，所 述汽化部件7也可以设置于所述液滴喷孔6的侧壁，此处不应过分限制本发明的保护范围。
如图8所示，所述PCR系统还包括至少一个用于储存数字PCR溶液的PCR试剂腔室12。 如图25所示，所述液滴喷孔组件5中设有流道，所述液滴喷孔6通过所述流道与所述PCR试剂腔室12连通。
作为示例，所述流道包括至少一条主流道13及与所述主流道连接的多条支流道14，每 个所述液滴喷孔6分别与一条所述支流道14连接。图20及图25中显示的为所述液滴喷孔组 件5包括一条主流道13的情形，在其它实施例中，当所述液滴形成腔室的数量为多个时，所 述主流道13的数量也可以相应地为多个。
作为示例，构建所述流道和所述液滴喷孔6的材料包括但不限于硅、聚合物、光刻胶等。
具体的，如图8所示，所述数字PCR系统还包括基座15，所述PCR试剂腔室12设置于所述基座15中。作为示例，所述基座15的材质包括但不限于透明或不透明的塑料、玻璃中的任意一种，所述基座15还可以采用金属材质。
请参阅图27至图33，其中，图27显示为所述基座的正面立体结构示意图，图28显示为所述基座的俯视图，图29显示为所述基座的仰视图，图30、图31、图32及图33显示为 所述基座在四个方向上的侧视图。
具体的，所述PCR试剂腔室12自所述基座15的上表面开口，并往所述基座15的下表面方向延伸，但未贯穿所述基座15的下表面，所述液滴喷孔组件5连接于所述基座15上表面，并覆盖所述PCR试剂腔室12的开口。
具体的，所述基座15的下表面设有至少一个数字PCR溶液注入孔16，所述数字PCR溶 液注入孔16与所述PCR试剂腔室连通。所述基座15的下表面设有至少一个PCR试剂腔室排气孔17，所述PCR试剂腔室排气孔17与所述PCR试剂腔室连通。
具体的，所述软性线路板18连接于所述基座15上方。作为示例，所述软性线路板18通 过胶粘方式与所述基座15连接。如图27及图28所示，本实施例中，所述基座15表面还设有至少一条用于防止胶水流到所述液滴喷孔组件5上的沟道21，所述沟道21分布于所述液滴喷孔组件5的外周。
本实施例中，所述基座15表面具有一用于收容软性线路板的下沉式平台35，且所述下 沉式平台35的四角具有圆弧形的延伸空间，所述下沉式平台35四周的凸起36在所述软性线 路板黏贴到所述下沉式平台35表面时起到定位作用。
如图19所示，所述软性线路板18中设有至少两个定位穿孔22，如图28所示，所述基座15表面设有与所述定位穿孔22位置相对应的定位凸起23。
具体的，所述数字PCR系统还包括一控制器24，请参阅图34，显示为所述控制器24的 立体结构示意图，所述控制器24包括控制器外壳25及位于所述控制器外壳25内的控制器电 路板(未图示)。本实施例中，所述控制器24还包括一机盖32，所述机盖32与所述控制器 外壳25连接，用于遮盖所述基座15，为PCR反应提供一遮光环境。
请参阅图35，显示为所述机盖32被拿掉后所呈现的控制器俯视图，可见所述控制器外 壳25具有用于放置所述基座的承载部26，所述承载部26表面设有若干与所述控制器电路连 接板连接的电路连接导电针27(也称为Pin)，且所述电路连接导电针27与所述第二连接焊 垫20的位置相对应。
请参阅图36，显示为本发明的数字PCR系统中控制器外壳底板被拿掉后所呈现的控制器 仰视图，其中，所述承载部26背面设有若干与所述电路连接导电针27相对应的电路板连接 点37，控制器电路板可通过所述电路板连接点37输出信号至所述电路连接导电针27。
具体的，如图27所示，所述基座15的一端设置有至少一个限位槽28，如图35所示，所述控制器外壳25设置有至少一个与所述限位槽28相对应的限位件29。所述限位件29可采用弹簧柱塞。
具体的，如图27所示，所述基座15设置有一限位通孔30，所述限位通孔30贯穿所述基座15的正面及背面，如图35所示，所述控制器外壳25设置有与所述限位通孔30相对应 的限位件31。所述限位件31可采用弹簧柱塞。
具体的，所述数字PCR系统还包括用于加热或冷却所述液滴形成腔室的外置半导体制冷 器，以提供特定温度的反应条件。半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)是利用半 导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成 的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的 半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组)， 它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的 热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧，这就是TEC的加热 与制冷原理。
作为示例，请参阅图37，所述外置半导体制冷器33设置于控制器外壳25中，并位于所 述液滴形成组件1的导热板2一侧。本实施例中，所述外置半导体制冷器还具有一风扇34， 其中，所述风扇34在所述外置半导体制冷器制冷的时候用来给“热”侧降温，在所述外置半 导体制冷器加热时用来给“冷”侧升温。如图37所示，所述风扇34旁还设置有通风口34。 图37中还显示了外壳支撑结构16。
具体的，所述数字PCR系统还包括用于测试所述液滴形成腔室温度的外置温度传感器。 作为示例，所述外置温度传感器设置于所述外置半导体制冷器与所述导热板接触的表面。
进一步的，所述数字PCR系统还配置有光学检测系统，用于在不转移样品的情况下进行 PCR信号收集检测。光学系统的主要部分包括：荧光光源、明场光源、控制电路、光学放大 的镜片组、荧光滤光片、CCD相机、用来移动镜头的滑台系统，以及用来避光的外壳。光学系统的照相拍摄区域是盖板的整个面积。这种拍摄可以是一次成像或者多次拍摄并拼接图片。
本发明的数字PCR系统可用于数字PCR液滴的形成，液滴的快速形成依赖于液滴喷孔 内的汽化部件对纳米级厚度液体层的瞬间汽化，从而将液滴喷孔中的数字PCR溶液快速推入 液滴形成油中以形成数字PCR液滴，相比于市面上每秒钟100个液滴的形成速度，本发明中 的液滴形成技术可以实现大于1000个每秒的液滴形成速度。相比于油相与水相共同运动产生 液滴的方法，本发明的技术方案中的油相是静态的，因此油相的消耗量被大大减少，减少了 50％左右的油相用量。可以利用外置半导体制冷器对液滴形成腔室进行精确的温控，因此实 现了原位温控PCR。而且整合的光学系统可以在不转移样品的情况下进行检测。这既减少了 操作时间，也通过减少人为误差提高了检测的准确性。原位数字PCR液滴可平铺成一层的结 构。
实施例二
本发明还提供一种数字PCR液滴形成方法，包括以下步骤：采用汽化部件使数字PCR 溶液汽化并快速推入液滴形成油中，以形成数字PCR液滴。
作为示例，使用热泡技术进行高速数字PCR液滴形成，所述汽化部件包括加热部件，通 过加热所述数字PCR溶液液体层使其汽化。
具体的，通过控制所述加热部件的发热时间、发热次数及发热间隔时间来控制所述数字 PCR液滴的形成速度。利用本发明的数字PCR液滴形成方法可以达到大于1000个/秒的数字 PCR液滴形成速度。
作为示例，所述数字PCR液滴形成方法包括以下步骤：
S1：向PCR试剂腔室内注入数字PCR溶液，使数字PCR溶液进入与所述PCR试剂腔室连通的液滴喷孔，形成液体层；
S2：向液滴形成腔室中添加液滴形成油，其中，所述液滴形成腔室由导热板、盖板及设 置于所述盖板的一侧面的倒U型台阶共同围成；
S3：采用汽化部件使所述液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的所述液滴形成油 中，以形成所述数字PCR液滴。
具体的，所述液体层的厚度为纳米级，且大于0.2nm，本实施例中，所述液体层的厚度 范围优选为0.2nm～30000nm。
具体的，所述液滴形成腔室的厚度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到 的数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
具体的，向液滴形成腔室中添加液滴形成油之后，并且在将液滴喷孔组件(例如热泡打 印芯片)放入控制器前，采用胶塞或封口膜等密封件将设置于液滴形成腔室壁上的液滴形成 油注入孔封闭。
具体的，待所述PCR试剂腔室内的数字PCR溶液完全推入所述液滴形成腔室中形成数 字PCR液滴后，将所述PCR试剂腔室用液滴形成油填充，使所述PCR试剂腔室处于填充状态，以避免形成的液滴回流至所述PCR试剂腔室。随后可以采用密封件将设置于液滴形成腔室壁上的液滴形成腔室排气孔、设置于PCR试剂腔室壁上的数字PCR溶液注入孔及PCR试 剂腔室排气孔密封。所述密封件包括但不限于胶塞、封口膜、胶圈环、密封用软垫等。所述 密封件可以采用橡胶、PDMS等软塑料材质。
具体的，进行上述密封之后，利用外置半导体制冷器对所述液滴形成腔室进行升温或降 温，将所述液滴形成腔室控制在进行PCR所需的温度，实现原位温控PCR。
具体的，还可以利用整合的光学系统可以在不转移样品的情况下进行PCR信号收集检测。
请参阅图38，显示为利用本发明的数字PCR系统形成的数字PCR液滴的光学显微镜图， 可见，形成的数字PCR液滴形态对称，均匀。
通过使用标准的数字PCR形成液滴后，通过原位的常规PCR温控反应，经过40个循环 后，可见有荧光信号的阳性液滴。请参阅图39，显示为利用本发明的数字PCR系统形成的数 字PCR液滴的荧光图。
本发明的数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法可以满足所有数字PCR生化试剂的使 用。由于许多的生物标志性分子在血液中的浓度非常低(如循环肿瘤DNA在每2ml血液中只有3个DNA分子)，而本发明的数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法具有液滴形成数 量不受使用油量的限制的特点和高速的特点，使得这类检测在数字PCR的应用成为了可能。
综上所述，本发明的数字PCR系统及数字PCR液滴形成方法使用热泡技术进行高速数 字PCR液滴形成，液滴的快速形成依赖于液滴喷孔内的汽化部件对纳米级厚度液体层的瞬间 加热汽化，从而将液滴喷孔中的数字PCR溶液快速推入液滴形成油中以形成数字PCR液滴， 相比于市面上每秒钟100个液滴的形成速度，本发明中的液滴形成技术可以实现大于1000个 每秒的液滴形成速度。相比于油相与水相共同运动产生液滴的方法，本发明的技术方案中的 油相是静态的，因此油相的消耗量被大大减少，减少了50％左右的油相用量。可以利用外置 半导体制冷器对液滴形成腔室进行精确的温控，因此实现了原位温控PCR。而且整合的光学 系统可以在不转移样品的情况下进行检测。这既减少了操作时间，也通过减少人为误差提高 了检测的准确性。原位数字PCR液滴可平铺成一层的结构。所以，本发明有效克服了现有技 术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (37)

1.一种数字PCR系统，其特征在于，包括：
液滴形成组件，包括导热板及盖板，所述盖板的一侧面设有至少一个倒U型台阶，所述导热板、所述盖板及所述倒U型台阶共同围成底部开口的液滴形成腔室；
液滴喷孔组件，连接于所述液滴形成组件下方，包括若干液滴喷孔，所述液滴喷孔自所述液滴喷孔组件的上表面开口，并往所述液滴喷孔组件的下表面方向延伸，但未贯穿所述液滴喷孔组件的下表面，所述液滴喷孔与所述液滴形成腔室连通，且所述液滴喷孔内设有汽化部件，用于使所述液滴喷孔中的数字PCR溶液液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的液滴形成油中，以形成数字PCR液滴。
2.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述液滴喷孔组件包括热泡打印芯片。
3.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述倒U型台阶的高度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到的数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
4.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述导热板面向所述盖板的一侧面具有沿所述倒U型台阶外缘设置的凸台。
5.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述导热板靠近所述液滴形成腔室开口处逐渐向外延伸，形成一斜坡，以扩大所述液滴形成腔室的开口尺寸。
6.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成油注入孔，所述液滴形成油注入孔穿通所述导热板，与所述液滴形成腔室连通。
7.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述液滴形成组件还包括至少一个液滴形成腔室排气孔，所述液滴形成腔室排气孔穿通所述导热板，与所述液滴形成腔室连通。
8.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述汽化部件设置于所述液滴喷孔的底面或侧壁。
9.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述液滴喷孔的开口形状包括圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述汽化部件包括加热部件，通过加热所述数字PCR溶液液体层使其汽化。
11.根据权利要求10所述的数字PCR系统，其特征在于：所述加热部件包括至少一层金属层。
12.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述PCR系统还包括至少一个用于储存数字PCR溶液的PCR试剂腔室，所述液滴喷孔组件中设有流道，所述液滴喷孔通过所述流道与所述PCR试剂腔室连通。
13.根据权利要求12所述的数字PCR系统，其特征在于：所述流道包括至少一条主流道及与所述主流道连接的多条支流道，每个所述液滴喷孔分别与一条所述支流道连接。
14.根据权利要求12所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还包括基座，所述PCR试剂腔室自所述基座的上表面开口，并往所述基座的下表面方向延伸，但未贯穿所述基座的下表面，所述液滴喷孔组件连接于所述基座上表面，并覆盖所述PCR试剂腔室的开口。
15.根据权利要求14所述的数字PCR系统，其特征在于：所述基座的下表面设有至少一个数字PCR溶液注入孔，所述数字PCR溶液注入孔与所述PCR试剂腔室连通。
16.根据权利要求14所述的数字PCR系统，其特征在于：所述基座的下表面设有至少一个PCR试剂腔室排气孔，所述PCR试剂腔室排气孔与所述PCR试剂腔室连通。
17.根据权利要求14所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还包括软性线路板，所述软性线路板连接于所述基座上方，所述软性线路板中设有用于收容所述液滴喷孔组件的通孔，且所述软性线路板表面设有若干第一连接焊垫及若干第二连接焊垫，所述液滴喷孔组件通过导线与所述第一连接焊垫连接。
18.根据权利要求17所述的数字PCR系统，其特征在于：所述软性线路板通过胶粘方式与所述基座连接。
19.根据权利要求18所述的数字PCR系统，其特征在于：所述基座表面设有至少一条用于防止胶水流到所述液滴喷孔组件上的沟道，所述沟道分布于所述液滴喷孔组件的外周。
20.根据权利要求17所述的数字PCR系统，其特征在于：所述软性线路板中设有至少两个定位穿孔，所述基座表面设有与所述定位穿孔位置相对应的定位凸起。
21.根据权利要求14所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还包括一控制器，所述控制器包括控制器外壳及位于所述控制器外壳内的控制器电路板，所述控制器外壳具有用于放置所述基座的承载部，所述承载部表面设有若干与所述控制器电路连接板连接的电路连接导电针，且所述电路连接导电针与所述第二连接焊垫的位置相对应。
22.根据权利要求21所述的数字PCR系统，其特征在于：所述基座的一端设置有至少一个限位槽，所述控制器外壳设置有至少一个与所述限位槽相对应的限位件。
23.根据权利要求21所述的数字PCR系统，其特征在于：所述基座设置有一限位通孔，所述限位通孔贯穿所述基座的正面及背面，所述控制器外壳设置有与所述限位通孔相对应的限位件。
24.根据权利要求21所述的数字PCR系统，其特征在于：所述控制器还包括一机盖，所述机盖与所述控制器外壳连接，用于遮盖所述基座。
25.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还包括用于加热或冷却所述液滴形成腔室的外置半导体制冷器。
26.根据权利要求25所述的数字PCR系统，其特征在于：所述外置半导体制冷器具有一风扇。
27.根据权利要求25所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还包括用于测试所述液滴形成腔室温度的外置温度传感器。
28.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述数字PCR系统还配置有光学检测系统，用于在不转移样品的情况下进行PCR信号收集检测。
29.根据权利要求1所述的数字PCR系统，其特征在于：所述盖板采用透明材质。
30.一种数字PCR液滴形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
向PCR试剂腔室内注入数字PCR溶液，使数字PCR溶液进入与所述PCR试剂腔室连通的液滴喷孔，形成液体层；
向液滴形成腔室中添加液滴形成油，其中，所述液滴形成腔室由导热板、盖板及设置于所述盖板的一侧面的倒U型台阶共同围成；
采用汽化部件使所述液体层汽化并快速推入所述液滴形成腔室中的所述液滴形成油中，以形成所述数字PCR液滴。
31.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：所述汽化部件包括加热部件，通过加热所述液体层使其汽化。
32.根据权利要求31所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：通过控制所述加热部件的发热时间、发热次数及发热间隔时间来控制所述数字PCR液滴的形成速度。
33.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：所述液体层的厚度范围是0.2nm～30000nm。
34.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：所述液滴形成腔室的厚度小于欲形成的数字PCR液滴的直径的2倍，以使得到的数字PCR液滴在所述液滴形成腔室内平铺成一层的结构。
35.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：待所述PCR试剂腔室内的数字PCR溶液完全推入所述液滴形成腔室中形成数字PCR液滴后，将所述PCR试剂腔室用液滴形成油填充。
36.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：利用外置半导体制冷器对所述液滴形成腔室进行升温或降温。
37.根据权利要求30所述的数字PCR液滴形成方法，其特征在于：所述数字PCR液滴的形成速度大于1000个/秒。
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