CN110841734A - 一种数字pcr装置及其单泵液滴生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单泵液滴生成系统，包括单泵、与所述单泵的输出端相连并用于注射水相的水相注射器、与所述水相注射器的注射头连通的导流管、用于夹持所述导流管并调节其末端高度的调节机构、集液瓶、设置于所述集液瓶内并用于盛装油相的离心管，所述导流管的末端伸入到所述离心管内，且所述导流管的末端与所述离心管的底端保持用于生成预设尺寸液滴的预设距离。如此，通过单泵作为动力源驱动水相注射器往导流管内注射水相，再在离心管内盛装油相，使注射出的水相与油相混合生成反应所需液滴，能够在顺利实现数字PCR液滴生成的基础上，降低设备的空间占用和系统结构复杂度，同时缩减研究成本。本发明还公开一种数字PCR装置，其有益效果如上所述。

Description

一种数字PCR装置及其单泵液滴生成系统
技术领域
本发明涉及PCR技术领域，特别涉及一种单泵液滴生成系统。本发明还涉及一种数字PCR装置。
背景技术
目前，基于微流控技术的数字聚合酶链式反应(PCR，Polymerase ChainReaction)装置在核酸分子绝对定量领域的应用愈发广泛，因此数字PCR装置也需要满足各种工作环境的需求。
现有的数字PCR装置需要分成独立的三个部分来进行，即液滴生成、扩增反应、荧光检测及数字统计，三个独立的部分体积相对较大，无法满足各种环境的需求。而所有的商业数字PCR装置以及大部分实验室自制的液滴生成装置都需要通过两个泵来实现，一个泵控制油相，另一个泵控制水相。这种通过两个泵来独立控制水相与油相的装置需要复杂的控制机制，设备专业性较强，但是却大幅增加了整个体系的体积，成本也过于高昂，不利于开展PCR基础科研工作。同时，通过两个泵分别控制水相和油相来生成混合液滴的方式，对于液滴的尺寸等重要参数难以精确控制，需要同时协调控制两个泵的多种运行参数，影响因素太多。
因此，如何在顺利实现PCR液滴生成的基础上，方便地控制生成液滴的尺寸参数，降低设备的空间占用和系统结构复杂度，同时缩减研究成本，是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单泵液滴生成系统，能够在顺利实现PCR液滴生成的基础上，方便地控制生成液滴的尺寸参数，降低设备的空间占用和系统结构复杂度，同时缩减研究成本。本发明的另一目的是提供一种数字PCR装置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种单泵液滴生成系统，包括单泵、与所述单泵的输出端相连并用于注射水相的水相注射器、与所述水相注射器的注射头连通的导流管、用于夹持所述导流管并调节其末端高度的调节机构、集液瓶、设置于所述集液瓶内并用于盛装油相的离心管，所述导流管的末端伸入到所述离心管内，且所述导流管的末端与所述离心管的底端保持用于生成预设尺寸液滴的预设距离。
优选地，所述单泵对所述水相注射器内的水相灌注速度可调。
优选地，所述导流管具体为柔性管。
优选地，所述单泵具体为注射泵或恒压泵。
优选地，所述集液瓶具体为西林瓶。
优选地，还包括底座和设置于所述底座上的若干根支架，且所述集液瓶安装于所述底座表面上，所述调节机构安装于各根所述支架上。
优选地，所述调节机构包括设置于各根所述支架顶端的调节螺母，以及与所述调节螺母螺纹连接且内部用于夹持所述导流管的调节螺栓。
优选地，所述导流管的外围上套设有连接器，且所述连接器的外壁紧密抵接在所述调节螺栓的内孔中。
优选地，所述调节螺栓的侧壁上开设有通孔，且所述通孔中螺纹连接有用于调节对所述连接器外壁的预紧力的顶丝杆。
本发明还提供一种数字PCR装置，包括单泵液滴生成系统、扩增反应系统和荧光检测系统，其中，所述单泵液滴生成系统具体为上述任一项所述的单泵液滴生成系统。
本发明所提供的单泵液滴生成系统，主要包括单泵、水相注射器、导流管、集液瓶、离心管和调节机构。其中，单泵为单一动力源，其输出端与水相注射器相连，主要用于将水相(PCR试剂)通过动力灌注到水相注射器中。水相注射器的注射头与导流管连通，主要用于将灌注的水相按照一定速度和频率注射到导流管中，使得水相沿着导流管流动。导流管的末端一直延伸到离心管中，离心管安装在集液瓶中，而离心管主要用于盛装一定量的油相，将离心管的管壁隔离，以避免离心管的管壁破坏液滴，保证水相在离心管内均匀乳化，从而顺利得到所需液滴。重要的是，导流管的末端伸入到离心管中时，需要在导流管的末端与离心管的底端之间保持预设距离，从而使得两者并不直接接触。当水相注射器将水相从导流管的末端往外注射时，可以在静止的油相进行乳化，从而将水相离散成均匀的小液滴。同时，液滴的尺寸为重要参数，主要跟导流管的末端与离心管的底端距离相关，而调节机构夹持住导流管，并可调节导流管的末端高度，从而调节导流管的末端与离心管的底端之间的距离，进而方便地控制生成液滴的尺寸参数。相比于现有技术，本发明所提供的单泵液滴生成系统，通过单泵作为单一动力源驱动水相注射器往导流管内注射水相，再在离心管内盛装油相，使注射出的水相在油相内乳化，得到数字PCR所需液滴，无需使用双泵动力泵，也无需使用专业设备，能够在顺利实现PCR液滴生成的基础上，减小设备体积，降低系统结构复杂度，提高系统反应时间，同时缩减研究成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
图2为图1的局部结构放大示意图。
图3为图2中所示A圈的放大结构示意图。
其中，图1—图3中：
单泵—1，水相注射器—2，导流管—3，集液瓶—4，离心管—5，底座—6，支架—7，调节螺母—8，调节螺栓—9，连接器—10，顶丝杆—11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，单泵液滴生成系统主要包括单泵1、水相注射器2、导流管3、集液瓶4、离心管5和调节机构。其中，单泵1为单一动力源，其输出端与水相注射器2相连，主要用于将水相(PCR试剂)通过动力灌注到水相注射器2中。在关于单泵1的一种优选实施例中，该单泵1具体可为注射泵、恒压泵或其余微泵。
水相注射器2的注射头与导流管3连通，主要用于将灌注的水相按照一定速度和频率注射到导流管3中，使得水相沿着导流管3流动。在关于水相注射器2的一种优选实施例中，该水相注射器2具体可为玻璃注射器，并且其容量一般可为1mL。一般的，单泵1可沿长度方向分布在地面上，而水相注射器2可水平布置在单泵1的前后两端，同时注射头可延伸出单泵1的末端之外，方便与导流管3连通。
导流管3的首端与水相注射器2的注射头连通，而其末端一直延伸到离心管5中，离心管5安装在集液瓶4中，而离心管5主要用于盛装一定量的油相，避免连续的水相在乳化过程中与离心管5内壁直接接触，造成液滴的破损。一般的，离心管5的容量可为200μL，而集液瓶4的容量可为5mL。同时，集液瓶4具体可采用西林瓶等。
重要的是，导流管3的末端伸入到离心管5中时，需要在导流管3的末端与离心管5的底端之间保持预设距离(图3所示H)，从而使得两者并不直接接触。当水相注射器2将水相从导流管3的末端往外注射时，水相将在静止的油相乳化，从而离散成均匀的小液滴。同时，液滴的尺寸为重要参数，主要跟导流管3的末端与离心管5的底端距离相关，而调节机构夹持住导流管3，并可调节导流管3的末端高度，从而调节导流管3的末端与离心管5的底端之间的距离，进而方便地控制生成液滴的尺寸参数。
相比于现有技术，本实施例所提供的单泵液滴生成系统，通过单泵1作为单一动力源驱动水相注射器2往导流管3内注射水相，再在离心管5内盛装油相间隔开管壁，使注射出的水相在油相乳化，得到数字PCR所需液滴，无需使用双泵动力泵，也无需使用专业设备，能够在顺利实现PCR液滴生成的基础上，减小设备体积，降低系统结构复杂度，提高系统反应时间，同时缩减研究成本。
如图2和图3所示，图2为图1的局部结构放大示意图，图3为图2中所示A圈的放大结构示意图。
在另一种具体实施方式中，本实施例还增设了底座6和支架7。其中，底座6具体可设置在单泵1的侧边位置，支架7设置在底座6的表面上，并且可同时设置多根。一般的，底座6可呈方板状，而各根支架7也沿着底座6的四角放置，并且为了方便拆装，各根支架7的底端可通过螺钉等紧固件与底座6的表面形成可拆卸连接。同时，集液瓶4可安装在底座6的表面上，比如表面中心区域等。而调节机构可安装在各根支架7的顶端上，由各根支架7进行支撑，可为底部的集液瓶4留出足够的安装空间。
在关于调节机构的一种优选实施方式中，该调节机构主要包括调节螺母8和调节螺栓9。其中，调节螺母8设置在各根支架7的顶端表面上，两者之间可通过螺钉等紧固件互相连接。调节螺栓9可与调节螺母8配合拧动，但由于调节螺母8连接在各根支架7上，无法进行周向旋转，因此调节螺栓9与调节螺母8之间将形成螺纹传动，即调节螺栓9在与调节螺母8配合时，可将旋转运动转化为轴向运动。
接上述，调节螺栓9的内部沿轴向开设有内孔，使得调节螺栓9的内部沿轴向导通，而调节螺栓9的内孔主要用于与导流管3配合安装。具体的，导流管3的末端可从调节螺栓9的内孔顶端伸入，并一直穿过内孔从调节螺栓9的底端伸出，直至伸入到离心管5内。在内孔中，调节螺栓9的内壁夹紧导流管3的外壁，将其夹紧固定。如此设置，由于调节螺栓9的轴向运动一般即为垂向运动，因此通过调节螺栓9与调节螺母8之间的配合深浅程度调节，即可方便地实现导流管3末端的高度调节。
进一步的，考虑到导流管3的直径较小，而调节螺栓9的内孔直径较大，为保证调节螺栓9能够稳定夹持导流管3，本实施例在导流管3的外围上套设了连接器10。具体的，该连接器10可为1/32直通管，其直径可以随时更换，并且与调节螺栓9的内孔直径更为接近，能够更加方便地进行夹紧。同时，连接器10还能固定住导流管3，防止导流管3产生晃动。
更进一步的，本实施例还在调节螺栓9的侧壁上开设有通孔，并且在该通孔中插设顶丝杆11。具体的，该顶丝杆11与调节螺栓9的通孔之间为螺纹连接，可以将顶丝杆11拧紧在通孔中，并且可以方便地调节顶丝杆11的末端伸入到通孔中的距离。如此设置，通过顶丝杆11的作用，可利用其末端将调节螺栓9的内孔中的连接器10及导流管3紧密抵接，防止松动，保证调节机构对导流管3末端高度调节的精确性。
在关于导流管3的一种优选实施方式中，为方便调节机构对导流管3的末端高度进行调节，本实施例中，导流管3具体可为柔性管，比如可溶性聚四氟乙烯管(PFA)、聚四氟乙烯管(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物管(FEP)或聚氯乙烯管(PVC)等。
另外，液滴生成的尺寸参数控制因素并不仅限于前述导流管3末端与离心管5底端的距离，还包括单泵1的灌注速度和导流管3的孔径。其中，单泵1的灌注速度决定了水相在导流管3内的运动速度，从而决定了导流管3末端的水相推出速度。对于单泵1而言，本实施例中可通过伺服器对单泵1的工况参数进行控制调节，从而方便地控制单泵1对水相注射器2的灌注速度。对于导流管3而言，只需事先准备不同管径的导流管3，再根据反应需要进行更换即可。
本实施例还提供一种数字PCR装置，主要包括单泵液滴生成系统、扩增反应系统和荧光检测系统，其中，该单泵液滴生成系统的具体内容与上述相关内容相同，此处不再赘述。
此外，本实施例所提供的单泵液滴生成系统还可以应用于包括高通量数字PCR在内的数字芯片实验室领域，并且该数字芯片实验室应用领域涵盖PCR，还可以包括其余诸如高通量单细胞测序编码、高通量微液滴之中细菌培养等各种应用领域。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单泵液滴生成系统，其特征在于，包括单泵(1)、与所述单泵(1)的输出端相连并用于注射水相的水相注射器(2)、与所述水相注射器(2)的注射头连通的导流管(3)、用于夹持所述导流管(3)并调节其末端高度的调节机构、集液瓶(4)、设置于所述集液瓶(4)内并用于盛装油相的离心管(5)，所述导流管(3)的末端伸入到所述离心管(5)内，且所述导流管(3)的末端与所述离心管(5)的底端保持用于生成预设尺寸液滴的预设距离。
2.根据权利要求1所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述单泵(1)对所述水相注射器(2)内的水相灌注速度可调。
3.根据权利要求2所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述导流管(3)具体为柔性管。
4.根据权利要求3所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述单泵(1)具体为注射泵或恒压泵。
5.根据权利要求4所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述集液瓶(4)具体为西林瓶。
6.根据权利要求1-5任一项所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，还包括底座(6)和设置于所述底座(6)上的若干根支架(7)，且所述集液瓶(4)安装于所述底座(6)表面上，所述调节机构安装于各根所述支架(7)上。
7.根据权利要求6所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述调节机构包括设置于各根所述支架(7)顶端的调节螺母(8)，以及与所述调节螺母(8)螺纹连接且内部用于夹持所述导流管(3)的调节螺栓(9)。
8.根据权利要求7所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述导流管(3)的外围上套设有连接器(10)，且所述连接器(10)的外壁紧密抵接在所述调节螺栓(9)的内孔中。
9.根据权利要求8所述的单泵液滴生成系统，其特征在于，所述调节螺栓(9)的侧壁上开设有通孔，且所述通孔中螺纹连接有用于调节对所述连接器(10)外壁的预紧力的顶丝杆(11)。
10.一种数字PCR装置，包括单泵液滴生成系统、扩增反应系统和荧光检测系统，其特征在于，所述单泵液滴生成系统具体为权利要求1-9任一项所述的单泵液滴生成系统。
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