CN110872555B - Pcr离心微流控装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PCR离心微流控装置，包括：芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应腔，及恒温块，温度各不相同并间隔设置在所述芯片上，所述恒温块与所述反应腔一一对应、并相对所述反应腔固定；其中，所述试剂能够在不同所述反应腔之间流动而做周期性切换，不同的恒温块交替对试剂进行加热。这种以空间上的温度循环来代替传统时间上的温度循环的方式，能够降低试剂的PCR反应一个周期所需要的时间，提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这一方面大幅降低了温度升降控制的技术难度，另一方面恒温块提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，确保试剂的PCR反应效果。

Description

PCR离心微流控装置及其方法

技术领域

本发明涉及聚合酶链式反应技术领域，特别是涉及一种PCR离心微流控装置及其方法。

背景技术

聚合酶链式反应简称PCR(Polymerase Chain Reaction)，PCR是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，该方式涉及到微流控装置的运用，即微流控装置使反应液试剂在不同阶段通过不同温度加热等步骤进行周期性循环处理，继而使目的DNA得以迅速扩增。PCR具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点；它不仅可用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基础研究，还可用于疾病的诊断。

一般地，传统的微流控装置通过空气对芯片进行加热以实现PCR反应，一方面，由于空气加热不均匀，不同区域温度不能很快达到一致，导致温度控制难以保证。另一方面，较大的加热空间无法实现温度的快速升降，使得PCR反应时间较长。

发明内容

本发明解决的一个技术问题是如何在确保温度控制精度的基础上提高PCR反应效率。

一种PCR离心微流控装置，包括：

芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应腔，及

恒温块，温度各不相同并间隔设置在所述芯片上，所述恒温块与所述反应腔一一对应、并相对所述反应腔固定；

其中，所述试剂能够在不同所述反应腔之间流动而做周期性切换，不同的恒温块交替对试剂进行加热。

在其中一个实施例中，所述芯片能够绕旋转中心转动，各个反应腔之间相互连通且到所述旋转中心的距离不相等，所述芯片上还设置有用于容置气体的气体流通腔，所述气体流通腔与距离旋转中心最远的反应腔连通；当芯片以不同速度转动时，气体能够占据或退出部分所述反应腔，使得试剂能够在不同所述反应腔之间切换。

在其中一个实施例中，所述芯片上还设置有用于为所述反应腔中注入试剂的注液腔，所述注液腔与距离旋转中心最近的反应腔连通。

在其中一个实施例中，各个所述反应腔的几何中心均排列在同一直线上。

在其中一个实施例中，所述直线通过所述芯片的旋转中心。

在其中一个实施例中，所述反应腔的横断面呈S形或W形。

在其中一个实施例中，所述芯片上还设置有呈直线形的连通腔，所述连通腔用于连通相邻两个反应腔。

在其中一个实施例中，所述芯片上还设置有注气腔，所述注气腔与气体流通腔远离所述反应腔的一端连通，所述注气腔的横截面尺寸大于所述气体流通腔的横截面尺寸。

在其中一个实施例中，所述恒温块包括第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块，所述第一恒温块的温度最高，所述第二恒温块的温度最低；在一个周期内，试剂依次流经第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块各自分别所对应的反应腔。

一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应，包括如下步骤：

提供芯片，在芯片上设置距离芯片的旋转中心远近不同的反应腔，在芯片上还设置体积恒定的气体流通腔，将该气体流通腔与距离芯片的旋转中心最远的反应腔连通；

在反应腔中注入设定剂量的试剂，并在气体流通腔通入一定量的气体；

通过不同温度的恒温块分别对各个反应腔加热；

以不同的转速转动芯片，使得气体压缩或膨胀并为试剂提供转动的向心力，试剂在不同反应腔之间流动而做周期性切换、并通过不同的恒温块加热；及

当试剂在反应腔之间的循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。

本发明的一个实施例的一个技术效果是：在不同时间段内通过温度不同的多个恒温块对反应腔加热，这种以空间上的温度循环来代替传统时间上的温度循环的方式，使得试剂的PCR反应时间不再依赖于反应腔升温和降温的快慢，从而能够降低试剂的PCR反应一个周期所需要的时间，提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这一方面大幅降低了温度升降控制的技术难度，另一方面恒温块能更好地保证温度分布的均匀一致性，提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，也提高了试剂加热的均匀性，确保试剂的PCR反应效果。

附图说明

图1为一实施例提供的PCR离心微流控装置的分解示意图；

图2为图1的PCR离心微流控装置的俯视示意图；

图3为图1中恒温块安装的结构示意图；

图4为一实施例提供的PCR离心微流控方法的流程框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

同时参阅图1至图3，本发明一实施例提供的PCR离心微流控装置10包括芯片100和恒温块，芯片100上设置有至少两个反应腔110，各个反应腔110用于盛装待进行PCR反应的试剂。恒温块200的数量与反应腔110的数量相同，恒温块200与反应腔110一一对应，并且恒温块200相对反应腔110固定设置，即恒温块200固定在芯片100上，恒温块200只能跟随芯片100同步运动，恒温块200与反应腔110之间不会产生相对运动。各个恒温块200之间相互间隔设置且温度各不相同，温度不同的恒温块200能够分别对不同的反应腔110进行加热，当试剂在不同反应腔110之间流动而做周期性切换时，温度不同的恒温块200交替对试剂进行加热。

相较于传统的PCR反应模式——即同一加热器在不同时间段内通过温度的升降以实现对反应腔110的加热，这种以空间上的温度循环(即在不同时间段内通过温度不同的多个恒温块200对反应腔110加热)来代替传统时间上的温度循环的方式，使得试剂的PCR反应时间不再依赖于反应腔110(加热器)升温和降温的快慢，从而能够降低试剂的PCR反应一个周期所需要的时间，提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这一方面大幅降低了温度升降控制的技术难度，另一方面恒温块200能更好地保证温度分布的均匀一致性，提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，也提高了试剂加热的均匀性，确保试剂的PCR反应效果。

同时参阅图1和图2，在一些实施例中，芯片100上还设置有气体流通腔120，气体流通腔120用于容置气体。芯片100能够绕旋转中心101转动。各个反应腔110之间相互连通，同时，各个反应腔110到旋转中心101的距离互不相等，气体流通腔120与距离旋转中心101最远的反应腔110连通。芯片100能够以不同速度转动，气体流通腔120中的气体能够产生气压力，该气压力为试剂的转动提供向心力。当芯片100以较低的速度转动时，试剂位于距离旋转中心101较近的反应腔110中，气体填充在气体流通腔120和距离旋转中心101较远的反应腔中，即气体占据全部气体流通腔120和为数较多的反应腔110，气体的体积较大，气压力较小，该较小的气压力刚好满足做低速圆周运动的试剂所需的向心力。相反，当芯片100以较高的速度转动时，试剂位于距离旋转中心101较远的反应腔110中，气体退出部分反应腔110，即气体占据全部气体流通腔120和为数较少的反应腔，此时，气体被压缩而导致体积变小，气压力增大，该较大的气压力刚好满足做高速圆周运动的试剂所需的向心力。

因此，通过不同的速度转动芯片100，气体通过压缩或膨胀而为试剂提供较大或较小的向心力，在气体压缩或膨胀的过程中，使得试剂占据不同的反应腔110，实现试剂在不同反应腔110中的切换，最终实现不同温度的恒温块200对试剂在不同时间段的加热。

在一些实施例中，芯片100上还设置有注液腔140，连通腔130和注气腔150。注液腔140用于向反应腔110中加入试剂，注液腔140的横截面尺寸较大，以便以较快的速度将试剂通过注液腔140流入反应腔110中，注液腔140与距离旋转中心101最近的反应腔110连通，当然，注液腔140也可以与其它反应腔110连通。连通腔130能够将相邻两个反应腔100连通，以便试剂通过连通腔130在不同反应腔110之间切换。连通腔130呈直线型，可以减少试剂通过连通腔130的沿程阻力，顺利实现试剂在同反应腔110之间切换。注气腔150与气体流通腔120远离反应腔110的一端连通，注气腔150的横截面尺寸大于气体流通腔120的横截面尺寸，以便以较快的速度将气体通过注气腔150流入反应腔110中。

各个反应腔110在芯片100上所处的位置可以刚好排列在同一直线102上，即反应腔110的几何中心均排列在同一直线102上，这样能尽量减少试剂在各个反应腔110之间切换的流动阻力，提高切换效率和降低反应周期，当然，反应腔110的几何中心均也可以排列在一条折线上。同时，该直线102可以刚好通过芯片100的旋转中心101，当芯片100为圆形时，该直线102与芯片100的直径重合；当该直线102不通过芯片100的旋转中心101时，该直线102与芯片100的一条弦重合。

在一些实施例中，反应腔110的横断面呈S形或W形，当然，反应腔110还可以呈其它形状的弯曲方式。将反应腔110的横断面设置为S形或W形等弯曲形状，一方面可以加大反应腔110的存储空间，也使得试剂的受热面积增大，提高加热效率以降低反应周期；另一方面可以起到密封和防泄漏的作用，即有效防止气体经过反应腔110泄露至注液腔140中，避免反应腔110的试剂承受两个作用力相反的气压力，因此，当试剂位于旋转中心101较远的反应腔110中时，可以相对减低芯片100的转速，从而节约能源。

恒温块200和反应腔110的数量可以均为三个，反应腔110设置在芯片100的上表面，恒温块200设置在芯片100的下表面，例如，恒温块200固定在安装板240上，安装板240贴附在芯片100的下表面，使得恒温块200与反应腔110一一对应。三个恒温块200分别记为第一恒温块210、第二恒温块220和第三恒温块230；第一恒温块210的温度最高(94℃左右)，第三恒温块230的温度次之(72℃左右)，第二恒温块220的温度最低(55℃左右)。三个反应腔110分别记为第一反应腔111、第二反应腔112和第三反应腔113，第一反应腔111、第二反应腔112和第三反应腔113距离芯片100旋转中心101的距离依次增大。第一恒温块210固定在芯片100上与第一反应腔111对应的位置处，同样地，第二恒温块220固定在芯片100上与第二反应腔112对应的位置处，第三恒温块230固定在芯片100上与第三反应腔113对应的位置处。

PCR离心微流控装置10工作时，首先，通过PID算法使第一恒温块210的温度恒定为94℃左右，第二恒温块220的温度恒定为55℃左右，第三恒温块230的温度恒定为72℃左右。使得第一反应腔111的温度恒定为94℃左右，第二反应腔112的温度恒定为55℃左右，第三反应腔113的温度恒定为72℃左右。随后，在芯片100静止时，往注液腔140中加入试剂。接着，通过电机驱动芯片100以低速(500rpm)转动，试剂处于距离芯片100旋转中心101最近的第一反应腔111中，气体同时填充第二反应腔112和第三反应腔113，气压力较小，刚好满足试剂较低的向心力，第一恒温块210使第一反应腔111中的试剂完成高温变性反应。随后，电机驱动芯片100以中速(800rpm)转动，试剂处于距离芯片100旋转中心101较远的第二反应腔112中，气体填充第三反应腔113，气体被相对压缩，气压力增大，刚好满足试剂相对较高的向心力，第二恒温块220使第二反应腔112中的试剂完成低温退火(复性)反应。随后，电机驱动芯片100以中速(1200rpm)转动，试剂处于距离芯片100旋转中心101最远的第三反应腔113中，气体退出反应腔110并仅填充在气体流通腔120中，气体被进一步压缩，气压力进一步增大，刚好满足试剂最高的向心力，第三恒温块230使第三反应腔113中的试剂完成适温延伸反应，至此，试剂已完成一个反应周期(即高温变性—低温退火—适温延伸)。然后，电机驱动芯片100以低速(500rpm)转动，试剂重新返回第一反应腔111，按照上述一个反应周期内芯片100的运动规律，使试剂在第一反应腔111、第二反应腔112和第三反应腔113循环往复切换多个轮次。最后，当试剂已完成设定周期(例如40-50个)的反应后，停止芯片100的转动，并结束试剂的PCR反应。

同时参阅图4，本发明还提供一种PCR离心微流控方法，种方法可以通过上述的PCR离心微流控装置10对试剂进行PCR反应。参考上述对PCR离心微流控装置10工作原理的描述，该PCR离心微流控方法主要包括如下步骤：

S310，提供芯片100，在芯片100上设置距离芯片100的旋转中心101远近不同的反应腔110，在芯片100上还设置体积恒定的气体流通腔120，将该气体流通腔120与距离芯片100的旋转中心101最远的反应腔110连通；

S320，在反应腔110中注入设定剂量的试剂，并在气体流通腔120通入一定量的气体；

S330，通过不同温度的恒温块200分别对各个反应腔110加热；

S340，以不同的转速转动芯片100，使得气体压缩或膨胀并为试剂提供转动的向心力，试剂在不同反应腔110之间流动而做周期性切换、并通过不同的恒温块200加热；及

S350，当试剂在反应腔110之间的循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种PCR离心微流控装置，其特征在于，包括：

芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应腔，及

恒温块，温度各不相同并间隔设置在所述芯片上，所述恒温块与所述反应腔一一对应、并相对所述反应腔固定；

其中，所述试剂能够在不同所述反应腔之间流动而做周期性切换，不同的恒温块交替对试剂进行加热；

所述芯片能够绕旋转中心转动，各个反应腔之间相互连通且到所述旋转中心的距离不相等，所述芯片上还设置有用于容置气体的气体流通腔，所述气体流通腔与距离旋转中心最远的反应腔连通；当芯片以不同速度转动时，气体能够占据或退出部分所述反应腔，使得试剂能够在不同所述反应腔之间切换；

所述芯片上还设置有用于为所述反应腔中注入试剂的注液腔，所述注液腔与距离旋转中心最近的反应腔连通；所述反应腔的横断面呈S形或W形；所述芯片上还设置有呈直线形的连通腔，所述连通腔用于连通相邻两个反应腔；所述芯片上还设置有注气腔，所述注气腔与气体流通腔远离所述反应腔的一端连通，所述注气腔的横截面尺寸大于所述气体流通腔的横截面尺寸；

所述芯片为圆形，各个所述反应腔的几何中心均排列在同一直线上，所述直线通过所述芯片的旋转中心。

2.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述反应腔的数量为三个。

3.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片的转速为500rpm。

4.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片的转速为800rpm。

5.根据权利要求4所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片的转速为1200rpm。

6.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温块包括第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块，所述第一恒温块的温度最高，所述第二恒温块的温度最低；在一个周期内，试剂依次流经第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块各自分别所对应的反应腔。

7.根据权利要求6所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述第一恒温块的温度为94℃。

8.根据权利要求6所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述第二恒温块的温度为55℃。

9.根据权利要求6所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述第三恒温块的温度为72℃。

10.一种通过权利要求1至9中任一项所述PCR离心微流控装置执行的PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应，其特征在于，包括如下步骤：

提供芯片，在芯片上设置距离芯片的旋转中心远近不同的反应腔，在芯片上还设置体积恒定的气体流通腔，将该气体流通腔与距离芯片的旋转中心最远的反应腔连通；

在反应腔中注入设定剂量的试剂，并在气体流通腔通入一定量的气体；

通过不同温度的恒温块分别对各个反应腔加热；

以不同的转速转动芯片，使得气体压缩或膨胀并为试剂提供转动的向心力，试剂在不同反应腔之间流动而做周期性切换、并通过不同的恒温块加热；及

当试剂在反应腔之间的循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。