CN110872556B - 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，设置有用于盛装试剂的反应区；恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的至少两个恒温块，及所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得所述反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，仅一个恒温块对反应区进行加热。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，使得试剂的PCR反应时间不再依赖于反应区升温和降温的快慢，从而能够提高反应效率。同时，也将传统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。

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，设置有用于盛装试剂的反应区；

恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的至少两个恒温块，及

所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得所述反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，仅一个恒温块对反应区进行加热。

在其中一个实施例中，所述恒温块固定设置，所述反应区跟随所述芯片相对所述恒温块转动。

在其中一个实施例中，所述恒温组件还包括安装圆筒，所述恒温块沿周向间隔排列在所述安装圆筒的内壁面上，所述芯片位于所述安装圆筒内、并能够绕所述安装圆筒的中心轴线转动。

在其中一个实施例中，所述恒温块包括间隔设置的两个恒温单元，两个所述恒温单元之间的间隙形成所述反应区的运行通道。

在其中一个实施例中，所述恒温组件包括第一恒温块、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，所述反应区依次通过第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块。

在其中一个实施例中，所述反应区包括至少一个反应腔，所述芯片上还设置有注液腔、流通腔和控制腔，所述流通腔连通所述注液腔和控制腔，所述控制腔与所述反应腔连通；其中，试剂在离心力作用下依次经所述注液腔、流通腔、控制腔进入所述反应腔，所述控制腔用于允许试剂单向流动。

在其中一个实施例中，所述控制腔包括毛细管腔。

在其中一个实施例中，所述芯片上还设置有废液腔和过渡腔，所述废液腔和过渡腔均与所述流通腔连通，所述过渡腔用于盛装输入至反应腔的设定剂量的试剂，所述废液腔用于收集多余的试剂。

一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应，包括如下步骤：

转动芯片，在离心力的作用下使试剂进入芯片的反应区中；

将恒温块和芯片产生相对运动；

将反应区在不同恒温块之间按设定规律循环往复切换；

当各个恒温块对反应区中的试剂进行加热时，停止恒温块与芯片之间的相对运动；及

当反应区在不同恒温块之间循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。

一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应，包括如下步骤：

转动芯片，在离心力的作用下使试剂进入芯片的反应区中；

将恒温块和芯片产生持续的相对运动；

将反应区在不同恒温块之间按设定规律循环往复切换，在反应区运行经过每个恒温块热量辐射范围所需的时间内，恒温块对反应区中的试剂进行加热；及

当反应区在不同恒温块之间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：不同时间段内通过温度不同的多个恒温块对反应区加热，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区升温和降温的快慢，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离心微流控装置的立体图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为图1中芯片的立体图；

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和恒温组件200，芯片100上设置有一个反应区110，该反应区110用于盛装待进行PCR反应的试剂，恒温组件200包括至少两个恒温块210，各个恒温块210之间相互间隔设置且温度各不相同。当恒温块210和芯片100之间产生相对运动时，使得该反应区110依次经过不同恒温块210，实现反应区110在各恒温块210之间做周期性切换。显然，在同一时刻，仅一个恒温块210对反应区110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区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210对反应区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区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210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，恒温组件200还包括安装圆筒220，恒温块210的数量可以为三个，即第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213，第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213三者沿周向均匀间隔排列在安装圆筒220的内壁面上。第一恒温块211的温度最高(94℃左右)，第三恒温块213的温度次之(72℃左右)，第二恒温块212的温度最低(55℃左右)。每个恒温均包括两个恒温单元201，恒温单元201呈薄片状，并在安装圆筒220的周向上具有一定的长度。同一恒温块210上的两个恒温单元201在安装圆筒220的轴向上呈上下间隔设置，两个恒温单元201之间的间隙202能够构成反应区110的加热空间和运动通道。安装圆筒220对恒温块210可以起到支撑和保护作用；安装圆筒220还可以采用隔热材料制成，避免位于其内壁面上的恒温块210通过安装圆筒220与外界大气进行热交换，保证恒温块210加热的热效率，在其它实施例中，根据不同试剂PCR反应的需要，恒温块210的数量可以为两个，四个甚至更多等。安装圆筒220也可以采用其它支架替换，只要该支架能承载恒温块210即可。

芯片100可以采用玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷材料制成，也可以采用聚甲基丙烯酸甲酯材料、聚碳酸酯材料和聚苯乙烯材料等热塑性材料制成。

在一些实施例中，安装圆筒220固定不动，即恒温块210固定不动，芯片100相对恒温块210转动，例如，芯片100设置在安装圆筒220内，芯片100能够绕安装圆筒220的中心轴线，当芯片100相对安装圆筒220转动时，芯片100带动反应区110在第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213做周期性切换。在其它实施例中，恒温块210运动，芯片100固定不动，例如，恒温块210间隔设置在一个圆周上，恒温块210相对芯片100转动；又如，恒温块210也可以间隔设置在一直线上，恒温块210相对芯片100做直线运动，同样可以实现反应区110在第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213之间的周期性切换。

同时参阅图1和图3，在一些实施例中，芯片100上还开设有注液腔120、流通腔130、控制腔140、废液腔160和过渡腔150。反应区110包括至少一个反应腔111，例如反应腔111的数量为四个，当然，根据恒温块210在安装圆筒220周向上的长度确定其热量辐射范围，恒温块210在安装圆筒220周向上的长度，其热量辐射范围越大，反应区110所包括的反应腔111的数量还可以增多。芯片100可以绕一旋转中心转动，反应腔111距离该旋转中心最远，注液腔120、流通腔130和过渡腔150三者距离旋转中心相对较近。注液腔120、废液腔160、过渡腔150和反应腔111四者的横截面尺寸相对较大，流通腔130的横截面尺寸次之，控制腔140的横截面尺寸最小。

注液腔120与流通的一端(首端)连通，废液腔160与流通腔130的另一端(末端)连通，过渡腔150与流通腔130的中间段连通，反应腔111的数量为四个，过渡腔150和控制腔140的数量同样为四个，控制腔140与相对设置的过渡腔150和反应腔111连通。当需要向反应腔111中注入试剂时，首先将试剂通过注液孔121注入注液腔120中，随后，可以通过电机驱动芯片100绕旋转中心以较低速度(500rpm)转动，在离心力的作用下，注液腔120中的试剂沿着流通腔130注入并填充各个过渡腔150，多余的试剂将流入废液腔160，当然，为消除空气压力并使多余的试剂顺利进入废液腔160中存储，芯片100上还可以设置连通外界与废液腔160的出气孔，当多余试剂进入废液腔160时，试剂可以将废液腔160中的空气从出气孔排出，避免空气占用废液腔160空间而形成压力。最后，电机驱动芯片100绕旋转中心以较高速度(1800rpm)转动，在离心力的作用下，过渡腔150中的试剂克服控制腔140的阻力而进入反应腔111，当每个过渡腔150中的试剂全部进入相应的反应腔111后，停止芯片100的转动。

在一些实施例中，控制腔140为毛细管腔141，毛细管腔141的横截面尺寸极小，其对试剂的沿程阻力较大，当芯片100低速运转时，过渡腔150中的试剂无法克服毛细管腔141的沿程阻力进入反应腔111；当试剂进入反应腔111后，试剂也无法克服细管腔的沿程阻力反向进入过渡腔150中，因此，毛细管腔141可以起到单向阀的作用，能够允许试剂单向从过渡腔150中进入反应腔111，防止试剂从反应腔111中进入过渡腔150。同时，过渡腔150可以起到测量试剂的作用，即过渡腔150能保证设定剂量的试剂注入反应腔111中。

PCR离心微流控装置10工作时，存在两种工作模式，对于第一种工作模式，芯片100相对恒温块210断续转动。对于第二种工作模式，芯片100相对恒温块210持续转动。

第一种工作模式：首先，转动芯片100，在离心力的作用下，使试剂进入并盛装在反应区110的各个反应腔111中。然后，开启第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213，使三者处于加热状态。接着，将芯片100上的反应区110放入第一恒温块211的间隙202中进行加热设定时间，第一恒温块211的温度为可以为94℃左右，试剂在第一恒温块211处完成高温变性反应；再转动芯片100，使反应区110进入第二恒温块212的间隙202中，停止芯片100转动，第二恒温块212的温度为可以为55℃左右，第二恒温块212对试剂加热设定时间并使试剂完成低温退火(复性)反应；继续转动芯片100，使反应区110进入第三恒温块213的间隙202中，停止芯片100转动，第三恒温块213的温度为可以为72℃左右，第三恒温块213对试剂加热设定时间并使试剂完成适温延伸反应，至此，反应区110中的试剂已完成第一个反应周期(即高温变性—低温退火—适温延伸)。随后，使芯片100继续沿同方向转动，按照第一个反应周期的运动规律，使反应区110在第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213之间循环往复切换多个轮次。最后，当反应区110中的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。

第二种工作模式：第二种工作模式与第一种工作模式的主要区别在于芯片100是持续转动的。事实上，由于各个恒温块210在安装圆筒220的周向上具有一定的长度，使得每个恒温块210具有一定的热量辐射范围，当反应区110相对恒温块210转动并在通过其热量辐射范围所需的时间内，恒温块210在该段时间内对反应区110进行加热。当然，为保证设定的加热时间，恒温块210在安装圆筒220的周向上的长度和芯片100的转动速度均须满足PCR反应的需要。其它相似部分请参考第一种工作模式，在此不再赘述。

参阅图4，本发明还提供第一种PCR离心微流控方法，该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。该第一种PCR离心微流控方法与上述PCR离心微流控装置10的第一种工作模式相对应，因此，该第一种PCR离心微流控方法主要包括如下步骤：

S310，转动芯片100，在离心力的作用下使试剂进入芯片100的反应区110中。

S320，将恒温块210和芯片100产生相对运动。

S330，将反应区110在不同恒温块210之间按设定规律循环往复切换。

当各个恒温块210对反应区110中的试剂进行加热时，停止恒温块210与芯片100之间的相对运动。及

S340，当反应区110在不同恒温块210之间循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。

本发明还提供第二种PCR离心微流控方法，该种方法同样可以通过上述的PCR离心微流控装置10对试剂进行PCR反应。该第二种PCR离心微流控方法与上述PCR离心微流控装置10的第二种工作模式相对应，因此，该第二种PCR离心微流控方法主要包括如下步骤：

转动芯片100，在离心力的作用下使试剂进入芯片100的反应区110中。

将恒温块210和芯片100产生持续的相对运动。

将反应区110在不同恒温块210之间按设定规律循环往复切换，在反应区110运行经过每个恒温块210热量辐射范围所需的时间内，恒温块210对反应区110中的试剂进行加热。及

当反应区110在不同恒温块210之间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，设置有用于盛装试剂的反应区；

恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的至少两个恒温块，及

所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得所述反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，仅一个恒温块对反应区进行加热；

所述反应区包括至少一个反应腔，所述芯片上还设置有注液腔、流通腔和控制腔，所述流通腔连通所述注液腔和控制腔，所述控制腔与所述反应腔连通；其中，试剂在离心力作用下依次经所述注液腔、流通腔、控制腔进入所述反应腔，所述控制腔用于允许试剂单向流动；所述芯片上还设置有废液腔和过渡腔，所述废液腔和过渡腔均与所述流通腔连通，所述过渡腔用于盛装输入至反应腔的设定剂量的试剂，所述废液腔用于收集多余的试剂；

所述过渡腔的横截面尺寸大于所述流通腔的横截面尺寸，所述流通腔的横截面尺寸大于所述控制腔的横截面尺寸；

所述恒温组件还包括安装圆筒，所述恒温块沿周向间隔排列在所述安装圆筒的内壁面上，所述芯片位于所述安装圆筒内、并能够绕所述安装圆筒的中心轴线转动；

所述恒温块包括间隔设置的两个恒温单元，两个所述恒温单元之间的间隙形成所述反应区的运行通道。

2.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温块固定设置，所述反应区跟随所述芯片相对所述恒温块转动。

3.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温组件包括第一恒温块、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，所述反应区依次通过第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块。

4.根据权利要求3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℃。

5.根据权利要求3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℃。

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

7.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述控制腔包括毛细管腔。

8.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片采用玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷材料制成，或者采用聚甲基丙烯酸甲酯材料、聚碳酸酯材料和聚苯乙烯材料等热塑性材料制成。

9.一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应并通过权利要求1至8中任一项所述的PCR离心微流控装置执行，其特征在于，包括如下步骤：

转动芯片，在离心力的作用下使试剂进入芯片的反应区中；

将恒温块和芯片产生相对运动；

将反应区在不同恒温块之间按设定规律循环往复切换；

当各个恒温块对反应区中的试剂进行加热时，停止恒温块与芯片之间的相对运动；及

当反应区在不同恒温块之间循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。

10.一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应并通过权利要求1至8中任一项所述的PCR离心微流控装置执行，其特征在于，包括如下步骤：

转动芯片，在离心力的作用下使试剂进入芯片的反应区中；

将恒温块和芯片产生持续的相对运动；

将反应区在不同恒温块之间按设定规律循环往复切换，在反应区运行经过每个恒温块热量辐射范围所需的时间内，恒温块对反应区中的试剂进行加热；及

当反应区在不同恒温块之间循环切换达到设定周期后，结束试剂的PCR反应。