CN111235007A - 一种采用石墨烯加热的液滴数字pcr系统 - Google Patents

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Abstract

一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，属于微流控芯片技术领域。包括石墨烯加热片、液滴数字PCR微流控芯片、温度测控系统、进液系统和荧光检测图像获取系统。采用石墨烯作为加热材料，与PDMS芯片封接在有机玻璃片上，利用PDMS芯片上的微流道，让PCR反应液在微流道流过时实现PCR扩增反应。本发明采用石墨烯作为加热材料，由于石墨烯材料的导热系数高，因此热传导性能好，加热后各循环温区的温度均匀性好，能够用于提高PCR系统的准确性和可靠性。由于石墨烯材料的电阻率非常小，相应电压下回路的电流较大，因此相同尺寸下可以在较短时间内将两个温区的温度加热升高至设定温度，PCR反应液在流过微流道时就完成扩增，大大缩短了整个数字PCR扩增所需的时间。

Description

一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统
技术领域
本发明涉及一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，属于微流控芯片技术领域。
背景技术
作为一种新兴的材料，石墨烯已被广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。而电阻率只有约
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Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。同时，在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，而传统的半导体和导体，例如硅和铜，远没有石墨烯表现得好，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，石墨烯则不同，它的能量不会被损耗，所以石墨烯具有非同寻常的导电性能。
由于石墨烯是一种具有诸多显著优良特性的新型材料，因此研究其的具体应用尤为重要。石墨烯材料的导热性能好，电阻率低，导电性能优良，因此可以将石墨烯材料作为加热材料，应用于加热系统中。PCR（polymerase chain reaction，聚合酶链式反应的简写）技术是一种使用体外酶来促进复制DNA的方式，能够定量检测目标DNA片段。在过去的三十多年时间，PCR技术大体上经过了三次主要的更新换代：第一代凝胶电泳PCR、第二代实时荧光定量PCR（Real-time Quantitative PCR, 后文简称qPCR）和第三代数字PCR（digitalPCR）三个阶段。对于大多数qPCR测定，绝对定量仍然是一个挑战。而数字PCR是一种分布靶点的终点检测方法，在量化稀有样本的绝对定量方面已变得越来越有前景。数字PCR的效率主要体现在它对试验样本的扩增上，其高效率作用主要体现为数字PCR的升温能够在较短的时间内完成，并尽可能的去获取更多的产物。一个完整的数字PCR检测实验，需要经过多次退火、变性的扩增循环过程，每个过程都要保证其速度，这样才能有效的缩短整个数字PCR检测的时间。因此，在数字PCR的扩增扩增所需中，温度准确性是一项重要的性能指标。不仅升温的速率决定了整个数字PCR的时间，较大的温度偏差也会严重影响检测结果的正误，导致实验样本的非特异性扩增或者是产生假阳性或者假阴性。因此，本发明采用新型材料石墨烯作为加热材料。由于石墨烯材料的导热系数高，因此导热性能好，加热的温度均匀性好。由于石墨烯材料的电阻率非常小，相应电压下回路的电流较大，因此相同尺寸下产生的功率较大，可以在短时间内将各循环温区的温度加热升高至设定温度，大大缩短整个数字PCR扩增所需的时间。
微流控芯片是将化学和生物等领域中所涉及一系列操作单元集成到平方厘米级甚至更小的芯片上的技术。同时，由于液滴微流控技术具有消耗试剂少、大量生产单分散液滴、高表面积与体积比以及独立控制每个液滴等显著优点，近年来，基于液滴的微流控技术已发展成为广泛应用的多功能技术。与传统的数字PCR相比，与微流控芯片结合的液滴数字PCR在准确性和灵敏度方面得到了极大的改善，且操作简便，消耗样品量少。因此它已被广泛应用在细胞研究、疾病检测、药物筛选以及基因测定等相关领域。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，利用石墨烯材料导热性能好、加热的温度均匀性好且电阻率非常小的特性，可以在短时间内将各循环温区的温度加热升高至设定温度，保证加热时各循环温区温度分布的均匀性，同时，利用微流控PDMS芯片上的微流道，采用将PCR反应液依次流经若干个连续循环的蛇形扩增流道的形式完成扩增反应，大大缩短整个数字PCR扩增所需的时间，能够用于提高数字PCR的准确性和灵敏度。
实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，包括石墨烯加热片、液滴数字PCR微流控芯片、进液系统、温度测控系统和荧光检测图像获取系统，其中，
所述液滴数字PCR微流控芯片包括PDMS芯片和玻璃片，所述PDMS芯片的底面刻蚀有槽道，所述PDMS芯片的底面与所述玻璃片的一面贴合形成流道，所述流道包括进液口、进液流道、反应流道和出液口，所述进液口、进液流道、反应流道和出液口依次连通；
所述进液口用于注入两相流体；
所述进液流道，用于使由所述进液系统输入的两相流体汇聚生成PCR反应液，所述PCR反应液以液滴的形式在所述反应流道中顺次循环完成扩增反应生成PCR扩增产物；
所述反应流道由若干个连续循环的蛇形扩增流道组成，PCR反应液依次流经所述若干个连续循环的蛇形扩增流道，并在所述蛇形扩增流道内完成扩增反应；
所述出液口用于收集扩增完成后的PCR扩增产物；
所述石墨烯加热片，对应液滴数字PCR微流控芯片中的反应流道，封接在所述玻璃片的另一面，用于对PCR系统进行加热；
所述温度测控系统，用于对所述液滴数字PCR微流控芯片中的PCR反应液的反应温度进行控制以及测温；
所述进液系统，用于将所述两相流体注入所述液滴数字PCR微流控芯片的流道中，并控制两相流体的流速。
进一步的，设所述液滴数字PCR微流控芯片的宽度方向为竖直方向，则所述石墨烯加热片至少上下平行设置有两个。
进一步的，所述石墨烯加热片的两端引出有电极，所述电极延展出所述玻璃片的边缘，所述温度测控系统中的功率三极管与所述电极单向连接。
进一步的，所述进液系统包括注射泵，所述注射泵用于控制所述流道内的PCR反应液的流速。
进一步的，所述进液口包括第一进液口和第二进液口，所述进液流道包括第一进液流道和第二进液流道，所述第一进液口位于所述第二进液流道的始端，所述第二进液口位于所述第一进液流道的始端，所述第一进液流道和第二进液流道的末端连通。
进一步的，所述第一进液流道和第二进液流道垂直连通构成两相流十字流道。
进一步的，所述两相流体分别为连续像流体和离散相流体。
本发明的主要优点是：
（1）本发明采用新型材料石墨烯作为加热材料，热传导性能好，所以加热后各循环温区的温度均匀性好，能够用于提高PCR系统的准确性和可靠性。
（2）本发明采用新型材料石墨烯作为加热材料，电阻率小，相应电压下回路的电流较大，因此相同尺寸下产生的功率较大，可以在短时间内将两个温区的温度加热升高至设定温度，大大缩短整个数字PCR扩增所需的时间。
（3）本发明采用新型材料石墨烯作为加热材料，将石墨烯两端引出电极连接至电路系统中，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体以热的形式释放了一些能量，石墨烯则不同，它的能量不会被损耗。
（4）本发明能够大大缩短数字PCR扩增反应所需的时间，本发明提出的液滴数字PCR系统，在微流道内完成PCR扩增反应，由于微流道的宽度和高度为微米级，因此能够大大缩短整个数字PCR扩增所需的时间。
（5）本发明所设计的液滴数字PCR系统，由于在微流道内进行PCR扩增反应，因此消耗试剂少，同时PCR反应液以独立液滴的形式进行扩增，能够提高数字PCR的通量。
附图说明
图1为本发明的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统的结构示意图；
图2为本发明的一种液滴数字PCR微流控芯片的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为微流控PDMS芯片的二维平面图。
其中，1为温度测控系统，1-1为功率三极管，2为荧光检测图像获取系统，2-1为荧光显微镜，3为液滴数字PCR微流控芯片，4为进液系统，5为石墨烯加热片，6为玻璃片，7为PDMS芯片，8-1为第一进液流道，8-2为第二进液流道，9为反应流道，10为流道，11-1为第一进液口，11-2为第二进液口，12为出液口。
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。
参照图1所示，一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，包括石墨烯加热片5、液滴数字PCR微流控芯片3、进液系统4、温度测控系统1和荧光检测图像获取系统2，其中，
液滴数字PCR微流控芯片3包括PDMS芯片7和玻璃片6，PDMS芯片7的底面刻蚀有槽道，PDMS芯片7的底面与玻璃片6的一面贴合形成流道10，流道10包括进液口、进液流道、反应流道9和出液口12，进液口、进液流道、反应流道9和出液口12依次连通；
进液口用于注入两相流体；
进液流道，用于使由进液系统4输入的两相流体汇聚生成PCR反应液，PCR反应液以液滴的形式在反应流道9中顺次循环完成扩增反应生成PCR扩增产物；
反应流道9由若干个连续循环的蛇形扩增流道组成，PCR反应液依次流经所述若干个连续循环的蛇形扩增流道，并在蛇形扩增流道内完成扩增反应；
出液口12用于收集扩增完成后的PCR扩增产物；
石墨烯加热片5，对应液滴数字PCR微流控芯片3中的反应流道9，封接在玻璃片6的另一面，用于对PCR系统进行加热，石墨烯加热片5，其宽度由数字PCR扩增过程中各循环温区的长度确定，石墨烯材料5的宽度决定了PCR反应液通过各循环温区的时间比。石墨烯加热片5的宽度和流道10内PCR反应液的流速可以确定数字PCR扩增一个循环所需的时间，再由反应流道9中流道循环的个数可以确定整个数字PCR扩增所需的时间。采用石墨烯加热片5，热传导性能好，加热后各循环温区的温度均匀性好，能够用于提高PCR系统的准确性和可靠性；电阻率小，因此相同尺寸下可以在较短时间内将两个温区的温度加热升高至设定温度。
温度测控系统1，用于对液滴数字PCR微流控芯片3中的PCR反应液的反应温度进行控制以及测温；
进液系统2，用于将两相流体注入液滴数字PCR微流控芯片3的流道10中，并控制两相流体的流速。
参照图2-图3所示，在本部分优选实施例中，设液滴数字PCR微流控芯片3的宽度方向为竖直方向，则石墨烯加热片5至少上下平行设置有两个。
参照图2所示，在本部分优选实施例中，石墨烯加热片5的两端引出有电极，电极延展出玻璃片6的边缘，温度测控系统1中的功率三极管1-1与电极单向连接。
参照图1所示，在本部分优选实施例中，进液系统4包括注射泵，注射泵用于控制流道10内的PCR反应液的流速。注射泵的流量和微流道的尺寸决定了流道10内PCR反应液的流速，可调节石墨烯加热片5的宽度和流道10内PCR反应液的流速，从而改变数字PCR扩增一个循环所需的时间。
参照图4所示，在本部分优选实施例中，进液口包括第一进液口11-1和第二进液口11-2，进液流道包括第一进液流道8-1和第二进液流道8-2，第一进液口11-1位于第二进液流道8-2的始端，第二进液口11-2位于第一进液流道8-1的始端，第一进液流道8-1和第二进液流道8-2的末端连通。
参照图2和图4所示，在本部分优选实施例中，第一进液流道8-1和第二进液流道8-2垂直连通构成两相流十字流道。
在本部分优选实施例中，两相流体分别为连续像流体和离散相流体。
本发明的工作原理是：
使用注射泵分别在第一进液口11-1和第二进液口11-2泵送进两相流体，两相流体在第一进液流道8-1和第二进液流道8-2的十字交叉处汇聚成液滴即PCR反应液，PCR反应液被泵送进反应流道9进行扩增反应。通过注射泵控制两相流的流速生成大小均一、速率恒定的稳定液滴。
在本实施例中，石墨烯加热片5设有两片，平行附着于玻璃片6后对应反应流道9的位置处，因此形成了两个恒温区，两个恒温区用于液滴数字PCR微流控芯片3的退火与延伸。生成液滴后，液滴在反应流道9中顺次循环通过这两个恒温区完成扩增反应。石墨烯加热片5的宽度决定了PCR反应液通过各恒温区的时间比；注射泵的流量和微流道的长度、宽度和高度决定了流道10内PCR反应液的流速；石墨烯加热片5的宽度、流道10内PCR反应液的流速以及反应流道9中流道循环的个数决定了反应时间的长短。
反应结束后，在反应出液口处收集反应液，然后用荧光显微镜2-1观测荧光数目，通过计算得到数字PCR的检测结果。

Claims (7)

1.一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，包括石墨烯加热片（5）、液滴数字PCR微流控芯片（3）、进液系统（4）、温度测控系统（1）和荧光检测图像获取系统（2），其中，
所述液滴数字PCR微流控芯片（3）包括PDMS芯片（7）和玻璃片（6），所述PDMS芯片（7）的底面刻蚀有槽道，所述PDMS芯片（7）的底面与所述玻璃片（6）的一面贴合形成流道（10），所述流道（10）包括进液口、进液流道、反应流道（9）和出液口（12），所述进液口、进液流道、反应流道（9）和出液口（12）依次连通；
所述进液口用于注入两相流体；
所述进液流道，用于使由所述进液系统（4）输入的两相流体汇聚生成PCR反应液，所述PCR反应液以液滴的形式在所述反应流道（9）中顺次循环完成扩增反应生成PCR扩增产物；
所述反应流道（9）由若干个连续循环的蛇形扩增流道组成，PCR反应液依次流经所述若干个连续循环的蛇形扩增流道，并在所述蛇形扩增流道内完成扩增反应；
所述出液口（12）用于收集扩增完成后的PCR扩增产物；
所述石墨烯加热片（5），对应液滴数字PCR微流控芯片（3）中的反应流道（9），封接在所述玻璃片（6）的另一面，用于对PCR系统进行加热；
所述温度测控系统（1），用于对所述液滴数字PCR微流控芯片（3）中的PCR反应液的反应温度进行控制以及测温；
所述进液系统（2），用于将所述两相流体注入所述液滴数字PCR微流控芯片（3）的流道（10）中，并控制两相流体的流速。
2.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，设所述液滴数字PCR微流控芯片（3）的宽度方向为竖直方向，则所述石墨烯加热片（5）至少上下平行设置有两个。
3.根据权利要求2所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，所述石墨烯加热片（5）的两端引出有电极，所述电极延展出所述玻璃片（6）的边缘，所述温度测控系统（1）中的功率三极管（1-1）与所述电极单向连接。
4.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，
所述进液系统（4）包括注射泵，所述注射泵用于控制所述流道（10）内的PCR反应液的流速。
5.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，所述进液口包括第一进液口（11-1）和第二进液口（11-2），所述进液流道包括第一进液流道（8-1）和第二进液流道（8-2），所述第一进液口（11-1）位于所述第二进液流道（8-2）的始端，所述第二进液口（11-2）位于所述第一进液流道（8-1）的始端，所述第一进液流道（8-1）和第二进液流道（8-2）的末端连通。
6.根据权利要求5所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，所述第一进液流道（8-1）和第二进液流道（8-2）垂直连通构成两相流十字流道。
7.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯加热的液滴数字PCR系统，其特征在于，所述两相流体分别为连续像流体和离散相流体。
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