CN111304051B

CN111304051B - 一种pcr仪及使用方法

Info

Publication number: CN111304051B
Application number: CN202010105445.1A
Authority: CN
Inventors: 张辉
Original assignee: Zhuhai Black Horse Biotechnology Co ltd
Current assignee: Zhuhai Black Horse Biotechnology Co ltd
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2023-08-11
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: CN111304051A

Abstract

本申请提供一种可快速完成对PCR试管的升降温，使得PCR反应速度大幅度提升一种PCR仪及其使用方法，它包括两块左右相对并被加热装置加热的热板，在左热板和右热板之间设置有支架；在支架上设置至少一个PCR试管；支架与驱动其左右移动的左右驱动装置相连。使用时，两块热板分别保持PCR试管中反应液所需的两个不同的反应温度；支架向一侧移动，使得PCR试管的一侧面与一热板接触，停留一定的反应时间后，支架反向移动，使得PCR试管的另一侧面与另一热板接触，停留所需的反应时间后，支架反向移动，使得PCR试管的一侧面与一热板接触，如此循环，直到完成整个PCR反应。

Description

一种PCR仪及使用方法

技术领域

本申请涉及生物技术领域的实验设备，尤其涉及PCR仪及使用方法。

背景技术

目前，在分子生物学领域，PCR反应是常用的实验技术，PCR反应即聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)，是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法。

基于聚合酶制造的PCR（热循环）仪实际就是一个温控设备，PCR试管(扩增管、薄壁管、反应管)是PCR仪中普遍使用的一个反应器皿，一个典型的PCR扩增反应是通过PCR仪对放在其中的PCR试管进行反复的升降温来完成的，这个过程中温度的传导是由PCR仪加热金属块传给放在其中的PCR试管，然后经过PCR试管的管壁传热至管内的PCR反应液，从而引发扩增反应。

CN201611132547.2公开了一种PCR试管，包括至少一个一端开口的管体，所述管体的部分管壁上设置有导热部。它通过减少导热部面积，防止试管热量损失而导致的管内温度过分降低。但是该PCR试管仍然体积很大，样品使用量至少数百微升，具有一定的热惯性，加热或降温需要是时间长。

CN201710061407.9公开了一种便携式微流控PCR仪，可进行聚合酶链式反应，同时通过荧光信号采集单元对反应循环荧光图像的采集，可实现对基因样品的荧光定量检测。它包括控制单元，PCR芯片（相当于PCR试管），以及与所述控制单元联接的温控单元和荧光信号采集单元；PCR芯片包括基体，在基体的一侧端面上形成有反应腔室，并于反应腔室上覆设有密封盖板，反应腔室通过设于基体上的毛细管状的进、出样孔与外部连通；温控单元包括温度检测器，以及构成对所述PCR芯片中基体的加热或制冷的加热部和制冷部；荧光信号采集单元的采集端对应于PCR芯片的密封盖板一侧布置，以形成对反应腔室内荧光图像的采集。

由于其反应腔室通过基体上的毛细管状的进样孔及出样孔与外部连通（以实现反应腔室内的样品装载），所以其难于加工，即使能够加工，成本也高昂，不适于推广。

发明内容

本申请的目的是提供一种PCR仪，它能够快速完成对PCR试管的升降温，使得PCR反应速度大幅度提升。

实现上述目的的技术方案是：

本专利所述的PCR仪，包括两块左右相对的、具有加热装置、并被加热装置加热的热板，在左热板和右热板之间设置有支架；在支架上设置至少一个PCR试管；支架与驱动其左右移动的左右驱动装置相连；支架在左右驱动装置的带动下可以向左或向右移动，直到扁平状PCR试管的左侧面分别与左热板面接触，或者PCR试管的右侧面与右热板面接触。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，PCR试管的左侧面与左热板接触时，PCR试管的右侧面与右热板之间形成一个右空气通道，使得PCR试管的右侧面与右热板之间实现绝热；PCR试管的右侧面与右热板接触时，PCR试管的左侧面与左热板之间形成一个左空气通道，使得PCR试管的左侧面与左热板之间实现绝热。最好，它包括使得空气从左空气通道或者右空气通道内流过的吹风装置。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，PCR试管包括上端开口的管体和用于封堵开口的管盖，管体内下部有与开口相通的管腔；在管体内有两个通道；两个通道下端均与管腔相通道，但与管腔相通处高低位置不同；与管腔相通处位置较高的通道为进气通道，与管腔相通处位置较低的通道为回流通道；进气通道上端的出口、回流通道上端的进口均位于与管盖接触的管体表面上；在管盖内开有过渡通道；等管盖封堵开口时，进气通道与回流通道通过过渡通道相连通。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，支架上的PCR试管有m行、n列，m、n为大于1的自然数；各PCR试管的左侧面共面，各PCR试管的右侧面共面。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，在扁平状的试管左右两侧外缘上具有凸缘，支架上具有插入PCR试管的相对的凹槽，凸缘伸入凹槽内。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，两块热板上均开有与PCR试管管腔相对的通光孔，在两块相对的热板的左右两侧各设置有荧光激发模块、荧光接收模块；荧光激发模块发出的激发光穿过一热板上的通光孔对PCR试管照射，被照射的PCR试管管腔内的反应液中的一些物质经激发后发出的荧光穿过另一热板上的通光孔后被荧光接收模块接收。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，热板以透光材料制成；在两块相对的热板的左右两侧各设置有荧光激发模块、荧光接收模块；荧光激发模块发出的激发光透过一热板对PCR试管照射，被照射的PCR试管管腔内的反应液中的一些物质经激发后发出的荧光经过另一热板后被荧光接收模块接收。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，荧光激发模块包括光源、第一集光镜、激发光滤光片、第二集光镜；荧光接收模块包括第三集光镜、荧光滤光片、成像镜头、相机；光源发出的光经第一集光镜后以平行光出射，再经激发光滤光片、第二集光镜、热板照射到各PCR试管；各PCR试管内反应液中的物质经激发后发出的荧光经第三集光镜、荧光滤光片进入成像镜头会聚到相机的靶面上。优选，激发光滤光片包括多个能够透过不同波长的激发光滤光片，各激发光滤光片均布在转动的第一圆盘上；荧光滤光片包括与不同的激发光滤光片相对应的能够透过不同波长的荧光滤光片；各荧光滤光片均布在转动的第二圆盘上；第一圆盘、第二圆盘同步转动。

作为对上述的PCR仪的进一步改进，荧光激发模块包括光源、准直透镜、激发光滤光片；荧光接收模块包括荧光滤光片、集光透镜；光源发出的光经准直透镜后以平行光出射，再经激发光滤光片照射PCR试管中的反应液；反应液中的一些物质经激发后发出的荧光经荧光滤光片、再经集光透镜会聚后供人们观测或者会聚到光电传感器上。

本专利同时提供了一种过程简单、操作不便、缩短反应时间、提高作业效率的PCR仪的使用方法。

本专利的PCR仪的使用方法包括步骤如下：两块热板分别保持PCR试管中反应液所需的两个不同的反应温度；支架向一侧移动，使得PCR试管的一侧面与一热板接触，停留一定的反应时间后，支架反向移动，使得PCR试管的另一侧面与另一热板接触，停留所需的反应时间后，支架反向移动，使得PCR试管的一侧面与一热板接触，如此循环，直到完成整个PCR反应。

本专利同时提供了另外一种过程简单、操作不便、缩短反应时间、提高作业效率的PCR仪的使用方法。

本专利的PCR仪的另一使用方法包括步骤如下：

1）一热板达到PCR试管中反应液所需的第一反应温度；

2）支架向达到第一反应温度的热板移动，使得PCR试管的侧面与达到第一反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，另一热板温度开始变温到反应液所需的第二反应温度；

3）然后支架向达到第二反应温度的热板移动，使得PCR试管的侧面与达到第二反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第一反应温度的热板变温到反应液所需的第三反应温度；

4）接着，支架向达到第三反应温度的热板移动，使得PCR试管的侧面与达到第三反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第二反应温度的热板变温到反应液所需的第一反应温度；

5）支架向达到第一反应温度的热板移动，使得PCR试管的侧面与达到第一反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第三反应温度的热板变温到反应液所需的第二反应温度；

6）然后支架向达到第二反应温度的热板移动，使得PCR试管的侧面与达到第二反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第一反应温度的热板变温到反应液所需的第三反应温度；

7）支架向达到第三反应温度的热板移动，使得PCR左试管的侧面与达到第三反应温度的热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第二反应温度的热板变温到反应液所需的第一反应温度；

反复进行步骤2）-7），直到完成整个PCR反应。本专利的有益效果：

薄片状的试管，管腔容积小，可以减小反应体系，同时可大面积的接触传热。

试管左通道和右通道与过渡通道相通，形成一个内部循环通道。样品加热反应时，蒸发的样品从较高的右通道的下端口进入进气通道，经过渡通道、回流通道回流到管腔内，形成循环。

试管在支架上采用插入方式，插入后支架可以稳定夹持试管，并保证支架的两侧表面均低于试管的左右两侧面，这样可以保证支架将试管的左右侧面稳定压紧两个热板的表面上，使得热板与试管之间可以良好的传热。

PCR仪中的支架上的插入式结构，可以使得试管插入即参加反应，具有即插即反应的特点，尤其适合于急诊使用。

PCR仪中空气通道可以保证未与试管接触的热板的温度不会对试管的温度造成大的影响。

对于恒温热板式二阶快速PCR仪来说，两块热板处于恒温状态，无升降温的过程，可以使得反应速度大幅度提升。

对于三阶快速PCR仪来说，反应与升/降温同时同步重叠进行，从而节约反应时间，提高测试速度。

PCR仪中各试管在加热、反应过程进行中，荧光激发模块可以实时发出激发光，荧光接收模块可以实时接收荧光，是一种实时荧光PCR检测仪。

PCR仪采用透射式荧光模块体系，可以获得更大的激发能量，以及更高的激发灵敏度和信噪比。

附图说明

图1为实施例1的PCR仪的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为PCR试管示意图；

图4为图3的C-C剖视图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为PCR试管示意图；

图7为PCR试管与支架相连的俯视图；

图8为实施例2的PCR仪的主视图（图9的A-A剖面图）；

图9为图8的俯视图；

图10为荧光激发模块示意图；

图11为荧光接收模块示意图；

图12为实施例3的PCR仪示意图；

图13是透射式荧光模块体系原理图；

图14是反射式荧光模块体系原理图。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对本技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于这些实施例，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，都属于本专利保护的范围。

实施例1： PCR仪

如图1、2所示的PCR仪，包括两块左右相对的、内部具有电加热装置（属于现有技术，未示出）、并被加热装置加热的左热板1和右热板2，左热板1和右热板2之间设置有支架3；支架3上开有5个竖直的插槽32，插槽的相对两侧壁上具有凹槽31。每个插槽内插入4个PCR试管4。整个支架3上插有4行、5列个扁平状PCR试管4。支架3与驱动其左右移动的左右驱动装置（属于现有技术）5相连；支架在左右驱动装置的带动下可以向左或向右移动，直到各PCR试管共面的左侧面与左热板1面接触，或者各PCR试管共面的右侧面与右热板2面接触。

各PCR试管的左侧面与左热板接触时，各PCR试管的右侧面与右热板之间形成一个右空气通道12，使得各PCR试管的右侧面与右热板之间实现绝热；各PCR试管的右侧面与右热板接触时，各PCR试管的左侧面与左热板之间形成一个左空气通道11，使得PCR试管的左侧面与左热板之间实现绝热。

当试管左侧面与左热板接触，右空气通道12可以保证右热板的温度不会对与左热板接触的试管的温度造成大的影响；当试管右侧面与右热板接触，左空气通道11可以保证左热板的温度不会对与右热板接触的试管的温度造成大的影响。为了进一步降低未与试管接触的热板因热辐射对试管产生的影响，可以通过风扇等吹风装置吹动空气通道中的空气，使得空气通道中产生微量的空气对流。

参见图3-7所示的PCR试管4，以透光材料制成，其整体呈扁平状，包括上端有开口411的管体41和用于封堵开口411的管盖42，管盖的左侧下部与管体成翻转连接。管盖上中间具有向下突出的开口塞421，开口塞421伸入管体上的开口411内时，能够封堵开口。在扁平状的试管左右两侧外缘上具有凸缘43，凸缘的厚度小于扁平状试管的厚度。PCR试管4安装在支架3上时，其两侧凸缘43插入支架3上的凹槽31内，方便从支架上安装或取下PCR试管。这结构，试管在支架上采用插入方式，插入后支架可以稳定夹持试管，并保证支架的两侧表面均低于试管的左右两侧面，这样可以保证支架将试管的左右侧面稳定压紧两个热板的表面上，使得热板与试管之间可以良好的传热。

管体内下部有与开口相通的管腔44。

在管体41内左右两侧有左通道45和右通道46两个通道，两个通道下端均与管腔相通道，但与管腔相通处高低位置不同。与管腔相通处（右通道的下端口）461位置较高的右通道46为进气通道，与管腔相通处（左通道的下端口）451位置较低的左通道为回流通道45；进气通道上端的出口48、回流通道上端的进口47均位于与管盖接触的管体表面上。

在管盖内开有过渡通道49；等开口塞421封堵开口时，进气通道与回流通道通过过渡通道相连通。

各PCR试管的管腔44内装有样品（反应液）100。

使用PCR试管时，打开管盖42，用加样枪向试管加样，样品（反应液）经开口411加入管腔44，此时左通道45和右通道46与大气相通，不会因为管腔内的空气压缩而阻碍向管腔内加样。加完样品后，样品液面101要高于左通道与管腔相通处（左通道的下端口）451，但要低于右通道46与管腔相通处（右通道的下端口）461。然后关闭管盖，开口塞421封堵开口，同时左通道45和右通道46与过渡通道49相通，形成一个内部循环通道。样品加热反应时，蒸发的样品从较高的右通道的下端口进入进气通道，经过渡通道、回流通道回流到管腔内，形成循环。

实施例2：PCR仪

参见图8、9所示的实施例2的PCR仪，其主要是在实施例1的PCR仪基础上增加了荧光激发模块6、荧光接收模块7。

左热板1和右热板2上分别开有与每个PCR试管4的管腔44的下部相对的通光孔13，在右热板2的每个通光孔处设置有一个用于发出激发光的荧光激发模块6、在左热板1的每个通光孔处设置有一个荧光接收模块7。

参见图10、11，荧光激发模块6属于现有技术，主要包括LED光源61、准直透镜62、激发光滤光片63；荧光接收模块7属于现有技术，主要包括荧光滤光片71、集光透镜72、光电传感器73；LED光源发出的光经准直透镜后以平行光出射，再经激发光滤光片后穿过右热板上的通光孔对PCR试管照射，PCR试管中的反应液100中的一些物质经激发后发出的荧光穿过左热板上的通光孔，再经荧光滤光片、再经集光透镜会聚到光电传感器上。

实施例3 ：PCR仪

参见图12所示的实施例3的PCR仪，其主要是在实施例1的PCR仪基础上增加了荧光激发模块8、荧光接收模块9，而且要求左热板1和右热板2以透光材料制成。

在左热板左侧设置有用于发出激发光的荧光激发模块8，在右热板右侧设置有荧光接收模块9。

荧光激发模块8包括光源81、第一集光镜82、反光镜83、均布在转动的第一圆盘84周向上的多个能够透过不同波长的激发光滤光片85、第二集光镜86；荧光接收模块9包括第三集光镜91、均布在转动的第二圆盘92周向上的与不同的激发光滤光片相对应的能够透过不同波长的荧光滤光片93、成像镜头94、相机95；第一圆盘、第二圆盘大小相同，且同轴同步转动。

光源发出的光经第一集光镜后以平行光出射，再经反光镜反射进入激发光滤光片，后经第二集光镜，透过左热板照射到各PCR试管4；各PCR试管内反应液中的物质经激发后发出的荧光透过右热板经第三集光镜、荧光滤光片进入成像镜头会聚到相机的靶面上。

实施例4：恒温热板式二阶快速PCR仪

实施例1、2或者3所示的PCR仪的使用过程是，左热板、右热板分别保持PCR试管中反应液所需的两个不同的反应温度T1、T2并保持不变（恒温）；将试管插入支架，左右驱动装置驱动支架向左侧移动，使得支架上的各PCR试管的左侧面与左热板紧贴，停留预定的反应时间后，左右驱动装置驱动支架向右移动，使得各PCR试管的右侧面与右热板紧贴，停留预定的反应时间后，左右驱动装置驱动支架向左移动，使得各PCR试管的左侧面与左热板紧贴，如此循环，直到完成整个PCR反应。此时，实施例1-3中的PCR仪可以说是一个恒温热板式二阶快速PCR仪。

实施例5：三阶快速PCR仪

实施例1、2或者3所示的PCR仪的另一种使用过程包括如下步骤：

1）左热板达到PCR试管中反应液所需的第一反应温度；

2）支架向达到第一反应温度的左热板移动，使得PCR试管的左侧面与左热板接触，停留一定的反应时间，同时，右热板温度开始变温到反应液所需的第二反应温度；

3）然后支架向达到第二反应温度的右热板移动，使得PCR试管的右侧面与达到第二反应温度的右热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第一反应温度的左热板变温到反应液所需的第三反应温度；

4）接着，支架向达到第三反应温度的左热板移动，使得PCR左试管的左侧面与达到第三反应温度的左热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第二反应温度的右热板变温到反应液所需的第一反应温度；

5）支架向达到第一反应温度的右热板移动，使得PCR试管的右侧面与达到第一反应温度的右热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第三反应温度的左热板变温到反应液所需的第二反应温度；

6）然后支架向达到第二反应温度的左热板移动，使得PCR试管的左侧面与达到第二反应温度的左热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第一反应温度的右热板变温到反应液所需的第三反应温度；

7）支架向达到第三反应温度的右热板移动，使得PCR左试管的右侧面与达到第三反应温度的右热板接触，停留一定的反应时间，同时，达到第二反应温度的左热板变温到反应液所需的第一反应温度；

反复进行步骤2）-7），直到完成整个PCR反应。

此时，实施例1-3中的PCR仪可以说是一个三阶快速PCR仪。

对于实施例1-5来说，支架的插入式结构，可以使得试管插入即参加反应，PCR仪可以一直处于工作中。不同的试管可以在不同的时间插入支架，插入即参与反应。操作人员记录或通过有关控制软件自动记录每个试管的插入时间，并在相关显示屏幕上显示每个试管的反应状态，设置可以提示已经完成反应的试管状态。可以说，它具有即插即反应的特点，尤其适合于急诊使用。

对于实施例1-5来说，薄片状的试管，管腔容积小，可以减小反应体系，同时可大面积的接触传热。

对于实施例4的恒温热板式二阶快速PCR仪来说，两块热板处于恒温状态，无升降温的过程，可以使得反应速度大幅度提升。

对于实施例5的三阶快速PCR仪来说，一块热板与试管接触，试管中样品进行反应的同时，另一块热板完成升温或降温，也就是说，可以使反应与升/降温同时同步重叠进行，从而节约反应时间，提高测试速度。

对于实施例2-5来说，各试管在加热、反应过程进行中，荧光激发模块可以实时发出激发光，荧光接收模块可以实时接收荧光，对各试管的状态实现实时检测，可以说是一种实时荧光PCR检测仪。

对于实施例2-5来说，薄片状的试管，侧面面积较大，可以增加反应样品的通光孔径，提高实时荧光PCR检测的灵敏度。

对于实施例2-5来说，本专利采用的是图13所示的透射式荧光模块体系，也就是说，荧光激发模块6和荧光激发模块8发出的激发光是直接透过试管4，试管中一些物质被激发后发出的荧光透过试管被荧光接收模块7和荧光接收模块9接收。透射式荧光模块体系相对于反射式荧光模块体系来说，可以获得更大的激发能量，以及更高的激发灵敏度和信噪比。反射式荧光模块体系的原理图参见图14，荧光激发模块6和荧光激发模块8发出的激发光经分光镜14的反射进入试管4，试管中一些物质被激发后发出的荧光透过试管再经分光镜14后被荧光接收模块7和荧光接收模块9接收。

Claims

1.一种PCR仪，其特征是：包括两块左右相对的、具有加热装置、并被加热装置加热的热板，在左热板和右热板之间设置有支架；在支架上设置至少一个扁平状PCR试管；支架与驱动其左右移动的左右驱动装置相连；支架在左右驱动装置的带动下可以向左或向右移动，直到PCR试管的左侧面分别与左热板面接触，或者PCR试管的右侧面与右热板面接触；

支架上的PCR试管有m行、n列，m、n为大于1的自然数；各PCR试管的左侧面共面，各PCR试管的右侧面共面；

在扁平状的试管左右两侧外缘上具有凸缘，支架上具有插入PCR试管的相对的凹槽，凸缘伸入凹槽内；

PCR试管包括上端开口的管体和用于封堵开口的管盖，管体内下部有与开口相通的管腔；在管体内有两个通道；两个通道下端均与管腔相通道，但与管腔相通处高低位置不同；与管腔相通处位置较高的通道为进气通道，与管腔相通处位置较低的通道为回流通道；进气通道上端的出口、回流通道上端的进口均位于与管盖接触的管体表面上；在管盖内开有过渡通道；等管盖封堵开口时，进气通道与回流通道通过过渡通道相连通。

2.如权利要求1所述PCR仪，其特征是：两块热板上均开有与PCR试管管腔相对的通光孔，在两块相对的热板的左右两侧各设置有荧光激发模块、荧光接收模块；荧光激发模块发出的激发光穿过一热板上的通光孔对PCR试管照射，被照射的PCR试管管腔内的反应液中的一些物质经激发后发出的荧光穿过另一热板上的通光孔后被荧光接收模块接收。

3.如权利要求1所述PCR仪，其特征是：热板以透光材料制成；在两块相对的热板的左右两侧各设置有荧光激发模块、荧光接收模块；荧光激发模块发出的激发光透过一热板对PCR试管照射，被照射的PCR试管管腔内的反应液中的一些物质经激发后发出的荧光经过另一热板后被荧光接收模块接收。

4.如权利要求3所述PCR仪，其特征是：荧光激发模块包括光源、第一集光镜、激发光滤光片、第二集光镜；荧光接收模块包括第三集光镜、荧光滤光片、成像镜头、相机；光源发出的光经第一集光镜后以平行光出射，再经激发光滤光片、第二集光镜、热板照射到各PCR试管；各PCR试管内反应液中的物质经激发后发出的荧光经第三集光镜、荧光滤光片进入成像镜头会聚到相机的靶面上。

5.如权利要求4所述PCR仪，其特征是：激发光滤光片包括多个能够透过不同波长的激发光滤光片，各激发光滤光片均布在转动的第一圆盘上；荧光滤光片包括与不同的激发光滤光片相对应的能够透过不同波长的荧光滤光片；各荧光滤光片均布在转动的第二圆盘上；第一圆盘、第二圆盘同步转动。

6.如权利要求2或3所述PCR仪，其特征是：荧光激发模块包括光源、准直透镜、激发光滤光片；荧光接收模块包括荧光滤光片、集光透镜；光源发出的光经准直透镜后以平行光出射，再经激发光滤光片照射PCR试管中的反应液；反应液中的一些物质经激发后发出的荧光经荧光滤光片、再经集光透镜会聚后供人们观测或者会聚到光电传感器上。