CN111647504B - 一种快速pcr反应管及其仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速PCR反应管，所述PCR反应管至少包括：容器管、管盖、活塞和活塞杆，其中，所述容器管一端设置有用于实现管体封闭的管盖，另一端的管体内部设置有活塞，且所述活塞与活塞杆相连。通过本PCR反应管实现了对管内反应液的位置调整，从而使得反应液处于不同的温度区域，完成了对反应液的快速温度调节。在配套仪器中的升降温速度可以视为至少在15摄氏度/秒以上。并且，其没有升降温要求，故瞬时功率小，且没有能源浪费。

Description

一种快速PCR反应管及其仪器

技术领域

本发明属于分子生物学装置，尤其涉及一种快速PCR反应管及其仪器。

背景技术

PCR聚合酶链反应为DNA/RNA复制的一种反应。除恒温PCR外，其他大多数其反应过程需要在几种不同温度中不断切换，所以该反应通常在一个温度循环装置中完成。该温度循环装置需要拥有快速升降温能力，以提供PCR反应需要的不同温度。

通常的，目前的PCR反应大多为两个温度阶梯的循环，即高温变性，低温退火加延伸。大多数PCR要求的高温在90-95度之间，低温在50-60度之间。而温度变化的快慢就成了PCR仪器的重要性能指标。当前普遍认为5度/秒的升降温速度就已经是较快速的PCR仪了。

同时，在其他条件基本一致的情况下，越快速的PCR仪，通常瞬时功率越大。而这些功率均用于克服上一次相反温度变化过程带来的影响，基本是浪费掉的能源。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，提供了一种快速PCR反应管，通过本PCR反应管实现了对管内反应液的位置调整，从而使得反应液处于不同的温度区域，完成对反应液的快速温度调节。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种快速PCR反应管，所述PCR反应管至少包括：容器管、管盖、活塞和活塞杆，其中，所述容器管一端设置有用于实现管体封闭的管盖，另一端的管体内部设置有活塞，且所述活塞与活塞杆相连。

根据一个优选的实施方式，所述容器管包括子弹型管体部和细长管体部；所述细长管体部与所述子弹型管体部的尖头端相连，所述子弹型管体部的另一端与所述管盖相连；所述活塞装配于所述细长管体部内，且在背向子弹型管体部的方向连接有活塞杆，并能在所述细长管体部内滑动。

根据一个优选的实施方式，所述活塞杆的端部还设有内凹拉杆。

根据一个优选的实施方式，所述管盖和容器管为一体注塑成型，中间经连接筋连接。

根据一个优选的实施方式，所述细长管体部的内管径为2mm，长度为25mm-30mm；所述子弹型管体部的尖锥段长度为8-10mm，所述子弹型管体部的等径部分为长度为8-10mm；所述PCR反应管的壁厚均为0.25mm-0.35mm。

一种快速PCR反应仪，所述反应仪至少包括PCR反应管、热盖、第一加热块和第二加热块，所述PCR反应管至少包括：容器管、管盖、活塞和活塞杆，其中，所述容器管一端设置有用于实现管体封闭的管盖，另一端的管体内部设置有活塞，且所述活塞与活塞杆相连；所述热盖设置于所述管盖的顶部，并与所述管盖相接触；所述第一加热块和第二加热块分别套接与所述容器管外侧，并与所述容器管相贴合，且所述第一加热块与第二加热块间设有间隙；且，所述第一加热块与容器管内对应容置区域构成第一调温区；所述第二加热块与容器管内对应容置区域构成第二调温区。

根据一个优选的实施方式，所述热盖上设有孔体结构，所述孔体结构内设有用于进行PCR反应管内反应液成像的光学探测组件。

根据一个优选的实施方式，所述容器管包括子弹型管体部和细长管体部；所述细长管体部与所述子弹型管体部的尖头端相连，所述子弹型管体部的另一端与所述管盖相连；所述活塞装配于所述细长管体部内，且在背向子弹型管体部的方向连接有活塞杆，并能在所述细长管体部内滑动；所述第一加热块套接于所述子弹型管体部的尖锥段外侧；所述第二加热块套接于所述细长管体部外侧。

根据一个优选的实施方式，所述第一加热块与所述第二加热块间的间隙空间设置有隔热块。

根据一个优选的实施方式，所述反应仪还包括抓钩，所述被配置为用于完成活塞杆尾端的抓紧，以实现驱动活塞杆上下运动。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过本PCR反应管实现了对管内反应液的位置调整，从而使得反应液处于不同的温度区域，完成了对反应液的快速温度调节。在配套仪器中的升降温速度可以视为至少在15摄氏度/秒以上。并且，其没有升降温要求，故瞬时功率小，且没有能源浪费。

附图说明

图1是本发明PCR反应管的立体结构示意图；

图2是本发明PCR反应管的剖视图；

图3是本发明PCR反应仪的结构示意图；

图4是本发明PCR反应仪中反应液处于第一调温区的装置结构示意图；

图5是本发明PCR反应仪中反应液处于第二调温区的装置结构示意图；

其中，1-容器管，2-活塞，3-活塞杆，4-管盖，10-PCR反应管，11-热盖，12-第一加热块，13-隔热块，14-第二加热块，15-光学探测组件。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1和图2所示，图中示出了一种快速PCR反应管，所述PCR反应管10至少包括：容器管1、管盖4、活塞2和活塞杆3。

其中，所述容器管1一端设置有用于实现管体封闭的管盖4，另一端的管体内部设置有活塞2，且所述活塞2与活塞杆3相连。

优选地，所述管盖4在加试剂后密封于子弹形管尾端，和活塞2一起把试剂密封在容器管1中。优选的，如光学探测仪器采用上激发/采集光，管盖为透明管盖。

优选地，所述容器管1包括子弹型管体部和细长管体部。

优选地，所述细长管体部与所述子弹型管体部的尖头端相连，所述子弹型管体部的另一端与所述管盖4相连。

优选地，所述活塞2装配于所述细长管体部内，且在背向子弹型管体部的方向连接有活塞2杆，并能在所述细长管体部内滑动。

进一步地，活塞2的材质为耐高温且弹性形变量小的软性材质，并且考虑不同硬度下预压密封。优选地，活塞2可采用60度硅胶或氟胶，预压0.2mm。

优选地，所述活塞杆3的端部还设有内凹拉杆。以方便能够顺利进行活塞杆3的拉动。

优选地，所述容器管1的材质为耐高温塑料材质构成。且所述PCR反应管或容器管1的壁厚均为0.25mm-0.35mm。

优选地，所述管盖4和容器管1为一体注塑成型，中间经连接筋连接。

优选地，所述细长管体部的内管径为2mm，长度为25mm-30mm。所述子弹型管体部的尖锥段长度为8-10mm，所述子弹型管体部的等径部分为长度为8-10mm。

本PCR反应管如图2中竖直放置，当活塞2运动到最上部的时候，反应液20-A在子弹型管体部。当活塞2运动到最下部的时候，反应液20-B在细长管体部中。从而当分别在子弹型管体部和细长管体部外侧设置不同的加热装置时，即可实现通过本PCR反应管实现了对管内反应液的位置调整，从而使得反应液处于不同的温度区域，完成对反应液的快速温度调节。

实施例2

在实施例1的基础上，再参考图3至图5所示。本发明还公开了一种快速PCR反应仪。所述反应仪至少包括PCR反应管10、热盖11、第一加热块12和第二加热块14。

优选地，所述热盖11设置于所述管盖4的顶部，并与所述管盖4相接触。

进一步地，所述热盖11上设有孔体结构，所述孔体结构内设有用于进行PCR反应管10内反应液荧光激发和探测的光学组件15。

优选地，本仪器可在需要进行光学读取的位置设置光学探头。理论上，光学探测组件15可设置在任意位置，但优选地，仪器可设置为上激发/接收光，即设置在热盖11中。因此热盖中间有孔，孔中设有光学探测组件15，图中仅示意了该光学探测组件15的接口部分。

优选地，所述热盖11内还设有加热组件，用于实现对管盖4的加热，以避免管盖4内有凝露从而影响PCR反应。PCR反应如果有凝露发生，会使荧光物质浓度剧烈变化，带来影响。

优选地，所述热盖11的材质为纯铝或紫铜。其通常设置在仪器的盖子上，在向仪器中插入PCR反应管10时会和仪器主体分离，运行前和仪器主体扣在一起。

优选地，所述第一加热块12和第二加热块14分别套接与所述容器管1外侧，并与所述容器管1相贴合。且所述第一加热块12与第二加热块14间设有间隙。

优选地，所述第一加热块12的厚度与反应管子弹型管体部中尖锥段一样高，并且中间设置有与尖锥段一样形状挖空的锥形通孔。所述第一加热块12材料优选导热系数较高且成本经济的紫铜、纯铝。

优选地，第二加热块14与隔热块13的总厚度不超过细长管体部减去活塞的长度。第二加热块14中间设有与细长管体部一样外径的孔。优选地，第二加热块14的厚度为18mm。该加热块材料优选导热系数较高且成本经济的紫铜、纯铝。

优选地，所述第一加热块12与容器管1内对应容置区域构成第一调温区。所述第二加热块14与容器管1内对应容置区域构成第二调温区。

进一步地，所述第一加热块12套接于所述子弹型管体部的尖锥段外侧。所述第二加热块14套接于所述细长管体部外侧。

优选地，所述第一加热块12与所述第二加热块14间的间隙空间设置有隔热块13。

优选地，所述隔热块13的隔热材料中间设有与反应管等径细长管体部一样外径的孔。该隔热材料优选二氧化硅气凝胶毡。优选地，隔热块13的隔热材料厚度为3mm-5mm。

优选地，所述反应仪还包括抓钩，所述被配置为用于完成活塞2杆尾端的抓紧，以实现驱动活塞2杆上下运动。

本反应仪的具体实施过程为：

步骤一：把PCR反应管10的活塞2推到最上部，并从管口加入试剂，盖上管盖4。

步骤二：打开仪器的盖子(即热盖11)，把反应管插入仪器中的孔位中，并盖上仪器的盖子，此时热盖中的光学接口应对准反应管盖4，如图4。

步骤三：热盖11升温到105度，并且，从反应从开始到结束，均保持105度，其用于加热反应管管盖4，防止凝露。

步骤四：如果反应液中模板为RNA，可能会有RNA逆转录过程。此时，第一加热块12直接升温到逆转录要求温度，一般为50-60度。如果没有RNA逆转录过程，步骤四可跳过。

步骤五：抓钩拉动反应管中活塞2，反应液进入细长管体部(图5所示)。此时第二加热块14升温到PCR预变性/热启动温度，一般为90-95度。一般的，该温度也为步骤七温度。第一加热块12在此时可调整到步骤六要求温度。

步骤六：在本步骤之前，第一加热块12应已经加热到PCR要求的退火/延伸温度，一般为50-60度。进入本步骤后，抓钩推动反应管中活塞2，反应液进入子弹型管体部中锥形部分，如图4。反应管中试剂立即降温到设定温度。在退火/延伸结束后，由光学组件读取荧光信息。在该步骤中，第二加热块14保持PCR变性温度。

步骤七：在本步骤之前，第二加热块14应已经加热到PCR要求的变性温度，一般为90-95度。进入本步骤后，抓钩推动反应管中活塞，反应液进入细长管部分，如图5所示。反应管中试剂立即升温到设定温度。在该步骤中，第一加热块12应保持PCR退火/延伸温度。

步骤八：反复步骤六和步骤七循环若干次，即可完成扩增，并获取实时荧光扩增数据。

步骤九：如需要熔解曲线反应，仪器抓钩可推动反应管的推杆到最上部。此时，第一加热块12慢慢从PCR要求的退火温度(50-60度)缓慢升高到变性温度(90-95度)，同时采用光学组件采集光学信息即可完成熔解曲线。一般在熔解曲线后不会再有额外反应，第二加热块14可提前关闭降温。

步骤十：打开风扇，冷却加热头

步骤十一：关闭仪器，移除反应管。

本发明仪器的特点在于：

1.第一加热块和第二加热块在反应过程中全程温度都不变，温度升降速度仅取决于活塞杆3的速度。根据测试，如反应管尺寸按优选尺寸设计，推杆最多需要两秒即可推动反应液由细长管体部进入子弹型管体部而又不会造成喷射飞溅，等效的降温速度大于15度/秒，最高可到22.5度/秒，而活塞杆3往下拉让反应液由子弹型管体部进入细长管体部的过程不到一秒即可完成，等效的升温速度大于30度/秒，最大可到45度/秒。

2.在反应过程中，第一加热块12和第二加热块14均不需要升降温，在温度稳定后，仅需要较小功率维持温度，仪器功耗非常小。

3.第一加热块12和第二加热块14不存在升降温，其所有的功率均用于维持反应温度，不存在克服上次温度带来的负面效应，能量空耗浪费较少。

4.如反应管所有尺寸按优选尺寸设计，本反应管和仪器所形成的系统，仅需通过少量调整抓钩距离，即可兼容10uL到50uL的PCR体系。

5.本仪器可以完成PCR反应。并基于相应的采集数据，可以进行反应后的熔解曲线分析。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速PCR反应管，其特征在于，所述PCR反应管至少包括：容器管(1)、管盖(4)、活塞(2)和活塞杆(3)，

其中，所述容器管(1)一端设置有用于实现管体封闭的管盖(4)，另一端的管体内部设置有活塞(2)，且所述活塞(2)与活塞杆(3)相连；

所述容器管(1)包括子弹型管体部和细长管体部；

所述细长管体部与所述子弹型管体部的尖头端相连，所述子弹型管体部的另一端与所述管盖(4)相连；

所述活塞(2)装配于所述细长管体部内，且在背向子弹型管体部的方向连接有活塞杆(3)，并能在所述细长管体部内滑动。

2.如权利要求1所述的一种快速PCR反应管，其特征在于，所述活塞杆(3)的端部还设有内凹拉杆。

3.如权利要求1所述的一种快速PCR反应管，其特征在于，所述管盖(4)和容器管(1)为一体注塑成型，中间经连接筋连接。

4.如权利要求2所述的一种快速PCR反应管，其特征在于，所述细长管体部的内管径为2mm，长度为25mm-30mm；

所述子弹型管体部的尖锥段长度为8-10mm，所述子弹型管体部的等径部分为长度为8-10mm；

所述PCR反应管的壁厚均为0.25mm-0.35mm。

5.一种快速PCR反应仪，其特征在于，所述反应仪至少包括PCR反应管(10)、热盖(11)、第一加热块(12)和第二加热块(14)，

所述PCR反应管(10)至少包括：容器管(1)、管盖(4)、活塞(2)和活塞杆(3)，其中，所述容器管(1)一端设置有用于实现管体封闭的管盖(4)，另一端的管体内部设置有活塞(2)，且所述活塞(2)与活塞杆(3)相连；

所述热盖(11)设置于所述管盖(4)的顶部，并与所述管盖(4)相接触；

所述第一加热块(12)和第二加热块(14)分别套接与所述容器管(1)外侧，并与所述容器管(1)相贴合，且所述第一加热块(12)与第二加热块(14)间设有间隙；

且，所述第一加热块(12)与容器管(1)内对应容置区域构成第一调温区；

所述第二加热块(14)与容器管(1)内对应容置区域构成第二调温区；

所述容器管(1)包括子弹型管体部和细长管体部；

所述细长管体部与所述子弹型管体部的尖头端相连，所述子弹型管体部的另一端与所述管盖(4)相连；

所述活塞(2)装配于所述细长管体部内，且在背向子弹型管体部的方向连接有活塞杆(3)，并能在所述细长管体部内滑动；

所述第一加热块(12)套接于所述子弹型管体部的尖锥段外侧；

所述第二加热块(14)套接于所述细长管体部外侧。

6.如权利要求5所述的一种快速PCR反应仪，其特征在于，在所述容器管(1)适合位置设有孔体结构，所述孔体内设有荧光激发和探测的光学组件头；在所述热盖(11)上设置孔体结构，所述孔体结构内设有用于进行PCR反应管(10)内反应液荧光激发和探测的光学组件(15)。

7.如权利要求5所述的一种快速PCR反应仪，其特征在于，所述第一加热块(12)与所述第二加热块(14)间的间隙空间设置有隔热块(13)。

8.如权利要求7所述的一种快速PCR反应仪，其特征在于，所述反应仪还包括抓钩，被配置为用于完成活塞杆(3)尾端的抓紧，以实现驱动活塞杆(3)上下运动。

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