CN112111391A - 微流控芯片和对流pcr扩增检测系统 - Google Patents

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邱子欣
郭蒙
李珂
李益民
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Beijing University of Chemical Technology
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Abstract

本发明提供一种微流控芯片和对流PCR扩增检测系统。微流控芯片包括：存储结构，具有存储腔；对流PCR管，所述对流PCR管的第一端与所述存储腔连通；废液接收结构，具有废液腔，所述对流PCR管的第二端与所述废液腔连通；和FTA膜，所述FTA膜设置于所述对流PCR管的内部以过滤从所述对流PCR管的第一端流至第二端的溶液并能够使所述溶液中的核酸吸附在所述FTA膜的表面。本发明构建了一体化、自动化的核酸分析微流控芯片。

Description

微流控芯片和对流PCR扩增检测系统
本申请是申请号为“201710054798.1”、申请日为“2017年1月24日”、发明名称为“对流PCR扩增检测系统和对流PCR扩增检测方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及生命医学检测、诊断领域，尤其涉及微流控芯片和对流PCR扩增检测系统。
背景技术
现有技术中，核酸分析方法往往包括两个步骤，其中，第一个步骤对检测样品进行裂解，然后捕获并纯化核酸模板；第二个步骤对核酸模板实施聚合酶链式反应(PolymeraseChain Reaction，PCR)或者其它等温扩增与检测。聚合酶链式反应是一种分子生物学技术，用于扩增特定的DNA片段。聚合酶链式反应一般需要对反应混合物在两个或三个温度之间进行重复的热循环步骤以实现扩增。作为一种新型PCR扩增技术，对流聚合酶链式反应(Convective Polymerase Chain Reaction，CPCR，下称对流PCR)依靠一个或两个恒定的反应温度，在反应试管(对流PCR管)两端建立稳定的温度梯度，基于热流体动力学原理，反应度管内产生周期性运动流场，使得扩增样品在温度不同的试管两端间往复运动，由此获得PCR扩增所需的温度条件。
现有技术中核酸提取往往通过手工或半自动仪器来完成，而且核酸提取过程与核酸扩增过程相互分离，因此，传统核酸分析系统和方法的效率较低。
发明内容
本发明第一方面提供一种微流控芯片，包括：
存储结构，具有存储腔；
对流PCR管，所述对流PCR管的第一端与所述存储腔连通；
废液接收结构，具有废液腔，所述对流PCR管的第二端与所述废液腔连通；和
FTA膜，所述FTA膜设置于所述对流PCR管的内部以过滤从所述对流PCR管的第一端流至第二端的溶液并能够使所述溶液中的核酸吸附在所述FTA膜的表面。
在一些实施例中，所述存储结构、所述对流PCR管的第一端、所述对流PCR管的第二端和所述废液接收结构顺次布置。
在一些实施例中，所述微流控芯片还包括一层或两层以上具有多个微孔的支撑膜，所述支撑膜设置于所述FTA膜和所述废液腔之间且所述支撑膜与所述FTA膜贴合。
在一些实施例中，所述微流控芯片还包括用于将热量导入所述对流PCR管内的导热槽结构，所述导热槽结构包括导热槽，所述对流PCR管的至少设置所述FTA膜的部分位于所述导热槽内。
在一些实施例中，所述微流控芯片还包括微孔连接件，所述微孔连接件设置于所述导热槽结构和所述废液接收结构之间，所述微孔连接件包括分别连通所述对流PCR管的第二端与所述废液腔的微孔。
在一些实施例中，所述微孔连接件包括盖设于所述废液接收结构顶部的盖板和设置于所述盖板上的连通管，所述连通管紧配合于所述导热槽的内部下方，所述废液接收结构位于所述微孔连接件的盖板下方，与所述微孔连接件紧密连接在一起，且所述连通管的上端与所述对流PCR管的第二端对接。
在一些实施例中，所述微流控芯片还包括芯片配合件，所述导热槽结构和所述微孔连接件用所述芯片配合件锁固在一起。
在一些实施例中，所述存储结构包括存储腔入口，所述微流控芯片还包括软塞，所述软塞用于与所述存储腔入口配合以封闭所述存储腔入口。
本发明第二方面提供一种对流PCR扩增检测系统，用于本发明第一方面所述的微流控芯片，包括：
流动控制模块，用于使所述微流控芯片的存储腔内的溶液进入所述微流控芯片的对流PCR管并经所述微流控芯片的FTA膜过滤后进入所述微流控芯片的废液腔中；
加热模块，用于加热所述对流PCR管内的物质；和
光学检测模块，用于对所述对流PCR管内的物质进行荧光检测。
在一些实施例中，所述流动控制模块包括离心模块，所述离心模块包括围绕中心轴线可转动地设置的转动体，所述转动体被配置为与所述微流控芯片连接并带动所述微流控芯片转动以使所述微流控芯片的存储结构的溶液在离心力的作用下进入所述对流PCR管并经所述FTA膜过滤后进入所述废液腔中。
在一些实施例中，所述转动体包括转盘和芯片固定件，所述转盘围绕所述中心轴线可转动地设置，所述芯片固定件与所述转盘固定连接，所述芯片固定件被配置为适于所述微流控芯片固定设置于所述芯片固定件上。
在一些实施例中，所述转盘与所述芯片固定件的固定连接位置可改变地设置以使所述微流控芯片与所述中心轴线之间的距离可调节。
在一些实施例中，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管呈竖直状态。
在一些实施例中，所述离心模块包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与所述转动体驱动连接，以驱动所述转动体转动。
在一些实施例中，所述旋转驱动机构的输入转速可调节地设置。
在一些实施例中，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管呈竖直状态，其中，所述定位控制元件包括光电开关，所述光电开关与所述旋转驱动机构耦合并通过控制所述旋转驱动机构的转动角度控制所述对流PCR管呈竖直状态。
在一些实施例中，所述加热模块包括加热元件和用于测量所述加热元件的温度的测温元件。
在一些实施例中，所述加热模块包括加热元件，所述加热元件被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在加热位置和非加热位置之间切换，在所述加热位置，所述加热元件被配置为靠近所述微流控芯片以对其进行加热，在所述非加热位置，所述加热元件被配置为相对于所述加热位置远离所述微流控芯片。
在一些实施例中，所述加热模块还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构与所述加热元件驱动连接，以驱动所述加热元件在所述加热位置和所述非加热位置之间切换。
在一些实施例中，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源被配置为与所述对流PCR管同心，在所述非激发位置，所述激发光源被配置为所述激发光源的中心线与所述对流PCR管的中心线具有间隔。
在一些实施例中，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源被配置为与所述对流PCR管同心，在所述非激发位置，所述激发光源被配置为所述激发光源的中心线与所述对流PCR管的中心线具有间隔，其中，所述激发光源与所述加热元件相对固定地设置。
在一些实施例中，所述流动控制模块包括与所述废液腔连通的抽吸装置，所述抽吸装置用于降低所述微流控芯片的废液腔内的压力以使所述微流控芯片的存储腔内的溶液在压差的作用下进入所述微流控芯片的对流PCR管并经所述微流控芯片的FTA膜过滤后进入所述废液腔中；和/或，所述流动控制模块包括与所述微流控芯片的存储腔连通的增压装置，所述增压装置用于提高所述存储腔内的压力以使所述存储腔内的溶液在压差的作用下进入所述微流控芯片的对流PCR管并经所述微流控芯片的FTA膜过滤后进入所述微流控芯片的废液腔中。
本发明构建了一体化、自动化的核酸分析微流控芯片。该微流控芯片是核酸自动提取芯片，实现核酸提取过程的自动化，提高核酸提取效率；该微流控芯片还是核酸扩增与检测芯片。借助微流控芯片一体化的微流体网络结构，实现核酸分析的自动化与集成化，为提高核酸分析效率提供了一个合理的技术平台，提升了核酸分析的整体水平。另外，该对流PCR扩增检测系统既能够显著缩短核酸扩增与检测时间，也能够减少手工操作步骤，提高核酸分析的准确性与可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的对流PCR扩增检测系统的结构示意图。
图2为图1所示的对流PCR扩增检测系统中微流控芯片的结构示意图。
图3为图1所示的对流PCR扩增检测系统中微流控芯片的对流PCR管、FTA膜和支撑膜的连接结构示意图。
图4为图1所示的对流PCR扩增检测系统中离心模块的结构示意图。
图5为图1所示的对流PCR扩增检测系统中离心模块与微流控芯片的连接结构示意图。
图6为图1所示的对流PCR扩增检测系统中加热模块与光学检测模块的激发模块连接结构示意图。
图7为图1所示的对流PCR扩增检测系统中加热模块的结构示意图。
图8为图1所示的对流PCR扩增检测系统中光学检测模块的接收模块结构示意图。
图1至图8中，各附图标记分别代表：1、底座；2、旋转电机；3、转盘；4、旋转电机固定件；5、芯片固定件；6、光电开关；7、光电开关固定座；8、旋转电机固定座；9、直线电机；10、挡片；11、加热元件；12、第一加热固定件；13、测温元件；14、第二加热固定件；15、直线电机固定座；16、LED灯；17、激发滤光片；18、LED灯固定座；19、LED灯固定支架；20、软塞；21、存储结构；22、对流PCR管；23、FTA膜；24、微孔连接件；25、导热槽结构；26、芯片配合件；27、废液腔；28、支撑膜；29、荧光探测器；30、橡胶垫圈；31、接收滤光片。
具体实施方式
下面将结合本发明各附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
本发明提供一种对流PCR扩增检测系统，包括：微流控芯片，所述微流控芯片包括存储结构、对流PCR管、FTA膜和废液接收结构，所述存储结构具有存储腔，所述废液接收结构具有废液腔，所述对流PCR管的第一端与所述存储腔连通，所述对流PCR管的第二端与所述废液腔连通，所述FTA膜设置于所述对流PCR管的内部以过滤从所述对流PCR管的第一端流至第二端的溶液并能够使所述溶液中的核酸吸附在所述FTA膜的表面；流动控制模块，用于使所述存储腔内的溶液进入所述对流PCR管并经所述FTA膜过滤后进入废液腔中；加热模块，用于加热所述对流PCR管内的物质；光学检测模块，用于对所述对流PCR管内的物质进行荧光检测。
进一步地，所述存储结构、所述对流PCR管的第一端、所述对流PCR管的第二端和所述废液接收结构27从靠近所述中心轴线的位置至远离所述中心轴线的位置顺次布置。
进一步地，所述微流控芯片还包括一层或两层以上具有多个微孔的支撑膜，所述支撑膜设置于所述FTA膜和所述废液腔之间，且所述支撑膜与所述FTA膜贴合。
进一步地，所述微流控芯片还包括用于将所述加热模块的热量导入所述对流PCR管内的导热槽结构，所述导热槽结构包括导热槽，所述对流PCR管的至少设置所述FTA膜的部分位于所述导热槽内。
进一步地，所述微流控芯片还包括微孔连接件，所述微孔连接件设置于所述导热槽结构和所述废液接收结构之间，所述微孔连接件包括分别连通所述对流PCR管的第二端与所述废液腔的微孔。
进一步地，所述存储结构包括存储腔入口，所述微流控芯片还包括软塞，所述软塞用于与所述存储腔入口配合以封闭所述存储腔入口。
进一步地，所述流动控制模块包括离心模块，所述离心模块包括围绕中心轴线可转动地设置的转动体，所述微流控芯片与所述转动体连接，所述转动体用于带动所述微流控芯片转动以使所述存储结构的溶液在离心力的作用下进入所述对流PCR管并经所述FTA膜过滤后进入所述废液腔中。
进一步地，所述微流控芯片与所述中心轴线之间的距离可调节地设置。
进一步地，所述转动体包括转盘和芯片固定件，所述转盘围绕所述中心轴线可转动地设置，所述芯片固定件与所述转盘固定连接，所述微流控芯片固定设置于所述芯片固定件上。
进一步地，所述转盘与所述芯片固定件的固定连接位置可改变地设置。
进一步地，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管呈竖直状态。
进一步地，所述离心模块包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与所述转动体驱动连接，以驱动所述转动体转动。
进一步地，所述旋转驱动机构的输入转速可调节地设置。
进一步地，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管呈竖直状态，其中，所述定位控制元件包括光电开关，所述光电开关与所述旋转驱动机构耦合并通过控制所述旋转驱动机构的转动角度控制所述对流PCR管呈竖直状态。
进一步地，所述加热模块加热元件和用于测量所述加热元件温度的测温元件。
进一步地，所述加热模块包括加热元件，所述加热元件相对于所述微流控芯片可移动地设置以在加热位置和非加热位置之间切换，在所述加热位置，所述加热元件靠近所述微流控芯片以对其进行加热，在所述非加热位置，所述加热元件相对于所述加热位置远离所述微流控芯片。
进一步地，所述加热模块还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构与所述加热元件驱动连接，以驱动所述加热元件在所述加热位置和所述非加热位置之间切换。
进一步地，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源与所述对流PCR管同心，在所述非激发位置，所述激发光源的中心线与所述对流PCR管的中心线具有间隔。
进一步地，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源与所述对流PCR管同心，在所述非激发位置，所述激发光源的中心线与所述对流PCR管的中心线具有间隔，其中，所述激发光源与所述加热元件相对固定地设置。
进一步地，所述流动控制模块包括与所述废液腔连通的抽吸装置，所述抽吸装置用于在所述废液腔内形成真空以使所述存储结构的溶液在压差的作用下进入所述对流PCR管并经所述FTA膜过滤后进入所述废液腔中。
本发明提供一种利用本发明第一方面中任一项所述的对流PCR扩增检测系统进行扩增检测的对流PCR扩增检测方法，所述方法包括：提取步骤，包括过滤步骤，在所述过滤步骤中将含有核酸的样本溶液加入所述存储结构的存储腔内，使所述存储腔内的样本溶液流动至所述对流PCR管中，经过所述FTA膜过滤，所述核酸被吸附在所述FTA膜的表面，所述样本溶液中的其余物质流入所述废液腔中；扩增步骤，在所述提取步骤之后，利用所述对流PCR管和所述加热模块对吸附在所述FTA膜表面的所述核酸进行扩增；检测步骤，在所述扩增步骤的同时，利用所述光学检测模块对所述对流PCR管内的扩增产物进行荧光检测。
进一步地，所述扩增步骤包括：将所述对流PCR管转动至竖直状态；向对流PCR管内注入扩增试剂；利用所述加热模块对所述对流PCR管内的物质进行加热。
进一步地，所述提取步骤还包括纯化步骤，在所述过滤步骤之后，将纯化液加入所述存储腔内，使所述存储腔内的纯化液流动至所述对流PCR管中，纯化吸附在所述FTA膜的表面的核酸后的所述纯化液经过所述FTA膜流入所述废液腔中。
进一步地，所述提取步骤还包括洗涤步骤，在所述纯化步骤之后，将洗涤液加入所述存储腔内，使所述存储腔内的洗涤液流动至所述对流PCR管中，，洗涤吸附在所述FTA膜的表面的核酸后的所述洗涤液经所述FTA膜流入所述废液腔中。
根据本发明提供的对流PCR扩增检测系统和方法，在对包含核酸的样本溶液进行提取时，通过流动控制装置(例如通过转动体带动对流PCR管22转动)使FTA膜23对样本溶液进行过滤，核酸被吸附于FTA膜23的表面，而样本溶液中其它物质流经FTA膜23进入废液腔，从而实现核酸提取功能。在对对流PCR管22内的扩增溶液进行扩增时，利用加热模块加热对流PCR管22内的扩增溶液，以使扩增溶液达到所需的温度。在扩增时，利用光学检测模块对对流PCR管22内的扩增产物进行荧光检测。本发明的对流PCR扩增检测系统实现了核酸自动提取与核酸扩增检测的整合，构建了一体化、自动化的核酸分析微流控芯片。该微流控芯片是核酸自动提取芯片，实现核酸提取过程的自动化，提高核酸提取效率；该微流控芯片还是核酸扩增与检测芯片。借助微流控芯片一体化的微流体网络结构，实现核酸分析的自动化与集成化，为提高核酸分析效率提供了一个合理的技术平台，提升了核酸分析的整体水平。另外，该对流PCR扩增检测系统既能够显著缩短核酸扩增与检测时间，也能够减少手工操作步骤，提高核酸分析的准确性与可靠性。
图1至图8示出了本发明实施例的对流PCR扩增检测系统。
该对流PCR扩增检测系统主要包括微流控芯片、流动控制模块、加热模块和光学检测模块。微流控芯片主要包括存储结构21、对流PCR管22、FTA膜23和废液接收结构27。存储结构21具有存储腔。废液接收结构27具有废液腔。对流PCR管22的第一端与存储腔连通，对流PCR管22的第二端与废液腔连通。FTA膜23设置于对流PCR管22的内部以过滤从对流PCR管22的第一端流至第二端的溶液并能够使溶液中的核酸吸附在FTA膜23的表面。流动控制模块用于使存储腔内的溶液进入对流PCR管22并经FTA膜23过滤后进入废液腔中。加热模块用于加热对流PCR管22内的物质。光学检测模块用于对对流PCR管22内的物质进行荧光检测。
本发明实施例中，在对包含核酸的样本溶液进行提取时，通过流动控制装置(例如通过转动体带动对流PCR管22转动)使FTA膜23对样本溶液进行过滤，核酸被吸附于FTA膜23的表面，而样本溶液中其它物质流经FTA膜23进入废液腔，从而实现核酸提取功能。在对对流PCR管22内的扩增溶液进行扩增时，利用加热模块加热对流PCR管22内的扩增溶液，以使扩增溶液达到所需的温度。在扩增时，利用光学检测模块对对流PCR管22内的扩增产物进行荧光检测。
根据以上描述可知，本发明实施例的对流PCR扩增检测系统实现了核酸自动提取与核酸扩增检测的整合，构建了一体化、自动化的核酸分析微流控芯片。该微流控芯片是核酸自动提取芯片，实现核酸提取过程的自动化，提高核酸提取效率；该微流控芯片也是核酸扩增与检测芯片，借助微流控芯片一体化的微流体网络结构，实现核酸分析的自动化与集成化，为提高核酸分析效率提供了一个合理的技术平台，提升了核酸分析的整体水平。另外，该对流PCR扩增检测系统既能够显著缩短核酸扩增与检测时间，也能够减少手工操作步骤，提高核酸分析的准确性与可靠性。
因此，本发明实施例通过将基于固相载体的核酸提取方法与对流PCR扩增检测技术相互结合，充分发挥两者的特点与优势，既可以简化一体化核酸提取及扩增检测系统的复杂度，又可以降低核酸分析时间，提高核酸分析效率，为现场快速环境下的疾病诊断打下坚实的基础。
本实施例中，流动控制模块为离心模块，离心模块包括围绕中心轴线可转动地设置的转动体。微流控芯片与转动体连接，转动体用于带动微流控芯片转动以使存储结构21的溶液在离心力的作用下进入对流PCR管22并流经FTA膜23过滤后进入废液腔中。
在一个未示出的实施例中，流动控制模块可以包括与废液腔连通的抽吸装置，抽吸装置用于降低废液腔内的压力以使存储结构的溶液在压差的作用下进入对流PCR管并经FTA膜过滤后进入废液腔中。抽吸装置例如可以为真空泵、注射器等。
在另一个未示出的实施例中，流动控制模块也可以包括与存储腔连通的增压装置，增压装置用于提高存储腔内的压力以使存储腔内的溶液在压差的作用下进入对流PCR管22并经FTA膜23过滤后进入废液腔中。增压装置例如可以为增压泵等。
如图1所示，本实施中，微流控芯片具体包括软塞20、前述存储结构21、前述对流PCR管22、前述FTA膜23、微孔连接件24、导热槽结构25、芯片配合件26、前述废液接收结构27和支撑膜28。
如图3所示，存储结构21、对流PCR管22的第一端、对流PCR管22的第二端和废液接收结构27从靠近转动体的中心轴线的位置至远离转动体的中心轴线的位置顺次布置，该设置在离心模块的转动体带动微流控芯片转动时，有利于样本溶液以最短的流程有序流动。
如图1所示，存储结构21位于对流PCR管22顶部。存储结构21包括存储腔入口和存储腔出口。存储腔入口和存储腔出口均与存储腔连通。存储腔入口用于向存储腔内注入样本溶液、纯化液、洗涤液等溶液或液体。存储腔出口与对流PCR管22的第一端连接，以为对流PCR管22提供各步骤所需反应试剂。
软塞20用于与存储腔入口配合以封闭存储腔入口。如图1、图3和图5所示，本实施例中存储腔入口位于存储结构21的顶部，软塞20固定在存储结构21的顶部。软塞20可以防止离心操作时反应试剂的溅出。
FTA膜23集成于对流PCR管22底部，即靠近对流PCR管22的第二端设置。裂解后的、或未裂解的样品溶液在离心力作用下，经过对流PCR管22的微通道，滤过FTA膜23，其中的核酸被FTA膜23所捕获。FTA膜23由于自带固态保存的裂解试剂，既能够实现样本裂解(或者选择在外部预先完成样本裂解)、核酸吸附，又能够直接参与对流PCR扩增反应，为对流PCR扩增反应提供扩增模板，从而实现核酸提取和核酸扩增的一体化。
具有多个微孔的支撑膜28设置于FTA膜23和废液腔之间，且支撑膜28与FTA膜23贴合。如图3所示，FTA膜23和支撑膜28紧固定于对流PCR管22底部。其中，支撑膜的微孔要求能通过样品溶液中除核酸以外的物质(核酸已经被FTA膜23吸附捕获)及纯化液和洗涤液，从而不会对对流PCR扩增检测系统的工作产生不利影响。
支撑膜28与FTA膜23贴合，能够对FTA膜23形成支撑。另外，在FTA膜23底部设置支撑膜28后，支撑膜28可以与FTA膜23共同作用防止扩增试剂进入废液腔。本实施例中废液腔不与大气环境连通，且FTA膜23上部对流PCR管22的内径较小，因此，在对流PCR管22表面张力、废液腔内的背压和FTA膜与支撑膜28的阻力的共同作用下，能在进行对流PCR扩增反应时防止扩增试剂进入废液腔。
作为支撑膜的一个示例，支撑膜可以是微孔孔径满足以上要求的多孔膜。其中多孔膜是每平方厘米含有一千万至一亿个孔，孔隙率占总体积70％～80％，孔径均匀，孔径范围在0.02～20μm之间的分离膜。作为支撑膜的另一个示例，支撑膜也可以采用纤维材料制作。
导热槽结构25用于将加热模块的热量导入对流PCR管22内。对流PCR管22的至少设置FTA膜23的部分位于导热槽结构25内。微孔连接件24设置于导热槽结构25和废液接收结构27之间。微孔连接件24包括分别连通对流PCR管22的第二端和废液腔的微孔。
如图1、图2和图5所示，导热槽结构25包括上下贯通的导热槽，对流PCR管22紧配合于导热槽内部上方。微孔连接件24包括盖设于废液接收结构27顶部的盖板和设置于盖板上的连通管。连通管紧配合于导热槽的内部下方，废液接收结构27位于微孔连接件24的盖板下方，与微孔连接件24紧密连接在一起，且连通管的上端与对流PCR管22的第二端对接。废液腔收集核酸提取过程产生的废液。盖板位于导热槽结构25的下方且连通管的下端与废液腔连通。导热槽结构25和微孔连接件24用芯片配合件26锁固在一起。
本实施例中，导热槽结构25既能将加热元件11的热量传递给对流PCR管22，为对流PCR扩增反应传递热量，又能固定微孔连接件24和对流PCR管22。而微孔连接件24将导热槽结构25和废液接收结构27紧密连接在一起，还可以有效减少加热模块的热量被废液接收结构27吸收。
优选地，微流控芯片与转动体的中心轴线之间的距离可调节地设置。该设置可以调节微流控芯片各部分所受离心力的大小，由此控制样品溶液或纯化液等通过FTA膜23所需的时间。
离心模块包括旋转驱动机构，旋转驱动机构与转动体驱动连接，以驱动转动体转动。优选地，旋转驱动机构的输入转速可调节地设置。
本实施例中，旋转驱动机构具体地为旋转电机2。通过旋转电机2驱动转盘3转动产生的离心力使得反应试剂透过微流控芯片中的FTA膜23，依次完成核酸吸附、纯化、洗涤步骤，完成核酸的提取。
离心模块包括定位控制元件，定位控制元件用于控制对流PCR管22呈竖直状态。本实施例中，定位控制元件包括光电开关6。
如图1和图4所示，本实施例中，离心模块具体地包括旋转电机2、转盘3、旋转电机固定件4、芯片固定件5、光电开关6、光电开关固定座7和旋转电机固定座8。
前述转动体包括转盘3和芯片固定件5。转盘3围绕中心轴线可转动地设置。芯片固定件5与转盘3固定连接。微流控芯片固定设置于芯片固定件5上。
如图4所示，转盘3通过旋转电机固定件4固定在旋转电机2的转轴上。芯片固定件5固定在转盘3上。旋转电机2通过旋转电机固定座8安装在底板1上。在微流控芯片处于对流PCR管22的第一端在上，第二端在下的竖直位置时，芯片固定件5的底部位于光电开关6的容置槽内，以感测微流控芯片的位置。光电开关6通过光电开关固定座7安装在底板1上。
通过旋转电机2驱动转盘3转动，产生离心力，使得裂解后的、或未裂解的检测样品，或者纯化用的反应试剂在离心力的作用下，从存储结构21流过对流PCR管22中间的微通道，从FTA膜23滤过，实现核酸模板的捕获与纯化。
通过调节旋转电机2的转速可以实现微流控芯片的离心力大小的调节，由此控制检测样品或纯化试剂通过FTA膜23所需的时间。
光电开关6设置在转盘3的下方，光电开关6与旋转电机2耦合并控制旋转电机2的转动角度实现旋转电机2的定位控制，使得对流PCR管22呈垂直状态，满足对流PCR扩增反应条件。
转盘3与芯片固定件5的固定连接位置可改变地设置以调节微流控芯片与转动体的中心轴线之间的距离。从而实现微流控芯片的离心力大小的调节。
加热模块包括加热元件11，加热元件11相对于微流控芯片的转动轴线可移动地设置以在加热位置和非加热位置之间切换，在加热位置，加热元件11靠近微流控芯片以对其进行加热，在非加热位置，加热元件11相对于加热位置远离微流控芯片。
加热模块还包括直线驱动机构，直线驱动机构与加热元件11驱动连接，以驱动加热元件在加热位置和非加热位置之间切换。
优选地，直线驱动机构为直线电机9。驱动直线电机9，将加热元件11紧贴微流控芯片的底部的导热槽结构25，启动加热模块，即可将加热元件11产生的热量经导热槽结构25传递给对流PCR管22，为对流PCR扩增反应提供热量。
另外，加热模块还可以包括测温元件13，测温元件用于测量加热元件11的温度。
如图1、图6和图7所示，本实施例中，加热模块具体包括直线电机9、挡片10、加热元件11、第一加热固定件12、测温元件13、第二加热固定件14、直线电机固定座15。
加热元件11紧配合在挡片10和第一加热固定件12之间。第一加热固定件12采用热容高的金属材料。测温元件13安装在第一加热固定件12上，从而完成温度测量。加热元件11、第一加热固定件12、挡片10安装在第二加热固定件14上。第二加热固定件1采用热容低的非金属材料。第二加热固定件14固定在直线电机9的转轴上。
直线电机9通过直线电机固定座15安装在底板1上。通过控制直线电机9的运动，使加热元件11紧贴微流控芯片的导热槽结构25，实现加热元件11对微流控芯片的接触加热。测温元件13深埋在第一加热固定件12中间，实现对温度检测。
测温元件13例如可以是热电阻，也可以是热电偶等；加热元件11例如可以是半导体制冷器，也可以是加热电阻膜等。
如图1和图6所示，光学检测模块包括激发模块和接收模块。
激发模块包括激发光源，激发光源相对于微流控芯片的转动轴线可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在激发位置，激发光源与对流PCR管22同心，在非激发位置，激发光源的中心线与对流PCR管22的中心线具有间隔。
如图1和图6所示，激发模块具体包括LED灯16、激发滤光片17、LED灯固定座18、LED灯固定支架19。本实施例中，LED灯16作为激发光源。
如图6所示，激发光源与加热元件11相对固定地设置。直线电机9能在驱动加热元件11与导热槽结构25紧贴的同时驱动光学检测模块的激发光源位于对流PCR管22顶部，为对流PCR扩增反应中的荧光检测提供激发光。
具体地，LED灯16固定于LED灯固定座18上，LED灯固定座18通过LED灯固定支架19安装在第二加热固定件14上。激发滤光片17位于LED灯固定座18的底部。LED灯16紧贴激发滤光片17并位于其上部。LED灯固定座18安装在第二加热固定件14上。通过直线电机9可以驱动激发模块的LED灯16移动到对流PCR管22顶部的激发位置，控制LED灯16开启，为对流PCR扩增反应中的荧光检测提供激发光。
参见图8。本实施例中，接收模块包括荧光探测器29、橡胶垫圈30和接收滤光片31。接收滤光片31利用橡胶垫圈30固定，紧贴于荧光探测器29摄像头的前方。荧光探测器29的摄像头正对着对流PCR管22中部，以完成对流PCR扩增反应的实时光学检测。
光学检测模块中通过橡胶垫圈30固定接收滤光片31，克服外界光对荧光信号的影响。荧光检测器29可以采用工业CCD、智能手机摄像头或其它类型摄像头，也可以是光电二极管、光电倍增管等光电传感器。
本实施例还提供一种利用前述的对流PCR扩增检测系统进行对流PCR扩增检测的对流PCR扩增检测方法。该方法包括：提取步骤，包括过滤步骤，在过滤步骤中将含有核酸的样本溶液加入存储结构21的存储腔内，使存储腔内的样本溶液流动至对流PCR管22中，经过FTA膜23过滤，核酸被吸附在FTA膜23的表面，样本溶液中的其余物质流入废液腔中；扩增步骤，在提取步骤之后，利用对流PCR管22和加热模块对吸附在FTA膜23表面的核酸进行扩增；检测步骤，在扩增步骤的同时，利用光学检测模块对对流PCR管22内的扩增产物进行荧光检测。
该对流PCR扩增检测方法与前述的对流PCR扩增检测系统具有同样的优点。
优选地，扩增步骤包括：将对流PCR管22转动至竖直状态；向对流PCR管22内注入扩增试剂；利用加热模块对对流PCR管22内的物质进行加热。
进一步地，提取步骤还包括纯化步骤，在过滤步骤之后，将纯化液加入存储结构21的存储腔内，使存储腔内的纯化液流动至对流PCR管22中，纯化吸附在FTA膜23的表面的核酸后的纯化液经过FTA膜23流入废液腔中。
进一步地，提取步骤还包括洗涤步骤，在纯化步骤之后，将洗涤液加入存储结构21的存储腔内，使存储腔内的洗涤液流动至对流PCR管22中，洗涤吸附在FTA膜23的表面的核酸后的洗涤液经FTA膜23流入废液腔中。
本实施例中，使存储腔内的样本溶液流动至对流PCR管22中，使存储腔内的纯化液流动至对流PCR管22中，使存储腔内的洗涤液流动至对流PCR管22中均通过旋转转动体带动微流控芯片转动来实现。对于流动装置包括与废液腔连通的抽吸装置和/或与存储腔连通的增压装置的实施方式，前述旋转转动体以带动微流控芯片转动的步骤可以用通过抽吸装置使废液腔内的压力降低和/或通过增压装置使存储腔内的压力提高的步骤替代。
以下对本实施例的对流PCR扩增检测方法进行具体描述。
提取步骤。通过移液枪或自动加样针将样本溶液通过存储腔入口加入存储结构21的存储腔中，再用软塞20封闭存储腔入口。启动旋转电机2，通过转盘3带动微流控芯片高速旋转，在离心力的作用下，存储结构21的存储腔中的样本溶液流动至对流PCR管22中，然后透过FTA膜23，流动至废液腔中，使得样本溶液中的核酸被吸附在FTA膜23表面，完成过滤步骤。以同样方式将纯化液和洗涤液依次注入存储结构21中，完成纯化步骤和洗涤步骤；最终完成核酸的快速提取。
扩增步骤。通过转盘3下方的光电开关6，将微流控芯片转动至竖直状态。然后，将扩增试剂注入对流PCR管22中。驱动直线电机9，使加热模块的加热元件11紧贴导热槽结构25，启动加热模块，设置加热温度为95℃，同时LED激发模块位于对流PCR管22的正上方，开始对流PCR扩增。
检测步骤。在扩增步骤的同时，打开已处于激发位置的激发模块，对对流PCR管22打光，通过接收模块，对对流PCR扩增反应扩增产物实时荧光检测。
通过以上操作可利用前述对流PCR扩增检测系统实现核酸快速提取和核酸扩增、检测的一体化操作。
实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成。相关程序可以存储于一种计算机可读存储介质中。存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
根据以上描述可知，本发明实施例提供了一种集成核酸提取功能的对流PCR扩增检测系统和对流PCR扩增检测方法。与现有技术相比，本发明以上实施例具有如下有益效果：
利用FTA膜做作为固相完成核酸的快速提取，并为后续的对流PCR扩增反应提供模板，实现核酸提取与核酸扩增的一体化操作。
利用离心力实现核酸的快速提取，提高核酸提取效率和质量，为后续的对流PCR扩增反应提供了基础。
具有体积小、结构、操作简单、自动化程度高、一体化等优点，降低了装置的复杂度和研究成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (22)

1.一种微流控芯片，包括：
存储结构(21)，具有存储腔；
对流PCR管(22)，所述对流PCR管(22)的第一端与所述存储腔连通；
废液接收结构(27)，具有废液腔，所述对流PCR管(22)的第二端与所述废液腔连通；和
FTA膜(23)，所述FTA膜(23)设置于所述对流PCR管(22)的内部以过滤从所述对流PCR管(22)的第一端流至第二端的溶液并能够使所述溶液中的核酸吸附在所述FTA膜(23)的表面。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述存储结构(21)、所述对流PCR管(22)的第一端、所述对流PCR管(22)的第二端和所述废液接收结构(27)顺次布置。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括一层或两层以上具有多个微孔的支撑膜(28)，所述支撑膜(28)设置于所述FTA膜(23)和所述废液腔之间且所述支撑膜(28)与所述FTA膜(23)贴合。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括用于将热量导入所述对流PCR管(22)内的导热槽结构(25)，所述导热槽结构(25)包括导热槽，所述对流PCR管(22)的至少设置所述FTA膜(23)的部分位于所述导热槽内。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括微孔连接件(24)，所述微孔连接件(24)设置于所述导热槽结构(25)和所述废液接收结构(27)之间，所述微孔连接件(24)包括分别连通所述对流PCR管(22)的第二端与所述废液腔的微孔。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述微孔连接件(24)包括盖设于所述废液接收结构(27)顶部的盖板和设置于所述盖板上的连通管，所述连通管紧配合于所述导热槽的内部下方，所述废液接收结构(27)位于所述微孔连接件(24)的盖板下方，与所述微孔连接件(24)紧密连接在一起，且所述连通管的上端与所述对流PCR管(22)的第二端对接。
7.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括芯片配合件(26)，所述导热槽结构(25)和所述微孔连接件(24)用所述芯片配合件(26)锁固在一起。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述存储结构(21)包括存储腔入口，所述微流控芯片还包括软塞(20)，所述软塞(20)用于与所述存储腔入口配合以封闭所述存储腔入口。
9.一种对流PCR扩增检测系统，用于权利要求1至8任一项所述的微流控芯片，其特征在于，包括：
流动控制模块，用于使所述微流控芯片的存储腔内的溶液进入所述微流控芯片的对流PCR管(22)并经所述微流控芯片的FTA膜(23)过滤后进入所述微流控芯片的废液腔中；
加热模块，用于加热所述对流PCR管(22)内的物质；和
光学检测模块，用于对所述对流PCR管(22)内的物质进行荧光检测。
10.根据权利要求9所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述流动控制模块包括离心模块，所述离心模块包括围绕中心轴线可转动地设置的转动体，所述转动体被配置为与所述微流控芯片连接并带动所述微流控芯片转动以使所述微流控芯片的存储结构(21)的溶液在离心力的作用下进入所述对流PCR管(22)并经所述FTA膜(23)过滤后进入所述废液腔中。
11.根据权利要求10所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述转动体包括转盘(3)和芯片固定件(5)，所述转盘(3)围绕所述中心轴线可转动地设置，所述芯片固定件(5)与所述转盘(3)固定连接，所述芯片固定件(5)被配置为适于所述微流控芯片固定设置于所述芯片固定件(5)上。
12.根据权利要求11所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述转盘(3)与所述芯片固定件(5)的固定连接位置可改变地设置以使所述微流控芯片与所述中心轴线之间的距离可调节。
13.根据权利要求10所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管(22)呈竖直状态。
14.根据权利要求10所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述离心模块包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与所述转动体驱动连接，以驱动所述转动体转动。
15.根据权利要求14所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述旋转驱动机构的输入转速可调节地设置。
16.根据权利要求14所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述离心模块包括定位控制元件，所述定位控制元件用于控制所述对流PCR管(22)呈竖直状态，其中，所述定位控制元件包括光电开关(6)，所述光电开关(6)与所述旋转驱动机构耦合并通过控制所述旋转驱动机构的转动角度控制所述对流PCR管(22)呈竖直状态。
17.根据权利要求9所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述加热模块包括加热元件(11)和用于测量所述加热元件(11)的温度的测温元件(13)。
18.根据权利要求9所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述加热模块包括加热元件(11)，所述加热元件(11)被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在加热位置和非加热位置之间切换，在所述加热位置，所述加热元件(11)被配置为靠近所述微流控芯片以对其进行加热，在所述非加热位置，所述加热元件(11)被配置为相对于所述加热位置远离所述微流控芯片。
19.根据权利要求18所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述加热模块还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构与所述加热元件(11)驱动连接，以驱动所述加热元件在所述加热位置和所述非加热位置之间切换。
20.根据权利要求9所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源被配置为与所述对流PCR管(22)同心，在所述非激发位置，所述激发光源被配置为所述激发光源的中心线与所述对流PCR管(22)的中心线具有间隔。
21.根据权利要求18所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述光学检测模块包括激发光源，所述激发光源被配置为相对于所述微流控芯片可移动地设置以在激发位置和非激发位置之间切换，在所述激发位置，所述激发光源被配置为与所述对流PCR管(22)同心，在所述非激发位置，所述激发光源被配置为所述激发光源的中心线与所述对流PCR管(22)的中心线具有间隔，其中，所述激发光源与所述加热元件(11)相对固定地设置。
22.根据权利要求9所述的对流PCR扩增检测系统，其特征在于，所述流动控制模块包括与所述废液腔连通的抽吸装置，所述抽吸装置用于降低所述微流控芯片的废液腔内的压力以使所述微流控芯片的存储腔内的溶液在压差的作用下进入所述微流控芯片的对流PCR管(22)并经所述微流控芯片的FTA膜(23)过滤后进入所述废液腔中；和/或，所述流动控制模块包括与所述微流控芯片的存储腔连通的增压装置，所述增压装置用于提高所述存储腔内的压力以使所述存储腔内的溶液在压差的作用下进入所述微流控芯片的对流PCR管(22)并经所述微流控芯片的FTA膜(23)过滤后进入所述微流控芯片的废液腔中。
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