CN112662548A - 一种芯片式核酸扩增装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片式核酸扩增装置，包括：机箱；样品台，设置在机箱顶部；加热单元，包括至少三个恒温加热块和至少三个温控器，每个恒温加热块由独立的温控器控制；机械控制单元，包括水平导杆、垂直导轨和驱动电机，每个恒温加热块可在驱动电机的驱动下沿水平导杆进行水平运动，水平导杆可在驱动电机的驱动下沿垂直导轨进行垂直运动，使得每个恒温加热块均能在驱动电机的驱动下移动到样品台下方对样品台加热；控制单元，与温控器和驱动电机电连接，根据控制程序控制每个恒温加热块的加热温度、位置移动以及每个恒温加热块对样品台的加热时间。本发明的装置结构简单，不需要升降温程序，减少核酸扩增的反应时间和样品的消耗量。
Description
技术领域
本发明涉及核酸扩增技术领域，尤其涉及一种芯片式核酸扩增装置。
背景技术
核酸是所有形式的生命体存在的基础，包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。目前，核酸体外扩增及检测技术是基因克隆、基因分型、基因诊断和核酸测序等生物及医学领域的基础，发挥着相当重要的作用。核酸扩增技术可以大致分为变温扩增技术(常见的为PCR技术)和等温扩增技术(常见的为滚环扩增技术)。
核酸扩增仪(PCR仪)是一种温度控制仪，其中变温扩增技术所使用的温度控制仪还需满足热循环的要求，一般PCR仪根据PCR技术的原理，将温度设定为三个区间，分别是双链DNA变性即双链解链(90℃-96℃)、引物与模板DNA复性即退火(25℃-65℃)和引物延伸(70℃-75℃)，进行循环多次的升降温，但由于温差大会造成能源浪费，同时升降温时间过长会造成总体反应时间增加。
等温扩增技术是在恒定温度下操作的一种核酸扩增技术，有很高的灵敏度和特异性，与PCR技术相比，等温扩增技术在仪器上具有极大的优势，不需要使用复杂、昂贵的仪器，反应时间也明显缩短。核酸等温扩增技术由于可以满足快速、准确、低成本、操作简单等要求而有着广阔的应用前景，一般PCR仪都可进行等温扩增。
公开号为CN2464731Y的中国专利文献公开了一种圆柱型PCR扩增装置，由缠绕于圆截面柱心上的n匝毛细管、加热单元、流速控制单元和与加热单元相连的温度控制单元构成，加热单元由m块或m对相互独立的弧形恒温块组成闭合圆。但是该实用新型的圆柱型设计所需的毛细管的长度较长，样品的消耗量较大，而且该系统只能够作为毛细管PCR反应器，对于平板微流控芯片系统并不适用。
公开号为CN106434280A的中国专利文献也公开了一种圆柱型PCR扩增装置，以水为传热液体，通过加热水来控制不同温区的温度，采用步进电机控制圆盘控温模块旋转来实现对微流控芯片的加热，以及在不同温度之间进行切换。该装置系统由步进电机加上液体传热等，结构比较复杂。其实液滴体积小，金属加热块足够满足其热量需求，而且其技术细节描述不够详细准确，也缺少实际应用的数据，因此很难判断其实用性。
发明内容
本发明提供一种芯片式核酸扩增装置，该装置结构简单，不需要升降温程序，减少核酸扩增的反应时间和样品的消耗量，同时可以应用于传统PCR和等温扩增等核酸扩增反应。
本发明的技术方案如下：
一种芯片式核酸扩增装置，包括：
机箱；
样品台，设置在机箱顶部，用于承载芯片液滴反应器；
加热单元，包括至少三个恒温加热块和至少三个温控器，每个恒温加热块由独立的温控器控制；
机械控制单元，包括水平导杆、垂直导轨和驱动电机，每个恒温加热块可在驱动电机的驱动下沿水平导杆进行水平运动，水平导杆可在驱动电机的驱动下沿垂直导轨进行垂直运动，使得每个恒温加热块均能在驱动电机的驱动下移动到样品台下方对样品台加热；
控制单元，与温控器和驱动电机电连接，根据控制程序控制每个恒温加热块的加热温度、位置移动以及每个恒温加热块对样品台的加热时间。
使用本发明的芯片式核酸扩增装置进行核酸扩增时，将芯片液滴反应器置于样品台上固定，控制单元根据相应的控制程序控制恒温加热块的温度以位置移动，从而对样品台上的芯片液滴反应器执行特定的加热反应程序以进行核酸扩增。
所述的芯片式核酸扩增装置还包括控制面板，通过控制面板向控制单元输入控制程序。
每个恒温加热块的温度均能被单独温控调节至核酸扩增变性/退火/延伸温度区的温度。
恒温加热块的尺寸不做特殊要求，保证恒温加热块可以加热整个样品台即可。
所述的恒温加热块为金属材质(如铜、铝等)，内部嵌有电热丝和温度传感器；所述的温度传感器检测恒温加热块的温度并传输给温控器，温控器根据温度传感器的检测值来控制电热丝的通电或断电。对样品台进行加热时，恒温加热块紧贴样品台底部。
所述的机箱的侧壁开设有出风口和电源开关。
所述的样品台为金属薄板或硅片。
所述的芯片液滴反应器为表面设有亲水点阵列的二氧化硅单晶硅片，亲水点阵列的外周设有围堰。
本发明的恒温加热块独立控温，当恒温加热块的温度一致时，可以进行等温扩增反应；当三个恒温加热块的温度分别调节为变性、退火和延伸温度时，本发明的核酸扩增装置可进行三步法和两步法PCR反应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)采用多个恒温加热块分别对样品台进行加热控温，省去了升降温过程，可缩短反应时间；
(2)每个恒温加热块进行恒温控制，提高了反应温度的精度；
(3)样品台热容小，导热系数高，能够有效提高芯片微反应器的传热效率，加速反应进行。样品的消耗量减少，从而节约了时间、人力和资源成本。
附图说明
图1为本发明芯片式核酸扩增装置的一种实施方式的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明芯片式核酸扩增装置的一种实施方式的内部结构示意图；
图4为实施例中所用芯片液滴反应器的示意图；
图5为应用例1中核酸等温扩增反应的产物的凝胶电泳图；
图6为应用例2中PCR扩增反应产物的凝胶电泳图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1-3所示，芯片式核酸扩增装置包括机箱1及设置在机箱1顶部的样品台2，样品台2用于承载如图4所示的芯片液滴反应器。
机箱1侧面设有控制面板3、出风口4和电源开关5。
机箱1内部设有3个恒温加热块6，每个恒温加热块6由独立的温控器控制。机箱1内还设有机械控制单元，机械控制单元包括水平导杆7、垂直导轨8以及驱动电机，3个恒温加热块6在驱动电机的驱动下可以沿水平导杆7进行水平运动，水平导杆7在驱动电机的驱动下可以沿垂直导轨8进行上下运动，3个恒温加热块6均能在驱动电机的带动下移动到样品台2下方加热样品台2。恒温加热块6移动到样品台2下方对样品台2进行加热时，恒温加热块6与样品台2紧密接触。为了使样品台2加热均匀，恒温加热块6的截面大于样品台2，以保证恒温加热块6可以加热整个样品台2。
机箱1内还设有控制单元，可以通过控制面板3向控制单元输入控制程序，控制单元可以根据相应的控制程序来控制每个恒温加热块6的加热温度以及位置移动。
样品台2为导热系数高的金属薄板(例如铝或不锈钢)或硅片。恒温加热块6为热容较大的金属材料(如铜、铝等)，内部嵌有温度传感器和电热丝。对样品台2进行加热时，恒温加热块6紧贴样品台2底部。
芯片液滴反应器的结构如图4所示，其制作过程如下：
首先硅烷化处理二氧化硅单晶硅片表面，采用热浓硫酸浸泡进行硅片表面清洁。去离子水冲洗干净后，在真空干燥箱中烘干备用。将硅片浸泡在硅烷化试剂中密封过夜，对表面进行硅烷化处理。待硅片片表面硅氧基与OTCS的硅烷基接枝后，用异辛烷冲去游离的OTCS，再用无水乙醇冲洗，用于取代OTCS中的氯离子。硅烷化处理后，在暗室中采用甩胶机在硅片表面涂布一层AZ4620光胶。然后将硅片置于烘箱中，90℃烘干30min。将掩模图案面朝下，置于硅片光胶层上，再用石英片压好，置于紫外光刻机中曝光30s进行光刻。光刻后将硅片在显影液中浸泡1-2min进行显影。用去离子水冲洗后，在烘箱中110℃烘干30min。用胶带贴住硅片背面及侧边以保护无光胶部位，置于普通玻璃刻蚀液中，在恒温水浴振荡器中40℃刻蚀10min。再用无水乙醇除去剩余光胶，即得到亲水点阵列33芯片。用塑料加工出围堰11，采用环氧树脂粘在亲水点阵列芯片上，用来承载矿物油22。
使用本发明的芯片式核酸扩增装置进行核酸扩增时，将芯片液滴反应器置于样品台上固定，然后通过控制面板向控制单元输入反应程序，控制单元根据输入的反应程序控制恒温加热块的移动，从而对样品台上的芯片液滴反应器执行特定的加热程序以进行核酸扩增。
应用例1
本应用例采用该装置在芯片液滴反应器(结构如图4所示)中进行双引物滚环扩增反应。
设计一个双引物滚环扩增反应，首先以HPV-11的一段序列为Target，相应序列如下：
Target：3’-ACACCGCTCTGTTGAAAGGG
Circle：
GTGAATGTCTACTTGTGGCGAGACAACTTTCCCTTTGCAATAACATTA
TACGCCATCCTCAGCCAGCCTCTTGCCAGT
再设计一段与RCA产物(RCPs)序列互补配对的一条新引物P2；
RCPs：5’-ACTGGCAAGAGGCTGGCTGA
P2：3’-TGACCGTTCTCCGACCGACT
5μL体系的指数滚环扩增条件如表1所示：
表1 1μL体系的指数滚环扩增反应物的用量
设置其中一个恒温加热块的温度为65℃，并使其在样品台下恒温加热10分钟。用移液器将扩增产物收集至PCR管中，然后在1％的琼脂糖凝胶电泳中分离检测，结果如图5所示，其中，1和2分别是样品和空白对照的凝胶电泳结果。
所设计的指数滚环扩增反应在本发明的芯片核酸扩增装置中进行指数滚环扩增反应和检测。
应用例2
本应用例采用本发明的芯片核酸扩增装置和芯片液滴反应器进行PCR扩增反应，同时在普通PCR仪上进行平行实验。
设计一个PCR反应，首先以植物基因组TRNL的一段序列为靶标，设计引物序列如下：
Primer-1 GGGGATAGAGGGACTTGAAC
Primer-2 CGAAATCGGTAGACGCTACG；
PCR扩增体系和程序
1.PCR扩增体系(芯片上20个液滴量)：在0.2mL Eppendorf离心管中加入以下反应物：
最后用去离子水补齐到20μL。
2.芯片PCR程序：
PCR仪程序：
操作过程：首先，将芯片液滴反应器置于样品台上固定，然后在面板上设置PCR反应程序，反应结束后用移液器将PCR产物取出，收集到PCR管中，进行凝胶电泳分析。PCR仪扩增结束后直接取出上样，进行电泳分离。结果如图6所示，其中M1和M2为marker，1和2分别是芯片的空白和样品，3和4分别是PCR仪的空白和样品。结果可见，芯片核酸扩增系统与商品化PCR扩增效率相当，而且用时更短。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种芯片式核酸扩增装置，其特征在于，包括：
机箱；
样品台，设置在机箱顶部，用于承载芯片液滴反应器；
加热单元，包括至少三个恒温加热块和至少三个温控器，每个恒温加热块由独立的温控器控制；
机械控制单元，包括水平导杆、垂直导轨和驱动电机，每个恒温加热块可在驱动电机的驱动下沿水平导杆进行水平运动，水平导杆可在驱动电机的驱动下沿垂直导轨进行垂直运动，使得每个恒温加热块均能在驱动电机的驱动下移动到样品台下方对样品台加热；
控制单元，与温控器和驱动电机电连接，根据控制程序控制每个恒温加热块的加热温度、位置移动以及每个恒温加热块对样品台的加热时间。
2.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的芯片式核酸扩增装置还包括控制面板，通过控制面板向控制单元输入控制程序。
3.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，每个恒温加热块的温度均能被单独温控调节至核酸扩增变性/退火/延伸温度区的温度。
4.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的恒温加热块为金属材质，内部嵌有电热丝和温度传感器；所述的温度传感器检测恒温加热块的温度并传输给温控器，温控器根据温度传感器的检测值来控制电热丝的通电或断电。
5.根据权利要求4所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的恒温加热块的材质为铜和/或铝。
6.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的机箱的侧壁开设有出风口和电源开关。
7.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的样品台为金属薄板或硅片。
8.根据权利要求1所述的芯片式核酸扩增装置，其特征在于，所述的芯片液滴反应器为表面设有亲水点阵列的二氧化硅单晶硅片，亲水点阵列的外周设有围堰。
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2021
- 2021-01-11 CN CN202110030329.2A patent/CN112662548A/zh active Pending
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