CN113430113B - 一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置及检测方法，包括悬浮装置、测量装置、加热装置和PCR溶液，所述的PCR溶液通过悬浮装置悬浮在介质中，PCR溶液能够直接接触介质中的被测物，PCR溶液的四周设有加热装置和测量装置，所述的PCR溶液与加热装置和测量装置之间均采用非接触方式设置，使用超声波驻波使PCR溶液悬浮，再使用非接触式加热方法将其加热并使用非接触方式进行测量。本发明的PCR溶液只与空气接触，没有任何容器，避免了热惯性，大大提高了升温降温效率，小体积的PCR溶液在悬浮时具有较大的比表面积，靠向外的热辐射或对流完成降温，本发明直接加热溶液，在容器、加热装置、传感器上实现了非接触，极大的提高了加热效率，缩短了PCR周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合酶链式反应装置及检测方法，尤其涉及一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置及检测方法。
背景技术
在已有的技术中，快速聚合酶链式反应(PCR)的整个过程发生在容器中。PCR溶液中的DNA在高温(95℃)时变性会变成单链，低温时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间进行控制。需要说明的是，目前所有的温控设备都需要将PCR体系溶液放在容器或某种平台上进行，而与溶液接触的物质由于其自身的比热容与导热效率，导致加热和降温时有热惯性，升温降温不够快速。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置及检测方法，能够提高加热效率，缩短PCR周期。
技术方案：本发明包括悬浮装置、测量装置、加热装置和PCR溶液，所述的PCR溶液通过悬浮装置悬浮在介质中，PCR溶液能够直接接触介质中的被测物，PCR溶液的四周设有加热装置和测量装置，所述的PCR溶液与加热装置和测量装置之间均采用非接触方式设置。
所述的悬浮装置采用超声波悬浮装置，将PCR溶液使用超声波悬浮装置基于驻波原理悬浮在空气介质中。
所述的PCR溶液通过超声波悬浮装置悬浮在空气介质中，能够直接接触空气中的被测物，没有任何容器，避免了热惯性，且大大提高了升温降温效率。
所述的被测物为已溶于液体的DNA或者在气溶胶中的DNA。
所述的PCR溶液含有金纳米颗粒、生物惰性金属氧化物颗粒或磁性纳米颗粒溶液，其体积在0.01微升到1000微升之间。
所述PCR溶液液滴的表面包覆矿物油或其他透明介质，以防在热循环过程中导致蒸发。
所述PCR溶液的降温方式为通过风扇对流或静置对外辐射。
所述的加热装置采用激光器、发光二极管、感应线圈、微波中的一种或多种。
所述的测量装置采用红外温度传感器或热成像仪。
一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置的检测方法，包括以下步骤：
(1)将PCR溶液使用超声波悬浮装置悬浮在空气介质中；
(2)利用测量装置进行温度监测，并由微控制器对加热装置的功率进行控制；
(3)使用加热装置直接加热悬浮在空气中的PCR溶液；
(4)在设定的温度范围内循环若干次后扩增成功。
有益效果：本发明的PCR溶液只与空气接触，没有任何容器，避免了热惯性，大大提高了升温降温效率，小体积的PCR溶液在悬浮时具有较大的比表面积，靠向外的热辐射或对流完成降温，与常规的加热器-容器-液体三相加热策略不同，本发明直接加热溶液，在容器、加热装置、传感器上实现了非接触，极大的提高了加热效率，缩短了PCR周期，同时，悬浮的PCR溶液可以实现对空气中气溶胶的原位检测，由于开放的PCR环境，空气中的气溶胶可以无障碍进入被悬浮的PCR体系并被快速扩增，此技术可用于公共场所的核酸气溶胶实时原位检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括超声波悬浮装置1、测量装置2、PCR溶液3和加热装置4，PCR溶液3通过超声波悬浮装置1悬浮在空气介质中，使PCR溶液3能够直接接触空气介质中的被测物，被测物可以为已经溶于液体的DNA，或者在气溶胶中的DNA。PCR溶液3的四周设有加热装置4和测量装置2，PCR溶液3与加热装置4和测量装置2之间均采用非接触方式设置。
PCR溶液3可含有金纳米颗粒、生物惰性金属氧化物颗粒或磁性纳米颗粒，溶液体积在0.01微升到1000微升之间。PCR溶液3液滴的表面可以包覆矿物油或其他透明介质(液体或固体)，以防在热循环过程中导致蒸发。PCR溶液3的降温方式可通过风扇对流或静置对外辐射。超声波悬浮装置1采用超声波发生器，可对置放置，或单个放置，或多个放置，功率在0.1瓦到200瓦之间，频率为10千赫兹到80千赫兹之间。在加热时加热装置4不与溶液直接接触，加热装置4采用激光器、发光二极管、感应线圈、微波中的一种或多种，加热方式分别为激光加热、发光二极管加热、感应加热、微波加热，激光波长在400纳米到1200纳米之间，激光功率在5毫瓦至30瓦之间；发光二极管加热波长在400纳米到1200纳米之间，功率在505毫瓦到30瓦之间；感应加热功率在5瓦到5000瓦之间，感应加热频率在50赫兹到500千赫兹之间。测量装置2不与PCR溶液3直接接触，测量装置2可以是红外温度传感器或热成像仪。
本发明为了避免容器带来的不良影响，将PCR溶液3使用超声波悬浮装置1基于驻波原理悬浮在空气介质中，使用激光或感应加热的方式直接加热悬浮在空气中的PCR溶液3，在降温时断开加热电源使用风扇或自然冷却到指定温度，使用非接触式传感器进行温度检测，并由单片机控制温度循环变化，达到控温循环最终完成扩增的效果，本发明的检测方法没有容器，PCR溶液3可以直接接触空气中的被测物。同时，悬浮的PCR溶液3可以实现对空气中气溶胶的原位检测，由于开放的PCR环境，空气中的气溶胶可以无障碍进入被悬浮的PCR体系并被快速扩增，此技术可用于公共场所的核酸气溶胶实时原位检测。
实施例2
将含有引物与待测样品的20微升PCR溶液(含有0.01g/ml金纳米棒)使用对置的超声波发生器(各50w)悬浮在空气介质中。非接触式红外传感器进行温度监测，并由微控制器对激光功率和风扇进行控制。使用808nm5瓦的激光直接加热悬浮在空气中的PCR溶液，使用风扇对流降温，在95℃-72℃之间循环35次后得到最终的扩增产物。此处的热循环次数可以是标准热循环次数35次，也可以不限次数。
实施例3
将含有引物与待测样品的20微升PCR溶液(含有0.1g/ml三氧化二铝纳米颗粒)使用对置的超声波发生器(各50w)悬浮在空气介质中；非接触式红外传感器进行温度监测，并由微控制器对感应线圈功率进行控制；使用100瓦180千赫兹的感应线圈直接加热悬浮在空气中的PCR溶液，在95℃-72℃之间循环35次得到最终的扩增产物。
实施例4
将含有引物但不含待测物的5微升实时荧光PCR溶液(含有0.01g/ml金纳米棒)使用对置的超声波发生器(各50w)悬浮在空气介质中；使用非接触式红外传感器进行温度监测，并由微控制器对激光功率进行控制；使用1046nm 7瓦的激光直接加热悬浮在空气中的PCR溶液，在95℃-72℃之间不断循环时，将装置放入含有待测物的气溶胶中，在若干个循环后，扩增成功，发出荧光，检出气溶胶成分。
实施例5
将含有引物但不含待测物的100微升实时荧光PCR溶液(含有0.009g/ml金纳米棒)使用超声波发生器(30w)悬浮在空气介质中；使用热成像仪进行温度监测，并由微控制器对发光二极管的功率进行控制；使用808nm 7瓦的发光二极管直接加热悬浮在空气中的PCR溶液，在95℃-72℃之间不断循环，当装置接触含有待测物的气溶胶时，扩增成功，发出荧光，检出气溶胶成分。
Claims (6)
1.一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置，其特征在于，包括悬浮装置、测量装置（2）、加热装置（4）和PCR溶液（3），所述的PCR溶液（3）通过悬浮装置悬浮在介质中，PCR溶液（3）能够直接接触介质中的被测物，PCR溶液（3）的四周设有加热装置（4）和测量装置（2），所述的PCR溶液（3）与加热装置（4）和测量装置（2）之间均采用非接触方式设置；
所述的悬浮装置采用超声波悬浮装置（1），所述的PCR溶液（3）通过超声波悬浮装置（1）悬浮在空气介质中，能够直接接触空气中的被测物，所述的PCR溶液（3）含有金纳米颗粒、金属氧化物颗粒或纳米颗粒，溶液体积在0.01微升到1000微升之间；所述的加热装置（4）采用激光器、发光二极管、感应线圈、微波中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置，其特征在于，所述的被测物为已溶于液体的DNA或者在气溶胶中的DNA。
3.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置，其特征在于，所述PCR溶液（3）液滴的表面包覆矿物油或其他透明介质。
4.根据权利要求3所述的一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置，其特征在于，所述PCR溶液（3）的降温方式为通过风扇对流或静置对外辐射。
5.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置，其特征在于，所述的测量装置（2）采用红外温度传感器或热成像仪。
6.一种超声波悬浮聚合酶链式反应装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将PCR溶液使用超声波悬浮装置悬浮在空气介质中；
（2）利用测量装置进行温度监测，并由微控制器对加热装置的功率进行控制；
（3）使用加热装置直接加热悬浮在空气中的PCR溶液；
（4）在设定的温度范围内循环若干次后扩增成功。
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