CN114672405A - 一种pcr扩增检测集成系统及其pcr反应控制方法 - Google Patents

Abstract

一种PCR扩增检测集成系统，包括：一个以上PCR扩增检测子系统，及控制器、测温装置、光学检测装置；PCR扩增检测子系统内含反应装置、第一能量源、冷却装置；反应装置上设有一个以上反应单元，反应单元包括微流通道、设置于微流通道路径上的反应室，反应室上设透光外露面、光热转换层；第一能量源使反应室发热；冷却装置使反应室降温；测温装置检测反应室内反应液温度；光学检测装置检测反应单元中的光信号；控制器与PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置连接并接收其反馈信息，并根据设定条件和反馈通过控温装置调控反应室内温度。利于拓展以并行多种PCR体系扩增过程，且对于每个PCR体系能快速升降温，加快整体扩增反应流程，温度控制准确，PCR扩增效果好。

Description

一种PCR扩增检测集成系统及其PCR反应控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种PCR扩增检测集成系统及其PCR反应控制方法。

背景技术

基于PCR技术的分子诊断技术是医疗保健行业广泛用于诊断细菌、病毒、基因突变等多种物体的重要医疗工具之一。PCR是一种相对简单成熟的技术，可以在体外扩增DNA模板以产生特定的DNA片段。PCR技术在很多书中都有所描述，包括Sarah Maddocks RowenaJenkins的《理解PCR第一版》(学术出版社，2016)，以及Griffin,Hugh G.的《PCR技术：当前的创新》(格里芬，安妮特；CRC-Press，1994)。在许多美国专利中同样也有对PCR的描述，包括美国公开号为US4683195A、US4683202A、US4800159A、US4965188A、US5075216A、US5079352A、US5104792A、US5023171A、US5091310A、US5066584A等文件。这些文件的内容以参考的方式完整地包含在本文件中。然而，目前分子诊断严重依赖于特定设备，该类设备不仅相当昂贵，且过程耗时严重。首先，许多诊断分析只能用非常专业的设备进行，这些设备既昂贵，又只能由训练有素的临床医生操作。意味着大多数医院被要求将样本送到特定地点进行检测，该类方式易产生较大运输成本，且可能还会存在运输延误等状况，运输等过程也可能造成样本损失。其次，该类设备通常是分批运行的，会延迟了许多样品的处理时间，因为单批检测过程中必须等待机器所有样品位装满后才能运行。这个过程模式适合大多数常规检测，比如癌症检测，医生和病人都愿意等待几天才能得到测试结果。然而，在某些情况下，快速检测显得至关重要，包括对于疾病发展的控制。例如，在covid-19大流行季节，按照目前的流程模式，等待3-5天才能获得检测结果，该类方式和时间显然是无法满足社会运作、人群正常活动等需求的。因此，现有技术亟需一种易于使用、能快速进行PCR和检测的设备及系统、相应PCR反应控制方法，以能够在短时间内即提供准确的诊断结果。

一个典型的PCR循环包括变性、退火和延伸步骤。通常在变性步骤中，将PCR反应液加热至90℃以上，将双链多核苷酸模板变性为单链多核苷酸模板；在变性步骤之后，PCR反应液被冷却到50℃-65℃的特定温度，进入退火步骤，在退火步骤中，至少有一对引物寡核苷酸与变性的单链多核苷酸模板杂交；引物寡核苷酸通常成对选择，可以退火到给定的双链多核苷酸序列的相反链上，以便两个退火位点之间的区域被放大。然后进一步将PCR反应液温度提高到70℃-75℃左右，进入延伸步骤，其中具有聚合酶活性的酶催化合成新的多核苷酸链，该多核苷酸链包含引物寡核苷酸，并以原变性多核苷酸为合成模板。随着循环的重复，新合成多核苷酸的数量呈指数增长。

在现有技术美国专利中公开了一种用于DNA扩增的传统热循环仪；即编号为6656724B1和8246243B2的文件，其中一个或多个温度控制的加热元素或加热块保持反应混合物温度，其中加热块的温度随时间变化；但是PCR的温度梯度速度通常在每秒1摄氏度左右，相当一部分循环时间花在加热和冷却过程，而不是用于变性、退火和延伸步骤。为了改善温度均匀性，国际专利WO98/49340公开了一种新型的热循环器，其中多个PCR管通过转子离心，通过闭环温度控制对PCR管进行空气加热和冷却；这种方法改善了管间温度的均匀性。然而，加热速度仍不快，因为需要热空气或冷空气对整个平台与周围的设备进行加热或冷却，升温降温效率低下，仍相当耗时。此外，很难测量反应混合物的温度，只能检测一侧的空气温度，需要根据空气温度估计反应液的温度；由于空气和反应混合物之间的温差很大，估计的反应温度会有很大的误差，这意味着温度控制很差，不利于实际的PCR反应控制。美国专利9，259，736B2公开了另一种基于离心机的热循环仪，该热循环仪采用红外辐射源加热旋转平台上的一小部分反应容器；虽然结合离心旋转，能使得整体上反应容器都有被加热，但是，实际在任何时候只有一小部分平台被加热，容易导致同一平台不同侧的温差，即跨平台的热差，导致不同位置反应容器之间的放大量差异显著；此外，加热速度和PCR性能也受转速影响，不易实现快速反应、准确控制。重要的是，现有技术设备通常单次运行只能实现同一条件要求的PCR扩增检测，无法同时进行不同条件要求下的多类PCR扩增反应。

为了缩短整个PCR扩增时间和提高PCR质量，需要有一个能够快速改变PCR溶液至指定的温度，并在进入下一个设定温度前维持该温度在一定的时间。还需要对PCR溶液进行精确的温度控制。更进一步地，还需要可扩展以形成多个条件下PCR扩增可同时运行的集成系统。本发明提供了一种改进的PCR扩增检测集成系统和采用该系统的一类PCR反应控制方法，以克服上述现有技术的至少一个缺点，或提供一种有用的替代方法。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种PCR扩增检测集成系统及PCR反应控制方法，通过本申请提供的PCR扩增检测集成系统能够集成多个PCR反应控制子系统，从而相对独立的对一个以上子系统内扩增体系进行相应条件的控制反应，且配合子系统内与反应室高度配合的第一能量源、冷却装置，能够快速升降温，加快整体扩增反应流程，且温度控制准确，PCR扩增质量好。

本发明采取的技术方案是，一种PCR扩增检测集成系统，包括：一个以上PCR扩增检测子系统，及控制器、测温装置、光学检测装置；

所述PCR扩增检测子系统内含反应装置、第一能量源、冷却装置；

所述反应装置上设有多个反应单元，反应单元包括微流通道以及设置于微流通道路径上的反应室，所述反应室至少有一个透光外露的采集面，以及避让所述采集面的光热转换层；

所述第一能量源至少用于为反应室的加热提供能量，包括使光热转换层发热；

所述冷却装置至少用于对反应室进行降温；

所述测温装置至少用于检测反应室内的温度；

所述光学检测装置至少用于检测反应单元中的光信号；

所述控制器与PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置连接，控制器接收测温装置、光学检测装置的反馈信息，所述控制器根据设定扩增条件和测温装置反馈信息通过第一能量源、冷却装置调控反应室内温度。

利于拓展以并行多种PCR体系扩增过程，且对于每个PCR体系能快速升降温，加快整体扩增反应流程，温度控制准确，PCR扩增效果好。

进一步地，包括多个PCR扩增检测子系统，以及分别与多个PCR扩增检测子系统对应的多个测温装置、多个光学检测装置，控制器与多个PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置连接。

进一步地，还包括输入模块，所述输入模块接收用户输入信息并传递至控制器，所述输入信息包括即时操作指令、运作程序、预设参数。所述即时操作指令包括查询指令、开始指令、中止指令、继续运行指令、终止指令、分析指令。

进一步地，还包括与控制器连接的输出模块，所述输出模块至少可视化测温装置、光学检测装置检测所得反应室内反应状态信息，所述反应室内反应状态信息包括当前反应室内反应温度、连续时间内反应过程温度变化、反应室内荧光强度、反应室荧光照片、反应室内是否成功扩增的判断结果。

进一步地，还包括与控制器连接的存储模块、查询模块，所述存储模块存储历史运行程序、历史反应室内反应状态信息；所述查询模块用于用户访问并经控制器授权以查询历史运行程序、历史反应室内反应状态信息。

进一步地，控制器还连接安装有PCR扩增分析程序的计算机。

进一步地，所述第一能量源为电磁辐射装置，电磁辐射装置能发射波长在200nm～3μm范围内的电磁辐射。

进一步地，所述第一能量源包括但不限于钨灯、卤素灯、LED单元、LED单元阵列、激光器及其组合。

进一步地，所述光热转换层为设置在所述反应室外壁上的电磁辐射转热膜，所述电磁辐射转热膜内混合有电磁辐射转热材料；或，所述光热转换层为反应室反应壁本体，反应壁本体为高分子材料混合电磁辐射转热材料制成。

进一步地，电磁辐射转热材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺、聚多巴胺及其组合。

进一步地，所述冷却装置为设置于反应装置一侧的风冷设备。

进一步地，所述反应装置下方留有与反应装置底面平行的底部风道，冷却装置至少通过底部风道作用于反应室。

进一步地，测温装置包括但不限于接触式热电偶温度传感器、接触式热敏电阻温度传感器、非接触式红外温度传感器。

进一步地，光学检测装置包括但不限于光电倍增管、光电二极管、CMOS、CCD。

进一步地，微流通道一侧设有连通反应室的注入口；每个反应单元针对一个液体反应体系，反应装置中的多个反应单元能同时进行PCR；反应室用于提供足够空间使待测样品进行PCR扩增；注入口用于注入液体反应物；光学检测装置用于检测反应室内的荧光信号；控制器通过控制第一能量源、冷却装置和测温装置调节PCR的过程的温度，通过光学检测装置快速采集液体反应物的反应信息；第一能量源发出的能量在被光热转换层吸收后能转化为热能；采集面至少能用于配合光学检测装置对反应室内进行检测。

每个反应单元的反应室都具有光热转换层，在第一能量源的作用下，光热转换层高效地将第一能量源发出的能量转化为热能，从而实现反应室的局部加热；而作用于其他部件时，对其他部件造成的发热量远低于光热转换层，降低了对其他部件的热干扰，使得降温时无需为消除周边部件的热辐射而先对整体进行降温，提升了温度调节的速度。各个反应单元中的光热转换层与反应室的尺寸匹配度高，发热集中，热传递路径短，有效减少热量散失，提升了温度调节速度。局部加热使得光热转换层对反应室周边的热影响少，测温装置能在加热间断的过程中直接对反应室进行精准精确的测温，相比传统的环境测温能更精确获取PCR反应的实际温度，使得温度控制更精确，从而提高PCR效果和PCR效率。通过提高反应室的升温速度、降低整体散热所需的时间、使反应室满足实际温度的精确测量，从而提升PCR的反应效率和整体的检测速度。

所述反应单元还包括排出口，所述反应室通过微流通道分别与所述注入口和所述排出口相连通；所述微流通道倾斜设置且连通注入口或排出口的一端高于连通所述反应室的一端；所述排出口至所述反应室的微流通道长度比所述注入口至所述反应室的微流通道长度长；所述注入口和所述排出口上设有容池，即前述的微流通道外端口设有容池。

排出口至少用于排出反应室空气加速液体反应物进入反应室的速度；微流通道用于引导液体反应物的均匀流动；注入口容池至少为微流通道提供反应液流入缓冲空间。

微流通道能使液体反应物的流动更稳定，减少流动过程中的气泡产生；微流通道中注入口的连通口高于反应室的连通口，且该段流至反应室过程的微流通道短，能使注液过程中，液体反应物能在重力的加速作用下，在更短的路径上快速地进入反应室内，减少注液的时间；作为优选，所述输出口至所述反应室的微流通道长度比所述注入口至所述反应室的微流通道长度长；而微流通道中排出口的连通口高于反应室的连通口且该段微流通道长是为了当微流通道存有液体反应物时，液体反应物的存放在重力作用下更稳定，而且能容纳的液量更大，减少溢出的可能。

所述反应室包括相互平行且位置相对的透光板、导热板，以及连接所述透光板和所述导热板的侧板，前述的反应室反应壁即包括了所述导热板，所述采集面设置在透光板上；所述光热转换层为设置在所述反应室外壁(导热板)上的电磁辐射转热膜；或，所述光热转换层为反应室反应壁(导热板)本体，反应壁本体(导热板)为高分子材料混合电磁辐射转热材料制成。

液体反应物在透光板和导热板之间铺开，形成大的检测面，方便后续检测；另一方面，在反应室的限制下，铺开后的液体反应物厚度均匀变薄，从而能地实现整个反应室内的液体反应物大面积受热，被快速加热的同时更能使光信息更容易被采集。

电磁辐射转热膜能高效地将通过电磁辐射装置提供的能量转化为热能，透过导热板对反应室内的液体反应物进行加热；从而提高了发热的针对性，使得升温速度快，热影响范围小，保证了加热的效率和速度。电磁辐射转热膜位于反应室的外部，使得电磁辐射转热膜容易固定，添加的方式多样，成本低；而且在利用无接触式测温工具时，能实现测温、检测和加热的同时进行。

对于反应壁本体(导热板)为高分子材料混合电磁辐射转热材料制成时，电磁辐射装置能隔空释放能量，与导热板之间无需直接接触或连接线缆，使得位置设置更灵活，方便移动和局部性的区域供能，而且对其他部件产生的发热效果很低，即使产生发热也能在电磁辐射装置停止作用后快速降温，能量传输的指向性强。透明高分子材料使得电磁辐射能量能进入导热板内，并作用于导热板内部电磁辐射转热材料，将导热板变成一个发热体，更快更高效地对反应室进行加热。

进一步地，所述电磁辐射转热膜与所述反应室外壁之间还设有反光层，所述反光层包括但不限于铂膜、金膜、银膜、铜膜、铝膜形成的金属反光层。

反光层提供有朝向透明板一侧的反光面，反光面通过反射作用增大了光信号的输出，增强反应室中的光信息，使得较弱的或离光学检测装置较远的光信号依然能被强化和获取，从而清晰准确地捕抓荧光标记，提升采集的精度和灵敏度。红外测温仪能在采集面的配合下，直接测量反应室内液体反应物的温度，实时监测并准确获取反应室内的温度有助于提高温度控制的精准度，避免超温对PCR造成的不良影响。

所述光学检测装置设置在所述反应装置的上方且正对所述透光板；所述第一能量源设置在所述反应装置的下方且正对所述导热板；所述冷却装置设置在所述反应装置的一侧，所述第一能量源与所述导热板之间留有风道，所述冷却装置从侧面通过风道作用于所述反应室。

风道用于引导冷却风的流向；上方的光学检测装置、下方的第一能量源和一侧的冷却装置的组合在功能和位置上互不干扰且形成合理的分布，无需通过移动进行位置调节以配合功能的实施。风道能引导冷却风集中并快速地带走导热板上的热量，并同时加速第一能量源的散热。

进一步地，微流通道的外端口侧设有微流阀门，所述微流阀门用于防止对应反应室内反应过程中液体的移动。

进一步地，反应单元的微流通道外端口还设有容池，所述容池用于将反应混合物递送至反应室和/或容纳额外的反应物。

所述微流通道上设有微流阀门，所述微流阀门包括：阀腔；连接通道，连通所述微流通道和所述阀腔；磁性封堵体，设置在所述阀腔内；第二能量源，作用于所述阀腔。

阀腔用于预存磁性封堵体，在微流通道上形成与外部磁性封堵体之间的分隔；连接通道能是具有一定长度的导管，又或者是阀腔与微流通道连通后形成的开口；在不直接接触磁性封堵体的前提下，利用外部作用使磁性封堵体发生相变，从而满足通过连接通道进入微流通道的需求。微流阀门结构简单，用于控制阀开关功能的部件与用于封堵微流通道的部件能完全分离，使得微流阀门的尺寸能大幅度缩小。

进一步地，所述微流阀门为光吸附磁蜡阀，磁性封堵体为光吸附磁蜡球，阀腔为对应的光吸附磁蜡球容腔，所述光吸附磁蜡球容腔与微流通道连通，所述光吸附磁蜡球相变后进入微流通道封堵微流通道。

进一步地，所述磁性封堵体为包括电磁辐射转热材料、磁性材料粉末以及热熔体的三种材料混合形成，进一步地，所述电磁辐射转热材料为感光材料，热熔体为熔点在50℃～100℃的蜡或其聚合物。即磁性封堵体可为一种光吸附磁蜡球，且该光吸附磁蜡球：至少含有一种蜡或聚合物，所述蜡或聚合物的熔点为50℃～100℃；至少含有一种感光材料，感光材料包括但不限于色素、炭黑、石微流控、碳纳米管、石微流控烯、金属氧化物粒子、聚酰亚胺、聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺、聚噻吩及其组合物；至少含有一种磁性材料，包括但不限于CrO2、铁氧体、Fe3O4、Fe2O3、铁、SmCo17、SmCo5、NdFeB、磁粉及其组合。

进一步地，还包括第二能量源，第二能量源配置为应用电磁辐射以使光吸附磁蜡球相变。进一步地，所述第二能量源包括但不限于钨灯、卤素灯、LED单元、LED单元阵列、激光器及其组合。进一步地，所述微流通道与所述光吸附磁蜡阀位置相对的一侧设有磁性驱动件，所述磁性驱动件驱动相变后的光吸附磁蜡球移动。

电磁辐射发热材料粉末能吸收电磁辐射实现磁性封堵体的快速加热，相比传统的接触式加热，利用磁性封堵体内的电磁辐射发热材料粉末配合电磁辐射源的好处在于，相比于现有技术接触式加热，例如电阻加热，必须先将阀腔进行加热，再利用阀腔的热传递对磁性封堵体进行加热；而阀腔多为高分子材料，其导热性能低，以至于阀腔的耐受温度需要远高于磁性封堵体，而且温度控制需要精确控制，否则很容易损坏阀腔，这导致材料成本和温度控制成本高；本申请电磁辐射源对阀腔及周边设备的温度影响小，而混合电磁辐射发热材料粉末后的磁性封堵体热转换后，自身发热速度快，热转换远高于周边设备，解决了阀腔对耐高温的需求；同时电磁辐射发热源多样，能在无接触下实现传递，使得第二能量源位置设计灵活，影响范围可控，还极大地缩短了触发的效率。所述电磁辐射发热粉末为光热转换材料的粉末，所述磁性材料粉末为具有铁磁性材料的粉末；所述第一能量源和第二能量源为发射波长为200nm至3um范围内的电磁辐射源；所述热熔体为蜡。磁性材料粉末受外部的磁吸作用下能隔着阀腔带动磁性封堵体，控制磁性封堵体的移动，从而实现微流阀门的远程控制。

本发明的再一目的在于提供上述PCR扩增检测集成系统在制备检测病毒核酸的产品中的用途。

本发明的再一目的在于提供上述PCR扩增检测集成系统在制备变温PCR、等温PCR实施产品中的用途。

进一步地，变温PCR、等温PCR包括Real-time PCR、RL-PCR、RNA-PCR、反向PCR、RACE、LAMP、重叠延伸PCR、RPA实施产品中的用途。

本发明的再一目的在于提供基于前述PCR扩增检测集成系统的PCR反应控制方法，包括步骤：S1、加样至与反应室连通的微流通道中，反应物在重力作用下经微流通道进入反应室；S2、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第一预设温度范围，并维持第一预设时间范围，以使反应物变性；S3、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第二预设温度，并维持第二预设时间范围，以使反应物退火；S4、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第三预设温度，并维持第三预设时间范围，以合成新的核苷酸链；S5、循环步骤S2～S4多次直至达到预设循环数或预设扩增水平。

进一步地，第一能量源、冷却装置的配合包括：第一能量源停转与冷却装置制冷、第一能量源运转与制冷单元制冷、第一能量源运转与冷却装置停转、第一能量源停转与冷却装置停转、第一能量源低功率运转与冷却装置高功率运转和第一能量源高功率运转与冷却装置低功率运转。

进一步地，步骤S1与S2之间还包括步骤：S2P、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至预变性预设温度范围，并维持预变性预设时间范围，以使反应物预变性。

进一步地，第一预设温度范围为90～95℃；第二预设温度范围为40～60℃；第三预设温度范围为70～75℃。

进一步地，在步骤S1中加样至与反应室连通的微流通道中和/或反应物进入反应室后，采用封堵件不可逆的封堵微流通道。

进一步地，在步骤S2～S5过程中和/或S5完成后通过光学检测装置检测反应室内反应物扩增状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本申请扩增集成系统，能集成多个控制反应体系，每个控制反应体系设有扩增子系统、测温装置、光学检测装置，通过设置多个扩增子系统以及多个对应的测温装置、光学检测装置，可同时并行多个PCR反应体系的扩增过程，克服了现有技术设备的局限性。更进一步地，对于单个控制反应体系而言，其也具有显著的PCR扩增优势，反应室具有相对独立的光热转换层，能实现反应室的局部加热，提高了升温控制；进一步地，采用需要转化才能明显发热的能量，也降低了对其他部件的热干扰，缩短降温时间。反应室受热集中，升温过程能有效减少热量散失，提升了温度控制准确性和升降温速度。且加热和测温互不干扰，能准确测量反应室内部温度，使得温度控制更精确。通过提高反应室的升温速度、降低整体散热所需的时间，显著提升PCR效率，也使反应室满足实际温度的精确测量，整体提升PCR的反应效率和整体的检测速度。

附图说明

图1为本发明中一种实施例的主要结构示意图。

图2为本发明中一种实施例的位置配合示意图。

图3为本发明中一种实施例的光学检测装置的工作示意图。

图4为本发明中一种实施例的反应装置的俯视图。

图5为本发明中一种实施例微流阀门的开启前的示意图。

图6为本发明中一种实施例微流阀门的开启中的示意图。

图7为本发明中一种实施例微流阀门的开启后的示意图。

图8为本发明中一种实施例的反应室的侧面示意图。

图9为本发明中一种实施例的系统主要构造示意图。

附图标记说明：反应装置001，反应单元100，反应室110，透光板111，导热板112，采集面114，注入口120，排出口130，微流通道140，容池150，微流阀门160磁性驱动件180，第一能量源002，光热转换层200，冷却装置003，光学检测装置005。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例公开了一种PCR扩增检测集成系统，包括：一个PCR扩增检测子系统，及对应的控制器、测温装置、光学检测装置005；

所述PCR扩增检测子系统内含反应装置001、第一能量源002、冷却装置003；

所述反应装置001上设有一个以上反应单元100，反应单元100包括微流通道140以及设置于微流通道140路径上的反应室110，所述反应室110至少有一个透光外露的采集面114，以及避让所述采集面114的光热转换层200；

所述第一能量源002至少用于为反应室110的加热提供能量，包括使光热转换层200发热；

所述冷却装置003至少用于对反应室110进行降温；

所述测温装置至少用于检测反应室110内的温度；

所述光学检测装置005至少用于检测反应单元100中的光信号；

所述控制器与PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置005连接，控制器接收测温装置、光学检测装置005的反馈信息，所述控制器根据设定扩增条件和测温装置反馈信息通过第一能量源002、冷却装置003调控反应室110内温度。

进一步地，微流通道140一侧设有连通反应室110的注入口120；每个反应单元100针对一个液体反应体系，设置有多个反应单元100时，反应装置001中的多个反应单元100能同时进行PCR；反应室110用于提供足够空间使待测样品进行PCR扩增；注入口120用于注入液体反应物；光学检测装置003用于检测反应室110内的荧光信号；控制器控制第一能量源002、冷却装置003和测温装置，并接受测温装置反馈信息，以调节PCR的过程的温度，通过光学检测装置005快速采集液体反应物的反应信息；第一能量源002发出的能量在被光热转换层200吸收后能转化为热能；采集面114至少能用于配合光学检测装置005对反应室110内进行检测。

反应单元100还包括排出口130，反应室110通过微流通道140分别与注入口120和排出口130相连通；微流通道140倾斜设置且连通注入口120或排出口130的一端高于连通反应室110的一端；输出口至反应室110的微流通道140长度比注入口120至反应室110的微流通道140长度长；注入口120和排气口上设有容池150。

具体地，反应室110至少包括相互平行，位置相对且透光的透光板111、导热板112，以及连接透光板111和导热板112的侧板，采集面114设置在透光板111上。所述导热板112作为反应室的反应壁之一存在，所述导热板本体可作为光热转换层，为透明高分子材料混合电磁辐射转热材料制成；或，导热板112远离透光板111的一面为外露面，光热转换层为附着于其外露面的电磁辐射转热材料膜形成。第一能量源002为作用于光热转换层的电磁辐射装置。电磁辐射装置能发射波长为200nm至3um范围内的电磁辐射；

电磁辐射转热材料能是一定数量的电磁转热材料粉末，具体是感光材料粉末。当采用LED阵列时，电磁辐射发热材料粉末能是均匀分布的炭粉末。具体地，电磁辐射装置能是钨灯、卤素灯、LED、激光器及其组合；感光材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭粉末、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺和聚多巴胺及其组合等；

测温装置为红外测温仪，导热板112上设有朝向透光板111的反光层。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。

微流通道140上设有微流阀门160，微流阀门160包括：阀腔；连接通道，连通微流通道和所述阀腔；磁性封堵体，设置在阀腔内；第二能量源，作用于阀腔。磁性封堵体为电磁辐射转热材料粉末、磁性材料粉末、热熔体混合形成，第二能量源为电磁辐射源，微流通道140与所述微流阀门位置相对的一侧设有磁性驱动件180。电磁辐射转热粉末为光热转换材料的粉末，磁性材料粉末为具有铁磁性材料的粉末；第一能量源002和第二能量源为发射波长为200nm至3um范围内的电磁辐射源；热熔体为蜡。

实施例2

本实施例是一种PCR扩增检测集成系统，包括：一个PCR扩增检测子系统，及对应的控制器、测温装置、光学检测装置005；

所述PCR扩增检测子系统内含反应装置001、第一能量源002、冷却装置003；

所述反应装置001上设有多个反应单元100，反应单元100包括微流通道140以及设置于微流通道140路径上的反应室110，所述反应室110上设有朝向所述反应装置同一侧的透光外露的采集面114，以及避让所述采集面114的光热转换层200；

所述第一能量源002至少用于为反应室110的加热提供能量，包括使光热转换层200发热；

所述冷却装置003至少用于对反应室110进行降温；

所述测温装置至少用于检测反应室110内的温度；

所述光学检测装置005至少用于检测反应单元100中的光信号；

所述控制器与PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置005连接，控制器接收测温装置、光学检测装置005的反馈信息，所述控制器根据设定扩增条件和测温装置反馈信息通过第一能量源002、冷却装置003调控反应室110内温度。

进一步地，微流通道140一侧设有连通反应室110的注入口120；每个反应单元100针对一个液体反应物，设置有多个反应单元100时，反应装置001中的多个反应单元100能同时进行PCR；反应室110用于提供足够空间使待测样品进行PCR扩增；注入口120用于注入液体反应物；光学检测装置005用于检测反应室110内的荧光信号；控制器控制第一能量源002、冷却装置003和测温装置，并接受测温装置反馈信息，以调节PCR的过程的温度，通过光学检测装置005快速采集液体反应物的反应信息；第一能量源002发出的能量在被光热转换层200吸收后能转化为热能；采集面114至少能用于配合光学检测装置005对反应室110内进行检测。反应装置001能是一次性用品，包括平板状的基体；多个反应单元100在反应装置001上整齐排列，其注入口120位于同一侧，反应室110位于另一侧；反应室110为基体内的一个空腔；反应室110的上表面外露；采集面114设置在上表面上，光热转换层200设置于反应室底部。所述反应室包括但不限于塑料、玻璃材料等高分子材料制成。除此之外，采集面也可为反应室的侧面，以供激发光或发射光通过侧面，检测反应室内荧光信号。

以采集面114设置在上表面为例，光学检测装置005设置在反应室110的正上方，至少覆盖所有的反应室110的上表面；光学检测装置005包括激发装置，激发装置包括但不限于激发光源、激励滤光片、二向色滤光片、发射滤光片、光学透镜和数码相机，激发光源为同轴平行光源，能产生特定波长辐射，引导并激发反应混合物中的荧光探针，激发光源能是光电倍增管、光电二极管、CMOS或CCD。温度检测装置能是热电偶、热敏电阻的接触式温度传感器，或红外非接触式温度传感器等，能通过穿透采集面114或紧贴反应室110表面的方式进行测温，以热电偶接触式温度传感器为例，可将热电偶插入与PCR室相邻的通道中测量反应混合物温度；若采用红外温度传感器，则可直接通过采集面，也即下述的透光板，以采集反应室内温度。反应单元100还包括排出口130，反应室110通过微流通道140分别与注入口120和排出口130相连通；微流通道140倾斜设置且连通注入口120或排出口130的一端高于连通反应室110的一端；输出口至反应室110的微流通道140长度比注入口120至反应室110的微流通道140长度长；注入口120和排气口上设有容池150。

排出口130至少用于排出空气加速液体反应物进入反应室110的速度；微流通道140用于引导液体反应物的均匀流动；注入口侧容池150可用于预存进入注入口120的液体反应物。微流通道140包括注入段，连通注入口120和反应室110上部；排出段，连通排出口130与反应室110下部；注入口120与注入段位于反应单元100的一侧，排出段与排出口130位于反应单元100的另一侧；反应室110设置在注入口120与排出口130之间。容池150设置在注入口120和排出口130的上方，能是漏斗形，又或者是底面为梯形的棱柱，又或者是中空的圆柱。

反应室110至少包括相互平行、位置相对且透光的透光板111、导热板112，以及连接透光板111和导热板112的侧板，采集面114设置在透光板111上。反应室110、微流通道140为基体内部的镂空结构；反应室110为柱体，透光板111和导热板112分别对应柱体的上底面和下底面，反应室110的容积为10μL至30μL，透光板111和导热板112之间的距离为0.05mm至2mm；透光板111和导热板112的厚度为50μm至500μm，透光板111为高分子透明板。导热板112远离透光板111的一面为外露面，光热转换层200为设置在外露面上的电磁辐射转热膜；第一能量源002为作用于的电磁辐射装置。

电磁辐射装置能发射波长为200nm至3μm范围内的电磁辐射；电磁辐射转热膜能是感光材料制得或含有感光材料的膜，能通过附着、沉积、涂抹、复合等方式从外部紧贴反应室110。具体地，电磁辐射装置能是钨灯、卤素灯、LED、激光器及其组合；当采用LED阵列时，电磁辐射转热膜能是石墨烯薄膜，感光材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭粉末、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺和聚多巴胺及其组合等。测温装置为红外测温仪，导热板112上设有朝向透光板111的反光层。

导热板112为透明的高分子板，反光面能设置在电磁辐射转热膜靠近导热板112的一面；又或者是在导热板112靠近电磁辐射转热膜的一面；反光层能是铝膜、铂膜和金膜形成。红外测温仪能为短波红外测温仪。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。

风道用于引导冷却风的流向；光学检测装置005至少覆盖反应装置001上的所有的透光板111；第一能量源002通过调节，将能量集中覆盖所有的导热板112，且覆盖范围与导热板112的区域一致。冷却装置003设置在导热板112靠近反应装置001边缘的一侧。反应装置001、光学检测装置005、第一能量源002和冷却装置003通过检测台固定相互的位置；反应装置001活动设置在检测台上。

微流通道140上设有微流阀门160，微流阀门包括：阀腔；连接通道，连通微流通道140和阀腔；磁性封堵体，设置在阀腔内，受热熔化前尺寸大于连接通道；磁性封堵体受热熔化后通过连接通道进入微流通道140且阻断磁性封堵体两侧的连通。在PCR过程中，将反应混合物加热至接近沸点以使多核苷酸变性；在某些情况下，PCR室中会产生气泡，这可能会将反应混合物推到储液罐中。当反应混合物冷却以使核酸退火时，容器中的溶液随后被拉回扩增室；这种现象的发生会大大降低PCR效率，甚至导致PCR完全失败。此外，如果PCR室没有完全密封，很容易造成PCR扩增子污染。为了使PCR反应室中的扩增成功并避免污染，需要密封通道以防止PCR溶液在储液器容池和PCR室之间流动。因此，在本实施例中构建了一个微流阀门，具体为光吸收电磁蜡阀，以控制PCR过程中溶液的流动。

阀腔用于预存磁性封堵体，在微流通道140上形成与外部磁性封堵体之间的分隔；连接通道能是具有一定长度的导管，又或者是阀腔与微流通道140连通后形成的开口；外部作用指直接作用于磁性封堵体的光、声、磁、热等使磁性封堵体熔化。具体地，磁性封堵体能是各种蜡，或熔点温度在50℃-100℃范围内的聚合物。

阀腔能是透明材料制成的容器。磁性封堵体由蜡混合电磁辐射转热材料粉末和磁性粉末制成，粉末的颗粒尽可能细，粉末颗粒在蜡中分布均匀。检测台上还设有作用于阀腔的第二能量源。磁性材料粉末能带动磁性封堵体移动；第二能量源能使混有电磁辐射转热材料粉末的磁性封堵体快速熔化的同时，对周围设备例如阀腔的影响少。第二能量源能是激光加热装置或红外加热装置或光源。

微流通道140与微流阀门160位置相对的一侧外设有驱动磁性件的磁性驱动件180，磁性驱动件180具体能是磁条。磁性材料粉末能是具有铁磁性的材料制成，能是铁磁颗粒和磁性颗粒中的至少一种，包括但不限于CrO2粉末、铁氧体粉末、Fe3O4粉末、Fe2O3粉末、铁粉末、SmCo17磁粉、SmCo5磁粉和NdFeB磁粉。电磁辐射转热材料粉末能由感光材料制成。具体地，磁性材料粉末为均匀分布的铁氧体颗粒；电磁辐射转热材料粉末为均匀分布的碳粉末；热熔体为石蜡。

实施例3

本实施例公开了基于前述实施例1或实施例2的PCR扩增检测集成系统的PCR反应控制方法，包括步骤：S1、加样至与反应室110连通的微流通道140中，反应物在重力作用下经微流通道进入反应室110；S2、第一能量源002与冷却装置003配合以使反应室110至第一预设温度范围，并维持第一预设时间范围，以使反应物变性；S3、第一能量源002与冷却装置003配合以使反应室110至第二预设温度，并维持第二预设时间范围，以使反应物退火；S4、第一能量源002与冷却装置003配合以使反应室110至第三预设温度，并维持第三预设时间范围，以合成新的核苷酸链；S5、循环步骤S2～S4多次直至达到预设循环数或预设扩增水平。

第一能量源002、冷却装置003的配合包括：第一能量源002停转与冷却装置003制冷、第一能量源002运转与制冷单元003制冷、第一能量源002运转与冷却装置003停转、第一能量源002停转与冷却装置003停转、第一能量源002低功率运转与冷却装置003高功率运转和第一能量源002高功率运转与冷却装置003低功率运转。

步骤S1与S2之间还包括步骤：S2P、第一能量源002与冷却装置003配合以使反应室110至预变性预设温度范围，并维持预变性预设时间范围，以使反应物预变性。

第一预设温度范围为90～95℃；第二预设温度范围为40～60℃；第三预设温度范围为70～75℃。

在步骤S1中加样至与反应室110连通的微流通道140中和/或反应物进入反应室后，采用封堵件不可逆的封堵通道，包括封堵微流通道入口。

在步骤S2～S5过程中和/或S5完成后通过光学检测装置005检测反应室110内反应物扩增状态。

实施例4

本实施例公开了一种PCR扩增检测集成系统，包括：多个前述实施例1和/或实施例2的PCR扩增检测子系统，以及分别与多个PCR扩增检测子系统对应的多个测温装置、光学检测装置005，控制器与多个PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置005连接，如图9所示。多个PCR扩增子系统可同时运转，且多个PCR扩增子系统之间可同时进行不同的PCR体系和运行条件，具体的，每个PCR扩增子系统内的第一能量源002和冷却装置003受控制器控制，升降温度达到当前PCR扩增子系统需要的温度并维持，对应设置的测温装置和光学检测装置005进行相应的测温和荧光信号检测。且单个PCR扩增子系统、对应的测温装置、光学检测装置005之间构成一个相对单独的控制反应体系，多个对应的控制反应体系可并行多个体系PCR反应。具体的，为了避免装置之间的相互干扰，还可通过隔热板分隔不同控制体系对应的部件。所述控制器并行控制所有相对独立的控制反应体系和接收所有反馈信息。

具体地，本实施例中PCR扩增检测集成系统还可包括：

输入模块，所述输入模块接收用户输入信息并传递至控制器，所述输入信息包括即时操作指令、运作程序、预设参数。所述即时操作指令包括查询指令、开始指令、中止指令、继续运行指令、终止指令、分析指令；

与控制器连接的输出模块，所述输出模块至少可视化光学检测装置检测所得反应室内反应状态信息，所述反应室内反应状态信息包括当前反应室内反应温度、连续时间内反应过程温度变化、反应室内荧光强度、反应室荧光照片、反应室内是否成功扩增的判断结果；

与控制器连接的存储模块、查询模块，所述存储模块存储历史运行程序、历史反应室内反应状态信息；所述查询模块用于用户访问并经控制器授权以查询历史运行程序、历史反应室内反应状态信息。

此外，控制器还可连接安装有PCR扩增分析程序的计算机，以便进行扩增分析。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种PCR扩增检测集成系统，其特征在于，包括：一个以上PCR扩增检测子系统，及控制器、测温装置、光学检测装置；

所述PCR扩增检测子系统内含反应装置、第一能量源、冷却装置；

所述反应装置上设有一个以上反应单元，反应单元包括微流通道以及设置于微流通道路径上的反应室，所述反应室上至少有一个透光外露的采集面，以及避让所述采集面的光热转换层；所述第一能量源至少用于为反应室的加热提供能量，包括使光热转换层发热；

所述冷却装置至少用于对反应室进行降温；

所述测温装置至少用于检测反应室内的温度；

所述光学检测装置至少用于检测反应单元中的光信号；

所述控制器与PCR扩增检测子系统、测温装置、光学检测装置连接，控制器接收测温装置、光学检测装置的反馈信息，并根据设定扩增条件和测温装置反馈信息通过第一能量源、冷却装置调控反应室内温度。

2.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，包括多个PCR扩增检测子系统，以及分别与多个PCR扩增检测子系统对应的多个测温装置、多个光学检测装置。

3.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述第一能量源为电磁辐射装置，电磁辐射装置能发射波长在200nm～3μm范围内的电磁辐射。

4.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述第一能量源包括但不限于钨灯、卤素灯、LED单元、LED单元阵列、激光器及其组合。

5.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述光热转换层为设置在所述反应室外壁上的电磁辐射转热膜；或，所述光热转换层为反应室反应壁本体，反应壁本体为高分子材料混合电磁辐射转热材料制成。

6.根据权利要求5所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述电磁辐射转热膜与所述反应室外壁之间还设有反光层，所述反光层包括但不限于铂膜、金膜、银膜、铜膜、铝膜形成的金属反光层。

7.根据权利要求5所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，电磁辐射转热材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺、聚多巴胺及其组合。

8.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述冷却装置为设置于反应装置一侧的风冷设备。

9.根据权利要求8所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述反应装置下方留有与反应装置底面平行的底部风道，冷却装置至少通过底部风道作用于反应室。

10.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，测温装置包括但不限于接触式热电偶温度传感器、接触式热敏电阻温度传感器、非接触式红外温度传感器。

11.根据权利要求1所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，光学检测装置包括但不限于光电倍增管、光电二极管、CMOS、CCD。

12.根据权利要求1～11任一项所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，微流通道的外端口侧设有微流阀门，所述微流阀门用于防止对应反应室内反应过程中液体的移动。

13.根据权利要求12所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，反应单元的微流通道外端口还设有容池，所述容池用于将反应混合物递送至反应室和/或容纳额外的反应物。

14.根据权利要求12所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述微流阀门为光吸附磁蜡阀，包括：光吸附磁蜡球、光吸附磁蜡球容腔，所述光吸附磁蜡球容腔与微流通道连通，所述光吸附磁蜡球相变后进入微流通道封堵微流通道。

15.根据权利要求14所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述光吸附磁蜡球：

至少含有一种蜡或聚合物，所述蜡或聚合物的熔点为50℃～100℃；

至少含有一种感光材料，感光材料包括但不限于色素、炭黑、石微流控、碳纳米管、石微流控烯、金属氧化物粒子、聚酰亚胺、聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺、聚噻吩及其组合；

至少含有一种磁性材料，包括但不限于CrO2、铁氧体、Fe3O4、Fe2O3、铁、SmCo17、SmCo5、NdFeB、磁粉及其组合。

16.根据权利要求14所述的PCR扩增检测集成子系统，其特征在于，还包括第二能量源，第二能量源配置为应用电磁辐射以使光吸附磁蜡球相变。

17.根据权利要求16所述的PCR扩增检测集成系统，其特征在于，所述第二能量源包括但不限于钨灯、卤素灯、LED单元、LED单元阵列、激光器及其组合。

18.根据权利要求14～17任一项所述的PCR扩增检测集成子系统，其特征在于，所述微流通道与所述光吸附磁蜡阀位置相对的一侧设有磁性驱动件，所述磁性驱动件驱动相变后的光吸附磁蜡球移动。

19.权利要求1～18任一项所述PCR扩增检测集成系统在制备检测病毒核酸的产品中的用途。

20.权利要求1～18任一项所述PCR扩增检测集成系统在制备变温PCR、等温PCR实施产品中的用途。

21.基于权利要求1～18任一项所述PCR扩增检测集成系统的PCR反应控制方法，其特征在于，包括步骤：S1、加样至与反应室连通的微流通道中，反应物在重力作用下经微流通道进入反应室；S2、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第一预设温度范围，并维持第一预设时间范围，以使反应物变性；S3、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第二预设温度，并维持第二预设时间范围，以使反应物退火；S4、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至第三预设温度，并维持第三预设时间范围，以合成新的核苷酸链；S5、循环步骤S2～S4多次直至达到预设循环数或预设扩增水平。

22.根据权利要求21所述的PCR反应控制方法，其特征在于，步骤S1与S2之间还包括步骤：

S2P、第一能量源与冷却装置配合以使反应室至预变性预设温度范围，并维持预变性预设时间范围，以使反应物预变性。

23.根据权利要求21所述的PCR反应控制方法，其特征在于，在步骤S1中加样至与反应室连通的微流通道中和/或反应物进入反应室后，采用封堵件不可逆的封堵微流通道。

24.根据权利要求21～23任一项所述的PCR反应控制方法，其特征在于，在步骤S2～S5过程中和/或S5完成后通过光学检测装置检测反应室内反应物反应状态。

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