CN115044465A - 一种以小尺寸微管为容器的快速光加热pcr装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置及方法。整个装置由加热光源、小尺寸微管以及测温装置组成。微管中的PCR溶液通过光的照射以及对外辐射热量实现快速升降温，并通过测温装置进行测温，极短时间内实现了多轮温度循环，从而实现核酸的快速扩增，实现实时快速的核酸检测。

Description

一种以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置及方法
技术领域
本发明属于生物医药技术领域，尤其涉及一种以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置及方法。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是一种用于放大扩增特定DNA片段的分子生物学技术。PCR主要包括三个步骤：变性(95℃左右)、退火(65℃左右)、延伸(72℃左右)，通过多次循环，将微量DNA大幅增加，具有特异性强，灵敏度高等优点。经过多年的发展，这项技术已经在体外诊断领域广泛应用。与此同时，各种类型的自动化PCR仪被研发出来。目前传统的商用PCR仪使用半导体金属块来实现升降温，通过半导体金属块加热PCR管，进而加热PCR溶液，这种方式最大的弊端在于塑料PCR管的导热效率差，升降温时存在热惯性，变温速度慢，导致完成PCR扩增所需要的时间太长。另外，传统的PCR仪设备体积大，成本高。因此传统的商用PCR仪无法满足当下快速实时检测的需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有PCR仪存在的升降温速度慢、完成PCR扩增所需时间长的缺点，提供一种以小尺寸微管为容器的快速光子PCR装置，能够大幅度提高升降温速度，缩短PCR周期。
技术方案：本发明的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，包括加热光源、微管、测温装置和光热介质。
进一步地，所述光热介质的种类为磁性纳米颗粒、具有光热转化性质的金属氧化物纳米颗粒、贵金属纳米材料、碳纳米材料、半导体光热转化纳米材料、有机光热转换纳米材料的一种或多种。
进一步地，所述光热介质的尺寸为0.01-10μm；所述光热介质的形状包括球形、棒状、星形、锥形、笼形、线形、网状、片状或中空形。
进一步地，所述光热介质表面通过物理或化学方法进行修饰或包覆。
进一步地，所述微管的材质为普通玻璃、石英玻璃、高硼硅玻璃或高透明聚合物。
进一步地，所述微管上方设置有防止反应液蒸发的密封装置。
进一步地，所述密封装置为置于反应液上方的石蜡油、矿物油或置于微管一端的密封盖。
进一步地，所述测温装置包括非接触式测温装置或接触式测温装置；所述非接触式测温装置为红外温度传感器或热成像仪；所述接触式测温装置为铂电阻或热电偶。
进一步地，所述加热光源发出的波长范围能够覆盖上述光热介质的最佳吸收波长，其波长范围涵盖紫外、可见光和红外。
本发明还公开了一种以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置的使用方法，使用加热光源照射微管中的混合溶液中的光热介质，光热介质能够吸收特定波长范围的光能量，实现光热转化，均匀悬浮于反应液中的光热介质将热量传递到反应液中，从而实现整个溶液的快速升温；使用静置对外辐射热量、风扇降温或半导体制冷片降温等主动降温方法使反应液快速降温，从而实现完整的快速升降温动作。
本发明在进行PCR扩增之前，预先制备二氧化硅包裹的金纳米棒溶液。接着，将上游引物、下游引物、dNTP混合液、DNA聚合酶、镁离子以及模板DNA混匀得到PCR溶液。将二氧化硅包裹的金纳米棒溶液与PCR溶液按比例混匀后，通过微量注射器将混合溶液注射进微管中，同时在微管中的混合溶液上方覆盖一层矿物油。操作完毕后，将加热光源的出光口移至微管正上方，通过光的照射，溶液温度快速升高。加热光源关闭后，微管中的溶液对外辐射热量，溶液温度迅速降低。温度控制通过测温装置以及单片机的共同作用得以实现，利用测温装置进行温度检测，并通过单片机对入射光源的功率进行控制，从而实现高低温循环。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明以小尺寸微管为容器，可以实现微量体积PCR溶液(5微升-10微升)的温度循环，节省实验成本，并且玻璃的热传递系数比塑料高，使得传统的“测温装置-容器-液体”的测温方式更加精准。同时，在本发明中，利用金纳米棒溶液作为加热介质，凭借其优异的光热转化性质，通过红外激光的照射使PCR溶液迅速升温，与传统的“加热装置-容器-液体”加热方式相比，升温速率极大提高。另外，小体积的PCR溶液在小尺寸微管中时具有较大的比表面积，通过静置对外热辐射实现降温。整个实验装置简单，热循环速度快，可以用于当下传染性病毒的快速实时检测。
附图说明
图1为本发明快速光子PCR装置的示意图，其中1-加热光源、2-微管、3-矿物油、4-混合溶液(PCR溶液+加热介质)、5-测温装置。
图2为金纳米棒的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液与3.8微升金纳米棒溶液(0.01g/mL)混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。此处热循环次数根据实验需要进行设定。
实施例2：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液与3.8微升金纳米棒溶液(0.01g/mL)混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用红外温度传感器紧靠玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。此处热循环次数根据实验需要进行设定。
实施例3：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液与3.8微升二氧化硅包裹的金纳米棒溶液(0.01g/mL)混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。此处热循环次数根据实验需要进行设定。
实施例4：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液与3.8微升二氧化硅包裹的金纳米棒溶液(0.01g/mL)混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在72℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。此处热循环次数根据实验需要进行设定。
实施例5：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液与3.8微升二氧化硅包裹的金纳米棒溶液(0.01g/mL)混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、5瓦的红外LED灯照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。此处热循环次数根据实验需要进行设定。
实施例6：将含有引物与模板DNA的6.2微升PCR溶液、3.8微升二氧化硅包裹的金纳米棒溶液(0.01g/mL)与1微升SYBR Green I染料混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。利用荧光模块检测到荧光强度，证明模板DNA扩增成功。
实施例7：将含有引物但不含模板DNA的6.2微升PCR溶液、3.8微升二氧化硅包裹的金纳米棒溶液(0.01g/mL)与1微升SYBR Green I染料混匀后，使用微量注射器将其注射到玻璃管中，使用980nm、7瓦的激光器照射玻璃管对溶液进行加热，静置冷却降温，使用单片机对激光功率进行控制。使用Pt100铂电阻温度传感器紧贴玻璃管管壁进行测温，在65℃-95℃之间循环30次后得到最终的扩增产物。利用荧光模块没有检测到荧光强度，证明扩增的特异性。

Claims (10)

1.一种以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，包括加热光源(1)、微管(2)、测温装置(5)和光热介质。
2.根据权利要求1所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述光热介质的种类为磁性纳米颗粒、具有光热转化性质的金属氧化物纳米颗粒、贵金属纳米材料、碳纳米材料、半导体光热转化纳米材料、有机光热转换纳米材料的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述光热介质的尺寸为0.01-10μm；所述光热介质的形状包括球形、棒状、星形、锥形、笼形、线形、网状、片状或中空形。
4.根据权利要求1或2所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述光热介质表面通过物理或化学方法进行修饰或包覆。
5.根据权利要求1所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述微管(2)的材质为普通玻璃、石英玻璃、高硼硅玻璃或高透明聚合物。
6.根据权利要求1或5所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述微管(2)上方设置有防止反应液蒸发的密封装置。
7.根据权利要求6所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述密封装置为置于反应液上方的石蜡油、矿物油或置于微管一端的密封盖。
8.根据权利要求1所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述测温装置(5)包括非接触式测温装置或接触式测温装置；所述非接触式测温装置为红外温度传感器或热成像仪；所述接触式测温装置为铂电阻或热电偶。
9.根据权利要求1所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置，其特征在于，所述加热光源(1)发出的波长范围能够覆盖上述光热介质的最佳吸收波长，其波长范围涵盖紫外、可见光和红外。
10.一种权利要求1所述的以小尺寸微管为容器的快速光加热PCR装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、使用加热光源(1)照射微管(2)中的混合溶液(4)中的光热介质，使整个溶液的快速升温；
步骤2、使用静置对外辐射热量、风扇降温或半导体制冷片降温的主动降温方法使反应液快速降温，实现完整的快速升降温动作。
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