CN115181657A

CN115181657A - 一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法

Info

Publication number: CN115181657A
Application number: CN202210992199.5A
Authority: CN
Inventors: 李铁; 魏擅红
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2022-10-14

Abstract

本发明涉及一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法，装置包括堆叠设置的加热板和微反应板，所述微反应板包括具有开口的空腔及连通所述空腔的进液口和出液口，所述空腔内设置有至少一个测试传感器，所述加热板遮蔽所述开口。本发明的原位监测核酸扩增过程的装置及方法，通过测试传感器对扩增核酸的浓度进行检测，并将扩增核酸的浓度变化转化为显示单元上的电信号变化，从而实现核酸扩增过程的实时监测和定量检测，其灵敏度高、准确性好、通用性强，可用于现场检测并实时监测检测过程，大大提升检测效率。

Description

一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法

技术领域

本发明涉及电化学传感技术领域，更具体地涉及一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法。

背景技术

近年来，病原体造成人或动植物感染疾病甚至死亡的事件不断爆发，因此迫切需要可应用于公共卫生、环境检测与食品安全等现场检测领域的快速检测病原体的方法。

在现有检测方法中，环介导等温扩增技术、酶联免疫吸附法、微生物培养等方法因其成熟的检测技术已广泛用于各领域的检测中，但是以上检测方法存在检测周期长、无法实时监测检测过程等缺点。而实时荧光定量PCR技术虽然可以实时监测核酸扩增过程，但是由于其包括多种光学元件，导致其体积大且价格昂贵，无法应用于病原体的现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法，其灵敏度高、准确性好、通用性强，可用于现场检测并实时监测检测过程，大大提升检测效率。

本发明一方面提供一种原位监测核酸扩增过程的装置，包括堆叠设置的加热板和微反应板，所述微反应板包括具有开口的空腔及连通所述空腔的进液口和出液口，所述空腔内设置有至少一个测试传感器，所述加热板遮蔽所述开口。

进一步地，所述空腔外设置有参考传感器。

进一步地，所述测试传感器和所述参考传感器均为氧化锌、氧化锡、硅、铂、三氧化二铟等材料制成的纳米线传感器或石墨烯、二硫化钼、硒化钨等材料制成的二维纳米材料传感器。

进一步地，所述测试传感器上修饰有与靶标核酸互补的特异性探针。

进一步地，所述测试传感器为多个且分别修饰有不同的特异性探针或同一种特异性探针。

进一步地，还包括控制装置，所述控制装置分别与所述加热板、所述测试传感器和所述参考传感器电连接。

进一步地，所述控制装置设置为接收所述测试传感器和所述参考传感器的检测信号，并进行相减处理。

进一步地，所述控制装置与一显示单元相连接，所述显示单元设置为实时显示处理后的检测信号并进行所述加热板的温度设置和循环数设置。

进一步地，所述加热板和所述微反应板之间还设置有安装板，所述测试传感器和所述参考传感器均安装在所述安装板上。

本发明另一方面提供一种原位监测核酸扩增过程的方法，包括以下步骤：

S1：将至少一个测试传感器修饰上与靶标核酸互补的特异性探针，并安装至安装板或微反应板上，然后将参考传感器安装至安装板或微反应板上；

S2：从进液口向空腔内注满10％BSA溶液，并封闭预设时间；

S3：封闭完成后，从出液口排出BSA溶液，然后从进液口注入核酸扩增所需的试剂与样本；

S4：通过显示单元设置加热板的加热时间、加热温度和循环数，控制装置控制加热板、测试传感器和参考传感器开始工作，并将处理后的检测信号由显示单元实时显示；

本发明的原位监测核酸扩增过程的装置及方法，通过测试传感器对扩增核酸的浓度进行检测，并将扩增核酸的浓度变化转化为显示单元上的电信号变化，从而实现核酸扩增过程的实时监测和定量检测；采用能够识别核酸的特异性探针，特异性强，灵敏度高，检测快速稳定，且可实现不同核酸的检测，通用性高，应用范围广；加热板、安装板、微反应板和控制装置可集成在一个盒体内，体积小，使用和携带方便，能够广泛应用于多种室外与实验室环境。

附图说明

图1为根据本发明实施例的原位监测核酸扩增过程的装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的原位监测核酸扩增过程的装置的分解图；

图3为根据本发明另一实施例的原位监测核酸扩增过程的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种原位监测核酸扩增过程的装置，包括依次堆叠的加热板1、安装板2和微反应板3，微反应板3靠近安装板2的一侧设置有具有开口31的空腔32，微反应板3远离安装板2的一侧还设置有连通空腔32的进液口33和出液口34，安装板2上设置有至少一个与空腔32的位置对应的测试传感器4，安装板2遮蔽开口31，从而使空腔32只能通过进液口33和出液口34与外界连通，加热板1和安装板2的堆叠使得传感器4位于空腔32内，以对扩增的核酸进行实时定量检测。在使用时，试剂和样本从进液口33进入空腔32中，由于加热板1具有加热功能，可进行加热，使试剂和样本加热至预设温度，并在空腔32中发生核酸扩增，测试传感器4用于对扩增的核酸浓度进行实时定量检测，当核酸扩增完成后，将试剂和样本从出液口34排出。

在本实施例中，设置有1个进液口33和4个出液口34，从而使内外压强平衡。

安装板2上还可设置一参考传感器(图中未示出)，作为测试传感器4的温度参考，抑制温度变化对测试传感器4的影响。具体地，参考传感器位于空腔32之外，因此其上无试剂和样本流过，只能检测温度的影响，而测试传感器4中有试剂和样本流过，可检测核酸浓度，将测试传感器4采集的信号减去参考传感器采集的信号，即可认为相减后的信号无温度变化对其的影响。

测试传感器4和参考传感器采用同一类型的传感器，例如可以为氧化锌、氧化锡、硅、铂、三氧化二铟等材料制成的纳米线传感器或石墨烯、二硫化钼、硒化钨等材料制成的二维纳米材料传感器，硅纳米线传感器等通过电学信号的变化来实时监测核酸扩增过程，其结构和原理可参见中国专利申请201611152254.0，此处不再赘述。

测试传感器4上可修饰有与靶标核酸互补的特异性探针，从而实现特定核酸的检测，特异性探针可根据需要进行替换，从而实现不同核酸的浓度检测。

在一些可行的实施方式中，测试传感器4设置为多个，且每个测试传感器4上的特异性探针都不相同，即每个测试传感器4可检测不同核酸的浓度，此时，该装置可用于核酸类型的检测，当扩增的核酸类型未知时，将样本和试剂注入空腔32中，然后观察哪个测试传感器4的信号有变化，由于每个测试传感器4所能检测到的核酸类型是已知的，因此有信号变化的测试传感器4对应的核酸类型即为检测到的核酸。

多个测试传感器4上的特异性探针也可以设置为相同，即探测同一种类型的核酸，这样可以提高检测准确度。

原位监测核酸扩增过程的装置还可包括控制装置(图中未示出)，例如为单片机或计算机，其分别与加热板1、测试传感器4和参考传感器电连接，以控制加热板1的加热温度、加热时间和循环数、接收测试传感器4和参考传感器的检测信号，并进行相减处理等等。通过控制装置可实现自动控制。

控制装置上还可以外连一显示单元，用于将处理后的检测信号实时显示，从而实现实时监测；同时，还可通过显示单元实现人机交互，操作人员可通过显示单元设置核酸扩增的各种参数，包括加热板1的加热温度、加热时间和循环数等，并控制核酸扩增的开始或结束。以250bp的核酸片段为例，可控制加热板1先在95℃下维持5min，然后在以下两个温度循环40次：95℃维持15s，60℃维持30s，最后在40℃下维持1min。

装置还包括电源(图中未示出)，分别连接加热板1和控制装置，以为其供电。

安装板2可以为PCB板，测试传感器4和参考传感器嵌入在该PCB板上，并通过引线与控制装置电连接。

加热板1、安装板2和微反应板3之间通过螺丝或胶水连接，以保证空腔32的密闭效果。

在其他实施方式中，也可以不设置安装板2，而是将测试传感器4和参考传感器均设置在微反应板3上，其中，测试传感器4设置在微反应板3的空腔32处的内壁，参考传感器则设置微反应板3的在空腔32之外的表面，此时，通过加热板1将开口31遮蔽并实现空腔32的密封。

加热板1上还可设置有温度传感器，用于实时监测加热板1的温度，温度传感器与控制装置电连接，其温度可通过显示单元显示。

在本实施例中，加热板1、安装板2、微反应板3和控制装置可集成在一个盒体内，显示单元可设置在盒体外表面上，以便于观测和操作，盒体上开设有出入口，分别与进液口33和出液口34连通，在使用时，通过出入口注入或排出液体，通过显示单元实现控制和实时监测，使用和携带方便且体积小。

本发明实施例的原位监测核酸扩增过程的装置，通过测试传感器4对扩增核酸的浓度进行检测，并将扩增核酸的浓度变化转化为显示单元上的电信号变化，从而实现核酸扩增过程的实时监测和定量检测；采用能够识别核酸的特异性探针，特异性强，灵敏度高，检测快速稳定，且可实现不同核酸的检测，通用性高，应用范围广；加热板1、安装板2、微反应板3和控制装置可集成在一个盒体内，体积小，使用和携带方便，能够广泛应用于多种室外与实验室环境。

如图3所示，本发明另一实施例提供一种原位监测核酸扩增过程的方法，采用上述原位监测核酸扩增过程的装置实现，包括以下步骤：

S1：将至少一个测试传感器4修饰上与靶标核酸互补的特异性探针，并安装至安装板2或微反应板3上，然后将参考传感器8安装至安装板2或微反应板3上；

S2：从进液口33向空腔32内注满10％标准蛋白质溶液(BSA溶液)，并封闭预设时间，以减少后续注入的试剂与样本在空腔32中的吸附；

S3：封闭完成后，从出液口34排出BSA溶液，然后从进液口33注入核酸扩增所需的试剂与样本；

S4：通过显示单元设置加热板1的加热时间和加热温度，控制装置控制加热板1、测试传感器4和参考传感器5开始工作，并将处理后的检测信号由显示单元实时显示；

加热板1的加热温度和时间取决于引物的长度、碱基组成及其浓度和核酸序列的长度，因此需要根据试剂和样本的类型来进行设定，其具体设定方法为本领域公知，此处不再赘述。以250bp的核酸片段为例，可控制加热板1先在95℃下维持5min，然后在以下两个温度循环40次：95℃维持15s，60℃维持30s，最后在40℃下维持1min。

核酸扩增结束后，可以将试剂与样本从出液口34排出。

本发明的装置可以一次性使用，也可以重复使用，即完成监测后，可以直接废弃，也可以从进液口32注入去离子水，对空腔32进行多次清洗，然后拆下测试传感器4和参考传感器5，然后执行步骤S1-S4，进行下一次使用。

本发明实施例提供的原位监测核酸扩增过程的方法，采用上一实施例的原位监核酸扩增过程的装置，灵敏度与准确度高，可应用于现场检测并实时监测检测过程，大大提高检测效率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims

1.一种原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，包括堆叠设置的加热板和微反应板，所述微反应板包括具有开口的空腔及连通所述空腔的进液口和出液口，所述空腔内设置有至少一个测试传感器，所述加热板遮蔽所述开口。

2.根据权利要求1所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述空腔外设置有参考传感器。

3.根据权利要求2所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述测试传感器和所述参考传感器均为纳米线传感器或二维纳米材料传感器。

4.根据权利要求3所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述纳米线传感器的材料包括氧化锌、氧化锡、硅、铂、三氧化二铟氧，所述二维纳米材料包括石墨烯、二硫化钼、硒化钨。

5.根据权利要求1所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述测试传感器上修饰有与靶标核酸互补的特异性探针。

6.根据权利要求5所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述测试传感器为多个且分别修饰有不同的特异性探针或同一种特异性探针。

7.根据权利要求2所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置分别与所述加热板、所述测试传感器和所述参考传感器电连接。

8.根据权利要求7所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述控制装置设置为接收所述测试传感器和所述参考传感器的检测信号，并进行相减处理。

9.根据权利要求8所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述控制装置与一显示单元相连接，所述显示单元设置为实时显示处理后的检测信号并进行所述加热板的温度设置和循环数设置。

10.根据权利要求2所述的原位监测核酸扩增过程的装置，其特征在于，所述加热板和所述微反应板之间还设置有安装板，所述测试传感器和所述参考传感器均安装在所述安装板上。

11.一种原位监测核酸扩增过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：从进液口向空腔内注满10％BSA溶液，并封闭预设时间；

S4：通过显示单元设置加热板的加热时间、加热温度和循环数，控制装置控制加热板、测试传感器和参考传感器开始工作，并将处理后的检测信号由显示单元实时显示。