CN115595255A - 一种微小空间快速变温pcr系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小空间快速变温PCR系统，其包括，PCR芯片，其内部设置有PCR反应腔，PCR反应腔连通有流道，流道内设置有记忆金属弹簧和与记忆金属弹簧连接的橡胶塞；冷却模块，包括相变槽、流通管道和工质收集箱，相变槽设置于PCR芯片底部，相变槽通过流通管道与工质收集箱连通。通过在流道中设置记忆金属弹簧密封反应腔，防止高温反应时液体的蒸发；采用红外加热技术，热源直接被反应溶液吸收，热源与反应液间没有热阻；采用喷射相变冷却技术给PCR反应溶液降温，实现快速降温。

Description

一种微小空间快速变温PCR系统

技术领域

本发明涉及微控流PCR反应技术领域，特别是一种微小空间快速变温PCR系统。

背景技术

微流控PCR技术在近十年内迅速发展，其体积小，高集成化，便于携带等优势，广泛应用于多种疾病的早期诊断，病原菌检测，产前诊断等领域。PCR全称为聚合酶链式反应，是一种体外DNA快速扩增技术，在生物酶催化下，高温时(95℃-98℃)分解成单链，中温(60℃)单链与引物结合，在聚合酶的作用下合成新的DNA双链，并对上述两个步骤进行循环40余次。

目前，市面上也推出了多种的PCR系统，但很多产品也存在以下问题：1现有的产品，一般是将样品与反应试剂放入离心管里，再把离心管安放在紫铜块里，而紫铜块自身的比热容与导热效率，导致升降温时存在热惯性，温度响应慢；2商品化的PCR仪的加热方式多数采用半导体制冷片加热或降温，通过在金属块侧面或底面贴合，改变试管温度，这样容易造成试管内部不均温，扩增效率低；3半导体的散热结构一般采用金属散热器，再加一个散热风扇对金属散热器进行散热，这种结构散热性差且体积庞大，不便于集成化；4片式芯片在PCR高温反应过程中，容易出现反应液脱离反应腔室。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种微小空间快速变温PCR系统包括，PCR芯片，其内部设置有PCR反应腔，PCR反应腔连通有流道，流道内设置有记忆金属弹簧和与记忆金属弹簧连接的橡胶塞；冷却模块，包括相变槽、流通管道和工质收集箱，相变槽设置于PCR芯片底部，相变槽通过流通管道与工质收集箱连通。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述PCR芯片包括芯片上盖板、芯片中间层和芯片下盖板，所述PCR反应腔设置于芯片中间层。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述芯片上盖板上设置有与流道连通的注液口和排气口。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述PCR反应腔为圆柱形，圆柱形的侧面为磨砂表面，底部键合层采用薄层铜片键合。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述相变槽与PCR芯片之间嵌入薄层柔性导热纸和聚乙烯高发泡。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述薄层柔性导热纸为导热硅胶垫片或导热石墨纸。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述记忆金属弹簧采用镍钛合金。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述流通管道上还设置有真空泵和电磁阀。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述流通管道通过微喷嘴阵列与相变槽连通。

作为本发明所述微小空间快速变温PCR系统的一种优选方案，其中：所述PCR反应腔通过红外加热，荧光检测物质采用荧光探针。

本发明有益效果为：通过在流道中设置记忆金属弹簧密封反应腔，防止高温反应时液体的蒸发；采用红外加热技术，热源直接被反应溶液吸收，热源与反应液间没有热阻；采用喷射相变冷却技术给PCR反应溶液降温，实现快速降温；冷却模块与芯片的接触面上，嵌入了一层薄层柔性导热纸和聚乙烯高发泡，能减少相变槽与芯片之间的接触热阻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明整体系统示意图。

图2为本发明PCR芯片正视图。

图3为本发明PCR反应芯片爆炸示意图。

图4为本发明冷却模块的原理图。

图5为本发明冷却模块部分结构示意图。

图6为本发明PCR反应芯片记忆弹簧收缩状态示意图。

图7为PCR反应液温度与反应时间关系图。

图8为微喷嘴阵列的喷射高度与换热系数的关系图。

图9为现有水冷方式散热示意图。

图10为喷射相变冷却技术和水冷技术的换热对比时间图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1至图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种微小空间快速变温PCR系统，其包括PCR芯片100和冷却模块200，PCR芯片100其内部设置有PCR反应腔101，PCR反应腔101连通有流道102，流道102内设置有记忆金属弹簧103和与记忆金属弹簧103连接的橡胶塞104；冷却模块200，包括相变槽201、流通管道202和工质收集箱203，相变槽201设置于PCR芯片100底部，相变槽201通过流通管道202与工质收集箱203连通。

记忆金属弹簧103用作PCR反应过程中的密封，防止PCR反应液在高温过程中液体蒸发，记忆金属弹簧103一端固定于芯片流道102一侧，另一端连接橡胶塞104，记忆金属弹簧103的初始形态为膨胀状态，压缩一段距离后安装于PCR芯片100的流道102内，此时记忆金属弹簧103与流道102留有一定间隙供PCR反应液流通，待PCR反应液注入PCR反应腔101内，通过加热技术对密封区域加热，记忆金属弹簧103膨胀为初始状态，推动橡胶塞104堵住流道102，起到密封效果。

冷却模块200用于给PCR反应腔101中的PCR反应液快速降温，通过将工质收集箱203中的冷却液输入到相变槽201中，相变槽201位于PCR反应腔101下方，从而实现对PCR芯片100的快速降温。

本实施例中的PCR芯片100，通过在流道102中设置记忆金属弹簧103，改变温度进而改变记忆金属弹簧103的伸缩状态从而密封PCR反应腔101，相对现有片式芯片，密封效果更佳，防止高温反应时液体的蒸发。

实施例2

参照图1至图6，为本发明第二个实施例，其不同于第一个实施例的是：PCR芯片100包括芯片上盖板105、芯片中间层106和芯片下盖板107，PCR反应腔101设置于芯片中间层106。芯片上盖板105上设置有与流道102连通的注液口105a和排气口105b。通过芯片上盖板105上的注液口105a向PCR反应腔101内注入PCR反应液，排气口105b用于PCR芯片100内气体的排出。

PCR芯片100反应过程包括升温阶段、恒温阶段和降温阶段，升温阶段采用红外加热技术进行加热，使得PCR反应腔101中的反应溶液快速升高至所需温度，恒温阶段采用低功率红外维持反应液温度，降温阶段采用喷射相变冷却技术，反应液温度快速冷却。

PCR反应溶液是含水分较高的物质，这些物质在固有的振动频率下产生共振作用，因而能吸收红外的热能，使物质内部热能增加，温度升高。采用红外加热技术，一方面水对红外波长的吸收率高达90％，能源利用率高，另一方面，红外加热技术是一种非接触式的加热方式，能量直接传送至反应溶液，能够避免接触热阻影响升温。

本系统同时采用荧光探针作为荧光物质，在降温过程时，对PCR扩增过程实时检测，且荧光探针与红外加热集成在同一光头中，二者交替使用，集成化更高，体积更小。

进一步的，PCR芯片100采用PC材料，其透光性良好，红外光与荧光均能顺利通过且能量基本没损失，PCR反应腔101为圆柱形，大小约为25毫升，高度为1mm，圆柱形的侧面为磨砂表面，便于红外光照射或荧光照射，能较好地反射，提高反应液对红外光或荧光的吸收，底部键合层采用薄层铜片108键合，厚度为0.25mm，一方面铜片的导热系数约400W/(m〃k)，而PC的导热系数约4W/(m〃k)，铜片的导热系数约为PC的100倍，能起到增强导热的效果，另一方面，铜片具有较好的反射效果，能够反射红外和荧光，提高能量利用效率。

进一步的，记忆金属弹簧103采用镍钛合金，由于其在40℃以上与40℃以下的晶体结构是不同，因此温度变化时，合金就会收缩或膨胀，使得其形态发生变化。记忆金属弹簧103的初始形态为膨胀状态，压缩一段距离后安装于PCR芯片100的流道102内，待PCR反应液注入PCR反应腔101内，通过加热技术对密封区域加热，记忆金属弹簧103膨胀为初始状态，推动橡胶塞104堵住流道102，起到密封效果。

进一步的，相变槽201与PCR芯片100之间嵌入薄层柔性导热纸204和聚乙烯高发泡205。薄层柔性导热纸204为导热硅胶垫片或导热石墨纸。流通管道202上还设置有真空泵206和电磁阀207。流通管道202通过微喷嘴阵列208与相变槽201连通。

进一步的，真空泵206给冷却模块200提供动力，相变工质能够从工质收集箱203到相变槽201不断循环；电磁阀207安装在流通管道202中，可以使工质停止流动或开启流动；微喷嘴阵列208连接相变槽201和流通管道202，从流通管道202流出的工质经过微喷嘴阵列208时，可以使得工质均匀流入相变槽201内，且微喷嘴阵列208孔隙微小，工质流出能更好发生相变；相变槽201给工质提供一个相变空间，相变槽201上侧铺有一层导热石墨烯层，刚好位于PCR反应腔101正下方，导热石墨烯层能减小芯片与冷却模块200的接触热阻；相变槽201与PCR芯片100除PCR反应腔101外的其他区域的接触材料为聚乙烯高发泡205，这种材料导热系数为0.03W/(m〃k)，能减少升温阶段或恒温阶段热量的流失。

电磁阀207开始处于关闭状态，真空泵206开启工作，所有相变工质都存储在工质收集箱203中，在真空泵206的工作下，相变槽201会形成真空状态，当PCR芯片100需要降温时，电磁阀207开启，相变工质会迅速流经微喷嘴阵列208形成喷射状态流入相变槽201中相变，迅速吸热，使得PCR芯片100快速降温，温度降至60℃，电磁阀207关闭，等待下一次降温重新开启，采用该冷却方式相对于普通液冷而言，具有更高的换热系数，采用喷射相变冷却技术能大大节省反应时间。

实施例3

以实施例2中的PCR系统进行实验，本次实验的操作流程如下：

经过前端核酸提取完后，将样品和反应试剂经注液口105a注入，到达PCR反应腔101内，红外加热器开始加热记忆金属弹簧103使其呈现膨胀状态，堵住流道102，并在该过程进行温度校准以及光头位置调整，此时冷却模块200中真空泵206开启，加热过程的温度由红外传感器收集，具体升降温步骤如下：

(1)30℃至95℃升温阶段1：红外加热器开启，PCR反应腔101溶液温度≤90℃，红外加热采用高功率输出，当PCR反应腔101内溶液温度达到90℃时，PID控制技术开始介入，使反应液温度从90℃平缓到达95℃；

(2)95℃恒温阶段1：当PCR反应腔101溶液温度到达95℃时，红外加热器功率迅速切换至95℃红外对应恒定功率进行加热，使腔体溶液温度保证在5s内维持95℃；

(3)95℃至60℃降温阶段1：此时红外加热器关闭，荧光检测开启，对反应液实时检测，同时，冷却模块200中的电磁阀207开启，相变工质迅速从工质收集箱203中喷射流入相变槽201中，微喷嘴阵列208喷射高度为15mm，相变吸热，PCR反应腔101中的温度快速降低至60℃，时间约为3s。

(4)60℃恒温阶段2：当PCR反应腔101中溶液温度到达60℃时，电磁阀207关闭，同时红外加热器功率迅速切换至60℃红外对应恒定功率进行加热，使腔体溶液温度保证30s内维持60℃。

(5)60℃至95℃升温阶段2：红外加热器开启，PCR反应腔101中溶液温度≤90℃，红外加热采用高功率输出，当PCR反应腔101中溶液温度达到90℃时，PID控制技术开始介入，使反应液温度从90℃平缓到达95℃。

上述步骤2-5循环约40次后，加热与冷却停止工作，分析结果。

实施例4

实验过程中发现喷射相变过程的换热系数会随喷射高度而改变，本实施例分别以10mm、12mm、14mm、15mm、16mm、18mm、20mm作为微喷嘴阵列208的喷射高度对PCR芯片100进行冷却，通过单位时间内PCR芯片100的降温幅度测定换热系数，结果如图8所示，微喷嘴阵列208最佳的喷射高度为15mm，此时能到达最高的换热效率，实现对PCR芯片100的快速冷却降温，因此将冷却模块200的体积设计大小为40×16×15mm。

对比例1

采用水冷方式进行PCR芯片100的冷却，如图9所示的PCR水冷装置，包括装置主体300，装置主体300上间隔排布有多个用于放置样本的样本容器301，散热管安装在装置主体300内部并且围绕样本容器301设置，散热管连接有进液管302和出液管303，换热箱304连通进液管302和出液管303，换热箱304内盛放有冷却液，在30℃同等流速的情况下进行对比实验，水冷方式实验步骤与实施例3相同，降温阶段开启水泵，换热箱304内的冷却液经由进液管302进入装置主体300内部的散热管中，从而带走样本容器301内PCR管中热量，最后通过出液管303流回换热箱304，通过红外传感器每秒采集PCR管中的温度，与实施例3进行对比，得到水冷的换热情况以及喷射相变冷却的换热情况如图10所示，由图10可知，喷射相变冷却所需的时间为3s，采用水冷所需的时间为9s，因此采用喷射相变冷却技术能大大节省反应时间。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：包括，

PCR芯片(100)，其内部设置有PCR反应腔(101)，PCR反应腔(101)连通有流道(102)，流道(102)内设置有记忆金属弹簧(103)和与记忆金属弹簧(103)连接的橡胶塞(104)；

冷却模块(200)，包括相变槽(201)、流通管道(202)和工质收集箱(203)，相变槽(201)设置于PCR芯片(100)底部，相变槽(201)通过流通管道(202)与工质收集箱(203)连通。

2.如权利要求1所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述PCR芯片(100)包括芯片上盖板(105)、芯片中间层(106)和芯片下盖板(107)，所述PCR反应腔(101)设置于芯片中间层(106)。

3.如权利要求2所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述芯片上盖板(105)上设置有与流道(102)连通的注液口(105a)和排气口(105b)。

4.如权利要求1-3任一所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述PCR反应腔(101)为圆柱形，圆柱形的侧面为磨砂表面，底部键合层采用薄层铜片(108)键合。

5.如权利要求4所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述相变槽(201)与PCR芯片(100)之间嵌入薄层柔性导热纸(204)和聚乙烯高发泡(205)。

6.如权利要求5所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述薄层柔性导热纸(204)为导热硅胶垫片或导热石墨纸。

7.如权利要求6所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述记忆金属弹簧(103)采用镍钛合金。

8.如权利要求5-7任一所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述流通管道(202)上还设置有真空泵(206)和电磁阀(207)。

9.如权利要求8所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述流通管道(202)通过微喷嘴阵列(208)与相变槽(201)连通。

10.如权利要求9所述的微小空间快速变温PCR系统，其特征在于：所述PCR反应腔(101)通过红外加热，荧光检测物质采用荧光探针。

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