CN117327571B - 载体及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载体及其应用。载体包括囊袋,囊袋透明,囊袋包括第一膜和第二膜,第二膜围成反应腔,反应腔用于容纳反应液,第一膜和第二膜之间形成用于流通介质的控温腔,介质用于加热和冷却反应腔内的反应液。加样方法用于为载体加反应液。控温装置包括加热器和冷却器,所述加热器用于向载体提供预设温度的热介质,所述冷却器用于向所述载体提供预设温度的冷介质。控温方法包括所述控温装置向所述控温腔内通入冷介质或热介质,以使所述反应液升温、降温或保温。PCR检测系统包括荧光检测机构和控温装置,所述荧光检测机构用于检测反应液中的待测物。载体成本低,并使得反应液升降温速度快。
Description
技术领域
本发明涉及体外检测技术领域,尤其涉及一种载体及其应用。
背景技术
PCR(聚合酶链式反应)可以指体外酶促合成特异DNA片段的一种分子生物学实验方法,PCR扩增要由高温变性、低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环构成。
现有技术中,需要将反应液放置于载体中进行PCR扩增,对于载体中反应液的控温,一种方式是水浴控温,即将载体放入水中或油中加热或冷却,另一种方式是电子元件加热,如单面加热或者将载体放入凹槽中,围绕载体加热等。
两种控温方式都存在的缺陷是:
1、载体与加热器接触的紧密程度会影响控温效率,且载体与加热器难以做到完全接触;
2、载体与加热器接触部分往往使用金属导热薄膜,金属导热薄膜不透明,限制了检测待测物的荧光入射的方向;
3、电子元件加热的方式主要是冷却器往往与加热器为一体结构,冷却器冷却载体时需要先冷却加热器,从而造成功率浪费,降低检测效率;
4、加热器本身厚度的不均一性会影响控温效果(如FR-4的厚度误差约为± 0.1mm);
5、载体需要由金属导热薄膜制成,同时,为了与加热器接触良好,需要有较高的加工精度,导致载体的成本相对较高;
6、载体较厚,影响传热效率;
7、电子元件与载体为一体的加热方式,需要制备新的模具。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种载体,以至少解决上述技术问题之一。
为实现上述目的,本发明第一方面提供了一种载体,所述载体包括囊袋,所述囊袋透明,所述囊袋包括第一膜和第二膜,所述第二膜围成反应腔,所述反应腔用于容纳反应液,所述第一膜和所述第二膜之间形成用于流通介质的控温腔,所述介质用于加热和冷却所述反应腔内的反应液。
可选的,所述载体还包括测温腔,所述测温腔内用于盛放荧光温敏材料。
可选的,所述测温腔设置在所述反应腔的一端。
可选的,所述反应腔的数量为一个或多个,多个所述反应腔相互独立。
可选的,所述载体透明。
可选的,所述囊袋由塑料制成。
可选的,所述第二膜的厚度为10μm-50μm,和/或
所述第一膜的厚度为0.15mm-5mm。
可选的,所述反应腔的厚度为0.1mm-10mm。
可选的,所述反应腔为扁平结构。
可选的,所述扁平结构指,所述反应腔垂直于其厚度方向的尺寸大于其厚度方向的尺寸。
可选的,所述反应腔垂直于其厚度方向的尺寸与其厚度方向的尺寸之比大于5:1。
可选的,所述尺寸之比为25:1~500:1。
可选的,所述控温腔数量为多个。
可选的,所述控温腔数量为两个,两个所述控温腔分别设置于所述反应腔的相对的两侧。
可选的,两个所述控温腔相互独立,两个所述控温腔内的介质流向相反或相同。
可选的,所述第一膜开设有入口和出口,所述介质由所述入口进入所述控温腔,由所述出口流出所述控温腔。
可选的,所述出口位于所述控温腔的第一端,所述入口位于所述控温腔的第二端,所述第一端与所述第二端相对。
可选的,所述第二膜包括第一内膜片和第二内膜片,所述第一内膜片和所述第二内膜片相对设置,并相互连接形成所述反应腔;和/或
所述第一膜包括第一外膜片和第二外膜片,所述第一外膜片和所述第二外膜片位于所述第二膜外侧并分别位于所述第二膜的相对两侧,所述第一外膜片与所述第二膜连接形成一个所述控温腔;所述第二外膜片与所述第二膜连接形成另一个所述控温腔。
可选的,所述控温腔数量为一个,所述反应腔被所述控温腔包围。
本发明的另一个目的在于提供一种加样方法,以至少解决上述技术问题之一。
为达此目的,本发明第二方面采用以下技术方案:
一种加样方法,用于为所述的载体加反应液,所述加样方法包括:
形成具有注液口的反应腔;
向所述反应腔内注入反应液;
密封所述注液口;
在所述反应腔的外侧形成控温腔。
可选的,所述形成具有注液口的反应腔包括:使相对设置的两层所述第二膜连接,在两层所述第二膜之间形成具有注液口的所述反应腔。
可选的,所述形成具有注液口的反应腔还包括:在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片形成所述第二膜。
可选的,所述在所述反应腔的外侧形成控温腔之前还包括:在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片形成所述第一膜。
可选的,当所述反应腔的数量为多个时,所述形成具有注液口的反应腔指:形成多个反应腔,每个反应腔均对应形成有注液口。
可选的,所述向所述反应腔内注入反应液指:分别向所述反应腔内注液反应液。
本发明的又一个目的在于提供一种控温装置,以至少解决上述技术问题之一。
为达此目的,本发明第三方面采用以下技术方案:
一种控温装置,与所述载体配套使用,所述控温装置包括加热器和冷却器,所述加热器用于向载体提供预设温度的热介质,所述冷却器用于向所述载体提供预设温度的冷介质。
可选的,所述加热器通过电磁加热的方式加热介质。
可选的,当所述控温装置与所述载体配套使用时,所述控温装置还包括循环回路,所述循环回路的一端能与所述控温腔的入口连接,另一端能与所述控温腔的出口连接,所述加热器用于加热所述循环回路内的介质,所述冷却器能为所述循环回路提供冷介质。
可选的,所述循环回路包括回液管路,所述回液管路包括主回液管、第一回液分管和第二回液分管,所述第一回液分管和所述第二回液分管与所述主回液管选择性连通;
所述第一回液分管与所述冷却器的出液口连通,所述第二回液分管与所述冷却器的回液口连通,所述加热器用于加热所述冷却器的出液口下游的介质;和/或
所述循环回路包括进液管路,所述进液管路的一端与所述冷却器的出液口连通,另一端能与所述控温腔的入口连通。
可选的,所述控温装置还包括温度检测单元,所述温度检测单元用于检测介质的温度。
可选的,所述温度检测单元包括第一温度检测单元和第二温度检测单元,所述第一温度检测单元用于检测所述循环回路的一端处的介质温度,所述第二温度检测单元用于检测所述循环回路的另一端处的介质温度。
本发明的再一个目的在于提供一种控温方法,以至少解决上述技术问题之一。
为达此目的,本发明第四方面采用以下技术方案:
一种控温方法,控温装置利用所述控温方法控制所述载体内的反应液温度,所述控温方法包括:
所述控温装置向所述控温腔内通入冷介质或热介质,以使所述反应液升温、降温或保温。
可选的,所述控温装置包括循环回路;
当所述反应液升温时,加热器加热所述循环回路中的介质,且介质在所述循环回路和所述控温腔之间循环流动;和/或,
当所述反应液降温时,介质在冷却器、所述循环回路和所述控温腔之间循环流动。
本发明的又一个目的在于提供一种PCR检测系统,以至少解决上述技术问题之一。
为达此目的,本发明第五方面采用以下技术方案:
一种PCR检测系统,包括荧光检测机构和控温装置,所述荧光检测机构用于检测反应液中的待测物。
可选的,所述PCR检测系统利用加样方法为载体加反应液,和/或,所述PCR检测系统利用控温方法控制所述载体内反应液的温度。
由上可见,本发明提供的技术方案,用于冷却和加热载体的介质直接在载体内流动,直接加热和冷却载体,介质与载体之间可以完全接触,不存在缝隙,完全避免了载体与加热器或冷却器之间接触不够紧密的情况,大大提高了控温效率和检测效率。同时,对载体的加工精度要求低,可以降低载体的成本。第二膜和第一膜之间形成用于流通介质的控温腔,第二膜围成反应腔,因此,介质与反应液之间仅存在第二膜,进而可以很快在介质与反应液之间实现热交换。
由于介质直接与载体接触,加热器无需与载体接触,因此用于为介质加热的加热器本身的厚度是否均匀,不会影响控温效果,解决了载体与控温结构(加热器)接触程度导致控温效果差异的问题。
当需要由加热载体的状态切换至冷却载体的状态时,只需要向控温腔内通入冷介质,热介质自然会流出控温腔,因此可以节约功率和能源,提高检测效率。
囊袋透明,载体不需要使用金属导热薄膜,使得检测待测物的荧光入射的方向不再受限,降低了设备设计难度,解决了荧光入射方向受限的问题。载体包括囊袋,囊袋本身厚度小,因此反应液和介质之间可以快速传热。载体为扁平结构,因此,反应液的厚度小,反应液的温度可以快速达到一致。囊袋包括第一膜和第二膜,第一膜和第二膜使用现有的模具加工即可,且便于批量生产,加工成本低。
通过检测测温腔内荧光温敏材料的荧光检测方式检测温度,检测结果精度高,从而可以提高对待测物的检测准确度。同时,荧光温敏材料未设置在反应液中,而是单独放置在测温腔内,从而避免影响反应液的检测,提高检测结果的准确度。
控温装置可以与上述的载体配套使用,控温装置包括加热器和冷却器,加热器用于向载体提供预设温度的热介质,冷却器用于向载体提供预设温度的冷介质。冷却器和加热器可以根据反应液的目标温度为控温腔提供预设温度介质。冷却器和加热器分开设计成独立的模块,分别工作,当控温出现问题时,便于排查加热器和冷却器,便于解决问题。
加热器通过电磁加热的方式加热介质,电磁加热可以使介质迅速升温。
加样方法通过在载体形成的过程中注入反应液,使得反应液的快速升降温得以实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的第一种载体的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的第二种载体的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的第三种载体的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的第四种载体的结构示意图;
图5是本发明实施例提供的第一种载体的另一视角的示意图;
图6是本发明实施例提供的第一种载体的立体图;
图7是本发明实施例提供的第一种载体的透视图;
图8是本发明实施例提供的第一种载体的剖视图;
图9是本发明实施例提供的第五种载体的结构示意图;
图10是本发明实施例提供的第五种载体的立体图;
图11是本发明实施例提供的第五种载体的透视图;
图12是本发明实施例提供的第五种载体的剖视图;
图13是本发明实施例提供的第六种载体的结构示意图;
图14是本发明实施例提供的第六种载体另一视角的结构示意图;
图15是本发明实施例提供的第七种载体的结构示意图;
图16是本发明实施例提供的第八种载体的结构示意图;
图17a是本发明实施例提供的控温装置和载体连接的结构示意图;
图17b是本发明实施例提供的在解脲脲原体荧光检测中测得的扩增曲线图;
图18是本发明实施例提供的第一种载体加液过程中的示意图;
图19是本发明实施例提供的第五种载体加液过程中的示意图。
图中:
1、囊袋;11、反应腔;12、控温腔;121、入口;122、出口;13、第二膜;131、第一内膜片;132、第二内膜片;14、第一膜;143、第一外膜片;144、第二外膜片;145、进出口;16、测温腔;17、注液口;18、隔断;
2、加热器;3、冷却器;31、出液口;32、回液口;
4、循环回路;41、回液管路;411、主回液管;412、第一回液分管;413、第二回液分管;42、进液管路;
5、快接头;6、泵;
10、载体;20、控温装置;
100、注液枪。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
本发明中限定了一些方位词,在未作出相反说明的情况下,所使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”这些方位词是为了便于理解而采用的,因而不构成对本发明保护范围的限制。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征液体平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征液体平高度小于第二特征。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
本实施例提供了一种载体10,用于PCR扩增和检测中,但不限于此,还可以用于其他需要容纳样本的场合中。
如图1所示,本实施例提供的载体10包括相互独立的反应腔11和控温腔12,反应腔11用于容纳反应液,控温腔12用于流通介质,介质用于加热和冷却反应腔11内的反应液。
用于冷却和加热载体10的介质直接在载体10内流动,直接加热和冷却载体10,介质与载体10之间可以完全接触,不存在缝隙,完全避免了载体10与加热器或冷却器之间接触不够紧密的情况,大大提高了控温效率和检测效率。同时,对载体10的加工精度要求低,可以降低载体10的成本。
由于介质直接与载体10接触,加热器2(如图17a)无需与载体10接触,因此用于为介质加热的加热器2本身的厚度是否均匀,不会影响控温效果,解决了载体10与控温结构(加热器)接触程度导致控温效果差异的问题。
当需要由加热载体10的状态切换至冷却载体10的状态时,只需要向控温腔12内通入冷介质,热介质自然会流出控温腔12,因此可以节约功率和能源,提高检测效率。
可以理解的是,介质可以为水或沸点高于水的油等液态介质,介质还可以为蒸汽或低温水雾等气态介质。
可选地,控温腔12数量为多个。如图1、图2、图8和图12所示,当控温腔12的数量为两个时,可以在反应腔11的相对的两侧设置控温腔12,此时,反应液能够更加快速地达到目标温度,提高检测效率;优选地,两个控温腔12相互独立,即两个控温腔12独立地、分别流入介质和流出介质。示例性的,两个控温腔12内的介质流向相反,从而使得反应液的温度更快均匀,当然,两个控温腔12的介质流向也可以相同。
可选地,反应腔11为扁平结构。可以理解的是,扁平结构可以指,反应腔11垂直于其厚度方向的尺寸大于其厚度方向的尺寸,例如,反应腔11的厚度方向的尺寸小于宽度方向或长度方向的尺寸,作为示例性的,反应腔11垂直于其厚度方向的尺寸与其厚度方向的尺寸之比大于5:1,如尺寸之比为50:1~100:1。
例如,反应腔11为长方体(需要说明的是,长方体可以指大致为长方体,并不是几何意义上绝对的长方体),长方体的长度(或宽度)和厚度的比例可以为大于5:1,如尺寸之比为25:1~500:1,作为示例性的,尺寸之比为90:1,如反应腔11厚度方向的尺寸可以为0.1-1.0mm,反应腔11的宽度和长度分别为10mm和20mm左右。示例性的,例如反应腔11的长、宽和厚度分别为:50 mm 、5 mm、0.1 mm,其可以容纳25 μL反应液,又如,反应腔11的长、宽和厚度分别为:25 mm 、5 mm 、0.2 mm, 其可以容纳25 μL反应液,再如,反应腔11的长、宽和厚度分别为:10 mm *8.3 mm *0.3 mm ,其可以容纳大约25 μL反应液。
作为示例性的,反应腔11还可以为圆柱结构,直径和厚度比为大于5:1,如厚度为0.3-1.0mm,直径为5-20mm。当然,反应腔11的横截面可以为多边形或椭圆形等。当然,反应腔11的横截面可以为多边形或椭圆形等。
扁平结构的反应腔11至少存在两个面积较大的面(如图5所展示出的面),且这两个面为相对的面,为便于说明,在此将该面命名为大面,可选地,当反应腔11的两侧设置有控温腔12时,反应腔11的两个大面的一侧分别设置有控温腔12(如图1所示)。
扁平结构的反应腔11内的反应液薄,反应液的中心距液体的表面距离很小,反应液的温度能够在很短的时间内达到一致,且扁平结构可以使反应腔11与控温腔12的之间的导热面积大,导热效率高,进而使得反应液升、降温速度和检测效率大大提高。
示例性的,反应腔11的厚度为0.1mm-10mm,由于反应腔11的厚度很小,本实施例优选反应腔11的两个大面的一侧分别设置有控温腔12(如图1所示)。但反应腔11的厚度不限于此,当反应腔11的厚度较大时,可以在反应腔11的外侧均对应设置控温腔12。
如图1-图5、图7-图9、图11-图12所示,可选地,反应腔11投影在控温腔12上的外轮廓在控温腔12的外轮廓之内,这样反应腔11内各处的液体都可以被介质加热或冷却。
如图2和图5所示,当控温腔12的数量为多个时,控温腔12具有入口121和出口122,介质由入口121进入控温腔12,由出口122流出控温腔12,这样入口121流入的介质为加热器2或冷却器3调温后的介质,从而可以尽快使反应液达到目标温度。
可选地,出口122位于控温腔12的第一端,入口121位于控温腔12的第二端,第一端与第二端相对,从而使得介质为控温腔12各处的反应液降温或升温。
可选地,一个载体10可以包括一个反应腔11(如图5所示)或多个反应腔11(如图9所示),当载体10包括多个反应腔11时,多个反应腔11相互独立。多个反应腔11可以放置不同的反应液,以同时检测多个不同的样本,提高检测效率,多个反应腔11中也可以放置重复的反应液,从而达到验证反应结果的目的。如图9所示,一个载体10内具有四个反应腔11,或如图11和图12所示,一个载体10内具有两个反应腔11,但可以理解的是,反应腔11的数量不限于此。
如图9、图11和图12所示,可选地,当载体10包括多个反应腔11时,多个反应腔11的同一侧设置一个控温腔12,多个反应腔11的另一同侧设置另一个控温腔12,即多个反应腔11共用两个控温腔12,这样可以使得载体10的结构简单,便于加工,同时,便于对多个反应腔11进行控温。多个反应腔11沿着垂直于介质流动的方向间隔设置(如图9),从而使得各个反应腔11的温度均匀。当然,也可以如图11所示,多个反应腔11沿介质流动的方向间隔设置。
如图5和图9所示,为使得控温腔12各处介质流速一致,控温腔12的入口121和出口122均为长条形,从而使得介质均匀地流入控温腔12中。
如图1所示,示例性的,载体10还可以包括囊袋1,囊袋1可以形成控温腔12和反应腔11,囊袋1透明。可选地,囊袋1由塑料制成,如塑料为聚丙烯(Polypropylene,简称PP),囊袋1还可以由聚碳酸酯(英文简称PC)制成,另外,囊袋1还可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,简称PET)制成,在本实施例中,囊袋1优选由PP或PC制成。本实施例中,反应腔11和控温腔12的设置方式使得反应液能够快速降温,囊袋1(载体10)不需要由金属导热薄膜制成,使得载体10的成本更低。可选地,载体10透明,即整个载体10透明。载体10(囊袋1)不需要使用金属导热薄膜,使得检测待测物的荧光入射的方向不再受限,降低了设备设计难度,解决了荧光入射方向受限的问题。
具体地,囊袋1包括第一膜14和第二膜13,第二膜13和第一膜14之间形成用于流通介质的控温腔12,第二膜13围成反应腔11,因此,介质与反应液之间仅存在第二膜13,进而可以很快在介质与反应液之间实现热交换。第一膜14和第二膜13使用现有的模具加工即可,无需重新开模,且囊袋1便于批量生产,加工成本低。
如图5-图12所示,入口121和出口122开设于第一膜14,介质由入口121进入控温腔12,由出口122流出控温腔12。
如图8或如图12所示,当反应腔11的相对的两侧设置有控温腔12时,第二膜13可以包括第一内膜片131和第二内膜片132,第一内膜片131和第二内膜片132相对设置,并相互连接形成反应腔11,具体地,第一内膜片131和第二内膜片132可以为塑料膜,第一内膜片131和第二内膜片132可以通过熔接的方式连接。当然,第一内膜片131和第二内膜片132还可以为一体成型。
示例性的,第一膜14可以包括第一外膜片143和第二外膜片144,第一外膜片143和第二外膜片144位于第二膜13外侧并分别位于第二膜13的相对两侧,第一外膜片143与第二膜13连接形成一个控温腔12;第二外膜片144与第二膜13连接形成另一个控温腔12。
更进一步地,第一外膜片143位于第一内膜片131的外侧,第二外膜片144位于第二外膜片144的外侧,第一外膜片143与第一内膜片131连接形成一个控温腔12,第二外膜片144与第二内膜片132连接形成另一个控温腔12。具体地,第一外膜片143和第二外膜片144可以为塑料膜,第一外膜片143和第二外膜片144可以通过熔接的方式连接。当然,第一外膜片143和第二外膜片144还可以为一体成型。第一内膜片131、第二内膜片132、第一外膜片143和第二外膜片144均透明,以形成透明的囊袋1。
在本实施例中,当载体10包括两个控温腔12时,囊袋1本质上是由4层膜(从一侧到另一侧依次为第一外膜片143、第一内膜片131、第二内膜片132和第二外膜片144)依次连接形成,囊袋1的结构和制备方法非常简单,成本非常低,适用于大批量生产。
如图3和图4所示,控温腔12的数量可以为一个,反应腔11被一个控温腔12包围,反应腔11可以完全浸入在控温腔12的介质中,可以进一步地提高升降温速度。此时,第二膜13围成反应腔11,第二膜13放置在第一膜14围成的控温腔12内。如图4所示,可选地,第一膜14还可以开设有使第二膜13进出的进出口145,以方便将第二膜13浸入在反应腔11的介质内。当反应腔11的数量为一个时,具有一个反应腔11的第二膜13位于控温腔12内,当反应腔11的数量为多个时,具有多个反应腔11的第二膜13位于控温腔12内。
可选地,当控温腔12的数量为一个或多个时,第一膜14和第二膜13之间可以连接,以固定第二膜13的位置,进而避免第二膜13在介质的流动作用下移位。
示例性的,如图9所示,当载体10中的反应腔11为多个时,第一内膜片131和第二内膜片132之间可以形成多处隔断18,以使相邻的两个反应腔11相互独立。可以通过熔接的方式形成隔断18。
可选地,第二膜13的厚度可以为10μm-50μm。第一膜14的厚度可以为0.15mm-5mm,可以理解的是,第一膜14和第二膜13的厚度不限于此,只要具有足够的强度,避免载体10破裂即可。可选地,可以通过减小第二膜13的厚度提高反应液的升降温速度,当第二膜13的厚度减至10 μm时,可以通过降低反应液厚度的方式,提高升降温速度。业内来说,一般是认为透明的聚丙烯膜、聚碳酸酯膜在此厚度下,难以承受较高温度,且会因为强度不够容易破裂,导致载体难以承载一定体积的液体。但是发明人意外的发现,聚丙烯膜、聚碳酸酯膜在此厚度以及温度下,可以承载一定体积的PCR反应液,完成扩增反应。
如图12所示,载体10还可以包括快接头5,入口121和出口122均可以连接快接头5,从而使得载体10便于与控温装置20连接。可选地,快接头5可以由塑料制成,通过熔接的方式与囊袋1连接。可选地,快接头5透明,以使整个载体10透明,使得荧光入射方向不受限制。
如图13所示,可选地,载体10还可以包括测温腔16,测温腔16内用于盛放荧光温敏材料,可以理解的是,控温腔12可以加热和冷却测温腔16,以使测温腔16内的温度与反应腔11内的温度一致,进而使得荧光温敏材料的温度与反应液的温度一致。本实施例通过检测测温腔16内荧光温敏材料的荧光检测方式检温度,由于测温腔16温度和反应腔11温度一致,进而可以得到反应腔11内反应液的温度,荧光检测温度结果精度高,从而可以提高检测准确度。同时,荧光温敏材料未设置在反应液中,而是单独放置在测温腔16内,从而避免影响反应液的检测,提高检测结果的准确度。
如图13-图16所示,测温腔16设置在反应腔11的一端,需要说明的是,反应腔11设置在测温腔16的任意一端均可以,只要不会影响反应液的检测即可。更进一步地,测温腔16可以形成于第二膜13内。
如图15所示,当载体10包括多个反应腔11时,每个反应腔11的一端可以设置一个测温腔16;或如图16所示,也可以在多个反应腔11的一端设置一个测温腔16,以节约检测成本和载体10成本。
经过试验验证,采用本实施例提供的载体10扩增时,反应液的最大温差在0.5 ℃以内,即同一时间,反应液的最高温度和最低温度相差0.5 ℃以内(具体实验数据后文详细介绍)。
本实施例提供的载体10用料简单(基本只需要第一膜14和第二膜13);加工工艺为常规工艺,如塑料的熔接、裁切;便于生产,成本低,如材料成本和加工成本均很低。
如图17a所示,本实施例还提供一种控温装置20,控温装置20可以与上述的载体10配套使用,控温装置20包括加热器2和冷却器3,加热器2用于向载体10提供预设温度的热介质,冷却器3用于向载体10提供预设温度的冷介质。冷却器3和加热器2可以根据反应液的目标温度为控温腔12提供预设温度介质。冷却器3和加热器2分开设计成独立的模块,分别工作,当控温出现问题时,便于排查加热器2和冷却器3,便于解决问题。
当载体10包括入口121和出口122时,控温装置20还包括循环回路4,循环回路4的一端能与控温腔12的入口121连接,另一端能与控温腔12的出口122连接,加热器2用于加热循环回路4内的介质,冷却器3能为循环回路4提供冷介质。当需要为控温腔12提供热介质时,加热器2工作,加热循环回路4中的介质。加热器2无需存储热介质,只需要加热循环回路4中的介质,因此,加热器2需要加热的介质量少,可以快速使介质达到预设的温度。当需要为控温腔12提供冷介质时,加热器2不再工作或在较低的功率下工作,冷却器3为循环回路4提供冷介质,循环回路4和控温腔12内的介质被冷介质取代。冷却器3提供的冷介质的温度可以与PCR反应所需温度一致或低于PCR反应所需温度,冷却器3可以根据需要为循环回路4提供介质,如冷却器3内的冷介质可以全部替换掉循环回路4内的介质,使循环回路4内的介质温度与冷却器3内的冷介质温度一致,或冷却器3内的冷介质可以替换循环回路4内的部分介质,使循环回路4内的介质温度高于冷却器3内的冷介质温度。
更进一步地,控温腔12、循环回路4和冷却器3之间能够形成回路,当控温腔12需要冷却时,循环回路4和控温腔12的热介质回流至冷却器3,热介质被冷却。
如图17a所示,反应腔11的相对的两侧均设置有控温腔12,控温装置20设置有两个循环回路4(单虚线代表一个循环回路4,双虚线代表另一个循环回路4),一个循环回路4与一个控温腔12连通,加热器2可以加热两个循环回路4中的介质,冷却器3可以为两个循环回路4提供冷介质。
示例性的,循环回路4包括进液管路42,进液管路42的一端与冷却器3的出液口31连通,另一端能与控温腔12的入口121连通。示例性的,加热器2用于加热冷却器3的出液口31下游的介质。更进一步地,加热器2位于两个循环回路4的进液管路42之间,以分别为两个进液管路42提供热介质。示例性的,冷却器3的出液口31、加热器2和进液管路42依次连通。
可选地,出液口31流出的冷介质经过加热器2进入到进液管路42,当需要提供热介质时,冷却器3的出液口31关闭,加热器2加热循环回路4中的介质,介质在加热器2、循环回路4和控温腔12之间循环,从而可以提高循环回路4中介质升温速度,降低加热器2的功率,降低能耗。当反应液的温度略高于目标温度时,加热器2可以以低功率工作或停止工作,冷却器3通过出液口31为循环回路4提供预设量的冷介质,以使得反应液快速达到目标温度。当载体10需要由高温变性阶段进入低温退火阶段等需要为反应液降温时,加热器2停止工作,冷却器3通过其出液口31为进液管路42提供冷介质。
循环回路4还可以包括回液管路41,回液管路41包括主回液管411、第一回液分管412和第二回液分管413,第一回液分管412和第二回液分管413与主回液管411选择性连通。
示例性的,回液管路41可以是一个管路,当是一个管路时,回液管路41、第一回液分管412和第二回液分管413可以通过三通阀连接,三通阀可以控制第一回液分管412和第二回液分管413的通断。当然,主回液管411本身可以是三通阀,三通阀的一个口与控温腔12的出口122连接,第二个口与第一回液分管412连接,第三个口与第二回液分管413连接,三通阀可以控制第一回液分管412和第二回液分管413的通断。
第一回液分管412与冷却器3的出液口31连通,这样反应液在升温以及需要维持在高温变性和适温延伸阶段时,冷却器3不提供冷介质,热介质可以不经过冷却器3内部,加热器2只需要补充热介质损失的热量即可,可以理解的是,热损失为反应液升温时热介质发生的热损失以及热介质循环过程中散热产生的热损失。
第二回液分管413与冷却器3的回液口32连通,当需要为反应液降温时,冷介质可以回到冷却器3,进而冷却器3可以调节冷介质的温度。
可选地,冷却器3的出液口31可以设置有单向阀,单向阀可以允许冷却器3内的介质流出,同时避免循环回路4中的介质回流至冷却器3中。
可选地,两个循环回路4中的管路长度一致,即两个进液管路42一样长,两个回液管路41一样长,从而保证两个控温腔12内的介质温度一致,进而保证反应液各点的温度一致。例如,可以通过调节加热器2和冷却器3的位置来调节循环回路4中的管路长度。
示例性的,加热器2通过电磁加热的方式加热介质,电磁加热可以使介质迅速升温。加热器2可以包括金属管和线圈,线圈设置在金属管外,金属管与进液管路42连通,进而为进液管路42提供热介质,金属管还与冷却器3的出液口31连接,从而使得冷却器3内的介质经过金属管进入进液管路42。
在加热介质时,向线圈内通入交变电流,从而可以在金属管内产生涡流,金属管在涡流的作用下温度升高,金属管内流通介质,进而金属管将热量传递至介质。可选地,金属管可以为循环回路4的一部分。
示例性的,冷却器3可以包括水箱和制冷件,水箱可以存储介质,制冷件可以为介质制冷。
可选地,控温装置20还可以包括泵6,泵6可以连接于冷却器3的出液口31,泵6可以提高介质在循环回路4和控温腔12内的流动速度,进一步提高反应液升降温速度,提高检测效率。
现有技术中,加热器和冷却器均需要水箱,水箱内存储介质,当需要变温时,要为水箱内的介质升温或降温,从而导致升降温速度慢,整机的体积和质量大,本实施例中,加热器2只需要加热循环回路4中的介质即可,因此,可以快速调控介质的温度,以及使得整机的体积和质量小。
可选地,控温装置20还包括温度检测单元,温度检测单元用于检测介质的温度。示例性的,温度检测单元包括第一温度检测单元和第二温度检测单元,第一温度检测单元用于检测循环回路4的一端处的介质温度。第二温度检测单元用于检测循环回路4的另一端处的介质温度。循环回路4的一端连接控温腔12的入口121,因此,第一温度检测单元可以准确检测进入控温腔12的介质的温度T1,循环回路4的另一端连接控温腔12的出口122,因此,第二温度检测单元可以准确检测控温腔12流出的介质的温度T2。
更进一步地,第一温度检测单元设置于进液管路42,第二温度检测单元设置于回液管路41。
经过试验验证,当反应液的初始温度为0℃,反应液的体积为25μL时,针对不同厚度的反应液(分别为0.3mm、0.2mm、0.1mm)、控温腔12内不同的水流速度(分别为水流速度≥2ml/s、≥4ml/s、≥0.8ml/s、≥0.6ml/s、≥0.7ml/s)、不同厚度的第二膜13(10μm和20μm)进行了试验验证。试验结果显示,经过1s,反应液的温度均达到目标温度95℃,反应液的升温速度快于80 ℃/s升温速度、反应液的温差小于0.5 ℃。可以理解的是,上述的1s是反应液变温所需时间,并不是介质升温所需时间。
在另一个具体的实验中,反应腔11的尺寸为0.5 mm*20 mm*5 mm,容积为50 μL(反应液可以增至100 μL),位于反应腔11两侧的两个控温腔12分别通入水流进行热传导,控温腔12的尺寸均为1 mm *20 mm*5 mm=100 μL。
如图17a所示,以加热反应液为例进行实验:泵6从冷却器3中抽水,使水充满循环回路4和控温腔12,关闭冷却器3的出液口31,泵6继续工作使水流速为F,进入功率为P的加热器2中,加热后的水温为T1,水流进入载体10后与反应液进行热交换,T0为反应液初始温度,T2为水流与反应液热交换后流出载体10的水温,在1s内可以使得T1=T2=T0,反应液的升降温速度快于100℃/s,且反应液体温度最大最小值相差0.5 ℃以内。可以理解的是,上述的1s是反应液变温所需时间,并不是介质升温所需时间。
在一个具体的实验中,在解脲脲原体荧光检测中,使用本实施例提供的载体10和控温装置20可以在10min内完成PCR扩增,经过荧光检测,在106模板浓度下的扩增曲线图(如图17b所示),Ct值为27.48,曲线为典型“S型”,符合qPCR扩增要求。
实施例二
如图18所示,本实施二提供了一种加样方法,加样方法用于为实施例一的载体10加反应液,加样方法包括;
S1、形成具有注液口17的反应腔11;
S2、向反应腔11内注入反应液;示例性的,注液枪100等深入到注液口17内,从而向反应腔11注入反应液;
S3、密封注液口17;
S4、在反应腔11的外侧形成控温腔12。
本实施例通过在载体10形成的过程中注入反应液,使得反应液的快速升降温得以实现。
可选地,步骤S1包括:在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片,形成第二膜13;如可以在一卷较长的膜上,裁切一段膜形成第二膜13;
可选地,步骤S1还可以包括:使相对设置的两层第二膜13连接,在两层第二膜13之间形成具有注液口17的反应腔11。如将两层第二膜13熔接,预留部分位置不进行熔接,从而在预设的位置形成注液口17。可以理解的是,此时两层第二膜13分别为实施例中的第一内膜片131和第二内膜片132。
当载体10包括两个控温腔12时,步骤S4包括:在第二膜13的外侧连接第一膜14,以在第二膜13和第一膜14之间形成控温腔12。
如图18所示,在步骤S4之前还可以包括:
S5、在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片形成第一膜14。如可以在一卷较长的膜上,裁切一段膜形成第一膜14。
在本实施例中,当载体10包括两个控温腔12时,囊袋1本质上是由4层膜(从一侧到另一侧依次为第一外膜片143、第一内膜片131、第二内膜片132和第二外膜片144)依次连接形成,囊袋1的结构和制备方法非常简单,成本非常低。
在步骤S5之后还可以包括:
S6、准确快接头5;
S7、在第一膜14的入口121和出口122处连接快接头5。
步骤S4可以指,将连接有快接头5的第一膜14连接在第二膜13的外侧。
如图19所示,当反应腔11的数量为多个时,步骤S1可以指,形成多个反应腔11,每个反应腔11均对应形成有注液口17;示例性的,可以使相对设置的两层第二膜13连接,在两层第二膜13上间隔设置多个隔断18,可以通过熔接两层第二膜13的方式形成隔断18,以形成多个反应腔11。两层第二膜13的一端不进行连接,以形成每个反应腔11的注液口17。可以理解的是,此时两层第二膜13分别为实施例中的第一内膜片131和第二内膜片132。
可选地,步骤S2可以指:分别向反应腔11内注液反应液。如图19所示,可以是多个注液枪100同时注液,也可以是一个注液枪100分别向多个反应腔11内注液。
示例性的,步骤S3可以指:密封所有的注液口17,如通过熔接两层第二膜13的方式密封所有注液口17。
示例性的,步骤S4可以指:将连接有快接头5的第一膜14连接在第二膜13的外侧。
在其他可选的实施例中,可以在熔接注液口17的同时,切割出预设大小的第二膜13,从而可以提高注液效率和检测效率。
实施例三
本实施例三提供一种控温方法,实施例一的控温装置20可以利用控温方法控制载体10内的反应液的温度,控温方法包括:
控温装置20向控温腔12内通入冷介质或热介质,以使反应液升温、降温或保温。
通过介质直接与载体10接触的方式调节反应液的温度,有效解决了载体10与加热器2接触的紧密程度影响控温效率,且载体10与加热器2难以做到完全接触的问题,以及因为载体10与加热器2接触部分需要使用的金属导热薄膜,而限制了检测待测物的荧光入射的方向的问题,以及加热器2本身厚度的不均一性会影响控温效果的问题。
示例性的,控温装置20包括循环回路4;
当反应液升温时,加热器2加热循环回路4中的介质,且介质在循环回路4和控温腔12之间循环流动;冷却器3不提供冷介质,热介质可以不经过冷却器3内部,加热器2只需要补充热介质损失的热量即可,可以理解的是,热损失为反应液升温时热介质发生的热损失以及热介质循环过程中散热产生的热损失。
当反应液降温时,介质在冷却器3、循环回路4和控温腔12之间循环流动,当需要为反应液降温时,冷介质可以回到冷却器3,进而冷却器3可以调节冷介质的温度。
实施例四
本实施例还提供一种PCR检测系统,PCR检测系统包括荧光检测机构和实施例一中的控温装置20,荧光检测机构用于检测反应液中的待测物。PCR检测系统检测效率高,检测结果精确度高。
PCR检测系统还可以利用实施例二中的加样方法为载体10加反应液。可选地,PCR检测系统还可以利用实施例三中的控温方法控制载体10内反应液的温度。
PCR检测系统还可以包括温度检测机构,温度检测机构可以向荧光温敏材料发射激发光,并检测荧光温敏材料处的荧光强度,进而得到荧光温敏材料的温度。
PCR检测系统还可以包括控制机构,控制机构可以与温度检测机构、荧光检测机构和控温装置20电连接。控制机构可以是集中式或分布式的控制器,比如,控制器可以是一个单独的单片机,也可以是分布的多块单片机构成,单片机中可以运行控制程序,进而控制上述各部件实现其功能。
虽然,上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验,对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (24)
1.一种载体,其特征在于,所述载体包括囊袋(1),所述囊袋(1)透明,所述囊袋(1)包括第一膜(14)和第二膜(13),所述第二膜(13)围成反应腔(11),所述反应腔(11)用于容纳反应液,所述第一膜(14)和所述第二膜(13)之间形成用于流通介质的控温腔(12),所述介质用于加热和冷却所述反应腔(11)内的反应液;
所述第一膜(14)开设有入口(121)和出口(122),所述介质由所述入口(121)进入所述控温腔(12),由所述出口(122)流出所述控温腔(12);
所述反应腔(11)投影在控温腔(12)上的外轮廓在控温腔(12)的外轮廓之内;
所述控温腔(12)数量为两个,两个所述控温腔(12)分别设置于所述反应腔(11)的相对的两侧;
所述反应腔(11)垂直于其厚度方向的尺寸大于其厚度方向的尺寸。
2.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述载体还包括测温腔(16),所述测温腔(16)内用于盛放荧光温敏材料。
3.根据权利要求2所述的载体,其特征在于,所述测温腔(16)设置在所述反应腔(11)的一端。
4.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述反应腔(11)的数量为一个或多个,多个所述反应腔(11)相互独立。
5.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述载体透明。
6.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述囊袋(1)由塑料制成。
7.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述第二膜(13)的厚度为10μm-50μm,和/或
所述第一膜(14)的厚度为0.15mm-5mm。
8.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述反应腔(11)的厚度为0.1mm-10mm。
9.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述反应腔(11)垂直于其厚度方向的尺寸与其厚度方向的尺寸之比大于5:1。
10.根据权利要求9所述的载体,其特征在于,所述尺寸之比为25:1~500:1。
11.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,两个所述控温腔(12)相互独立,两个所述控温腔(12)内的介质流向相反或相同。
12.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述出口(122)位于所述控温腔(12)的第一端,所述入口(121)位于所述控温腔(12)的第二端,所述第一端与所述第二端相对。
13.根据权利要求1所述的载体,其特征在于,所述第二膜(13)包括第一内膜片(131)和第二内膜片(132),所述第一内膜片(131)和所述第二内膜片(132)相对设置,并相互连接形成所述反应腔(11);和/或
所述第一膜(14)包括第一外膜片(143)和第二外膜片(144),所述第一外膜片(143)和所述第二外膜片(144)位于所述第二膜(13)外侧并分别位于所述第二膜(13)的相对两侧,所述第一外膜片(143)与所述第二膜(13)连接形成一个所述控温腔(12);所述第二外膜片(144)与所述第二膜(13)连接形成另一个所述控温腔(12)。
14.根据权利要求6所述的载体,其特征在于,所述塑料为聚丙烯,或聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
15.一种加样方法,其特征在于,用于为权利要求1-14任意一项所述的载体加反应液,所述加样方法包括:
形成具有注液口(17)的反应腔(11);
向所述反应腔(11)内注入反应液;
密封所述注液口(17);
在所述反应腔(11)的外侧形成控温腔(12)。
16.根据权利要求15所述的加样方法,其特征在于,所述形成具有注液口(17)的反应腔(11)包括:使相对设置的两层所述第二膜(13)连接,在两层所述第二膜(13)之间形成具有注液口(17)的所述反应腔(11)。
17.根据权利要求16所述的加样方法,其特征在于,所述形成具有注液口(17)的反应腔(11)还包括:在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片形成所述第二膜(13)。
18.根据权利要求15所述的加样方法,其特征在于,所述在所述反应腔(11)的外侧形成控温腔(12)之前还包括:在一张膜上裁剪预设尺寸的膜片形成所述第一膜(14)。
19.一种PCR检测系统,其特征在于,包括荧光检测机构、控温装置以及权利要求1-14任意一项所述的载体,所述荧光检测机构用于检测反应液中的待测物;
所述控温装置包括加热器(2)和冷却器(3),所述加热器(2)用于向载体提供预设温度的热介质,所述冷却器(3)用于向所述载体提供预设温度的冷介质;
所述控温装置还包括循环回路(4),所述循环回路(4)的一端能与所述控温腔(12)的入口(121)连接,另一端能与所述控温腔(12)的出口(122)连接,所述加热器(2)用于直接加热所述循环回路(4)内的介质,所述冷却器(3)能为所述循环回路(4)提供冷介质,当所述反应液升温时,加热器(2)加热所述循环回路(4)中的介质,且介质在所述循环回路(4)和所述控温腔(12)之间循环流动;
循环回路(4)包括进液管路(42),进液管路(42)的一端与冷却器(3)的出液口(31)连通,另一端能与控温腔(12)的入口(121)连通,其中冷却器(3)的出液口(31)、加热器(2)和进液管路(42)依次连通。
20.根据权利要求19所述的PCR检测系统,其特征在于,所述加热器(2)通过电磁加热的方式加热介质。
21.根据权利要求19所述的PCR检测系统,其特征在于,所述循环回路(4)包括回液管路(41),所述回液管路(41)包括主回液管(411)、第一回液分管(412)和第二回液分管(413),所述第一回液分管(412)和所述第二回液分管(413)与所述主回液管(411)选择性连通;
所述第一回液分管(412)与所述冷却器(3)的出液口(31)连通,所述第二回液分管(413)与所述冷却器(3)的回液口(32)连通,所述加热器(2)用于加热所述冷却器(3)的出液口(31)下游的介质;和/或
所述循环回路(4)包括进液管路(42),所述进液管路(42)的一端与所述冷却器(3)的出液口(31)连通,另一端能与所述控温腔(12)的入口(121)连通。
22.根据权利要求19所述的PCR检测系统,其特征在于,所述控温装置还包括温度检测单元,所述温度检测单元用于检测介质的温度。
23.根据权利要求22所述的PCR检测系统,其特征在于,所述温度检测单元包括第一温度检测单元和第二温度检测单元,所述第一温度检测单元用于检测所述循环回路(4)的一端处的介质温度,所述第二温度检测单元用于检测所述循环回路(4)的另一端处的介质温度。
24.一种控温方法,其特征在于,利用权利要求19-23中任一项所述的PCR检测系统来执行,所述控温方法包括:
所述控温装置向所述控温腔(12)内通入冷介质或热介质,以使所述反应液升温、降温或保温;
所述控温装置包括循环回路(4);
当所述反应液升温时,加热器(2)加热所述循环回路(4)中的介质,且介质在所述循环回路(4)和所述控温腔(12)之间循环流动;和/或,
当所述反应液降温时,介质在冷却器(3)、所述循环回路(4)和所述控温腔(12)之间循环流动。
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