CN117511721B - 一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量pcr仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物制药技术领域，尤其为一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，包括安装架，所述安装架的顶部设置有上下料滑台模块，所述安装架的顶部且在上下料滑台模块的左侧设置有离心搬运模块，所述安装架的外壁且在靠近离心搬运模块位置处设置有光学检测模块，所述安装架的外壁且在靠近光学检测模块位置处设置有PCR模块，本发明可以有效解决现有的仪器体积较大，人工手动配液操作反应通量低，需要多台设备完成全流程工艺，反应体系限制于人工手动配液操作，导致反应结果的稳定性、均一性、复现性较差，精度较低，无法进行小反应体系的试剂配制，浪费大量反应试剂，多步人工操作，操作效率低，通量小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，具体为一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪。
背景技术
聚合酶链式反应（polymerase chain reaction）是一种分子生物学技术，用于放大扩增特定的DNA片段，能将微量的DNA大幅增加，是特殊DNA在生物体外的复制，技术原理与DNA的天然复制过程类似，通过与靶序列两端互补的寡核苷酸引物构成其特异性，传统的PCR反应体系需人工向PCR反应管中逐步加入多种不同的PCR反应组分。
现有的PCR反应体系制备仍然存在不足之处，具体为：现有的仪器体积较大，人工手动配液操作反应通量低，需要多台设备完成全流程工艺，反应体系限制于人工手动配液操作，导致反应结果的稳定性、均一性、复现性较差，精度较低，无法进行小反应体系的试剂配制，浪费大量反应试剂，多步人工操作，操作效率低，通量小。
因此，需要一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪来解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，包括安装架，所述安装架的顶部设置有上下料滑台模块，所述安装架的顶部且在上下料滑台模块的左侧设置有离心搬运模块，所述安装架的外壁且在靠近离心搬运模块位置处设置有光学检测模块，所述安装架的外壁且在靠近光学检测模块位置处设置有PCR模块；
所述PCR模块包括固定连接在安装架外壁的底座，所述底座的顶部安装有后中空转台，所述后中空转台的外壁安装有旋转电机，所述后中空转台的顶部设置有反应盒，所述反应盒的外壁设置有副散热风扇，所述反应盒的外壁且在后中空转台下方安装有导电滑环，所述反应盒的内部且在靠近副散热风扇位置处设置有主散热风扇，所述反应盒的内部且在副散热风扇上方安装有散热件，所述反应盒的顶部安装有密封板，所述密封板的底部安装有隔热板，所述密封板的顶部设置有QPCR芯片，所述反应盒的内部且在QPCR芯片的下方安装有温度控制片；
所述QPCR芯片包括滑动连接在密封板顶部的基底板，所述基底板的顶部中心处开设有样品进液通道，所述基底板的顶部且在靠近样品进液通道位置处开设有排气孔，所述基底板的顶部开设有进液分散池，所述基底板的顶部且在靠近进液分散池位置处开设有分液定量池，所述分液定量池的外壁开设有PCR反应池，所述进液分散池的外壁且在靠近样品进液通道位置处开设有样品废液池，所述进液分散池的外壁且在远离分液定量池位置处开设有固体石蜡贮存区，所述分液定量池通过定量孔进液毛细通道与进液分散池相连接，所述PCR反应池与分液定量池以及样品废液池与进液分散池之间均开设有反应孔进液毛细通道。
作为本发明优选的方案，所述上下料滑台模块包括固定连接在安装架外壁的连接架，所述连接架的外壁的底部安装有转运电机，所述转运电机的输出轴外壁安装有同步带，所述连接架的外壁滑动连接有耗材载盘，所述耗材载盘的顶部设置有耗材，所述连接架的外壁且在耗材载盘的正下方安装有直线导轨，所述连接架的内部且在直线导轨的下方安装有丝杆螺母。
作为本发明优选的方案，所述离心搬运模块包括固定连接在安装架外壁的前升降电缸，所述前升降电缸的外壁安装有前中空转台，所述前中空转台的顶部安装有电动真空泵，所述前中空转台的底部且在远离前升降电缸位置处设置有吸盘，所述前中空转台的外壁且在靠近吸盘位置处设置有从动顶紧机构，所述安装架的外壁且在吸盘的下方安装有固定架，所述固定架的内部设置有伺服电机，所述伺服电机输出轴顶端安装有联轴器，所述联轴器的顶端安装有离心载盘。
作为本发明优选的方案，所述光学检测模块包括固定连接在安装架外壁的后升降电缸，所述后升降电缸外壁安装有驱动电机，所述后升降电缸的外壁且在远离驱动电机位置处安装有滑动架，所述滑动架的顶部安装有LED光源，所述滑动架的外壁且在靠近LED光源位置处安装有光纤准直器，所述滑动架的顶部且在靠近光纤准直器位置处安装有二分二光纤，所述滑动架的顶部且在靠近二分二光纤位置处安装有固体器件荧光检测器。
作为本发明优选的方案，所述连接架、耗材载盘均由铝合金制成，所述耗材载盘与直线导轨的连接方式为固定连接。
作为本发明优选的方案，所述固定架由铝合金制成，所述联轴器贯穿并延伸至固定架外，所述联轴器与固定架的连接方式为转动连接，所述电动真空泵通过PVC塑料软管与吸盘相连接，所述伺服电机为驱控一体式电机。
作为本发明优选的方案，所述滑动架由铝合金制成，所述滑动架为C字型结构设计，所述光纤准直器和二分二光纤均设置有两组，所述后升降电缸为双电缸龙门式结构，所述驱动电机为驱动一体式电机，所述LED光源为单色光源，且LED光源配置1-6不同波段。
作为本发明优选的方案，所述副散热风扇设置有多组，且多组副散热风扇环形排列在反应盒外，所述隔热板由保温隔热材料制成，所述散热件由紫铜制成，所述旋转电机为驱控一体式电机，所述基底板由耐高温聚合物材料制成，所述基底板为圆形结构设计，所述进液分散池为弧形结构设计，所述分液定量池、PCR反应池、定量孔进液毛细通道以及反应孔进液毛细通道均设置有多组，所述反应孔进液毛细通道的尺寸截面积小于定量孔进液毛细通道，所述PCR反应池的体积为5微升或10微升或20微升。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过微流控技术，利用离心力，在芯片内部进行液体操控，省却了繁杂的试剂配制工作，芯片式QPCR设备采用自动化离心系统代替人工手动配液操作，解决反应体系配制过程中稳定性、均一性、复现性的问题，有效提高反应体系配制效率，数量级提高QPCR流程处理通量，满足快速检测过程中效率效能的需求，在满足通量与质量需求时，有效降低综合成本，同时通过微流控技术，在微流控芯片上可有效配制出体积远小于现有扩增反应体积的反应体系，节省大量反应试剂。
附图说明
图1为本实用内部布局轴测示意图；
图2为本发明上下料滑台模块轴测示意图；
图3为本发明离心搬运模块轴测示意图；
图4为本发明光学检测模块示意图；
图5为本发明PCR模块轴测示意图；
图6为本发明PCR模块剖视图；
图7为本发明离心式PCR反应芯片主体结构透明示意图；
图8为本发明离心式PCR反应芯片分液结构示意图。
图中：1、安装架；2、上下料滑台模块；3、离心搬运模块；4、光学检测模块；5、PCR模块；201、连接架；202、转运电机；203、同步带；204、耗材载盘；205、耗材；206、直线导轨；207、丝杆螺母；301、前升降电缸；302、前中空转台；303、电动真空泵；304、吸盘；305、从动顶紧机构；306、固定架；307、伺服电机；308、联轴器；309、离心载盘；401、后升降电缸；402、驱动电机；403、滑动架；404、LED光源；405、光纤准直器；406、二分二光纤；407、固体器件荧光检测器；501、底座；502、后中空转台；503、旋转电机；504、反应盒；505、副散热风扇；506、导电滑环；507、主散热风扇；508、散热件；509、密封板；510、隔热板；511、QPCR芯片；512、温度控制片；5110、基底板；5111、样品进液通道；5112、排气孔；5113、进液分散池；5114、分液定量池；5115、PCR反应池；5116、样品废液池；5117、固体石蜡贮存区；5118、定量孔进液毛细通道；5119、反应孔进液毛细通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：
一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，包括安装架1，安装架1的顶部设置有上下料滑台模块2，安装架1的顶部且在上下料滑台模块2的左侧设置有离心搬运模块3，安装架1的外壁且在靠近离心搬运模块3位置处设置有光学检测模块4，安装架1的外壁且在靠近光学检测模块4位置处设置有PCR模块5；
在该实施例中，参考图5和图6，PCR模块5包括固定连接在安装架1外壁的底座501，底座501的顶部安装有后中空转台502，后中空转台502的外壁安装有旋转电机503，后中空转台502的顶部设置有反应盒504，反应盒504的外壁设置有副散热风扇505，反应盒504的外壁且在后中空转台502下方安装有导电滑环506，反应盒504的内部且在靠近副散热风扇505位置处设置有主散热风扇507，反应盒504的内部且在副散热风扇505上方安装有散热件508，反应盒504的顶部安装有密封板509，密封板509的底部安装有隔热板510，密封板509的顶部设置有QPCR芯片511，反应盒504的内部且在QPCR芯片511的下方安装有温度控制片512；
其中副散热风扇505设置有多组，且多组副散热风扇505环形排列在反应盒504外，隔热板510由保温隔热材料制成，散热件508由紫铜制成，旋转电机503为驱控一体式电机；
在该实施例中，参考图7和图8，QPCR芯片511包括滑动连接在密封板509顶部的基底板5110，基底板5110的顶部中心处开设有样品进液通道5111，基底板5110的顶部且在靠近样品进液通道5111位置处开设有排气孔5112，基底板5110的顶部开设有进液分散池5113，基底板5110的顶部且在靠近进液分散池5113位置处开设有分液定量池5114，分液定量池5114的外壁开设有PCR反应池5115，进液分散池5113的外壁且在靠近样品进液通道5111位置处开设有样品废液池5116，进液分散池5113的外壁且在远离分液定量池5114位置处开设有固体石蜡贮存区5117，分液定量池5114通过定量孔进液毛细通道5118与进液分散池5113相连接，PCR反应池5115与分液定量池5114以及样品废液池5116与进液分散池5113之间均开设有反应孔进液毛细通道5119；
其中，基底板5110由耐高温聚合物材料制成，基底板5110为圆形结构设计，进液分散池5113为弧形结构设计，分液定量池5114、PCR反应池5115、定量孔进液毛细通道5118以及反应孔进液毛细通道5119均设置有多组，反应孔进液毛细通道5119的尺寸截面积小于定量孔进液毛细通道5118，PCR反应池5115的体积为5微升或10微升或20微升。
在该实施例中，参考图2，上下料滑台模块2包括固定连接在安装架1外壁的连接架201，连接架201的外壁的底部安装有转运电机202，转运电机202的输出轴外壁安装有同步带203，连接架201的外壁滑动连接有耗材载盘204，耗材载盘204的顶部设置有耗材205，连接架201的外壁且在耗材载盘204的正下方安装有直线导轨206，连接架201的内部且在直线导轨206的下方安装有丝杆螺母207；
其中连接架201、耗材载盘204均由铝合金制成，耗材载盘204与直线导轨206的连接方式为固定连接。
在该实施例中，参考图3，离心搬运模块3包括固定连接在安装架1外壁的前升降电缸301，前升降电缸301的外壁安装有前中空转台302，前中空转台302的顶部安装有电动真空泵303，前中空转台302的底部且在远离前升降电缸301位置处设置有吸盘304，前中空转台302的外壁且在靠近吸盘304位置处设置有从动顶紧机构305，安装架1的外壁且在吸盘304的下方安装有固定架306，固定架306的内部设置有伺服电机307，伺服电机307输出轴顶端安装有联轴器308，联轴器308的顶端安装有离心载盘309；
其中固定架306由铝合金制成，联轴器308贯穿并延伸至固定架306外，联轴器308与固定架306的连接方式为转动连接，电动真空泵303通过PVC塑料软管与吸盘304相连接，伺服电机307为驱控一体式电机。
在该实施例中，参考图4，光学检测模块4包括固定连接在安装架1外壁的后升降电缸401，后升降电缸401外壁安装有驱动电机402，后升降电缸401的外壁且在远离驱动电机402位置处安装有滑动架403，滑动架403的顶部安装有LED光源404，滑动架403的外壁且在靠近LED光源404位置处安装有光纤准直器405，滑动架403的顶部且在靠近光纤准直器405位置处安装有二分二光纤406，滑动架403的顶部且在靠近二分二光纤406位置处安装有固体器件荧光检测器407；
其中滑动架403由铝合金制成，滑动架403为C字型结构设计，光纤准直器405和二分二光纤406均设置有两组，后升降电缸401为双电缸龙门式结构，驱动电机402为驱动一体式电机，LED光源404为单色光源，且LED光源404配置1-6不同波段。
本发明工作流程：使用本方案设计的基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，在运行时，将预先配置好的含PCR反应模板的溶液分4次分别添加到QPCR芯片511内的4个样品进液通道5111内，此时液体暂存于进液分散池5113内；
将QPCR芯片511按照正方向标识，手动或机器人自动放置到仪器的耗材载盘204上，上料完成后，上下料滑台模块2中的耗材载盘204在转运电机202、同步带203以及直线导轨206等的共同作用下，运动至仪器内，在暗室环境中，仪器启动，离心搬运模块3启动；
耗材载盘204顶部的QPCR芯片511由离心搬运模块3上的吸盘304搬运，从耗材载盘204移动至离心载盘309内，前中空转台302上的从动顶紧机构305启动并整体下压，形成封闭环腔，以防芯片在离心时飞出，同时提高反应过程中的热性能，QPCR芯片511在伺服电机307带动下，开始一级离心转动，使暂停在进液分散池5113的液体流向分液定量池5114和样品废液池5116内，一级离心结束后，伺服电机307提高离心速度，使分液定量池5114内液体流至PCR反应池5115内，并与固体石蜡贮存区5117内提前预埋的反应试剂冻干小球充分接触并使其溶解；
QPCR芯片511结束二级离心后由离心搬运模块3上的吸盘304搬运，从离心载盘309移动至PCR模块5内，光学检测模块4启动，位于龙门臂上的光学检测模块4通过驱动电机402控制的后升降电缸401带动下降，与反应平台最终间距空隙，PCR模块5温度循环开启；
PCR模块5在执行温度循环时，在每一次温度循环的延伸反应开始时，光学检测模块4内的单色LED光源404、固体器件荧光检测器407启动，PCR模块5内的后中空转台502启动，QPCR芯片511随PCR模块5整体进行慢速转动，单色LED光源404通过二分二光纤406将特定荧光波长的激发光打至特定反应孔内，反应液产生的荧光发射光通过二分二光纤406将荧光信号输送至固体器件荧光检测器407内，固体器件荧光检测器407进行荧光强度数值输出；
QPCR芯片511芯片反应结束后，由离心搬运模块3上的吸盘304搬运，从PCR模块5移动至上下料滑台模块2中的耗材载盘204上，耗材载盘204退出仪器，流程结束。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，包括安装架（1），其特征在于：所述安装架（1）的顶部设置有上下料滑台模块（2），所述安装架（1）的顶部且在上下料滑台模块（2）的左侧设置有离心搬运模块（3），所述安装架（1）的外壁且在靠近离心搬运模块（3）位置处设置有光学检测模块（4），所述安装架（1）的外壁且在靠近光学检测模块（4）位置处设置有PCR模块（5）；
所述PCR模块（5）包括固定连接在安装架（1）外壁的底座（501），所述底座（501）的顶部安装有后中空转台（502），所述后中空转台（502）的外壁安装有旋转电机（503），所述后中空转台（502）的顶部设置有反应盒（504），所述反应盒（504）的外壁设置有副散热风扇（505），所述反应盒（504）的外壁且在后中空转台（502）下方安装有导电滑环（506），所述反应盒（504）的内部且在靠近副散热风扇（505）位置处设置有主散热风扇（507），所述反应盒（504）的内部且在副散热风扇（505）上方安装有散热件（508），所述反应盒（504）的顶部安装有密封板（509），所述密封板（509）的底部安装有隔热板（510），所述密封板（509）的顶部设置有QPCR芯片（511），所述反应盒（504）的内部且在QPCR芯片（511）的下方安装有温度控制片（512）；
所述QPCR芯片（511）包括滑动连接在密封板（509）顶部的基底板（5110），所述基底板（5110）的顶部中心处开设有样品进液通道（5111），所述基底板（5110）的顶部且在靠近样品进液通道（5111）位置处开设有排气孔（5112），所述基底板（5110）的顶部开设有进液分散池（5113），所述基底板（5110）的顶部且在靠近进液分散池（5113）位置处开设有分液定量池（5114），所述分液定量池（5114）的外壁开设有PCR反应池（5115），所述进液分散池（5113）的外壁且在靠近样品进液通道（5111）位置处开设有样品废液池（5116），所述进液分散池（5113）的外壁且在远离分液定量池（5114）位置处开设有固体石蜡贮存区（5117），所述分液定量池（5114）通过定量孔进液毛细通道（5118）与进液分散池（5113）相连接，所述PCR反应池（5115）与分液定量池（5114）以及样品废液池（5116）与进液分散池（5113）之间均开设有反应孔进液毛细通道（5119）。
2.根据权利要求1所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述上下料滑台模块（2）包括固定连接在安装架（1）外壁的连接架（201），所述连接架（201）的外壁的底部安装有转运电机（202），所述转运电机（202）的输出轴外壁安装有同步带（203），所述连接架（201）的外壁滑动连接有耗材载盘（204），所述耗材载盘（204）的顶部设置有耗材（205），所述连接架（201）的外壁且在耗材载盘（204）的正下方安装有直线导轨（206），所述连接架（201）的内部且在直线导轨（206）的下方安装有丝杆螺母（207）。
3.根据权利要求1所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述离心搬运模块（3）包括固定连接在安装架（1）外壁的前升降电缸（301），所述前升降电缸（301）的外壁安装有前中空转台（302），所述前中空转台（302）的顶部安装有电动真空泵（303），所述前中空转台（302）的底部且在远离前升降电缸（301）位置处设置有吸盘（304），所述前中空转台（302）的外壁且在靠近吸盘（304）位置处设置有从动顶紧机构（305），所述安装架（1）的外壁且在吸盘（304）的下方安装有固定架（306），所述固定架（306）的内部设置有伺服电机（307），所述伺服电机（307）输出轴顶端安装有联轴器（308），所述联轴器（308）的顶端安装有离心载盘（309）。
4.根据权利要求1所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述光学检测模块（4）包括固定连接在安装架（1）外壁的后升降电缸（401），所述后升降电缸（401）外壁安装有驱动电机（402），所述后升降电缸（401）的外壁且在远离驱动电机（402）位置处安装有滑动架（403），所述滑动架（403）的顶部安装有LED光源（404），所述滑动架（403）的外壁且在靠近LED光源（404）位置处安装有光纤准直器（405），所述滑动架（403）的顶部且在靠近光纤准直器（405）位置处安装有二分二光纤（406），所述滑动架（403）的顶部且在靠近二分二光纤（406）位置处安装有固体器件荧光检测器（407）。
5.根据权利要求2所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述连接架（201）、耗材载盘（204）均由铝合金制成，所述耗材载盘（204）与直线导轨（206）的连接方式为固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述固定架（306）由铝合金制成，所述联轴器（308）贯穿并延伸至固定架（306）外，所述联轴器（308）与固定架（306）的连接方式为转动连接，所述电动真空泵（303）通过PVC塑料软管与吸盘（304）相连接，所述伺服电机（307）为驱控一体式电机。
7.根据权利要求4所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述滑动架（403）由铝合金制成，所述滑动架（403）为C字型结构设计，所述光纤准直器（405）和二分二光纤（406）均设置有两组，所述后升降电缸（401）为双电缸龙门式结构，所述驱动电机（402）为驱动一体式电机，所述LED光源（404）为单色光源，且LED光源（404）配置1-6不同波段。
8.根据权利要求1所述的一种基于高通量微流控芯片的实时荧光定量PCR仪，其特征在于：所述副散热风扇（505）设置有多组，且多组副散热风扇（505）环形排列在反应盒（504）外，所述隔热板（510）由保温隔热材料制成，所述散热件（508）由紫铜制成，所述旋转电机（503）为驱控一体式电机，所述基底板（5110）由耐高温聚合物材料制成，所述基底板（5110）为圆形结构设计，所述进液分散池（5113）为弧形结构设计，所述分液定量池（5114）、PCR反应池（5115）、定量孔进液毛细通道（5118）以及反应孔进液毛细通道（5119）均设置有多组，所述反应孔进液毛细通道（5119）的尺寸截面积小于定量孔进液毛细通道（5118），所述PCR反应池（5115）的体积为5微升或10微升或20微升。
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