CN117816264A - 基于离心式微流控的双温区式极速pcr系统及空气压缩式反应芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气压缩式反应芯片，包括：内圈温区、外圈温区和反应芯片；内圈温区和外圈温区均为环形且同轴设置，内圈温区设置于外圈温区内；反应芯片设有反应部，反应部设有沿径向连通的第一腔体和第二腔体，第一腔体贴合于内圈温区，第二腔体贴合于外圈温区；内圈温区提供第一温度，外圈温区提供第二温度，第一温度与第二温度不同。通过内圈温区、外圈温区、第一腔体和第二腔体的配合设置，大大提升PCR反应的速度，减少在传染病检测等应用场景和DNA克隆等科学研究场景中PCR反应的耗时，从而加快传染病检测速度，提升科研研究效率。本发明还公开一种应用上述空气压缩式反应芯片的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统。
Description
技术领域
本发明涉及体外诊断技术领域，特别涉及基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统及空气压缩式反应芯片。
背景技术
聚合酶链式反应，即Polymerase Chain Reaction(PCR)，是一种在生物体外复制特定DNA片段的技术。利用高温（通常为95℃）可以解开DNA分子的双链结构，引物（即引导DNA聚合酶的短DNA片段）在较低温度下（通常为60℃左右）可以与分开的DNA单链结合，随后在DNA聚合酶的催化下游离核苷酸会沿着引物5′至3′方向聚合延伸成新的DNA链，通过不断重复上述过程即可实现对目标DNA片段的大量复制。PCR已经广泛应用于法医鉴定、传染病检测、DNA克隆、基因测序等应用与科研场景。
PCR反应所需的温度在60℃-95℃，传统的PCR系统通常需要庞大复杂的热循环仪，每一轮反应中都需要对反应体系与对应容器整体升温与降温，整个PCR过程通常需要30-40轮循环，这需要消耗大量时间。
如何快速实现PCR反应，减少在传染病检测等应用场景和DNA克隆等科学研究场景中PCR反应的耗时，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空气压缩式反应芯片，能够快速完成PCR反应，减少PCR反应所需时间。
本发明还提供了一种包括上述空气压缩式反应芯片的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种空气压缩式反应芯片，包括：内圈温区、外圈温区和反应芯片；
所述内圈温区和所述外圈温区均为环形且同轴设置，所述内圈温区设置于所述外圈温区内；
所述反应芯片设有反应部，所述反应部设有沿径向连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体贴合于所述内圈温区，所述第二腔体贴合于所述外圈温区；
所述内圈温区提供第一温度，所述外圈温区提供第二温度，所述第一温度与所述第二温度不同。
优选地，所述第二温度高于所述第一温度，所述第一腔体为退火延伸腔室，所述第二腔体为变性腔室。
优选地，所述反应部还设有第一隔温沟槽；
所述第一隔温沟槽位于所述退火延伸腔室和所述变性腔室之间。
优选地，所述退火延伸腔室、所述变性腔室和所述第一隔温沟槽均设置于所述反应部的第一面；
所述反应部的第二面设有第一转移管道；
所述反应部还设有贯穿所述第一面和所述第二面的第一通孔和第二通孔；
所述第一转移管道的第一端连通于所述第一通孔的第二端，所述第一通孔的第一端连通于所述退火延伸腔室；
所述第一转移管道的第二端连通于所述第二通孔的第二端，所述第二通孔的第一端连通于所述变性腔室。
优选地，所述反应部还设有空气压缩腔室；
所述空气压缩腔室贴合于所述内圈温区；
所述退火延伸腔室、所述变性腔室和所述空气压缩腔室依次连通。
优选地，所述退火延伸腔室、所述变性腔室和所述空气压缩腔室均设置于所述反应部的第一面；
所述反应部的第二面设有扩散屏障管道；
所述反应部还设有贯穿所述第一面和所述第二面的第三通孔和第四通孔；
所述扩散屏障管道的第一端连通于所述第三通孔的第二端，所述第三通孔的第一端连通于所述空气压缩腔室；
所述扩散屏障管道的第二端连通于所述第四通孔的第二端，所述第四通孔的第一端连通于所述变性腔室。
优选地，所述反应部的数量为多个，且沿周向排布；
所述反应部靠近转轴为根部，远离转轴为边缘；
多个所述反应部的根部连接在一起，相邻两个所述反应部的根部之间设有第二隔温沟槽；
相邻两个所述反应部的边缘之间设有间隙。
一种基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，包括如上述空气压缩式反应芯片，还包括：底座；
所述内圈温区、所述外圈温区和所述反应芯片均安装于所述底座；
驱动件通过所述底座带动所述内圈温区、所述外圈温区和所述反应芯片旋转。
优选地，所述内圈温区包括：内圈均热板、内圈加热片和内圈隔热垫片；所述内圈加热片位于所述内圈均热板和所述内圈隔热垫片之间，所述内圈均热板和所述内圈隔热垫片均固定连接于所述底座；
所述外圈温区包括：外圈均热板、外圈加热片和外圈隔热垫片；所述外圈加热片位于所述外圈均热板和所述外圈隔热垫片之间，所述外圈均热板和所述外圈隔热垫片均固定连接于所述底座。
优选地，还包括：隔热填料；
所述内圈温区和所述外圈温区构成温区组件，所述隔热填料位于所述温区组件和所述底座之间。
优选地，所述内圈温区还包括：内圈架空垫片组；所述隔热填料开设有与所述内圈架空垫片组配合的内圈定位槽，第一螺钉依次穿过所述内圈均热板、所述内圈隔热垫片和所述内圈架空垫片组与所述底座连接；
和/或，所述外圈温区还包括：外圈架空垫片组；所述隔热填料开设有与所述外圈架空垫片组配合的外圈定位槽，第二螺钉依次穿过所述外圈均热板、所述外圈隔热垫片和所述外圈架空垫片组与所述底座连接。
优选地，所述隔热填料开设有与所述内圈温区配合的内圈环形定位槽，所述隔热填料开设有与所述外圈温区配合的外圈环形定位槽，所述内圈环形定位槽和所述外圈环形定位槽同轴设置。
优选地，还包括：保温层和保温外套；
所述保温层安装在所述底座外面，所述保温外套安装在所述保温层外面；
所述保温层的材质为发泡聚氨酯材质，所述保温外套的材质为树脂材质。
优选地，还包括：旋紧帽、保温盖板和保温盖圈；
所述内圈温区和所述外圈温区构成温区组件，所述底座的转轴依次穿过所述温区组件、所述反应芯片、所述保温盖圈和所述保温盖板，所述底座的转轴的末端跟所述旋紧帽的螺纹配合；
所述保温盖板覆盖所述反应芯片；
所述第二腔体的一面贴合于所述外圈温区，所述第二腔体的另一面贴合于所述保温盖圈。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的空气压缩式反应芯片，通过内圈温区、外圈温区、第一腔体和第二腔体的配合设置，大大提升PCR反应的速度，减少在传染病检测等应用场景和DNA克隆等科学研究场景中PCR反应的耗时，从而加快传染病检测速度，提升科研研究效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的离心式双温PCR系统的整体装配的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的反应芯片的整体透视的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的反应芯片的正面的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的反应芯片的反面的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的反应芯片的反应部的第一状态的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的反应芯片的反应部的第二状态的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的离心式双温PCR系统的第一爆炸图；
图8为图7隐藏反应芯片的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的离心式双温PCR系统的第二爆炸图；
图10为本发明实施例提供的隔热填料与内圈架空垫片组、外圈架空垫片组的对应关系的结构配合图；
图11为内圈温区与内圈架空垫片组、外圈温区和外圈架空垫片组的对应关系的结构配合图；
图12为沿图1的A-A截面的剖视图。
100为旋紧帽，200为保温盖板，300为保温盖圈；
400为内圈温区，401为内圈均热板，4011为第一内圈连接耳，402为内圈测温传感器，403为内圈加热片，404为内圈隔热垫片，4041为第二内圈连接耳，405为内圈架空垫片组，4051为内圈连接孔，405a为第一内圈架空垫片，405b为第二内圈架空垫片，405c为第三内圈架空垫片，405d为第四内圈架空垫片；
500为外圈温区，501为外圈均热板、5011为第一外圈连接耳，502为外圈测温传感器，503为外圈加热片，504为外圈隔热垫片，5041为第二外圈连接耳，505为外圈架空垫片组，5051为外圈连接孔，505a为第一外圈架空垫片，505b为第二外圈架空垫片，505c为第三外圈架空垫片，505d为第四外圈架空垫片；
600为隔热填料，601为内圈定位槽，602为外圈定位槽，603为内圈环形定位槽，604为外圈环形定位槽；
700为底座，800为保温层，900为保温外套；
1000为反应芯片，1000a为反应芯片正面，1000b为反应芯片反面，1001为加样孔，1002为退火延伸腔室，1003为转移管道，1003a为第二转移管道，1003b为第一转移管道，1003c为第一通孔，1003d为第二通孔，1004为变性腔室，1005为扩散屏障管道，1005a为第三通孔，1005b为第四通孔，1006为空气压缩腔室，1007为通气孔，1008为圆孔，1009为第一隔温沟槽，1100为第二隔温沟槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明实施例提供的空气压缩式反应芯片，如图1-图12所示，包括：内圈温区400、外圈温区500和反应芯片1000；
内圈温区400和外圈温区500均为环形且同轴设置，内圈温区400设置于外圈温区500内；
反应芯片1000设有反应部，反应部设有沿径向连通的第一腔体和第二腔体，第一腔体贴合于内圈温区400，第二腔体贴合于外圈温区500；
内圈温区400提供第一温度，外圈温区500提供第二温度，第一温度与第二温度不同。
在上述方案中，反应芯片1000承载反应试剂，安装于内圈温区400和外圈温区500上，内圈温区400为第一腔体内的反应试剂提供反应所需的热量，外圈温区500为第二腔体内的反应试剂提供反应所需的热量，通过如此设置，在离心式微流控平台的作用下，反应试剂可在不同的温区之间移动，且根据离心力的不同，提供反应试剂在不同温区进行循环，从而快速实现PCR反应。
与现有技术（传统的PCR反应通常需要庞大复杂的热循环仪，每一轮PCR反应中都需要对应容器整体升温与降温，整个PCR反应过程通常需要30-40轮循环，需要消耗大量时间）相比较，通过内圈温区400、外圈温区500、第一腔体和第二腔体的配合设置，大大提升PCR反应的速度，减少在传染病检测等应用场景和DNA克隆等科学研究场景中PCR反应的耗时，从而加快传染病检测速度，提升科学研究效率。
如图5和图6所示，第二温度高于第一温度，第一腔体为退火延伸腔室1002，第二腔体为变性腔室1004，通常第二温度为95℃，第一温度为60℃，当然第一温度和第二温度还可根据反应体系中酶和引物的具体要求进行调整。
在上述方案中，退火延伸腔室1002和变性腔室1004通过第二转移管道1003a连通，第二转移管道1003a包括径向段和周向段（如图2所示），退火延伸腔室1002依次通过径向段、周向段连通于变性腔室1004；退火延伸腔室1002的长度方向沿径向设置，变性腔室1004的长度方向沿周向设置，如此设置，使得退火延伸腔室1002和变性腔室1004相对位置错开。需要说明的是，此处的周向指围绕圆心的方向。
如图2所示，反应部还设有第一隔温沟槽1009；
第一隔温沟槽1009位于退火延伸腔室1002和变性腔室1004之间；通过第一隔温沟槽1009的设置，使得退火延伸腔室1002和变性腔室1004相对独立，使得两个腔室的温度不受影响。
如图2和图3所示，退火延伸腔室1002、变性腔室1004和第一隔温沟槽1009均设置于反应部的第一面；
反应部的第二面设有第一转移管道1003b，如图4所示，第一转移管道1003b在第二面的位置对应第一隔温沟槽1009的背面的位置，如此设置，便于第一隔温沟槽1009将退火延伸腔室1002和变性腔室1004隔离；
反应部还设有贯穿第一面（对应反应芯片正面1000a）和第二面（对应反应芯片反面1000b）的第一通孔1003c和第二通孔1003d，第一通孔1003c和第二通孔1003d即设置于第一隔温沟槽1009的背面两侧；
第一转移管道1003b的第一端连通于第一通孔1003c的第二端，第一通孔1003c的第一端连通于退火延伸腔室1002；
第一转移管道1003b的第二端连通于第二通孔1003d的第二端，第二通孔1003d的第一端连通于变性腔室1004。
在上述的方案中，通过设置于第二面的第一转移管道1003b将设置于第一面的退火延伸腔室1002和变性腔室1004连通。
在一些实施例中，如图2所示，反应部还设有空气压缩腔室1006，作为优选的，空气压缩腔室1006设置于变性腔室1004上方（如图5的上方）；
其中，空气压缩腔室1006贴合于内圈温区400；
退火延伸腔室1002、变性腔室1004和空气压缩腔室1006依次连通。
在上述方案中，通过空气压缩腔室1006的设置，空气压缩腔室1006提供配合不同离心转速下用于反应试剂转移的压力，保证反应试剂在不同的离心力的作用下在退火延伸腔室1002和变性腔室1004之间转移。
在一些实施例中，退火延伸腔室1002、变性腔室1004和空气压缩腔室1006均设置于反应部的第一面，如图2、图5和图6所示；
反应部的第二面设有扩散屏障管道1005，扩散屏障管道1005在第二面的位置对应第一隔温沟槽1009的背面的位置，如此设置，便于第一隔温沟槽1009隔离退火延伸腔室1002和变性腔室1004；
反应部还设有贯穿第一面和第二面的第三通孔1005a和第四通孔1005b，第三通孔1005a和第四通孔1005b即设置于第一隔温沟槽1009的背面两侧；
扩散屏障管道1005的第一端连通于第三通孔1005a的第二端，第三通孔1005a的第一端连通于空气压缩腔室1006；
扩散屏障管道1005的第二端连通于第四通孔1005b的第二端，第四通孔1005b的第一端连通于变性腔室1004。
在上述方案中，通过第二面的扩散屏障管道1005将设置于第一面的空气压缩腔室1006和变性腔室1004连通。
如图2所示，反应部的数量为多个，且沿周向排布，作为优选的，周向均匀对称排布；
反应部靠近转轴为根部，远离转轴为边缘，该转轴为底座700的中间的螺柱，需要说明的是，上述的周向排布指绕底座700的螺柱方向排布，如图7所示；
多个反应部的根部连接在一起，相邻两个反应部的根部之间设有第二隔温沟槽1100，通过第二隔温沟槽1100将相邻两个反应部隔离，起到的隔温作用；
相邻两个反应部的边缘之间设有间隙，如图2所示，通过间隙起到将相邻两个反应部隔离，起到的隔温作用。
本发明还提供了一种基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，包括如上述的空气压缩式反应芯片，还包括：底座700，如图9所示；
内圈温区400、外圈温区500和反应芯片1000均安装于底座700；
驱动件通过底座700带动内圈温区400、外圈温区500和反应芯片1000旋转。
在上述方案中，通过驱动件带动反应芯片1000旋转，进而完成PCR反应；优选的，反应芯片1000的正中间设有贯通的圆孔1008，圆孔1008用于和底座700中间的螺柱配合安装。
在一些实施例中，如图9所示，内圈温区400包括：内圈均热板401、内圈加热片403和内圈隔热垫片404；内圈加热片403位于内圈均热板401和内圈隔热垫片404之间，内圈加热片403用于加热内圈均热板401，内圈均热板401为薄板，起到热传导的作用，且使得热量均匀分布，内圈加热片403通过内圈均热板401为反应芯片1000提供第一温度，内圈均热板401和内圈隔热垫片404均固定连接于底座700；
外圈温区500包括：外圈均热板501、外圈加热片503和外圈隔热垫片504；外圈加热片503位于外圈均热板501和外圈隔热垫片504之间，外圈加热片503用于加热外圈均热板501，外圈均热板501为薄板，起到热传导的作用，且使得热量均匀分布，外圈均热板501为反应芯片1000提供第二温度，外圈均热板501和外圈隔热垫片504均固定连接于底座700。
在一些实施例中，如图9所示，还包括：隔热填料600，隔热填料600具有隔热保温的作用，使得本PCR系统保温效果性能进一步的提升，作为优选的，隔热填料600的材料为多孔材料；
内圈温区400和外圈温区500构成温区组件，隔热填料600位于温区组件和底座700之间，如此设置，有利于保温。
在一些实施例中，内圈温区400还包括：内圈架空垫片组405；隔热填料600开设有与内圈架空垫片组405配合的内圈定位槽601，如图10（图中为了表示对应关系方便，将第四内圈架空垫片405d的位置偏移）所示，第一螺钉依次穿过内圈均热板401、内圈隔热垫片404和内圈架空垫片组405与底座700连接，内圈架空垫片组405的结构为直线型，内圈架空垫片组405包括周向均布的第一内圈架空垫片405a、第二内圈架空垫片405b、第三内圈架空垫片405c和第四内圈架空垫片405d；需要说明的是，图10的右侧虚线代表内圈架空垫片组405与内圈定位槽601的对应配合关系；
和/或，外圈温区500还包括：外圈架空垫片组505；隔热填料600开设有与外圈架空垫片组505配合的外圈定位槽602，如图10（图中为了表示对应关系方便，将第二外圈架空垫片505b的位置偏移）所示，第二螺钉依次穿过外圈均热板501、外圈隔热垫片504和外圈架空垫片组505与底座700连接；外圈架空垫片组505的结构为直线型，外圈架空垫片组505包括周向均布的第一外圈架空垫片505a、第二外圈架空垫片505b、第三外圈架空垫片505c和第四外圈架空垫片505d，需要说明的是，图10的左侧虚线代表外圈架空垫片组505与外圈定位槽602的对应配合关系。
在一些实施例中，如图11所示，内圈均热板401设有第一内圈连接耳4011，内圈隔热垫片404设有第二内圈连接耳4041，内圈架空垫片组405设有内圈连接孔4051，第一螺钉依次穿过（其穿过方向可以参照图11虚线所示）第一内圈连接耳4011、第二内圈连接耳4041和内圈连接孔4051，将内圈均热板401、内圈隔热垫片404和内圈架空垫片组405与底座700连接，此外，第一螺钉还依次穿过底座700、保温层800和保温外套900，将保温层800和保温外套900连接于底座700。
在一些实施例中，如图11所示，外圈均热板501设有第一外圈连接耳5011，外圈隔热垫片504设有第二外圈连接耳5041，外圈架空垫片组505设有外圈连接孔5051，第二螺钉依次穿过（其穿过方向可以参照图11虚线所示）第一外圈连接耳5011、第二外圈连接耳5041和外圈连接孔5051，将外圈均热板501、外圈隔热垫片504和外圈架空垫片组505与底座700连接，此外，第二螺钉还依次穿过底座700、保温层800和保温外套900，将保温层800和保温外套900连接于底座700。
在一些实施例中，如图9和图10所示，隔热填料600开设有与内圈温区400配合的内圈环形定位槽603，隔热填料600开设有与外圈温区500配合的外圈环形定位槽604，内圈环形定位槽603和外圈环形定位槽604同轴设置。通过内圈环形定位槽603和外圈环形定位槽604的设置使得本PCR系统装配更加快捷，装配后结构更加紧固。
作为优选的，还包括：保温层800和保温外套900；
保温层800安装在底座700外面，保温外套900安装在保温层800外面；
保温层800的材质为发泡聚氨酯材质，保温外套900的材质为树脂材质，通过保温层800和保温外套900的设置使得本PCR系统保温性能进一步的提升。
在一些实施例中，如图7和图8所示，还包括：旋紧帽100、保温盖板200和保温盖圈300；
内圈温区400和外圈温区500构成温区组件，底座700的转轴依次穿过温区组件、反应芯片1000、保温盖圈300和保温盖板200，底座700的转轴的末端跟旋紧帽100的螺纹配合，底座700的转轴为底座700的中间的螺柱；
保温盖板200覆盖反应芯片1000，保温盖板200起到保温的作用；
第二腔体的一面（对应反应芯片正面1000a）贴合于外圈温区500，第二腔体的另一面（对应反应芯片反面1000b）贴合于保温盖圈300。保温盖圈300起到外层保温的作用。
在一些实施例中，外圈温区500包括外圈测温传感器502，内圈温区400包括内圈测温传感器402，外圈测温传感器502和内圈测温传感器402的设置用于检测温度，以便于PID控制电路实现温度控制。
下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
在一些实施例中，如图8和图9所示，本方案分上下两个部分，上半部分由旋紧帽100、保温盖板200和保温盖圈300构成，下半部分分为内圈温区400与外圈温区500两个温区。
如图9所示，由下半部分的爆炸视图可见，从上至下，内圈温区400由内圈均热板401、内圈测温传感器402、内圈加热片403、内圈隔热垫片404和内圈架空垫片组405构成。
同理，外圈温区500由外圈均热板501、外圈测温传感器502、外圈加热片503、外圈隔热垫片504和外圈架空垫片组505构成，内圈温区400和外圈温区500由隔热填料600分隔，内圈温区400和外圈温区500下方由底座700承载，与上半部分的连接通过底座700中间的螺柱实现，底座700下方由保温层800和保温外套900包裹。
上半部分由旋紧帽100通过螺纹与底座700的螺柱配合压紧，下半部分从上向下由螺钉固连为一个整体，整个PCR系统最下方可通过螺钉与驱动件，相连，以获得整个PCR系统旋转离心的动力；作为优选的，驱动件为驱动电机。
在工作时，在控制电路的控制下，内外圈的加热片（内圈加热片403和外圈加热片503）、测温传感器（内圈测温传感器402和外圈测温传感器502）和外部电路板构成PID（比例-积分-微分）控制电路，将内外圈均热板（内圈均热板401和外圈均热板501）分别控制为两个固定的温度，用于PCR反应中的变性解链步骤和退火延伸步骤，通常为外圈95℃和内圈60℃，温度可根据反应体系中酶和引物的具体要求进行调整。
在一些实施例中，如图3-图4所示，反应芯片1000分反应芯片正面1000a和反应芯片反面1000b，反应芯片1000的整体由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成。其由相同的多组反应部按照圆心旋转对称排列组成，优选的，由四组反应部组成，每一组反应部依次由加样孔1001、退火延伸腔室1002、转移管道1003、变性腔室1004、扩散屏障管道1005、空气压缩腔室1006、通气孔1007串联构成，其中加样孔1001和通气孔1007为通孔。
退火延伸腔室1002、变性腔室1004、扩散屏障管道1005和空气压缩腔室1006均只位于反应芯片1000的一面，转移管道1003分为位于反应芯片正面1000a的第二转移管道1003a和位于反应芯片反面1000b的第一转移管道1003b。
在本方案中，加样孔1001用于加注反应试剂，退火延伸腔室1002和变性腔室1004分别用于在PCR反应的对应阶段容纳反应体系，转移管道1003用于反应试剂在两腔室间转移，扩散屏障管道1005用于防止反应过程中反应试剂气化逸散至空气压缩腔室1006中，通气孔1007用于在加样时通气保证顺利加样。
在反应芯片正面1000a上与设有第一隔温沟槽1009和在圆孔1008周围设有第二隔温沟槽1100，用于使退火延伸腔室1002和变性腔室1004在热学上相对独立，减少互相之间以及它们和外界的热量串扰。在反应芯片1000无结构的部分打有多处通孔，方便反应芯片1000安装时排气，以使贴合紧密。
在一些实施例中，反应芯片1000正反两面需覆膜密封并需在使用前加注反应试剂。首先，将反应芯片正面1000a除第一隔温沟槽1009和第二隔温沟槽1100以外的部位贴上带有胶层的铝箔，用于提升本PCR系统的内圈温区400和外圈温区500与反应芯片1000间的热传导效率。随后进行反应试剂的加注，先将反应试剂混合后从反应芯片反面1000b经加样孔1001注入退火延伸腔室1002，随后用压敏胶带将反应芯片反面1000b上仍暴露的加样孔1001、第一转移管道1003b、扩散屏障管道1005、通气孔1007密封，此时即完成了反应试剂的加注与反应芯片1000的密封。
反应芯片1000密封完成后，即可将反应芯片1000以反面朝上的方式穿过底座700中间的螺柱放置于本PCR系统的下半部分上方，随后覆盖保温盖圈300和保温盖板200，最后拧紧旋紧帽100，使本PCR系统上下两部分夹紧反应芯片1000即完成了反应芯片1000的装载。
在本方案中，反应试剂加注完成后，反应芯片1000内部的串联流道此时即形成了一个与外界大气隔绝的空间，当反应芯片1000随本PCR系统转动时，其中的反应试剂在离心力和内部双侧气压的作用下，维持在离心半径方向上的平衡。
通过调整离心的转速即可调整反应芯片1000内部反应试剂在当前转速下的平衡位置。当反应试剂完全离开退火延伸腔室1002进入变性腔室1004时（如图6），可以定义此时的离心转速为流体转移的临界转速vt，根据反应试剂的体积、粘度的不同，以20μL体积的常规的反应试剂为例，vt通常在2000 rpm左右。
当本PCR系统的离心转速分别在高于和低于临界转速vt时，反应芯片1000内的反应试剂分别位于变性腔室1004和退火延伸腔室1002（为确保反应体系能够在两温区间完全转移无残留，高速通常设置大于1.1vt，而低速通常设置小于0.5vt），配合本PCR系统上设置的内圈温区400和外圈温区500，即可实现反应试剂在两温区间的转移。
完成反应试剂加注和反应芯片1000装载后，即可进入正式的PCR反应。根据PCR反应的流程进行离心过程的程序设置，根据本PCR系统和反应芯片1000的工作原理，PCR反应中变性解链步骤即对应本PCR系统的高速离心状态，退火延伸步骤即对应本PCR系统的低速离心状态，故以一般的两步法为例，按照预变性（变性、退火延伸）多次循环的步骤，将转速设置为高速、低速，然后多次循环，即可实现反应芯片1000内反应试剂的温度循环。
在本方案中，在实验开始前，将配置好的PCR的反应试剂（缓冲液、酶、引物、dNTP、无机盐、模板、染料等）震荡混合均匀，确保反应芯片1000已经与铝箔层妥善粘合，用移液器从加样孔1001加注至退火延伸腔室1002内，用压敏胶带密封加样孔1001、第一转移管道1003b、扩散屏障管道1005和通气孔1007并适当施加压力确保粘合紧密。
首先，根据PCR反应的具体要求设置反应程序。以常规目的PCR反应为例，设置两温区温度分别为：变性温度为95℃，退火延伸温度为60℃，单个反应部的反应试剂体积为20μL，高速离心转速为2500 rpm（此时反应试剂位于变性腔室1004），低速离心转速为500 rpm（此时反应试剂位于退火延伸腔室1002），反应流程为预变性30 s，单个温度循环中变性阶段维持8 s，退火延伸阶段维持18 s，总共进行40轮循环。待两温区达到目标温度后，将反应芯片1000装载于本PCR系统上下两部分之间，加盖保温盖圈300和保温盖板200并拧紧旋紧帽100。
此时，启动设置好的运行程序，如前述所提到的程序，本PCR系统将在驱动件的驱动下，带动装有反应试剂的反应芯片1000按照设置的高低速程序离心转动：以单个反应部为例说明，其余反应部中的情况完全相同，如图6所示，在高转速下，较大的离心力驱使阴影部分所表示的反应试剂远离离心中心，绝大部分反应试剂经转移管道1003进入变性腔室1004，少部分停留在转移管道1003内，反应试剂的转移同时也增大了两侧的气压差，阻止了反应试剂进一步移动，最终使反应试剂平衡在高温的外圈温区500对应区域上；如图5所示，在低转速下，反应试剂所受的离心力减小，较大的气压差将反应试剂从变性腔室1004经转移管道1003推回退火延伸腔室1002，反应试剂的回流同时也减小了双侧的气压差，反应试剂最终停留在低温的内圈温区400上方，即与加注完成反应试剂后的状态相同。
从PCR反应的角度而言，在预变性阶段，本PCR系统高速转动反应试剂进行预变性，使PCR模板核酸充分解链，酶充分活化；在变性阶段，本PCR系统高速转动，反应试剂在变性腔室1004，其中DNA分子双链解开；在退火延伸阶段，本PCR系统低速转动，反应试剂在退火延伸腔室1002，引物与模板DNA分子结合，在酶的催化作用下，将引物-模板复合体延伸成完整的DNA双链分子。按照程序设置，经过多轮循环后，反应体系中的DNA分子数量将被指数级的放大，以满足后续检验或实验的需求。
在本实施例中，PCR反应本身按照常规两步温度法PCR反应进行，区别主要在于依靠离心式微流控驱动流体运动，避免了对大热容的反应容器的升降温，大大提升了反应试剂的升降温速率，从而提升反应的速度，依照上述实施例进行的PCR反应总运行时间仅17min 50 s，根据反应的具体要求不同，一般而言，总运行时间为17至25 min不等，相比于传统PCR反应有很大提升。
本发明的有益效果：本发明将可以大大提升PCR反应的速度，减少在传染病检测等应用场景和DNA克隆等科学研究场景中PCR反应的耗时，从而加快传染病检测速度，提升科研研究效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (14)
1.一种空气压缩式反应芯片，其特征在于，包括：内圈温区（400）、外圈温区（500）和反应芯片（1000）；
所述内圈温区（400）和所述外圈温区（500）均为环形且同轴设置，所述内圈温区（400）设置于所述外圈温区（500）内；
所述反应芯片（1000）设有反应部，所述反应部设有沿径向连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体贴合于所述内圈温区（400），所述第二腔体贴合于所述外圈温区（500）；
所述内圈温区（400）提供第一温度，所述外圈温区（500）提供第二温度，所述第一温度与所述第二温度不同。
2.根据权利要求1所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述第二温度高于所述第一温度，所述第一腔体为退火延伸腔室（1002），所述第二腔体为变性腔室（1004）。
3.根据权利要求2所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述反应部还设有第一隔温沟槽（1009）；
所述第一隔温沟槽（1009）位于所述退火延伸腔室（1002）和所述变性腔室（1004）之间。
4.根据权利要求3所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述退火延伸腔室（1002）、所述变性腔室（1004）和所述第一隔温沟槽（1009）均设置于所述反应部的第一面；
所述反应部的第二面设有第一转移管道（1003b）；
所述反应部还设有贯穿所述第一面和所述第二面的第一通孔（1003c）和第二通孔（1003d）；
所述第一转移管道（1003b）的第一端连通于所述第一通孔（1003c）的第二端，所述第一通孔（1003c）的第一端连通于所述退火延伸腔室（1002）；
所述第一转移管道（1003b）的第二端连通于所述第二通孔（1003d）的第二端，所述第二通孔（1003d）的第一端连通于所述变性腔室（1004）。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述反应部还设有空气压缩腔室（1006）；
所述空气压缩腔室（1006）贴合于所述内圈温区（400）；
所述退火延伸腔室（1002）、所述变性腔室（1004）和所述空气压缩腔室（1006）依次连通。
6.根据权利要求5所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述退火延伸腔室（1002）、所述变性腔室（1004）和所述空气压缩腔室（1006）均设置于所述反应部的第一面；
所述反应部的第二面设有扩散屏障管道（1005）；
所述反应部还设有贯穿所述第一面和所述第二面的第三通孔（1005a）和第四通孔（1005b）；
所述扩散屏障管道（1005）的第一端连通于所述第三通孔（1005a）的第二端，所述第三通孔（1005a）的第一端连通于所述空气压缩腔室（1006）；
所述扩散屏障管道（1005）的第二端连通于所述第四通孔（1005b）的第二端，所述第四通孔（1005b）的第一端连通于所述变性腔室（1004）。
7.根据权利要求1所述的空气压缩式反应芯片，其特征在于，所述反应部的数量为多个，且沿周向排布；
所述反应部靠近转轴为根部，远离转轴为边缘；
多个所述反应部的根部连接在一起，相邻两个所述反应部的根部之间设有第二隔温沟槽（1100）；
相邻两个所述反应部的边缘之间设有间隙。
8.一种基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的空气压缩式反应芯片，还包括：底座（700）；
所述内圈温区（400）、所述外圈温区（500）和所述反应芯片（1000）均安装于所述底座（700）；
驱动件通过所述底座（700）带动所述内圈温区（400）、所述外圈温区（500）和所述反应芯片（1000）旋转。
9.根据权利要求8所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，所述内圈温区（400）包括：内圈均热板（401）、内圈加热片（403）和内圈隔热垫片（404）；所述内圈加热片（403）位于所述内圈均热板（401）和所述内圈隔热垫片（404）之间，所述内圈均热板（401）和所述内圈隔热垫片（404）均固定连接于所述底座（700）；
所述外圈温区（500）包括：外圈均热板（501）、外圈加热片（503）和外圈隔热垫片（504）；所述外圈加热片（503）位于所述外圈均热板（501）和所述外圈隔热垫片（504）之间，所述外圈均热板（501）和所述外圈隔热垫片（504）均固定连接于所述底座（700）。
10.根据权利要求9所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，还包括：隔热填料（600）；
所述内圈温区（400）和所述外圈温区（500）构成温区组件，所述隔热填料（600）位于所述温区组件和所述底座（700）之间。
11.根据权利要求10所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，所述内圈温区（400）还包括：内圈架空垫片组（405）；所述隔热填料（600）开设有与所述内圈架空垫片组（405）配合的内圈定位槽（601），第一螺钉依次穿过所述内圈均热板（401）、所述内圈隔热垫片（404）和所述内圈架空垫片组（405）与所述底座（700）连接；
和/或，所述外圈温区（500）还包括：外圈架空垫片组（505）；所述隔热填料（600）开设有与所述外圈架空垫片组（505）配合的外圈定位槽（602），第二螺钉依次穿过所述外圈均热板（501）、所述外圈隔热垫片（504）和所述外圈架空垫片组（505）与所述底座（700）连接。
12.根据权利要求10所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，所述隔热填料（600）开设有与所述内圈温区（400）配合的内圈环形定位槽（603），所述隔热填料（600）开设有与所述外圈温区（500）配合的外圈环形定位槽（604），所述内圈环形定位槽（603）和所述外圈环形定位槽（604）同轴设置。
13.根据权利要求8所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，还包括：保温层（800）和保温外套（900）；
所述保温层（800）安装在所述底座（700）外面，所述保温外套（900）安装在所述保温层（800）外面；
所述保温层（800）的材质为发泡聚氨酯材质，所述保温外套（900）的材质为树脂材质。
14.根据权利要求8所述的基于离心式微流控的双温区式极速PCR系统，其特征在于，还包括：旋紧帽（100）、保温盖板（200）和保温盖圈（300）；
所述内圈温区（400）和所述外圈温区（500）构成温区组件，所述底座（700）的转轴依次穿过所述温区组件、所述反应芯片（1000）、所述保温盖圈（300）和所述保温盖板（200），所述底座（700）的转轴的末端跟所述旋紧帽（100）的螺纹配合；
所述保温盖板（200）覆盖所述反应芯片（1000）；
所述第二腔体的一面贴合于所述外圈温区（500），所述第二腔体的另一面贴合于所述保温盖圈（300）。
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