CN1368555A - Dna－pcr生物芯片及使用该芯片的微型热循环器 - Google Patents

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Abstract

DNA－PCR生物芯片及微型热循环器主要由两大部分组成。一部分是由MEMS工艺在硅片上制作的微井式反应室、集成铂电阻加热子和温度传感器于一体,并且封装在PCB板上构成的生物芯片;另一部分是由前级信号处理电路,单片机,显示器等组成的微型热循环器。进行DNA的扩增反应时,把注入样品的生物芯片插入热循环器中,通过程序设定即可开始PCR反应。DNA－PCR生物芯片及热循环器提供了一种快速、低廉、有效的DNA扩增手段。

Description

DNA-PCR生物芯片及使用该芯片的微型热循环器
本发明属于进行DNA分子扩增的DNA-PCR生物芯片和控制芯片的微型热循环仪器。
PCR(聚合酶链反应)技术是分子生物学发展史上又一个里程碑，它使得DNA分子可以在生物体外进行放大扩增，实现了自动化，快速、灵敏。一经问世，在短短的数年内，就被广泛用于了生命科学的研究中，包括微生物学，遗传学，肿瘤学，考古学以及法医学等许多领域。对基因克隆、DNA系列分析等现代分子生物学技术的发展起到了很大的推动作用。传统的PCR热循环仪器DNA样品反应器体积较大，一般在50微升以上，所需要的样品量较大，同时所需的昂贵的酶试剂较多，由于反应器的体积大，相应的热容量大，加热和降低温度的时间就长，因此工作效率较低。特别是易引起污染，急需改进。MEMS(微电子机械系统)是近十多年来发展起来的新技术，它是指可以用微电子微机械等批量加工工艺制造的集微执行器、微传感器、集成电路等部件于一体的微机电系统。其特点是体积小，性能稳定，可批量生产，因而成本低，性能一致性好。仪器的微型化是MEMS技术应用对象中最具有发展前景的例子之一，即所谓的芯片上的实验室。
本发明的目的是克服传统技术的不足，利用MEMS技术制作DNA-PCR生物芯片，利用先进的微控制器设计微型热循环器，做到大大提高DNA扩增的效率，实现快速、廉价的检测。同时芯片可以一次性使用，避免DNA分子的污染。
按照本发明的一方面，一种DNA-PCR生物芯片，在硅片上刻蚀出一个微腔(1)作为反应器，在腔的相对的两边刻蚀有进样流通槽(2)，硅片的上面是玻璃盖板(3)，盖板上有两个进样孔(4)，其位置分别对应硅片上的两个进样流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是铂薄膜加热子(6)和温度传感器(7)。
按照本发明的另一方面，一种使用DNA-PCR生物芯片的微型热循环器，包括数据存储电路(22)、时钟电路(23)、基准电源电路(24)与单片机、传感器前级放大电路(14)和温度标定电路(19)，各电路部分还与供电电路(25)相连，铂温度传感器前级放大电路(14)把温度变为电压，经过A/D变换(15)连接单片机(16)，通过程序控制单片机(16)控制脉宽调制(PWM)电路(17)，连接加热子功率电路(18)给加热子(6)加电压对DNA-PCR生物芯片进行升、降温度控制，微型热循环器还有温度标定电路(19)、数字显示器(20)、按键(21)连接单片机(16)。
本发明进行DNA的扩增反应时，把注入样品的生物芯片插入热循环器中，通过程序设定即可开始PCR反应。DNA-PCR生物芯片及热循环器提供了一种快速、低廉、有效的DNA扩增手段。
图1为本发明的芯片结构图。图中：1-反应室，2-进样槽，3-玻璃盖板，4-进样孔，5-氮化硅薄膜，6-加热子，7-温度传感器。
图2为本发明的DNA-PCR生物芯片结构图。图中：8-芯片，9-PCB，10-金属焊盘。
图3为本发明的DNA-PCR生物芯片与微型热循环器连接的结构图。
图中：11-导轨，12-生物芯片，13-弹簧片。
图4为微型热循环器实施线路原理方框图。
下面结合附图描述本发明的具体实施方案。如图1到图3所示，本发明的DNA-PCR生物芯片与微型热循环器分两部分：芯片和仪表。芯片是在双面抛光的硅片上采用MEMS技术制作微腔，作为例子制出一个面积为4mm×2mm的反应室，体积约2微升；沿长边的方向在中线上，反应室的两边刻蚀有宽0.5mm×深0.2mm×长1mm的进样槽；整个芯片尺寸为8mm×4mm。上面键合有玻璃盖板，盖板上对应硅片上两个进样槽开有两个直径为0.5mm的进样孔。硅片的下面是厚度为2微米的氮化硅薄膜，构成了反应室的底。氮化硅薄膜的下面为溅射的铂金加热子和温度传感器以及金压焊块，温度传感器和加热子的电阻在冰点(0℃)大约为100Ω。
本发明的微型热循环器微控制器采用低功耗的PIC16C73单片机，它包含了A/D转换电路、PWM电路；外围电路有2×16字符型液晶显示器，X25043数据存储器，DS1302时钟发生器，线性放大器，光电隔离电路等。电路原理框图如图4所示。
本发明的测试仪具有如下特点：
1.在硅片或玻璃上制作的DNA-PCR生物芯片具有微升或纳升量级的反应腔，同时集成了加热子和温度传感器，构成了一个较完整的功能集成芯片；进行DNA-PCR反应时所需的样品少，消耗的酶等各种试剂少，反应速度快，节省时间。生物芯片可以一次性使用，避免污染。
2.本发明是一种快速、简洁的DNA-PCR反应器，芯片采用MEMS技术批量生产。
3.本发明的控制测试线路简单，由单片机微控制器控制实现了PCR反应过程的程序化、智能化，只要打开电源就可测试；整个仪表成本很低，体积较小，也是一种便携式仪器。

Claims (9)

1.一种DNA-PCR生物芯片，其特征在于：在硅片上刻蚀出一个微腔(1)作为反应器，在腔的相对的两边刻蚀有进样流通槽(2)，硅片的上面是玻璃盖板(3)，盖板上有两个进样孔(4)，其位置分别对应硅片上的两个进样流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是铂薄膜加热子(6)和温度传感器(7)。
2.按权利要求1所述的芯片，其特征在于所述的反应器是方形、长方形或圆形。
3.按权利要求1所述的芯片，其特征在于还包括封装的DNA-PCR生物芯片结构：硅芯片(8)嵌入一块印刷电路板(PCB)(9)中间；PCB板上有金属引线焊盘(10)，用于与硅芯片(8)的加热子(6)和温度传感器(7)电连接，同时用于与温度检测电路和加热子功率电路的电连接。
4.按权利要求3所述的芯片，其特征在于还包括：在PCB板上设计有两个导轨(11)，可以把DNA-PCR生物芯片(12)插入，PCB板上有四个弹簧片(13)，保证和DNA-PCR生物芯片电接触。
5.一种使用DNA-PCR生物芯片的微型热循环器，包括数据存储电路(22)、时钟电路(23)、基准电源电路(24)与单片机、传感器前级放大电路(14)和温度标定电路(19)，各电路部分还与供电电路(25)相连，其特征在于铂温度传感器前级放大电路(14)把温度变为电压，经过A/D变换(15)连接单片机(16)，通过程序控制单片机(16)控制脉宽调制(PWM)电路(17)，连接加热子功率电路(18)给加热子(6)加电压对DNA-PCR生物芯片进行升、降温度控制，微型热循环器还有温度标定电路(19)、数字显示器(20)、按键(21)连接单片机(16)。
6.按权利要求5所述的微型热循环器，其特征在于所述的生物芯片包括在硅片上刻蚀出一个微腔(1)作为反应器，在腔的相对的两边刻蚀有进样流通槽(2)，硅片的上面是玻璃盖板(3)，盖板上有两个进样孔(4)，其位置分别对应硅片上的两个进样流通槽(2)，硅片的下面是氮化硅薄膜(5)，也是微腔(1)的底，氮化硅薄膜(5)的下面是铂薄膜加热子(6)和温度传感器(7)。
7.按权利要求6所述的微型热循环器，其特征在于所述的反应器是方形、长方形或圆形。
8.按权利要求6所述的微型热循环器，其特征在于还包括封装的DNA-PCR生物芯片结构：硅芯片(8)嵌入一块印刷电路板(PCB)(9)中间；PCB板上有金属引线焊盘(10)，用于与硅芯片(8)的加热子(6)和温度传感器(7)电连接，同时用于与温度检测电路和加热子功率电路的电连接。
9.按权利要求8所述的微型热循环器，其特征在于还包括：在PCB板上设计有两个导轨(11)，可以把DNA-PCR生物芯片(12)插入，PCB板上有四个弹簧片(13)，保证和DNA-PCR生物芯片电接触。
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