CN203382751U - 一种便于集成的实现pcr的装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种便于集成的实现PCR的装置，装置包括温度控制模块、半导体制冷器模块、导热模块、进样模块、电源模块和反应管道模块。温度控制模块根据设置的温度参数来输出两路控制信号，实现导通或关断半导体制冷器的正向和反向电流。半导体制冷器一面紧贴在散热块上，另一面紧贴导热模块。反应管道内嵌在导热模块内。实验时，进样模块将反应液吸入反应管道，并吸引至导热模块处，关闭两端的阀门，完成进样与密封；开启温控模块，半导体制冷器正向电流导通时对导热模块进行加热，半导体制冷器的反向电流导通时对导热模块进行制冷；通过导热模块温度变化实现对反应管道的温度控制，最终在反应管道内实现PCR。

Description

一种便于集成的实现PCR的装置

技术领域

本专利涉及一种PCR的实验装置，特别涉及一种便于集成的实现PCR的装置，适用于便携式、自动化的生化检测系统，属于生物学、分析化学和医学检测领域。

背景技术

多聚酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是一种在体外实现DNA复制过程的核酸快速扩增技术，它是一种无细胞扩增技术，广泛应用于现代医学和生物学研究。PCR是一个在热循环条件下的酶催化过程，通过高温变性、低温退火和适温延伸的循环进行，使目的DNA片段得以迅速扩增。

实现PCR技术的关键外部条件是快速而准确的温度循环控制。目前，用于实现PCR的装置主要分为普通台式PCR仪和PCR芯片两大类。普通台式PCR仪的温控模块(4)为金属导热块，反应体系在金属块上的PCR管内完成反应，其可满足普通实验室大通量（一般为96孔）的实验需求。但它存在热容大，升温速度慢；反应液温度不均匀；体积大，不便携，不方便集成等缺点。PCR芯片又分为微流控PCR芯片和静态腔式的PCR芯片两种。微流控PCR芯片是利用微机电系统技术在硅、玻璃或高聚物基底材料上加工出一系列的微通道，再集成微加热器和温度传感器等控制单元，在芯片上形成三个温区，将PCR体系依次流过三个温区，依靠液体的主动运动来实现PCR体系的温度变化，最终实现PCR反应。这种芯片的循环次数受芯片结构设计的限制，每个阶段的反应时间比例也已固定。其缺点是加工工艺复杂，反应过程需要有持续的动力来推动反应混合液的均匀流动。静态腔式的PCR芯片是在硅、玻璃或高聚物基底材料上加工出一个微小的腔体，再集成微加热器和温度传感器等控制单元，实际上是传统热循环扩增仪的微型化装置。在这种装置中，反应混合液通常被固定在微腔内，通过在外部控制加热器的温度，实现快速升/降温，完成扩增循环。这种芯片的循环次数不受限制，芯片尺寸小，可根据不同需要设计不同的微反应室阵列，进行高通量的PCR扩增，便于微型化和便携化，其缺点是反应过程容易产生气泡，反应液的回收损失较大，且不便于和进样系统集成。

发明内容

为了解决上述PCR仪在系统集成和装置自动化中存在的问题，本专利的目的是提供一种便于集成的实现PCR的装置，装置包括反应管道模块1、导热模块2、半导体制冷器模块3、温度控制模块4、电源模块5和进样模块。

所述的反应管道模块1，采用硅胶软管；

所述的导热模块2为一铝块，其上加工有可以放置反应管道模块1的通孔2-1，和放置温度传感器的埋孔2-2，可根据需要在半导体制冷器模块3上放置多个导热模块2，同时实现多路扩增；

所述的半导体制冷器模块3的最高输入电压为15.7V；

所述的温度控制模块4包括可编程温控仪、固态继电器和温度传感器，可编程温控仪的加热信号输出端连接一个固态继电器，此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块3的正向电流通路，可编程温控仪的制冷信号输出端连接另一个固态继电器，此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块3的反向电流通路；

所述的电源模块5采用输出两路15V电压的直流电源；

所述的进样模块包括阀门16、阀门27和蠕动泵8，其中阀门16和阀门27采用夹管阀，蠕动泵8采用微型蠕动泵；

半导体制冷器模块3固定在散热块上，导热模块2固定在半导体制冷器模块3上，半导体制冷器模块3与散热块的接触面和半导体制冷器模块3与导热模块2的接触面上均涂有导热硅脂，反应管道模块1固定在导热模块的通孔2-1内，其一端连接阀门16，另一端连接阀门27和蠕动泵8，温度传感器内置于导热块的埋孔2-2内，孔内填充导热硅脂；

用本装置实现PCR的操作步骤如下：

1、通过蠕动泵8将PCR体系吸入反应管道，并将PCR体系吸引至导热模块2内的反应管道处，然后用阀门16和阀门27将液柱两端的硅胶管夹紧，阀门16、阀门27与硅胶管形成反应密封腔；

2、设置温控模块4的温度参数和时间，包括预变性的温度和持续时间，扩增循环数，变性、退火、延伸的温度和持续时间，最后延伸的温度和持续时间；

3、温控模块4根据设置的参数输出加热、制冷两路开关信号，控制半导体制冷器模块3的正向电流导通或反向电流导通，正向电流导通时，半导体制冷器模块3对导热模块2进行加热；反向电流导通时，半导体制冷器模块3对导热模块2进行制冷。温度传感器内置于导热模块2的埋孔2-2内，将导热模块2的温度值反馈给温控模块4。温控模块4通过控制导热模块2的温度实现对反应管道1的温控，反应液最终在反应管道密封腔内实现PCR。

本专利的优点：

1、本专利进样方便，通过蠕动泵可以非常方便的将反应液吸到导热块的反应管道内，蠕动泵体较小，这种进样方式便于系统集成;

2、本专利的反应液温度均匀，其反应管内嵌于导热块内部，几乎不存在温度梯度。

3、本专利的反应液回收率高，反应过程中液体密封，蒸发损失少，管道内壁残存液体少。

4、本专利的反应液在反应过程中不会产生气泡，从而有利于后期的荧光定位观测，这一点在静态腔式PCR芯片中很难避免。

5、本专利的反应管道成本低廉，不需要特别的微加工；反应管道便于清洗，有利于反复使用；反应管道生物相容性好，不需做管道内壁修饰等特殊处理。

附图说明

图1为系统总结构图。

图2（a）为导热模块上视图，（b）为A-A方向剖面图。

图3（b）为导热模块前视图，（a）为B-B方向剖面图。

图中：1反应管道；2导热模块；2-1放置反应管道的通孔；2-2放置温度传感器的埋孔；3半导体制冷器模块；4温控模块；5电源模块；6阀门1；7阀门2；8蠕动泵。

具体实施方式

本专利所述装置在实验室做了验证性实验，并与普通PCR仪（型号：伯乐S1000）的反应结果做了对比。验证试验中，采用的硅胶管外径3mm，内径1.5mm，采用的电源模块5的两路输出电压均为15V，采用的20ul的PCR反应体系如下：TaKaRa生物技术公司的Taq酶（0.3ul）、dNTP（2ul）、buffer（2ul））；上海生工生物公司的混合引物（2ul）；上海植物生理生态研究所提供的模板（0.5ul）——拟南芥野生型DNA，无菌水（13.2ul）。

本装置采用的参数为：

1、预变性：3min，温度为94℃；

2、变性：30s，温度为93℃；

3、退火：30s，温度为55℃；

4、延伸：50s，温度为72℃；重复2、3、4步30次；

5、最后延伸：10min，温度为72℃。

作为对照的普通PCR仪的温度参数设置为：

1、预变性：5min，温度为94℃；

2、变性：50s，温度为93℃；

3、退火：50s，温度为55℃；

4、延伸：60s，温度为72℃；重复2、3、4步30次；

5、最后延伸：10min，温度为72℃。

实验结果：上述两种扩增产物(500bps)经琼脂糖凝胶电泳后放荧光台观察，本装置的扩增条带清晰，与普通PCR仪的扩增效果相当，且总扩增时间短。

Claims (1)

1.一种便于集成的实现PCR的装置，装置包括反应管道模块（1）、导热模块（2）、半导体制冷器模块（3）、温度控制模块（4）、电源模块（5）和进样模块，其特征在于：

所述的反应管道模块（1）采用硅胶软管；

所述的导热模块（2）为一铝块，其上加工有可以放置反应管道模块（1）的通孔（2-1）和放置温度传感器的埋孔（2-2）；

所述的半导体制冷器模块（3）的最高输入电压为15.7V；

所述的温度控制模块（4）包括可编程温控仪、固态继电器和温度传感器，可编程温控仪的加热信号输出端连接一个固态继电器，此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块（3）的正向电流通路，可编程温控仪的制冷信号输出端连接另一个固态继电器，此固态继电器输出端接入半导体制冷器模块（3）的反向电流通路；

所述的电源模块（5）采用输出两路15V电压的直流电源；

所述的进样模块包括阀门1（6）、阀门2（7）和蠕动泵（8），其中阀门1（6）和阀门2（7）采用夹管阀，蠕动泵（8）采用微型蠕动泵；

半导体制冷器模块（3）固定在散热块上，导热模块（2）固定在半导体制冷器模块（3）上，半导体制冷器模块（3）与散热块的接触面和半导体制冷器模块（3）与导热模块（2）的接触面上均涂有导热硅脂，反应管道模块（1）固定在导热模块的通孔（2-1）内，其一端连接阀门1（6），另一端连接阀门2（7）和蠕动泵（8），温度传感器内置于导热块的埋孔（2-2）内，孔内填充导热硅脂。

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