CN209568111U - Pcr离心微流控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种PCR离心微流控装置，包括：芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应区；恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的恒温块，及所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得同一反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，全部所述恒温块能够分别对每个反应区进行加热。这种以空间上的温度循环来代替传统时间上的温度循环的方式，从而能够提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这大幅降低了温度升降控制的技术难度，也使恒温块提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，再者，全部恒温块能够同时分别对不同的反应区进行加热，这样进一步提高了PCR离心微流控装置的工作效率。

Description

PCR离心微流控装置

技术领域

本实用新型涉及聚合酶链式反应技术领域，特别是涉及一种PCR离心微流控装置。

背景技术

聚合酶链式反应简称PCR(Polymerase Chain Reaction)，PCR是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，该方式涉及到微流控装置的运用，即微流控装置使反应液试剂在不同阶段通过不同温度加热等步骤进行周期性循环处理，继而使目的DNA得以迅速扩增。PCR具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点；它不仅可用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基础研究，还可用于疾病的诊断。

一般地，传统的微流控装置通过空气对芯片进行加热以实现PCR反应，一方面，由于空气加热不均匀，不同区域温度不能很快达到一致，导致温度控制难以保证。另一方面，较大的加热空间无法实现温度的快速升降，使得PCR反应时间较长。

实用新型内容

本实用新型解决的一个技术问题是如何在确保温度控制精度的基础上提高 PCR反应效率。

一种PCR离心微流控装置，包括：

芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应区；

恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的恒温块，所述恒温块与反应区的数量相同，及

所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得同一反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，全部所述恒温块能够分别对每个反应区进行加热。

在其中一个实施例中，所述芯片固定设置，所述恒温块相对所述反应区转动。

在其中一个实施例中，所述恒温块在所述芯片上存在正投影，所述正投影均匀间隔分布在一圆周上，在加热时，所述恒温块与所述反应区一一对应。

在其中一个实施例中，所述恒温组件包括第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块，所述第一恒温块的温度最高，所述第二恒温块的温度最低；在一个周期内，同一反应区依次通过第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块。

在其中一个实施例中，所述恒温块呈圆盘形。

在其中一个实施例中，所述恒温组件还包括电机和连杆，所述连杆的一端固定在所述电机的输出轴上，所述恒温块固定在所述连杆的另一端上，任意相邻两个连杆之间的夹角均相等。

在其中一个实施例中，所述反应区包括至少一个反应腔，所述芯片上还设置有注液腔、流通腔和控制腔，所述流通腔连通所述注液腔和控制腔，所述控制腔与所述反应腔连通；其中，试剂在离心力作用下依次经所述注液腔、流通腔、控制腔进入所述反应腔，所述控制腔用于允许试剂单向流动。

在其中一个实施例中，所述控制腔包括毛细管腔。

在其中一个实施例中，所述芯片上还设置有废液腔和过渡腔，所述废液腔和过渡腔均与所述流通腔连通，所述过渡腔用于盛放输入至反应腔的设定剂量的试剂，所述废液腔用于收集多余的试剂。

一种PCR离心微流控方法，用于试剂的PCR反应，包括如下步骤：

转动芯片，在离心力的作用下使试剂进入芯片的反应区中；

开启其中一个恒温块以对其中一个盛放有试剂的反应区先加热设定时间；

将恒温块和芯片产生相对运动，沿芯片的相对运动方向依次先后开启其它各个恒温块，使得各个恒温块依次先后对各个反应区加热；

将各个反应区在已全部开启的恒温块之间按设定规律循环往复切换；及

当各个反应区在不同恒温块之间循环切换达到设定周期后，结束不同反应区中试剂的PCR反应。

本实用新型的一个实施例的一个技术效果是：在不同时间段内通过温度不同的多个恒温块对反应区加热，这种以空间上的温度循环来代替传统时间上的温度循环的方式，使得试剂的PCR反应时间不再依赖于反应区升温和降温的快慢，从而能够降低试剂的PCR反应一个周期所需要的时间，提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这一方面大幅降低了温度升降控制的技术难度，另一方面恒温块能更好地保证温度分布的均匀一致性，提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，也提高了试剂加热的均匀性，确保试剂的PCR反应效果。再者，在同一时刻，全部恒温块能够分别对不同的反应区进行加热，即PCR离心微流控装置可以同时多个反应区加热，这样进一步提高了PCR离心微流控装置的工作效率。

附图说明

图1为一实施例提供的PCR离心微流控装置的立体图；

图2为图1中芯片的平面结构示意图；

图3为图1中恒温组件的立体图；

图4为另一实施例提供的PCR离心微流控装置的平面图；

图5为一实施例提供的PCR离心微流控方法的流程框图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

同时参阅图1至图3，本实用新型一实施例提供的PCR离心微流控装置10 包括芯片100和恒温组件200，芯片100上设置有至少两个反应区110，各个反应区110用于盛装待进行PCR反应的试剂。恒温组件200包括恒温块210，恒温块210的数量与反应区110的数量相同，各个恒温块210之间相互间隔设置且温度各不相同。当恒温块210和芯片100之间产生相对运动时，使得同一反应区110依次经过不同恒温块210，实现反应区110在各恒温块210之间做周期性切换。在同一时刻，全部恒温块210能够分别对不同的反应区110进行加热。

相较于传统的PCR反应模式——即同一加热器在不同时间段内通过温度的升降以实现对反应区110的加热，这种以空间上的温度循环(即在不同时间段内通过温度不同的多个恒温块210对反应区110加热)来代替传统时间上的温度循环的方式，使得试剂的PCR反应时间不再依赖于反应区110(加热器)升温和降温的快慢，从而能够降低试剂的PCR反应一个周期所需要的时间，提高反应效率。同时，也将传统PCR反应的变温控制模式替换为恒温控制模式，这一方面大幅降低了温度升降控制的技术难度，另一方面恒温块210能更好地保证温度分布的均匀一致性，提高了试剂在不同反应阶段所需温度的精确性，也提高了试剂加热的均匀性，确保试剂的PCR反应效果。再者，在同一时刻，全部恒温块210能够分别对不同的反应区110进行加热，即PCR离心微流控装置10 可以同时多个反应区110加热，这样进一步提高了PCR离心微流控装置10的工作效率。

参阅图1至图3，在一些实施例中，芯片100固定不动，恒温块210相对芯片100转动，同一反应区110包括一个反应腔101。恒温组件200还包括电机 230和连杆220，恒温块210的数量可以为三个，即第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213。第一恒温块211的温度最高(94℃左右)，第三恒温块213的温度次之(72℃左右)，第二恒温块212的温度最低(55℃左右)。每个恒温块210的形状可以为圆盘形。连杆220的数量与恒温块210的数量相同，连杆220的一端固定在电机230的输出轴上，恒温块210固定在连杆220 的另一端上，三个连杆220可以处于同一平面内，任意相邻两个连杆220之间的夹角均相等，即相邻两个连杆220之间的夹角为120°。三个连杆220的长度可以相等，使得第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213在芯片100 上的正投影均匀间隔分布在一圆周上。在加热时，恒温块210位于反应区110 的下方，各个恒温块210与反应区110一一对应，确保每个恒温块210能为一个反应区110加热，当然，为了保证加热的均匀性和效率，恒温块210在芯片 100上的正投影能完全覆盖反应区110。当电机230转动时，可以通过连杆220 带动恒温块210相对芯片100转动。在其它实施例中，根据不同试剂PCR反应的需要，恒温块210的数量可以为两个，四个甚至更多等。

芯片100可以采用玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷材料制成，也可以采用聚甲基丙烯酸甲酯材料、聚碳酸酯材料和聚苯乙烯材料等热塑性材料制成。

在一些实施例中，恒温块210固定不动，芯片100相对恒温块210转动，同一反应区110包括多个反应腔101，恒温块210的形状为条状，恒温块210具有一定的长度，其温度辐射范围可以均匀覆盖同一反应区110中的多个反应腔 101。当芯片100转动时，同样可以带动多个反应区110同时在各个恒温块210 之间循环切换。

参阅图1至图2，在一些实施例中，芯片100上还开设有注液腔120、流通腔130、控制腔140、废液腔160和过渡腔150。反应区110包括至少一个反应腔101，例如反应腔101的数量为四个，当然，根据恒温块210热量辐射范围的大小，可以确定同一反应区110所包括的反应腔101数量的多寡。芯片100可以绕一旋转中心转动，反应腔101距离该旋转中心最远，注液腔120、流通腔 130和过渡腔150三者距离旋转中心相对较近。注液腔120、废液腔160、过渡腔150和反应腔101四者的横截面尺寸相对较大，流通腔130的横截面尺寸次之，控制腔140的横截面尺寸最小。

注液腔120与流通的一端(首端)连通，废液腔160与流通腔130的另一端(末端)连通，过渡腔150与流通腔130的中间段连通，过渡腔150、反应腔 101和控制腔140的数量相等，控制腔140与相对设置的过渡腔150和反应腔 101连通。当需要向反应腔101中注入试剂时，首先将试剂通过注液孔121注入注液腔120中，随后，可以通过电机230驱动芯片100绕旋转中心以较低速度 (500rpm)转动，在离心力的作用下，注液腔120中的试剂沿着流通腔130注入并填充各个过渡腔150，多余的试剂将流入废液腔160，当然，为消除空气压力并使多余的试剂顺利进入废液腔160中存储，芯片100上还可以设置连通外界与废液腔160的出气孔161，当多余试剂进入废液腔160时，试剂可以将废液腔160中的空气从出气孔161排出，避免空气占用废液腔160空间而形成压力。最后，电机230驱动芯片100绕旋转中心以较高速度(2000rpm)转动，在离心力的作用下，过渡腔150中的试剂克服控制腔140的阻力而进入反应腔101，当每个过渡腔150中的试剂全部进入相应的反应腔101后，停止芯片100的转动。

在一些实施例中，控制腔140为毛细管腔141，毛细管腔141的横截面尺寸极小，其对试剂的沿程阻力较大，当芯片100低速运转时，过渡腔150中的试剂无法克服毛细管腔141的沿程阻力进入反应腔101；当试剂进入反应腔101后，试剂也无法克服细管腔的沿程阻力反向进入过渡腔150中，因此，毛细管腔141 可以起到单向阀的作用，能够允许试剂单向从过渡腔150中进入反应腔101，防止试剂从反应腔101中进入过渡腔150。同时，过渡腔150可以起到测量试剂的作用，即过渡腔150能保证设定剂量的试剂注入反应腔101中。

PCR离心微流控装置10工作时，为便于理解，将多个反应区110记为第一反应区111、第二反应区112和第三反应区113。首先，第一恒温块211位于第一反应区111下方，第二恒温块212位于第二反应区112下方，第三恒温块213 位于第三反应区113下方，三个恒温块210均没有开启，即其温度为室温。然后，仅开启第一恒温块211，第一恒温块211对第一反应区111进行加热设定时间，第一反应区111的试剂完成高温变性反应。接着，电机230带动恒温块210 顺时针转动120°，使得第一恒温块211位于第三反应区113下方，第二恒温块 212位于第一反应区111下方，第三恒温块213位于第二反应区112下方，停止电机230转动并开启第二恒温块212，加热设定时间后，第一恒温块211对第三反应区113进行加热，第三反应区113的试剂完成高温变性反应；同时，第二恒温块212对第一反应区111进行加热，第一反应区111的试剂完成第二阶段的低温退火(复性)反应。随后，电机230带动恒温块210顺时针转动120°，使得第一恒温块211位于第二反应区112下方，第二恒温块212位于第三反应区113下方，第三恒温块213位于第一反应区111下方，停止电机230转动并开启第三恒温块213，加热设定时间后，第一恒温块211使第二反应区112的试剂完成高温变性反应，第二恒温块212使第三反应区113的试剂完成第二阶段的低温退火反应，第三恒温块213使第一反应区111的试剂完成第三阶段的适温延伸反应。至此，各个恒温块210已全部开启，第一反应区111的试剂已完成一个反应周期(即高温变性—低温退火—适温延伸)。然后，使电机230带动各个恒温块210顺时针方向断续转动，按照一个反应周期的运动规律，使各个反应区110在第一恒温块211、第二恒温块212和第三恒温块213之间循环往复切换多个轮次。最后，当某一反应区110中的试剂已完成设定周期(例如40-50 个)的反应后，停止芯片100的转动，并结束该反应区110中试剂的PCR反应。可以理解，第一反应区111中的试剂最先完成设定反应周期，第三反应区113 比第一反应区111慢一个周期，第二反应区112比第三反应区113慢一个周期。

参阅图4，在其它实施例中，当各个恒温块210的热量辐射范围比较大时，可以使芯片100和恒温块210之间的相对运动为持续运动，即恒温块210固定，芯片100相对恒温块210持续转动，或者，芯片100固定，恒温块210相对芯片100持续转动。当反应区110相对恒温块210转动并在通过其热量辐射范围所需的时间内，恒温块210在该段时间内对反应区110进行加热。当然，为保证设定的加热时间，恒温块210的热量辐射范围和芯片100/恒温块210的转速均须满足PCR反应的需要。其它相同部分请参考上述芯片100与恒温块210之间断续运动的工作模式。

参阅图5，本实用新型还提供一种PCR离心微流控方法，种方法可以通过上述的PCR离心微流控装置10对试剂进行PCR反应。参考上述对PCR离心微流控装置10工作原理的描述，该PCR离心微流控方法主要包括如下步骤：

S310，转动芯片100，在离心力的作用下使试剂进入芯片100的反应区110 中。

S320，开启其中一个恒温块210以对其中一个盛放有试剂的反应区110先加热设定时间。

S330，将恒温块210和芯片100产生相对运动，沿芯片100的相对运动方向依次先后开启其它各个恒温块210，使得各个恒温块210依次先后对各个反应区110加热。

S340，将各个反应区110在已全部开启的恒温块210之间按设定规律循环往复切换。及

S350，当各个反应区110在不同恒温块210之间循环切换达到设定周期后，结束不同反应区110中试剂的PCR反应。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种PCR离心微流控装置，其特征在于，包括：

芯片，设置有用于盛放试剂的至少两个反应区；

恒温组件，包括间隔设置且温度各不相同的恒温块，所述恒温块与反应区的数量相同，及

所述恒温块与所述芯片之间能产生相对运动，使得同一反应区在不同所述恒温块之间做周期性切换，在同一时刻，全部所述恒温块能够分别对每个反应区进行加热。

2.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片固定设置，所述恒温块相对所述反应区转动。

3.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温块在所述芯片上存在正投影，所述正投影均匀间隔分布在一圆周上，在加热时，所述恒温块与所述反应区一一对应。

4.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温组件包括第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块，所述第一恒温块的温度最高，所述第二恒温块的温度最低；在一个周期内，同一反应区依次通过第一恒温块、第二恒温块和第三恒温块。

5.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温块呈圆盘形。

6.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述恒温组件还包括电机和连杆，所述连杆的一端固定在所述电机的输出轴上，所述恒温块固定在所述连杆的另一端上，任意相邻两个连杆之间的夹角均相等。

7.根据权利要求1所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述反应区包括至少一个反应腔，所述芯片上还设置有注液腔、流通腔和控制腔，所述流通腔连通所述注液腔和控制腔，所述控制腔与所述反应腔连通；其中，试剂在离心力作用下依次经所述注液腔、流通腔、控制腔进入所述反应腔，所述控制腔用于允许试剂单向流动。

8.根据权利要求7所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述控制腔包括毛细管腔。

9.根据权利要求7所述的PCR离心微流控装置，其特征在于，所述芯片上还设置有废液腔和过渡腔，所述废液腔和过渡腔均与所述流通腔连通，所述过渡腔用于盛放输入至反应腔的设定剂量的试剂，所述废液腔用于收集多余的试剂。