CN209669258U - 一种数字pcr微滴生成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字PCR微滴生成系统，包括用于输送样本溶液的微管、用于驱动微管移动的移动驱动机构、用于驱动微管往复振动的振动驱动机构，以及用于装载油相的第一容器，系统还包括控制器及用于探测油相液面位置的液面探测机构，液面探测机构包括液面感知模块和测距模块，液面感知模块、测距模块和移动驱动机构分别与控制器连接，控制器接收液面感知模块和测距模块反馈的信息，并根据所获取的信息控制移动驱动机构动作。本实用新型利用微管本身预先主动对油相液面高度进行探测，根据探测结果确定在微滴生成时微管的下降高度，降低了对微滴生成容器中注油量的精准要求，更保证了微管针尖在油相液面下的深度，为微滴生成提供可靠的前提条件。

Description

一种数字PCR微滴生成系统

技术领域

本实用新型涉及PCR技术领域，特别涉及一种数字PCR微滴生成系统。

背景技术

随着医疗模式的转变和个体化用药的不断发展，医学检验界迫切需要快速、精确的检测手段，分子检测则发挥出独特的优势。

目前，分子检测技术主要有核酸分子杂交、聚合酶链式反应(PCR)和生物芯片技术等。分子检测产品主要应用在肿瘤、感染、遗传、产前筛查等临床各科的检测，以及体检中心、技术服务中心、第三方检测机构及微生物快速检测市场等方面。

作为分子检测的重要技术手段，PCR能够定性和定量地检测目标核酸分子，在低丰度检测、稀有突变检测等日益增大的应用需求背景下，数字PCR作为一种核酸分子绝对定量技术，它将一个荧光定量PCR反应体系分配到大量微小的反应器中，在每个微反应器中包含1个或多个拷贝的目标核酸分子，进行“单分子模板PCR扩增”，扩增结束后，通过对阳性反应单元的数目和统计学方法计算原始样本中靶基因的拷贝数，数字PCR无须依赖对照品和标准曲线就可进行精确地绝对定量检测。

当前，血常规、细胞学、病理学及免疫学等检验手段均朝着自动化、一体化、标准化的方向发展，但由于分子检测自身技术复杂性，从样品到结果的自动化实现过程中存在着诸多难以解决的技术问题。单就数字PCR检测仪的微滴生成环节而言，需要对针的下扎深度予以控制，否则会造成微滴生成效果的差异，常规解决方法是固定针的下扎位移和油的深度，即对用于微滴生成的容器进行精准注油，然后按照预设的下降高度控制tip头下降，但是难以精确地保证针尖在油面下的深度。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供了一种数字PCR微滴生成系统，采用主动式压力对油面进行探测，探测精确，不受油深度变化及针位移误差的影响，准确控制下扎深度，所述技术方案如下：

本实用新型提供了一种数字PCR微滴生成系统，包括用于输送样本溶液的微管、用于驱动所述微管移动的移动驱动机构、用于驱动所述微管往复振动的振动驱动机构，以及用于装载油相的第一容器，其特征在于，所述数字PCR微滴生成系统还包括控制器及用于探测油相液面位置的液面探测机构，所述液面探测机构包括液面感知模块和测距模块，所述液面感知模块、测距模块和移动驱动机构分别与控制器连接，所述控制器接收所述液面感知模块和测距模块反馈的信息，并根据所获取的信息控制所述移动驱动机构的动作。

进一步地，所述液面感知模块包括压力源和压力传感器，所述压力源与所述微管的入口通过管路连通，所述压力传感器与所述控制器连接，所述压力传感器用于检测所述管路内或微管内的压力信息，并将检测到的压力信息发送至所述控制器，所述控制器根据所接收的压力信息判断所述微管是否接触所述油相的液面。

优选地，所述移动驱动机构包括步进电机，所述测距模块包括设置在所述步进电机输出轴上的编码器，所述编码器与所述控制器连接，所述编码器根据步进电机的转动步数计算出所述微管的移动距离。

可选地，所述测距模块包括与所述控制器连接的位移传感器，所述位移传感器用于检测所述微管的位移信息，并将检测到的位移信息发送至所述控制器，所述控制器根据所接收到的位移信息，得到位移差值距离。

进一步地，所述系统还包括用于将微管内的空气排空的驱动油罐。

进一步地，所述微管与所述压力源、驱动油罐之间的管路上设有三通阀，所述三通阀用于控制所述微管与所述压力源、驱动油罐中的其中一个连通。

进一步地，所述第一容器的上方设置有基准起点，所述系统还包括导向机构，所述导向机构用于在所述微管向油相移动时对所述微管起竖直限位导向作用。

进一步地，所述压力源为压力泵或气源。

可选地，所述液面探测机构包括超声波测距传感器。

可选地，所述液面探测机构包括雷达测距装置。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.采用主动式压力对油面进行探测，探测精确；

b.不受油深度变化及针位移误差的影响，准确控制下扎深度；

c.加装压力传感器后，利用微管本身进行液面探测，无需额外的探测设备；

d.结构简单，自动化操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的利用数字PCR微滴生成系统进行微滴生成方法的流程图；

图2是本实用新型实施例提供的微滴生成前油相液面探测方法的流程图；

图3是本实用新型实施例提供的检测微管与油相液面接触状况的方法流程图；

图4是本实用新型实施例提供的数字PCR微滴生成系统的结构示意图。

其中，附图标记包括：1-压力源，11-管路，2-微管，3-压力传感器，4-油面，5-驱动油罐，6-三通阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

微滴式数字PCR系统在传统的PCR扩增前对样品进行微滴化处理，即将含有核酸分子的反应体系分成成千上万个纳升级的微滴，微滴技术让数字PCR更低成本，且更实用。微滴生成是微滴技术的前提，其主要是利用针头(tip头)运输样本溶液，将tip头伸入油相后，tip头内的样本溶液在油相中生成微滴，以下将tip头称作微管，其采用现有技术中微滴生成用的常规tip头。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种数字PCR微滴生成系统，如图4所示，包括用于输送样本溶液的微管2、用于驱动所述微管2移动的移动驱动机构和用于装载油相的第一容器，所述系统还包括控制器及液面探测机构，所述液面探测机构和移动驱动机构均与控制器连接；

所述液面探测机构用于对所述油相的液面进行探测，得到液面位置信息，所述液面位置信息用于在所述微管插入到油相过程中确定所述微管的移动距离。

在一个具体的实施例中，所述液面探测机构包括压力源1和压力传感器3，所述压力源1为压力泵或气源，如图4所示，所述压力源1与所述微管2的入口通过管路11连接，所述压力传感器3用于检测所述管路11内或微管2内的压力信息，并将检测到的压力信息发送至所述控制器，所述控制器根据所述检测到的压力信息判断所述微管2是否接触所述油相的液面。

优选地，所述系统还包括用于将微管内的空气排空的驱动油罐5，所述微管2与所述压力源1、驱动油罐5之间的管路上设有三通阀6，所述三通阀6用于控制所述微管2与所述压力源1、驱动油罐5中的其中一个连通。

所述系统还包括振动仪，所述振动仪用于带动所述微管2振动。

作为优选方案，所述移动驱动机构为步进电机，所述步进电机的输出轴上设有编码器。

作为可选方案，所述系统还包括与所述控制器连接的位移传感器，所述位移传感器用于检测所述微管2的位移信息。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述系统还包括导向机构，所述导向机构用于在所述微管2向油相移动时对所述微管2起竖直限位导向作用。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种数字PCR微滴生成方法，参见图1，包括以下流程：

S1、对油相的液面进行探测，得到液面位置信息。

具体地，所述液面位置信息包括基准起点位置信息以及基准起点与所述油相的液面之间的距离，具体得到液面位置信息的方法在下文中详述。

S2、利用微管吸取样本溶液。

具体地，在取样本溶液之前，需要先将微管内的空气排空，排空胃管内的空气的方法可以采用吸油排除法，即：导通所述微管与驱动油罐之间的通路，利用驱动油罐向所述微管内填充满油液，这样即将空气排出，且驱动油罐中存储的油相与用于生成微滴的油相相同，即在排空空气的同时不影响微滴生成。然后关断所述微管与驱动油罐之间的通路；并将所述微管的下端伸入样本溶液液面以下，导通所述微管与压力源之间的通路，以利用压力源将样本溶液抽吸到所述微管内。

S3、驱动微管移动，使其插入到油相中。

具体地，驱动微管移动时，根据S1得到的所述液面位置信息，确定所述微滴生成的步骤中微管的移动距离，驱动所述微管向着所述油相的方向移动所述确定的移动距离，此时微管端口位于所述油相中。具体地，确定所述微管的移动距离的方式如下：所述微管的移动距离设为所述基准起点与所述油相的液面之间的距离±一定补偿差，比如，在S1中探测得到的基准起点与所述油相的液面之间的距离为10mm，则在S3中，首先将所述微管移动到基准起点处，然后驱动所述微管向油相方向移动9-11mm中的任意一个距离值。

驱动微管移动具体为将所述微管移动到其下端与所述基准起点齐平的位置；根据所述基准起点与所述油相的液面之间的距离，控制所述微管向下移动至指定位置后停止下移。

S4、将所述微管内的样本溶液排出，生成微滴。

驱动所述微管进行往复振动，同时推动微管内的样本溶液排出微管，由此产生微滴。在本实用新型的一个优选实施例中，对扎入油相液面以下的微管以预设的频率和振幅对所述微管进行振动，并利用压力源以预设的流量参数对微管内的样本溶液进行推动；直至所述样本溶液脱离所述微管，进而进入油相生成微滴。具体为，将所述微管与振动装置进行绑定，并导通所述微管与压力源之间的通路，在本实用新型的一个实施例中，所述振动装置的振动频率范围为10Hz，振动幅值范围为500μm，所述压力源流量范围为1μl/min，在另一个实施例中，所述振动装置的振动频率范围为350Hz，振动幅值范围为10μm，所述压力源流量范围为100μl/min，在优选实施例中，所述振动装置的振动频率范围为180Hz，振动幅值范围为250μm，所述压力源流量范围为50μl/min。

以下对探测油相的液面位置进行详细说明，流程图参见图2：

S11、在油相的上方预设基准起点，并驱动所述微管从基准起点向所述油相移动。

具体地，需要控制所述微管移动的方向和角度，以使得所述微管在吸取了样本溶液后下降到油相中微滴生成的移动路径与在此S11中移动路径一致，包括起点一致，方向一致，优选地，可以设置一固定角度的导向机构来对移动中的微管进行限位，更优选地，控制所述微管向下移动的路径为由基准起点竖直向下。

S12、在移动过程中检测所述微管端口与所述油相的液面的接触状况。

所述微管本身与所述油相的液面的接触状况有多种检测方法，比如肉眼观察、图像检测、声波检测、超声波检测或者雷达测距等等，在本实施例中，以压力检测为例进行说明，具体为利用压力检测技术判断所述微管的下端是否位于油相液面下方，其检测原理为当针尖接触到油面后，针尖被油瞬时封住，会产生压力的变化。步骤S12的具体流程图参见图3：

S121、向所述微管内输入预设压力值的正压或者负压，并利用压力传感器检测所述微管内的压力信息，具体地，所述压力传感器的设置位置有至少以下两种方式：所述微管与提供所述正压或者负压的压力源之间通过管路连接，且将所述压力传感器设置在所述管路上，用于间接检测所述微管内的压力信息；或者，将所述压力传感器设置在所述微管内，用于直接检测所述微管内的压力信息。

S122、将所述微管的下端与所述基准起点齐平，此处步骤S122与S121可调换执行顺序；

S123、驱动所述微管向下移动；

S124、直至所述压力传感器检测到的压力值超出预设的压力阈值或者检测到的压力值与预设压力值之间的差值超出预设的压力差阈值，则定位所述微管的当前位置，且停止驱动所述微管向下移动，使所述微管停留在当前位置。

需要说明的是预设的压力阈值或压力差阈值可通过工程化测试来设置一个合适的值，其还与所述正压或者负压的预设压力值相关，当输入正压，则压力阈值设置较大，当输入负压，则压力阈值设置较小，通过工程化测试选择合适的正压或负压的预设压力值及压力阈值(或压力差阈值)。

S13、判断所述微管端口与所述油相的液面是否接触，若是，则微管停止移动，以及获取微管当前位置与基准起点之间的位移差。

定位所述微管下端的当前位置为探测终点，获取所述探测终点与基准起点之间的距离，作为所述基准起点与所述油相的液面之间的距离，再按照S3中的方式确定微管的移动距离。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述获取微管当前位置与基准起点之间的位移差的步骤包括：

利用步进电机驱动所述微管由所述基准起点移动至微管与液面接触的所述当前位置，根据步进电机的转动步数计算出所述微管当前位置与基准起点之间的位移差。

亦或者可以选择以下方法步骤：

利用位移传感器检测所述微管的位移信息，将所述微管分别在所述基准起点和与液面接触的所述当前位置处的位移传感器检测的位移信息的差值作为所述微管当前位置与基准起点之间的位移差。

利用本实用新型实施例中的数字PCR微滴生成系统进行微滴生成的工作过程如下：

①注油：驱动注油装置的注油嘴接近第一容器，并将配方油注入至所述第一容器中(对注入的油相深度没有固定高度要求)；

②液面探测初始化：通过步进电机驱动微管2(此时的微管内为空气)移动到预设在第一容器上方的基准起点(优选为所述微管2的下端与所述基准起点齐平)，并将所述微管2的入口通过管路11与压力源1连接；

③油相液面探测：导通压力源1，使微管2内生成一定的压力，同时步进电机驱动所述微管2向第一容器中的油相移动，在移动过程中利用压力传感器3检测微管2或管路11内的压力；

④确定液面信息：移动所述微管2，直至所述压力传感器3检测到的压力信息大于预设的压力阈值，或者检测到压力变化值大于预设的压力差阈值，则确定微管当前位置与基准起点之间的距离为所述基准起点到油相液面的距离，具体可利用从③到④过程中步进电机的转动步数计算出所述距离(或利用位移传感器的位移检测结果来计算)；

⑤排气取样：关断压力源1，导通驱动油罐5与所述微管2之间的通路，利用驱动油罐5向所述微管内注满油液以确保排进空气，然后关断驱动油罐5；再将微管2插入到样品中，利用抽吸装置或者负压压力源将样品吸入到微管2中；

⑥微滴生成初始化：再次驱动吸入样品的微管2回到所述基准起点；

⑦扎入油相：根据过程④得到的基准起点到油相液面的距离，利用编码器来控制步进电机的驱动路径长度，可选地，在该距离基础上可以适当增加0.5mm的补偿值，确保微管2的下端伸入油相液面的下方；

⑧微滴生成：振动装置产生振动使微管2在油相中往复振动，压力源1将样品溶液从微管2中推出，优选地，步进电机还可以驱使微滴生成动作机构整体按预设的轨迹移动，从而使生成的液滴均匀分布在第一容器中。

本实用新型利用用于微滴生成的微管本身预先主动对油相液面高度进行探测，具体利用注射泵推动tip头内的空气产生主动气压，当tip头接触到油面后，针尖被油封住，造成压力上升，利用这一特点，从而实现对油面高度的探测，根据探测结果确定在微滴生成时微管的下降高度，降低了对微滴生成容器中注油量的精准要求，更保证了微管针尖在油相液面下的深度，为微滴生成提供了可靠前提条件。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字PCR微滴生成系统，包括用于输送样本溶液的微管(2)、用于驱动所述微管(2)移动的移动驱动机构、用于驱动所述微管(2)往复振动的振动驱动机构，以及用于装载油相的第一容器，其特征在于，所述数字PCR微滴生成系统还包括控制器及用于探测油相液面位置的液面探测机构，所述液面探测机构包括液面感知模块和测距模块，所述液面感知模块、测距模块和移动驱动机构分别与控制器连接，所述控制器接收所述液面感知模块和测距模块反馈的信息，并根据所获取的信息控制所述移动驱动机构的动作。

2.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述液面感知模块包括压力源(1)和压力传感器(3)，所述压力源(1)与所述微管(2)的入口通过管路(11)连通，所述压力传感器(3)与所述控制器连接，所述压力传感器(3)用于检测所述管路(11)内或微管(2)内的压力信息，并将检测到的压力信息发送至所述控制器，所述控制器根据所接收的压力信息判断所述微管(2)是否接触所述油相的液面。

3.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述移动驱动机构包括步进电机，所述测距模块包括设置在所述步进电机输出轴上的编码器，所述编码器与所述控制器连接，所述编码器根据步进电机的转动步数计算出所述微管的移动距离。

4.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述测距模块包括与所述控制器连接的位移传感器，所述位移传感器用于检测所述微管(2)的位移信息，并将检测到的位移信息发送至所述控制器，所述控制器根据所接收到的位移信息，得到位移差值距离。

5.根据权利要求2所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述系统还包括用于将微管内的空气排空的驱动油罐(5)。

6.根据权利要求5所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述微管(2)与所述压力源(1)、驱动油罐(5)之间的管路上设有三通阀(6)，所述三通阀(6)用于控制所述微管(2)与所述压力源(1)、驱动油罐(5)中的其中一个连通。

7.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述第一容器的上方设置有基准起点，所述系统还包括导向机构，所述导向机构用于在所述微管(2)向油相移动时对所述微管(2)起竖直限位导向作用。

8.根据权利要求2所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述压力源(1)为压力泵或气源。

9.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述液面探测机构包括超声波测距传感器。

10.根据权利要求1所述的数字PCR微滴生成系统，其特征在于，所述液面探测机构包括雷达测距装置。