CN212476768U - 一种快速pcr仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种快速PCR仪，包括多个反应温度控温模块、升温传热控温模块、降温传热控温模块、托架和移动驱动机构。通过温度明显高于目标温度的升温传热控温模块以及温度明显低于目标温度的降温传热控温模块，对PCR管进行变温，这样仅采用快速变温曲线段对PCR管进行变温，有效规避了慢速变温曲线段，进而大大提升了达到目标温度的变温速度，节约了PCR变温耗时，进而实现快速检测鉴定。

Description

一种快速PCR仪

技术领域

本实用新型涉及生物学检测技术领域，具体是一种快速PCR仪。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。PCR是利用DNA在体外95℃左右高温时变性会变成单链(以下简称变性步骤)，低温(通常是55℃左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合(以下简称复性步骤)，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖的方向合成互补链(以下简称延伸步骤)，通过以上三步骤的重复循环，使微量DNA大幅增加。PCR的实施一般需要依赖PCR仪对各反应阶段的温度和加热时长进行控制。在一般的检验性定量则是采用两步法，即复性步骤和延伸步骤同时在60-65℃间进行，以减少一次升降温过程，来提高反应速度。

由于PCR过程需要几十个重复循环，需要不断往复升降温，所以变温的速度能决定整个PCR的速度。尤其是随着酶技术的研发进步，通过快速酶可以将复性时间变得很短，通过耐高温酶无需变性保持时间，变温技术成为影响PCR快速进行的瓶颈。传统的快速变温，主要是采用以下方式：一是，通过加大加热和散热器的功率，但是效果不佳，控温精度也比较差；二是将控温模块轻质化，降低热惯性，但过轻的模块温度均匀性较差；三是，将PCR管做小，但是加样不方便；四是，改变容器为金属材质，但耗材成本高，通用性不好。

在公告号为CN103777662B的中国专利文献中，公开了一种应用于梯度温度控制的装置和方法，是采用了两个温控模块，不同的温控模块可在不同的时间点交替使用，该方法对于以前复性时间较长，变性保持时间长的传统酶技术能适用，非工作状态的温控模块利用闲置时间实现下一目标温度值，再进行试液的快速热传导变温，提高了变温速度。但是该技术存在两大弊端：

(1)由于热传导的速率是与温度差成正比的，当试液变温到临近目标温度值时，其变温速率相当慢，附图1是按上述变温方法从延伸步骤反应温度Tc变温到变性步骤反应温度Ta的变温曲线图，包括前段快速升温曲线段S01和后段慢速升温曲线段S02，从Tc经过前段快速升温曲线段S01后，试液达到临近温度T0；T0之后再到达目标温度Ta的升温过程S02耗时占比过大，从而制约了最终升温到目标温度Ta的速度；

(2)如果在复性步骤和变性步骤中在目标反应温度条件下只需要保持1秒、延伸步骤中在目标反应温度条件下只需要保持1-5秒的新型酶技术背景下，闲置时间极短，显然上述变温方法无法适用。

故亟需一种能有效适用于新型酶技术的快速变温的PCR仪器和方法，以大幅提升PCR速度，提升检测效率。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供了一种快速PCR仪。

为达到上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速PCR仪，PCR过程所需的反应温度包括变性步骤反应温度Ta、复性步骤反应温度Tb和延伸步骤反应温度Tc，快速PCR仪包括：

多个反应温度控温模块，其至少包括第一反应温度控温模块和第二反应温度控温模块，所述第一反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Ta，所述第二反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Tc；

升温传热控温模块，在整个PCR过程中，所述升温传热控温模块的温度设置为恒定的Th,且Th≥[max(Ta、Tb、Tc)+10℃]；

降温传热控温模块，在整个PCR过程中，所述降温传热控温模块的温度设置为恒定的Td,且Td≤[min(Ta、Tb、Tc)-10℃]；

托架，其用于放置PCR管；

移动驱动机构，其用于带动所述托架在各个反应温度控温模块、升温传热控温模块和降温传热控温模块之间移动；或者,所述移动驱动机构带动各个反应温度控温模块、升温传热控温模块和降温传热控温模块移动以按序与所述托架位置匹配。

本实用新型相较于现有技术，通过温度明显高于目标温度的升温传热控温模块以及温度明显低于目标温度的降温传热控温模块，对PCR管进行变温，这样仅采用快速变温曲线段对PCR管进行变温，有效规避了慢速变温曲线段，进而大大提升了达到目标温度的变温速度，节约了PCR变温耗时，进而实现快速检测鉴定。

进一步地，所述升温传热控温模块的温度Th＝105℃～135℃。

进一步地，所述降温传热控温模块的温度Td＝(-10℃)～40℃。

采用上述优选的方案，能最大程度地扩大温度差，提高传热效率；适宜的高温也确保能适用绝大部分用户所用的耗材；适宜的低温能防止产生水汽凝结，确保导热效率。

进一步地，在PCR过程结束后，所述降温传热控温模块的温度设置为恒定的Te，且Te＝(-10℃)～15℃。

采用上述优选的方案，在PCR结束后，将PCR管移至降温传热控温模块上，进行低温保存。

进一步地，所述多个反应温度控温模块还包括第三反应温度控温模块，所述第三反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Tb。

采用上述优选的方案，在采用三步法PCR时，能采用第三反应温度控温模块进行复性步骤保温，这样快速PCR仪既能适用普通的需要延时保温的酶技术的PCR反应，也能适用新型酶技术的快速变温PCR反应。

进一步地，在所述第二反应温度控温模块上安装有检测器件，所述检测器件包括多个激发/检测对，所述激发/检测对包括激发光发生器以及发射光检测器，每个所述激发光发生器能产生不同波长范围的光，每个发射光检测器能检测不同的波长范围。

采用上述优选的方案，在PCR过程中，能对PCR产物量的变化进行实时在线测定和监控。

进一步地，所述反应温度控温模块、升温传热控温模块、降温传热控温模块都包括导热块、制热/制冷元件、散热元件和测温元件，所述导热块上设有与PCR管相匹配的孔槽。

采用上述优选的方案，根据测温元件检测的导热块实时温度数据，通过制热/制冷元件以及散热元件对导热块进行温度的精准控制。

进一步地，所述移动驱动机构包括Z向升降驱动机构和XY面水平移动机构，所述XY面水平移动机构为直线平移机构或者旋转机构。

采用上述优选的方案，Z向升降驱动机构主要实现托架上PCR管与导热块孔槽的脱离和配合，XY面水平移动机构主要实现托架与各个控温模块之间的换位。

一种PCR快速变温方法，包括如下步骤：

步骤1，按PCR反应需求，将第一反应温度控温模块的温度调控到Ta，第二反应温度控温模块的温度调控到Tc，升温传热控温模块的温度调控到Th，降温传热控温模块的温度调控到Td；

步骤2，将装有待检测试样和试液的PCR管放置到托架上，移动驱动机构将托架移动第一反应温度控温模块上，在温度条件Ta保持适当时间进行预变性；

步骤3，移动驱动机构先将托架移动到降温传热控温模块上进行快速降温，通过控制PCR管在降温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速降温到复性反应温度Tb；再及时将托架移动到升温传热控温模块上进行快速升温，通过控制PCR管在升温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速升温到延伸反应温度Tc，并及时将托架移动到第二反应温度控温模块进行保温适当时间；再将托架移动到升温传热控温模块上进行快速升温，通过控制PCR管在升温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速升温到变性反应温度Ta，并及时将托架从升温传热控温模块上移开；

步骤4，循环运行步骤3，循环次数为25～50回合。

借助于新型酶技术和上述PCR快速变温方法，能将整个PCR过程时间缩短至16分钟左右，极大提升了检测效率，将为多部门带来极大的使用体验提升；医疗临床上，减少病人的等待时间；公安部门能快速鉴定采样是否符合要求；在高传染疾病爆发时，能快速筛选感染个体予以隔离。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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是现有技术中从延伸步骤反应温度Tc变温到变性步骤反应温度Ta的变温曲线图；

图2是本实用新型快速PCR仪一种实施方式的结构示意图；

图3是本实用新型一种实施方式中从变性步骤反应温度Ta变温到复性步骤反应温度Tb的变温曲线图；

图4是本实用新型一种实施方式中从复性步骤反应温度Tb变温到延伸步骤反应温度Tc的变温曲线图；

图5是本实用新型一种实施方式中从延伸步骤反应温度Tc变温到变性步骤反应温度Ta的变温曲线图；

图6是本实用新型一种实施方式的整个PCR过程变温曲线图。

图中数字和字母所表示的相应部件的名称：

111-第一反应温度控温模块；112-第二反应温度控温模块；120-升温传热控温模块；130-降温传热控温模块；140-托架；150-PCR管。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，本实用新型的一种实施方式为：一种快速PCR仪，PCR过程所需的反应温度包括变性步骤反应温度Ta、复性步骤反应温度Tb和延伸步骤反应温度Tc，快速PCR仪包括：

多个反应温度控温模块，其至少包括第一反应温度控温模块111和第二反应温度控温模块112，第一反应温度控温模块111在整个PCR过程中温度设置为Ta，第二反应温度控温模块112在整个PCR过程中温度设置为Tc；

升温传热控温模块120，在整个PCR过程中，升温传热控温模块120的温度设置为恒定的Th,且Th≥[max(Ta、Tb、Tc)+10℃]；

降温传热控温模块130，在整个PCR过程中，降温传热控温模块130的温度设置为恒定的Td,且Td≤[min(Ta、Tb、Tc)-10℃]；

托架140，其用于放置PCR管150；

移动驱动机构，其用于带动托架140在第一反应温度控温模块111、第二反应温度控温模块112、升温传热控温模块120和降温传热控温模块130之间移动；或者,所述移动驱动机构带动第一反应温度控温模块111、第二反应温度控温模块112、升温传热控温模块120和降温传热控温模块130移动以按序与托架140位置匹配。

以下结合变温曲线图具体说明快速降温的原理，在图3中示出了从变性步骤反应温度Ta变温到复性步骤反应温度Tb的变温曲线图，该快速降温过程以降温传热控温模块为冷源，控制PCR管在降温传热控温模块上停留时间tc1使PCR管试液温度快速降低到Tb，图中粗体曲线段Sc1为该阶段的实际变温曲线；在图4中示出了从复性步骤反应温度Tb变温到延伸步骤反应温度Tc的变温曲线图，该快速升温过程以升温传热控温模块为热源，控制PCR管在升温传热控温模块上停留时间tc2使PCR管试液温度快速升至Tc，图中粗体曲线段Sc2为该阶段的实际变温曲线；在图5中示出了从延伸步骤反应温度Tc变温到变性步骤反应温度Ta的变温曲线图，该快速升温过程以升温传热控温模块为热源，控制PCR管在升温传热控温模块上停留时间tc3使PCR管试液温度快速升至Ta，图中粗体曲线段Sc3为该阶段的实际变温曲线。采用上述技术方案的有益效果是：通过温度明显高于目标温度的升温传热控温模块以及温度明显低于目标温度的降温传热控温模块，对PCR管进行变温，这样仅采用快速变温曲线段对PCR管进行变温，有效规避了慢速变温曲线段，进而大大提升了达到目标温度的变温速度，节约了PCR变温耗时，进而实现快速检测鉴定。

在本实用新型的另一些实施方式中，在采用二步法PCR时，本实用新型同样适用，即该情况下，复性步骤反应温度Tb＝延伸步骤反应温度Tc。

在本实用新型的另一些实施方式中，升温传热控温模块120的温度Th＝105℃～135℃。降温传热控温模块130的温度Td＝(-10℃)～40℃。能最大程度地扩大温度差，提高传热效率；适宜的高温也确保能适用绝大部分用户所用的耗材；适宜的低温能防止产生水汽凝结，确保导热效率。

在本实用新型的另一些实施方式中，在PCR过程结束后，降温传热控温模块130的温度设置为恒定的Te，且Te＝(-10℃)～15℃。在PCR结束后，将PCR管移至降温传热控温模块130上，进行低温保存。

在本实用新型的另一些实施方式中，所述多个反应温度控温模块还包括第三反应温度控温模块，所述第三反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Tb。在采用三步法PCR时，能采用第三反应温度控温模块进行复性步骤保温，这样快速PCR仪既能适用普通传统的需要延时保温的酶技术的PCR反应，也能适用新型酶技术的快速变温PCR反应。

在本实用新型的另一些实施方式中，为了在PCR过程中能对PCR产物量的变化进行实时在线测定和监控。在所述第二反应温度控温模块上安装有检测器件，所述检测器件包括多个激发/检测对，所述激发/检测对包括激发光发生器以及发射光检测器，每个所述激发光发生器能产生不同波长范围的光，每个发射光检测器能检测不同的波长范围。检测器件中激发光发生器和发射光检测器可从现有技术中获得，激发光发生器可采用LED、激光二极管、闪光灯等，发射光检测器可采用光电倍增管、CCD等，具体的荧光检测光路原理可从现有技术中获取，在本申请中不再赘述。

在本实用新型的另一些实施方式中，多个反应温度控温模块、升温传热控温模块、降温传热控温模块都包括导热块、制热/制冷元件、散热元件和测温元件，所述导热块上设有与PCR管相匹配的孔槽。根据测温元件检测的导热块实时温度数据，通过制热/制冷元件以及散热元件对导热块进行温度的精准控制。

在本实用新型的另一些实施方式中，所述移动驱动机构是实现托架和PCR管与各个控温模块的相对运动的，从绝对运动轨迹来看，可以是托架和PCR管移动，也可以是各个控温模块移动，也可以是两者同步移动。所述移动驱动机构可以包括Z向升降驱动机构和XY面水平移动机构，所述XY面水平移动机构为直线平移机构或者旋转机构。Z向升降驱动机构主要实现托架上PCR管与导热块孔槽的脱离和配合，XY面水平移动机构主要实现托架与各个控温模块之间的换位。本申请中并不对移动驱动机构的具体形式作限定，Z向升降驱动机构和XY面水平移动机构具体结构形式可从现有技术中获取，比如，Z向升降驱动机构可以选择电机加丝杠传动机构的，也可以采用旋转凸轮结构；XY面水平移动机构可以是直接移动式，如电机加丝杠传动机构、电机加传动带传动机构、电机加齿轮齿条传动机构等，也可以是旋转转盘式。

以下结合附图6所示的整个PCR过程变温曲线图来具体阐述本实施例的PCR快速变温方法，包括如下步骤：

步骤1，按PCR反应需求，将第一反应温度控温模块的温度调控到Ta，第二反应温度控温模块的温度调控到Tc，升温传热控温模块的温度调控到Th，降温传热控温模块的温度调控到Td；

步骤2，将装有待检测试样和试液的PCR管放置到托架上，移动驱动机构将托架移动第一反应温度控温模块上，在温度条件Ta保持适当时间t1进行预变性(图中S1段)；

步骤3，移动驱动机构先将托架移动到降温传热控温模块上(移动耗时tm1)进行快速降温，控制PCR管在降温传热控温模块上停留tc1，使PCR管内试液快速降温到复性反应温度Tb(图中Sc1段)；再及时将托架移动到升温传热控温模块上(移动耗时tm2)进行快速升温，控制PCR管在升温传热控温模块上停留时间tc2，使PCR管内试液快速升温到延伸反应温度Tc(图中Sc2段)，并及时将托架移动到第二反应温度控温模块(移动耗时tm3)进行保温适当时间t2(图中S2段)；再将托架移动到升温传热控温模块上(移动耗时tm4)进行快速升温，控制PCR管在升温传热控温模块上停留时间tc3，使PCR管内试液快速升温到变性反应温度Ta(图中Sc3段)，并及时将托架从升温传热控温模块上移开；

步骤4，循环运行步骤3，循环次数为25～50回合。

以下结合新型酶试剂进行试验，所采用试剂的具体成分在本申请中不方便公开，一是因为本实用新型的创造性在于快速变温，快速变温的实现并不需要借助本试验试剂，二是因为本试验试剂并非本申请人研制，只是合作方提供相关技术特性信息。试剂特性要求：在复性步骤时在Tb温度(50℃)保持1秒、变性步骤中在Ta温度(95℃)条件下保持1秒、延伸步骤中在Tc温度(72℃)条件下保持5秒。

整个PCR过程所消耗时间如下表，最终实现了基因的有效扩增。

借助于新型酶技术和上述PCR快速变温方法，能将整个PCR过程时间缩短至16分钟左右，而且最终的PCR定量结果与传统检测结果相当，能有效充分进行PCR反应。与目前市面上最快的PCR检测差不多耗时40分钟相比，本申请检测速度已得到极大提升。

在本实用新型的另一些实施方式中，为了能够适用现有技术的普通试剂，以下提供了PCR快速变温方法，包括如下步骤：

步骤1，按PCR反应需求，将第一反应温度控温模块的温度调控到Ta，第二反应温度控温模块的温度调控到Tc，第三反应温度控温模块的温度调控到Tb，升温传热控温模块的温度调控到Th，降温传热控温模块的温度调控到Td；

步骤2，将装有待检测试样和试液的PCR管放置到托架上，移动驱动机构将托架移动第一反应温度控温模块上，在温度条件Ta保持适当时间进行预变性；

步骤3，移动驱动机构先将托架移动到降温传热控温模块上进行快速降温，通过控制PCR管在降温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速降温到复性反应温度Tb，再及时将托架移动到第三反应温度控温模块上保温适当时间；然后将托架移动到升温传热控温模块上进行快速升温，通过控制PCR管在升温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速升温到延伸反应温度Tc，再及时将托架移动到第二反应温度控温模块进行保温适当时间；然后将托架移动到升温传热控温模块上进行快速升温，通过控制PCR管在升温传热控温模块上的停留时间，使PCR管内试液快速升温到变性反应温度Ta，再及时将托架移动到第一反应温度控温模块上保温适当时间；

步骤4，循环运行步骤3，循环次数为25～50回合。

上述快速变温方法中，采用第一反应温度控温模块、第二反应温度控温模块和第三反应温度控温模块提供保温平台，能够适用普通试剂，借助快速变温也能缩短PCR整体时长，提升PCR的检测效率。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速PCR仪，PCR过程所需的反应温度包括变性步骤反应温度Ta、复性步骤反应温度Tb和延伸步骤反应温度Tc，其特征在于，快速PCR仪包括：

多个反应温度控温模块，其至少包括第一反应温度控温模块和第二反应温度控温模块，所述第一反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Ta，所述第二反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Tc；

升温传热控温模块，在整个PCR过程中，所述升温传热控温模块的温度设置为恒定的Th,且Th≥[max(Ta、Tb、Tc)+10℃]；

降温传热控温模块，在整个PCR过程中，所述降温传热控温模块的温度设置为恒定的Td,且Td≤[min(Ta、Tb、Tc)-10℃]；

托架，其用于放置PCR管；

移动驱动机构，其用于带动所述托架在各个反应温度控温模块、升温传热控温模块和降温传热控温模块之间移动；或者,所述移动驱动机构带动各个反应温度控温模块、升温传热控温模块和降温传热控温模块移动以按序与所述托架位置匹配。

2.根据权利要求1所述的快速PCR仪，其特征在于，所述升温传热控温模块的温度Th＝105℃～135℃。

3.根据权利要求2所述的快速PCR仪，其特征在于，所述降温传热控温模块的温度Td＝(-10℃)～40℃。

4.根据权利要求3所述的快速PCR仪，其特征在于，在PCR过程结束后，所述降温传热控温模块的温度设置为恒定的Te，且Te＝(-10℃)～15℃。

5.根据权利要求1所述的快速PCR仪，其特征在于，所述多个反应温度控温模块还包括第三反应温度控温模块，所述第三反应温度控温模块在整个PCR过程中温度设置为Tb。

6.根据权利要求1所述的快速PCR仪，其特征在于，在所述第二反应温度控温模块上安装有检测器件，所述检测器件包括多个激发/检测对，所述激发/检测对包括激发光发生器以及发射光检测器，每个所述激发光发生器能产生不同波长范围的光，每个发射光检测器能检测不同的波长范围。

7.根据权利要求1所述的快速PCR仪，其特征在于，所述反应温度控温模块、升温传热控温模块、降温传热控温模块都包括导热块、制热/制冷元件、散热元件和测温元件，所述导热块上设有与PCR管相匹配的孔槽。

8.根据权利要求7所述的快速PCR仪，其特征在于，所述移动驱动机构包括Z向升降驱动机构和XY面水平移动机构，所述XY面水平移动机构为直线平移机构或者旋转机构。

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