CN217077608U - 基于微流控芯片的荧光定量pcr检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，包括：微流控芯片，包括：基底和透明封闭盖板，以及位于基底上的至少一个独立的反应腔，每个反应腔设置有输入口和输出口，每个反应腔通过输入口和输出口借助待测样品的毛细力实现样品的装载；微加热器，包括：硅基衬底，以及形成于硅基衬底上的金属膜，金属膜通过电阻值区分为加热部分和传感部分；荧光信号采集模块，用于采集PCR反应的荧光图像；控制模块，用于控制微加热器对微流控芯片进行加热以及控制荧光信号采集模块进行荧光采集。本申请提供的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置可以实现现场即时快速分子诊断，有效避免样品交叉污染的风险。

Description

基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置

技术领域

本实用新型涉及微流控PCR技术领域，特别涉及一种基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置。

背景技术

PCR(聚合酶链式反应)主要包括变性、退火和延伸三个反应步骤，通过温度的控制可以实现基因样本的体外扩增。基于聚合酶链式反应，实时荧光定量PCR可以通过实时监测每个循环终点染料和双链 DNA 结合后发出荧光信号的改变，从而获得各个循环的荧光强度曲线。对曲线的分析和Ct值的判定可以检测靶基因，同时还可以利用标准曲线对未知模板进行定量分析，具有高通量、高灵敏度、特异性强等特点，广泛应用于食品环境安全、生物学、临床医学等领域。

传统的PCR检测仪器体积大重量沉，只能放置在专门的实验室内，且常规基于PCR管的PCR加热扩增反应，反应试剂消耗量较大，反应时间较长，操作专业复杂且对环境有较高的要求。因此急需一种在现场即时进行快速分子诊断的解决方案，现采现测，无需冷链运输样本，无需专业人员操作，将传统的1-2天的检测周期缩短至数十分钟甚至更短时间。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，包括：微流控芯片，包括：基底和透明封闭盖板，以及位于所述基底上的至少一个独立的反应腔，每个所述反应腔设置有输入口和输出口，每个所述反应腔通过所述输入口和所述输出口借助待测样品的毛细力实现样品的装载；微加热器，包括：硅基衬底，以及形成于所述硅基衬底上的金属膜，所述金属膜通过电阻值区分为加热部分和传感部分，所述微流控芯片的基底紧贴所述金属膜放置；荧光信号采集模块，用于采集PCR反应的荧光图像；控制模块，与所述微加热器和所述荧光信号采集模块相连接，用于控制所述微加热器对所述微流控芯片进行加热以及控制所述荧光信号采集模块进行荧光采集。

进一步的，所述至少一个独立的反应腔为多个，例如为4-16个。

进一步的，所述反应腔的凹槽内壁具有亲水涂层，亲水涂层的材料包括二氧化硅，PEG（聚乙二醇），PVA（聚乙烯醇）等生物兼容性材料。

进一步的，所述金属膜的加热部分具有加热接线端，用于接通外部电源；所述金属膜的传感部分具有传感接线端，用于通过读取电阻值获取所述微加热器的实时温度。

进一步的，所述微加热器还包括冷却单元，用于对所述微流控芯片进行冷却。

进一步的，所述冷却单元为设置在所述微加热器背面的轴流风扇。

进一步的，所述金属膜的加热部分的图案特征尺寸大于所述传感部分的图案特征尺寸，或者所述金属膜的加热部分的膜厚度大于所述传感部分的膜厚度。通过这样的方式，将电阻值大的金属膜部分作为温度传感器，从而实时获取所述微加热器的加热温度。

进一步的，基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置还包括可开启的密封箱，所述微加热器固定设置于密封箱的底部，所述微流控芯片可拆卸设置于所述微加热器上，所述密封箱在关闭状态为暗室，所述密封箱内还可拆卸设置有芯片进样适配器，包括内嵌磁铁的上盖和基底，用于辅助将所述待测样品装载至所述反应腔。

进一步的，基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置还包括密封座，用于所述密封微流控芯片的输入口和输出口；所述密封座包括上顶座、下底座和设置于所述上顶座和所述下底座之间的密封垫。完成样品进样后，使用密封座封闭微流控芯片的输入口和输出口，压紧固定即可完成芯片密封，可防止预混液在高温反应中的蒸发和气溶胶污染。

进一步的，所述密封座的下底座上设置有多个通孔，所述通孔分别与所述微流控芯片的所述输入口和所述输出口相连通，用于辅助将所述待测样品装载至所述反应腔。

与现有技术相比，本实用新型有如下有益的技术效果：

本实用新型实施例的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，通过以微流控生物芯片为装载样本的容器，芯片的衬底与微加热器的金属膜部分相接触，在微加热器的升温降温调控下，可进行PCR反应，同时通过荧光信号采集模块对每个PCR反应循环终点的荧光图像进行采集，从而实现PCR反应期间的实时荧光监测。采用镀金属薄膜的硅基微加热器作为加热部件，热传导性高，良好的温度-电阻线性曲线，从而实现快速准确升降温。同时硅质微加热器的功耗低，体积小，大大提高了设备的可便携性。微流控生物芯片与加热器紧密结合，有利于提高热传导效率。通过在微流控芯片上设置多个PCR反应腔，支持单次多样本检测，同时密闭式的封装有效避免样品交叉污染的风险，确保检测结果的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的微流控芯片的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的硅质微加热器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的荧光定量PCR检测装置的反应室的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的密封座的结构示意图。

附图标记说明：

1-硅基衬底，2-传感接线端，3-加热接线端，4-基底，5-输入口，6-输出口，7-反应腔，8-密封垫，9-上顶盖，10-下底座，11-微加热器，12-反应室面板，13-反应室滑盖（即密封箱上盖），14-微流控芯片，15-芯片架，16-密封座。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型的第一方面提供了一种基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，包括：微流控芯片14、微加热器11、荧光信号采集模块和控制模块。其中，控制模块中的驱动控制模组与微加热器11和荧光信号采集模块相连接，用于控制微加热器11对微流控芯片14进行加热以及控制荧光信号采集模块进行荧光采集；微流控芯片14用于为核酸样本提供体外扩增场所；微加热器11则包括加热单元和冷却单元，微加热器11紧贴微流控芯片14放置，为核酸样品扩增提供温度条件；荧光信号采集模块的采集端垂直对应于微流控芯片14，按照设定的程序对芯片内的荧光图像进行采集。

图1为本实用新型实施例的微流控芯片的结构示意图。如图1所示，微流控芯片14包括：基底4和透明封闭盖板（图中未示出），位于基底4上的至少一个独立的反应腔7，每个反应腔7的相对两端分别设置有输入口5和输出口6。

在本实施例中，基底4由传热材料例如金属或半导体材料制得，例如由晶圆制备的硅基基底，可实现良好的导热性，从而实现反应腔7内待测样品的快速升降温。

优选的，基底4上可并排设置多个反应腔7，以提高PCR反应通量，一次可同时检测多个样品。例如反应腔7可以为4-16个。反应腔7的刻蚀深度范围为320-400μm，对应的样品体积为12-15μL。在本实施例中，基底4上的反应腔7可以采用标准MEMS（Micro-electromechanical Systems）工艺中的光刻和湿法刻蚀制得，且对反应腔7的内表面进行亲水修饰，使其具有生物兼容性，亲水涂层的材料包括二氧化硅，PEG（聚乙二醇），PVA（聚乙烯醇）等。

在基底4上覆盖有透明的封闭盖板，例如石英玻璃盖板。基底4和玻璃盖板构成微流控芯片的密封结构。每个反应腔7通过设置于基底4上的输入口5和输出口6与外部连通，借助待测样品的毛细力实现样品的装载。

图2为本实用新型实施例的硅质微加热器11的结构示意图。如图2所示，硅质微加热器11包括硅基衬底1，以及形成于硅基衬底1上的金属膜。在本实施例中，金属膜采用铂金。金属膜通过电阻值区分为加热部分和传感部分，其中电阻值大的部分为传感部分，电阻值小的部分为加热部分。在本实施例中，金属膜通过沉积方式形成。在一个可选的实施例中，加热部分和传感部分通过金属膜图案来区分，即图案的特征尺寸较小的为传感部分，图案的特征尺寸较大的为加热部分。在另一个可选的实施例中，加热部分和传感部分通过金属膜的沉积厚度来区分，即金属膜的厚度较小的部分为传感部分，金属膜的厚度较大的部分为加热部分。金属膜的加热部分具有加热接线端3，用于接通外部电源；金属膜的传感部分具有传感接线端2，用于通过读取电阻值获取微加热器的实时温度，根据预设的程序对硅基加热器进行调整，为PCR反应提供温度条件。加热接线端3和传感接线端2分别与控制模块中的驱动控制模组相连。

在本实施例中，微加热器11还包括冷却单元，用于对微流控芯片14进行冷却。具体的，冷却单元可以为设置在微加热器11背面的轴流风扇。当微加热器11的加热片需要实时降温时，打开轴流风扇，加快微加热器11的降温速率。

在本实施例中，微加热器11的尺寸为29mm*32.5mm，约1寸,对应的加热功率为5W-70W, 该加热需求可以使用电池作为电源，例如输出电压可以为20V锂电池。

采用硅质微加热器11可以实现仪器的小型化和超快速的升降温，升温速率可以达到40℃/s， 降温速率可以达到10℃/s。PCR反应的变温过程最短可以缩短至10min。对比传统实验室内PCR仪的2-3h反应时间，可大大提高反应效率，实现现场快速核酸检测。同时，本实施例中采用铂金沉积于硅晶片表面制作微加热器。基于焦耳热原理，在加热接线端3通电后金属薄膜发热，利用硅基材料的高导热性能，通过将微流控芯片14紧贴微加热器11表面，实现芯片内反应腔的混液的快速升降温控制。铂金制的金属薄膜具有良好的温度和电阻值相关性，通过读取传感接线端2的电阻值，可实时监测微加热器11的实时温度，在经过校准后，可为PCR反应提供准确的温度条件。此外，低功耗和体积小巧的微加热器，有利于实现设备的小型化，为快速现场检测提供可能。

荧光信号采集模块与控制模块中的驱动控制模组相连，由密闭光路通道、滤光片、聚光镜、LED灯以及荧光采集单元组成。其中，荧光采集单元可以为CMOS摄像头。

在本发明实施例中，优选的，荧光定量PCR检测装置还包括可开启的密封箱。图3为本实用新型实施例的荧光定量PCR检测装置的反应室（即密封箱内部）的结构示意图。如图3所示，微加热器11固定设置于密封箱的底部，微流控芯片14可拆卸设置于微加热器11上。将微流控芯片14和微加热器11设置在密封箱内，使得该荧光定量PCR检测装置更加便携，适合现场检测。当密封箱的上盖13（即反应室滑盖13）关闭时保证箱体内为暗室，适合荧光采集。

在本实施例中，荧光定量PCR检测装置还包括密封座16。图4为本实用新型实施例的密封座16的结构示意图。如图4所示，密封座16包括上顶座9、下底座10和设置于上顶座9和下底座10之间的硅胶密封垫8。其中，上顶座9用于密封微流控芯片14的输入口5和输出口6；下底座10用于连接微流控芯片14和固定上顶座9；硅胶密封垫8用于加强密封性防止液体泄漏。微流控芯片14的输入口5和输出口6与密封座16的下底座10下侧相连，微流控芯片端口与密封座16的孔位相对，并使用UV胶固定微流控芯片14和下底座10。如图3所示，在微流控芯片14完成样品进样后，使用密封座16封闭微流控芯片14的输入口5和输出口6，压紧固定即可完成芯片密封，可防止PCR预混液在高温反应中的蒸发和气溶胶污染。在本实施例中，密封座16的材料优选为亚克力。

如图3所示，在本实施例中，密封座16的下底座10上设置有多个通孔（图中未示出），这些通孔分别与微流控芯片14的输入口5和输出口6相连通，用于辅助将待测样品装载至反应腔7。芯片架15位于微加热器11上方，用于固定微流控芯片14并使其紧贴微加热器11。为更好地完成样品装载操作，在一个优先的实施例中，密封箱内还可拆卸设置有芯片进样适配器（图中未示出），用于辅助将样本注入反应腔7。芯片进样适配器包括内嵌磁铁的上盖和基底，当微流控芯片14插入芯片进样适配器的基底后，芯片进样适配器上盖的磁铁通过磁力吸紧基底，从而固定微流控芯片14，方便用户将样本注入反应腔7内。完成进样和密封后，将微流控芯片14垂直插入芯片架15中，关闭反应室滑盖13（即密封箱上盖13），此时反应室面板12内形成暗室，荧光信号采集模块的采集端（图3中未示出）正对微流控芯片14的透明盖板侧，在无光环境中对每个PCR循环终点的荧光信号进行采集。完成PCR测试后，将微流控芯片14从反应室面板12内取出，微流控芯片14可以一次性使用或根据需要处理反应腔7内的生化物质后循环使用。

下面具体描述利用本实用新型实施例的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置对病毒（例如新型冠状病毒）进行PCR荧光定量核酸检测的方法。该方法包括如下步骤：

步骤a、制备基因样品以及PCR反应的预混液，其中制备基因样品包括样本采集和核酸提取；

步骤b、将提纯的核酸与预混液混匀，装载入微流控芯片的反应腔内；

步骤c、根据试剂盒的说明书设定PCR反应温度程序，荧光采集时间节点，点击启动。

其中，步骤b进一步包括：

步骤b1、将微流控芯片夹紧于芯片进样适配器中，使微流控芯片的输入口、输出口分别与外界大气连通；

步骤b2、将吸有预混液的移液枪枪头抵住微流控芯片的输入口，轻轻按压移液枪排液按钮，以使预混液于毛细力作用下进入反应腔内；

步骤b3、重复步骤b2,直至完成所有反应腔室的进样；

步骤b4、将微流控芯片由芯片进样适配器中拆下，使用密封座将微流控芯片的输入口、输出口封闭，压紧固定即可完成微流控芯片的密封。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，包括：

微流控芯片（14），包括：基底（4）和透明封闭盖板，以及位于所述基底（4）上的至少一个独立的反应腔（7），每个所述反应腔（7）设置有输入口（5）和输出口（6），每个所述反应腔（7）通过所述输入口（5）和所述输出口（6）借助待测样品的毛细力实现样品的装载；

微加热器（11），包括：硅基衬底（1），以及形成于所述硅基衬底（1）上的金属膜，所述金属膜通过电阻值区分为加热部分和传感部分，所述微流控芯片（14）的基底（4）紧贴所述金属膜放置；

荧光信号采集模块，用于采集PCR反应的荧光图像；

控制模块，与所述微加热器（11）和所述荧光信号采集模块相连接，用于控制所述微加热器（11）对所述微流控芯片（14）进行加热以及控制所述荧光信号采集模块进行荧光采集。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述至少一个独立的反应腔（7）为4-16个。

3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述反应腔（7）的凹槽内壁具有亲水涂层。

4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述金属膜的加热部分具有加热接线端（3），用于接通外部电源；所述金属膜的传感部分具有传感接线端（2），用于通过读取电阻值获取所述微加热器（11）的实时温度。

5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述微加热器（11）还包括冷却单元，用于对所述微流控芯片（14）进行冷却。

6.根据权利要求5所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述冷却单元为设置在所述微加热器（11）背面的轴流风扇。

7.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述金属膜的加热部分的图案特征尺寸大于所述传感部分的图案特征尺寸；或者，所述金属膜的加热部分的膜厚度大于所述传感部分的膜厚度。

8.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，还包括可开启的密封箱，所述微加热器（11）固定设置于密封箱的底部，所述微流控芯片（14）可拆卸设置于所述微加热器（11）上，所述密封箱在关闭状态为暗室，所述密封箱内还可拆卸设置有芯片进样适配器，包括内嵌磁铁的上盖和基底，用于辅助将所述待测样品装载至所述反应腔（7）。

9.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，还包括密封座（16），用于密封所述微流控芯片（14）的输入口（5）和输出口（6）；所述密封座（16）包括上顶座（9）、下底座（10）和设置于所述上顶座（9）和所述下底座（10）之间的密封垫（8）。

10.根据权利要求9所述的基于微流控芯片的荧光定量PCR检测装置，其特征在于，所述密封座（16）的下底座（10）上设置有多个通孔，所述通孔分别与所述微流控芯片（14）的输入口（5）和输出口（6）相连通，用于辅助将所述待测样品装载至所述反应腔（7）。

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