核酸扩增检测装置

技术领域

本发明特别涉及一种核酸扩增检测装置，属于核酸扩增检测技术领域。

背景技术

核酸扩增检测技术被广泛应用于基因检测、致癌突变检测以及感染性疾病检测。聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)是最常用的核酸扩增技术，其利用一段DNA为模板，在DNA聚合酶、引物和核苷酸底物共同参与下，通过温度循环实现目的DNA指数形式的扩增，具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。

PCR反应通过控制反应液经过高温变性、低温退火及适温延伸等一系列关键步骤组成一个周期，循环进行，实现以目标片段为模板的核酸扩增。目前商品化的PCR仪主要对半导体帕尔贴器件施加不同方向的直流电实现制冷或加热效应，通过改变电流方向实现温度循环，也有PCR仪以空气介质实现对样品的温度循环。这些设备存在的问题是加热和制冷速度较慢，通常加热速度最快为5℃/s而制冷速度最快为2℃/s，造成完成一个温度循环的时间达2分钟，不能满足应用需求。

除了受限于设备的加热和制冷速度，快速温度循环还和加热设备与反应腔之间的热传导效率相关，PCR反应管的外型需要和设备的温度腔通过施加机械压力的方式紧密贴合接触，为提高温度循环效率和热传导效率，有些厂家选用银作为温度腔材料；热传导效率还受反应管制造工艺水平影响较大；还有文献报道采用液态金属实现温度循环设备和反应腔的紧密贴合，但液态金属操作不便且易氧化，实现商品化设备比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核酸扩增检测装置，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种核酸扩增检测装置，包括：微流控扩增芯片，所述微流控扩增芯片具有用于容置反应液以及可供进行核酸扩增反应的反应腔，所述反应腔的腔壁内侧设置有能够吸收光照而快速升温的导热结构层。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种LED加热和风冷却的温度循环方案并配合由单面或者双面铝塑膜贴合形成的反应腔实现对反应液直接加热，实现了快速核酸扩增，具有功耗低，成本低和易现场部署等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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是本发明一典型实施案例中提供的一种核酸扩增检测装置的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中提供的一种微流控扩增芯片的芯片层的结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例中提供的一种核酸扩增检测装置的结构示意图；

图4是本发明一典型实施案例中提供的一种核酸扩增检测装置的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

为提高温度循环速度，本发明实施例提供了一种LED加热和风冷却的温度循环方案并配合由单面或者双面铝塑膜贴合形成的反应腔实现对反应液直接加热，实现了快速核酸扩增，具有功耗低，成本低和易现场部署等特点。

为了PCR反应效率，通常通过优化引物设计、选择最优反应效率温度范围较宽的聚合酶和优化反应液，使得退火和延伸步骤在同一温度进行，最佳温度范围通常为60-72℃，最佳温度范围还可扩展至50-75℃，这样PCR反应体系只需要90-98℃变性温度和50-75℃退火和延伸温度，为两步法PCR；本发明实施例为针对两步法PCR提出的快速温度循环装置和微流控扩增芯片。

本发明实施例提供了一种核酸扩增检测装置，包括：微流控扩增芯片，所述微流控扩增芯片具有用于容置反应液以及可供进行核酸扩增反应的反应腔，所述反应腔的腔壁内侧设置有能够吸收光照而快速升温的导热结构层。

在一些较为具体的实施方案中，所述微流控扩增芯片包括芯片层和导热结构层，所述芯片层具有至少一个微流通道，所述导热结构层设置在所述芯片层的第一面和/或第二面，所述导热结构层与所述微流通道围合形成具有加样口的反应腔，所述导热结构层能够直接对所述反应腔内的反应液进行加热。

在一些较为具体的实施方案中，所述导热结构层为能够吸收光照而快速升温的金属膜，或者，所述导热结构层为由金属膜和塑料膜紧密贴合而形成的塑料金属复合膜，所述塑料膜设置在所述金属膜靠近反应腔的一侧。

在一些较为具体的实施方案中，所述导热结构层为所述反应腔的腔壁的一部分。

在一些较为具体的实施方案中，至少所述反应腔的部分腔壁为透明结构。

在一些较为具体的实施方案中，所述金属膜为透明或不透明的金属膜。

在一些较为具体的实施方案中，所述的核酸扩增检测装置还包括快速温度循环单元，所述快速温度循环单元包括：

恒温腔，所述微流控扩增芯片设置在所述恒温腔内；

光加热机构，所述光加热机构至少用于提供能够使导热结构层快速升温的光照；

控温机构，所述控温机构至少用于将恒温腔的空气温度调节至退火和延伸温度；

空气循环机构，所述空气循环机构至少用于驱使恒温腔内达到退火和延伸温度的空气流动通过反应腔的表面，以及，驱使所述恒温腔与外部环境实现空气交换。

在一些较为具体的实施方案中，所述光加热机构包括设置在所述恒温腔内的LED光加热机构，所述LED光加热机构的发光面朝向所述导热结构层。

在一些较为具体的实施方案中，所述控温机构包括设置在所述恒温腔内的加热器和温度传感器。

在一些较为具体的实施方案中，所述空气循环机构包括鼓风机构，例如，所述鼓风机构可以是风扇等。

在一些较为具体的实施方案中，所述恒温腔的腔壁上设置有与外界连通的空气交换口。

在一些较为具体的实施方案中，所述的核酸扩增检测装置还包括荧光检测机构，所述荧光检测机构至少用于采集所述反应腔内核酸扩增过程中荧光强度。

在一些较为具体的实施方案中，所述荧光检测机构包括激发光源和光敏检测器，所述激发光源和光敏检测器与所述芯片层连接。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中的一种核酸扩增检测装置所采用的芯片层、金属膜、LED光加热机构、鼓风机构、加热器、温度传感器、激发光源和光敏检测器等均可以采用本领域技术人员已知的元器件，其均可以通过市购获得，可以理解的，本发明实施例主要对所述核酸扩增检测装置结构组成以及各组成结构之间的连接关系等进行解释和保护，其中组成结构的具体尺寸、加工工艺等不做具体的限定，本领域技术人员可以根据具体情形进行调整。

请参阅图1-图4，一种核酸扩增检测装置，包括：快速温度循环单元1、微流控扩增芯片2和荧光检测机构3。

在本实施例中，所述快速温度循环单元包括恒温箱16、加热器11、温度传感器12、鼓风机构13和光加热机构15，所述恒温箱16内部具有恒温腔，所述恒温箱16上开设有连通恒温腔和外界环境的空气交换口17，所述鼓风机构13设置在所述空气交换口17处。

在本实施例中，所述加热器11和温度传感器12设置在所述恒温腔内，所述加热器11与所述温度传感器12连接，所述加热器11用于对恒温腔内的空气进行加热，以将所述恒温腔内的空气加热至退火和延伸温度，所述温度传感器12用于监测所述恒温腔内的空气温度。

在本实施例中，所述加热器11可以通过本领域技术人员已知的方式设置在所述恒温腔的内壁上，所述加热器11可以是电阻丝加热膜等，所述温度传感器12可以是热电偶或温敏电阻等，所述热电偶可以是K型热电偶等，所述温敏电阻可以是pt100、pt1000等型号的温敏电阻。

在本实施例中，所述光加热机构15可以为LED或半导体激光光源及光路加热机构等，所述光加热机构15设置在所述恒温腔内，所述LED光加热机构的发光面朝向所述微流控扩增芯片2的导热结构层22。

在本实施例中，所述LED光加热机构高功率的LED、散热装置及控制电路，所述LED与所述控制电路连接且与所述散热装置导热配合，需要说明的是，所述高功率的LED、散热装置及控制电路均可以通过市购获得，在此不对其具体的结构进行限定。

在本实施例中，所述LED提供的发射光的中心波长为400nm–800nm，也可以为800nm–1.6μm。

在本实施例中，所述LED的最大电功率为100mW–50W,优选的为1W–20W，所述LED的平均电功率可以通过脉冲宽度调制(PWM)进行调节，可以实现对加温速度的控制。

在本实施例中，所述鼓风机构13可以是风扇等，所述鼓风机构13可以驱使恒温腔内的退火和延伸温度的空气流动并通过微流控扩增芯片2的反应腔表面，以实现反应腔及反应腔内部反应液的快速降温。

在本实施例中，所述鼓风机构13还能够驱使恒温腔内的退火和延伸温度的空气与外界环境的空气进行交换，从而可以快速实现恒温腔内的空气补充和快速降温，以满足不同反应体系对退火和延伸温度的不同要求，也可以满足LED产生的热量对恒温腔内空气温度升高的补偿。

在本实施例中，所述空气交换口17可以是设置有一个或多个，当设置多个时，优选设置在所述恒温箱相对的两个侧壁上，以提高恒温腔内与外界环境的空气交换效率。

在本实施例中，所述微流控扩增芯片2包括芯片层21和导热结构层22，所述芯片层21具有至少一个微流通道，所述导热结构层22设置在所述芯片层21的第一面和/或第二面，所述导热结构层22与所述微流通道围合形成具有加样口24的反应腔23，所述导热结构层22能够吸收光照而快速升温进而直接对所述反应腔23内的反应液进行加热，优选的，所述第一面和第二面背对设置。

在本实施例中，所述LED通过照射在覆盖在反应腔23表面的导热结构层22，可以实现对反应腔和反应腔内的PCR反应液的加热，且可以控制加温速度1℃/s-40℃/s，优选的10℃/s-20℃/s。

在本实施例中，所述导热结构层22为能够吸收光照而快速升温的金属膜，或者，所述导热结构层为由金属膜和塑料膜紧密贴合而形成的塑料金属复合膜，所述塑料膜设置在所述金属膜靠近反应腔内部的一侧。

在本实施例中，至少所述反应腔的部分腔壁为透明结构，优选的，所述金属膜为透明或不透明的金属膜。

在本实施例中，所述反应腔23为兼容PCR反应体系的材料加工成的微小反应腔室，反应腔的体积可以为100nL-100μL，优选为1μL-50μL，尤其优选为5μL-20μL。

在本实施例中，所述反应腔23与缓冲腔25连通，所述缓冲腔25与加样口24连通。

在本实施例中，所述反应腔的底面和顶面(所述底面和顶面中的一者为第一面，另一者为第二面)可以单面或者双面覆盖可以吸收光照快速升温的金属膜，所述金属膜可以但不限于铝、铬、金等，所述金属膜应选择可以高效吸收LED发射波长的金属成分，所述金属膜的厚度应保证高功率LED对反应体系的试剂或者荧光染料没有影响。

在本实施例中，所述金属膜可以但不限于采用电子束蒸发、磁控溅射和物理气相沉积等方法蒸镀于反应腔表面，也可以用电镀等方法覆盖反应腔表面，可以理解的，所述电子束蒸发、磁控溅射和物理气相沉积等方法蒸镀等均可以采用本领域技术人员已知的方式实现。

在本实施例中，所述反应腔底面和/或顶面还可以直接由薄金属片构成，所述金属片表面需要进行钝化或相应处理，以降低表面吸附和减少对聚合酶或其他反应组分的抑制作用。

在本实施例中，所述反应腔的底面和/或顶面还可以用塑料金属复合膜构成，其中的金属膜用于吸收光照快速升温，塑料膜构成反应腔内壁，所述塑料膜可选用PCR反应体系兼容材料，所述塑料膜包括但不限于聚丙烯、聚碳酸酯等，所述塑料金属复合膜中的塑料膜和金属膜紧密贴合，保证良好的热传导。

在本实施例中，所述PCR反应体系中的PCR反应产物可以用凝胶电泳、毛细管电泳或者特异性序列杂交等终点法进行鉴定或检测。PCR反应也可以用实时荧光定量方法在反应过程中进行检测；例如，当PCR反应腔的底面或顶面单面被不透明金属膜覆盖时，实时荧光检测可以从未被金属膜覆盖的透明底面或顶面检测，也可以通过反应腔透明的侧面进行检测；当PCR反应腔的底面和顶面双面被不透明金属膜覆盖时，实时荧光检测可以通过反应腔透明的侧面进行检测。

在本实施例中，请再次参阅图4，所述微流控扩增芯片2上还设置有镂空结构25，所述镂空结构25至少用于减小微流控扩增芯片的热容，加快升温和降温速度。

在本实施例中，所述荧光检测机构3包括激发光源31和光敏检测器32，所述激发光源31和光敏检测器32与所述芯片层21连接。

如下将结合附图和具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

提供如图1所示的快速核酸扩增设备，所述快速核酸扩增设备包括恒温箱16、LED光加热机构15和荧光检测机构3，核酸扩增反应在一次性微流控扩增芯片2内完成，所述恒温箱16外部使用绝热材料层包裹，使风扇13按照温度控制需求送排风，使退火和延伸温度的空气定向吹过微流控扩增芯片2表面的空气14(14也可理解为气流方向)与恒温箱内部温度一致，从而快速将反应液降温至退火和延伸温度；使激发光和检测光由一根Y型光纤传导至芯片层21表面并采集核酸扩增过程中荧光强度的变化，实现荧光定量PCR。

实施例2

提供采用注塑工艺制造聚丙烯微流控扩增芯片，所述反应腔的直径5mm,深度0.5mm,体积约为10μL,如图2所示；采用流延聚丙烯铝塑复合膜形成反应腔的底面，将聚丙烯铝塑复合膜贴在微流控扩增芯片2的底面后，加压置于160℃热台5s完成贴合过程；加入PCR反应液后，封闭加样孔后，进行两步法温度循环扩增，打开LED后，升温速度为20℃/s，升温至95℃后，进行模板变性步骤2s，关闭LED,强制循环送风，降温速度平均约为8℃/s，降温至65℃，进行引物退火和延伸步骤5s,每个温度循环时间约为15s,可在10分钟内完成40个温度循环，实现核酸快速扩增。

实施例3

提供如图3所示的快速核酸扩增设备，所述快速核酸扩增设备包括恒温箱、LED光加热机构和荧光检测机构，核酸扩增反应在一次性微流控扩增芯片内完成；所述恒温箱外部使用绝热材料层包裹，其中的加热器采用PTC陶瓷加热器件，所述温度传感器采用Pt 100热电阻，风扇按照温度控制需求送排风；定向吹过微流控扩增芯片表面的空气14与恒温箱的内部温度一致，快速将反应液降温至退火和延伸温度；激发光通过光纤传导至芯片层的侧面，被激发产生的荧光由另一根光纤传导光电二极管，连续监测荧光强度的变化，实现荧光定量PCR。

实施例4

提供采用数控机床加工聚丙烯微流控扩增芯片，所述聚丙烯微流控扩增芯片中的聚丙烯板的厚度为1mm，所述反应腔的加工方式为穿孔，边长为5mm，所述反应腔体积约为25μL，采用流延聚丙烯铝塑复合膜作为反应腔底面和顶面；

将复合膜贴在微流控扩增芯片底面后，加压置于160℃热台5s完成贴合过程，再将复合膜贴在微流控扩增芯片顶面后，加压置于160℃热台5s完成贴合过程，形成反应腔；加入PCR反应液后，封闭加样孔后，进行两步法温度循环扩增，打开LED后，控制升温速度为30℃/s，升温至95℃后，进行瞬间模板变性步骤，关闭LED,强制循环送风，降温速度平均约为8℃/s，降温至65℃；进行引物退火和延伸步骤5s,每个温度循环时间约为12s,可在8分钟内完成40个温度循环，实现核酸快速扩增。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。