一种试剂控温的核酸测序系统

技术领域

本发明涉及一种试剂控温的核酸测序系统，属于基因测序领域。

背景技术

基因测序是近年的新兴行业。基因测序现在的主流是二代测序。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序，即通过捕捉新合成的末端的标记来确定核酸的序列。一般的，二代测序技术都需要周期性的加热和冷却过程。不仅二代测序，类似PCR也需要周期性的升降温。温控的准确性影响着生物反应的能否正确发生，升降温速率则直接制约着测试的时长和周期。常规温控方法是靠帕尔贴等加热装置对放置芯片的平台以及芯片进行加热，再通过芯片面板的传热来加热芯片腔室里的反应液。对于微坑阵列芯片而言，微坑里溶液体积通常为飞升(fL，10

发明内容

本发明提供一种试剂控温的核酸测序系统，其特征在于包括，第一温控系统，包含第一温度的试剂及其储存装置；试剂切换系统；第二温控系统，包含被配置以第二温度的试剂及其储存装置；基因测序芯片；其中，所述基因测序芯片包括第一试剂层和第二试剂层；所述的第一温控系统中的储存装置储存的试剂与第二温控系统中的储存装置储存的试剂通过流体管路连接到试剂切换系统；所述基因测序芯片的其中一个内表面上有预先制备好的微坑。

根据优选的实施方式，所述第一温控系统的温度控制在0-25摄氏度；优选4-20摄氏度；更优选4-15摄氏度；所述第二温控系统的温度控制在60-95摄氏度；优选65-90摄氏度。

根据优选的实施方式，还包括常温储存装置，所述常温储存装置包括常温洗液储存装置。

根据优选的实施方式，基因测序芯片包括第一基因测序芯片和第二基因测序芯片。

根据优选的实施方式，所述第一测序芯片和第二测序芯片共用光学系统，循环采集信号。一种密封油控温的核酸测序系统，其特征在于包括：第一温控系统，包含第一温度的试剂及其储存装置；试剂切换系统；第二温控系统，包含被配置以第二温度的试剂及其储存装置；基因测序芯片；其中，所述的第一温控系统中的储存装置储存的试剂与第二温控系统中的储存装置储存的试剂以管路的形式连接到试剂切换系统，并被可选择的加入基因测序芯片；其中所述基因测序芯片包括第一测序芯片和第二测序芯片；两个测序芯片通过流体管路连接到试剂切换系统，并被可选择的加入试剂；所述第一温度的试剂包括测序试剂和密封油。

一种密封油控温的基因测序方法，其特征在于包括：第一温控系统，包含第一温度的试剂及其储存装置；试剂切换系统；第二温控系统，包含被配置以第二温度的试剂及其储存装置；基因测序芯片；其中，所述基因测序芯片的反应室的至少一个表面上有预先加工的微坑；所述第一温度的试剂包括测序试剂和密封油；所述第二温度的试剂为密封油；测序的时候，将第一温度的测序试剂通过试剂切换系统加入基因测序芯片；将第一温度的密封油加入基因测序芯片；将第二温度的密封油加入基因测序芯片；检测，获得测序信号。

根据优选的实施方式，所述第一温度的密封油和第二温度的密封油的成分是相同的。

根据优选的实施方式，其特征在于，测序试剂包括测序试剂一和测序试剂二；每个测序试剂包含A、G、C、T核苷酸分子中的两种，或者每个反应液包含A、G、C、U核苷酸分子中的两种；两个测序试剂中的核苷酸分子的碱基互补。

根据优选的实施方式，包括以下步骤，

向测序芯片通入第一温度储存的测序试剂一；

通入第一温度储存的密封油；

通入第二温度储存的密封油；

测序反应发生后拍照记录测序信号；

通入第一温度储存的测序试剂二；

通入第一温度储存的密封油；

通入第二温度储存的密封油；

测序反应发生后拍照记录测序信号。

本申请中采用了特殊的油封芯片技术。这种技术在基因测序领域据申请人所知，并未有其它人应用过。本发明具备以下优点：(1)芯片分层；芯片第一层也可以被称为反应室层，芯片第二层也可以被称为加热层；双层芯片保证了加热冷却流体以及反应液进入不同的芯片层。流体加热的形式以最接近反应室的方式进行。(2)替换掉了本身的加热板结构。节省了复杂的加热结构。精简结构带来的好处是显而易见的，首先不需要复杂的温度控制系统，并且，不需要加热板冷热温度循环。这大概能缩短20％左右的加热控制时间。由于基因测序并不是短时间反应，例如10分钟，例如1小时；一般的，可以达到15-50小时，这种结构带来的改变是显著的。(3)节省了加热冷却结构。常规的电加热结构中，急速冷却需要用到冷却装置。一般的采用水冷装置。这种装置的结构比较大。从这个方面来说，可以节省很多的测序仪空间，有利于测序仪的小型化。(4)提高了效率。采用冷热油加热的方式，可以同时控制第N芯片。多块芯片同时控制的时候，只需要将不同的冷热油流体加入芯片即可。如果用常规的加热板结构，不同的芯片需要不同温度的时候，每个芯片都需要配置一套加热冷却模块。这种庞大的配置是无法实现的，或者说是不现实的。而冷热油机构对比提出了全新的设置。只需要控制每个芯片的流体(包括测序试剂、冷热油、清洗液等，按照设定的程序加入)，就可以精确控制每一个芯片的进程。多套芯片的复杂程度只体现在流体系统的改进。这种改进体现了巨大的集成化优势。

附图说明

图1发明装置图；标注为：1-微坑阵列芯片，2-芯片流体入口，3-信号采集装置，4-阀，5-泵，6-试剂温控台，7-洗液一瓶，8-测序试剂一瓶，9-测序试剂二瓶，10-冷油瓶，11-热油瓶，12-洗液二瓶，13-废液瓶。

图2为冷热油控温的升降温曲线及帕尔贴控温的升降温曲线图。

图3芯片结构图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的核心内容，现将本发明用下面的例子作为说明。实施例是为了进一步解释发明内容部分，并不对于本发明造成限制。

基因测序领域属于特殊的生物化学应用领域。一般的，都是用电制热制冷的方式控制温度。基因测序属于特殊的应用领域，体积小，周期长，信号灵敏度要求极高，过程影响严重。基因测序的过程中，温度控制一直以来是一个比较困难的课题。常见的温度控制是用电加热的方式，例如帕尔贴。常规的加热方式对于芯片有极高的要求。芯片底部与加热装置贴合的部分的光滑程度、平整度、传热效率都会对于测序的实际温度有严重的影响。

本发明提供一种试剂控温的核酸测序系统，其特征在于包括，第一温控系统，包含第一温度的试剂及其储存装置；试剂切换系统；第二温控系统，包含被配置以第二温度的试剂及其储存装置；基因测序芯片；其中，所述基因测序芯片包括第一试剂层和第二试剂层；所述的第一温控系统中的储存装置储存的试剂与第二温控系统中的储存装置储存的试剂通过流体管路连接到试剂切换系统；所述基因测序芯片的其中一个内表面上有预先制备好的微坑。

一般的，冷热油并不是唯一的加热冷却流体选择。芯片分为双层，第一层用于进入测序试剂并且反应，第二层用于为测序芯片提供测序所需要的温度。因此，第二层的流体并没有严格的限制，一般的不易挥发的流体，例如水、水的盐溶液、甘油的水溶液、氟油等等都可以作为加热冷却流体。加热冷却流体并不接触测序试剂，因此，其选择范围很大。

根据优选的实施方式，加热冷却的流体选自水、氟油、水溶液混合物中的一种。

基因测序芯片的微反应室是有倾向的。有利的，一般选择最靠近芯片外部表面的内表面上制备微反应室。芯片分为多层，当芯片的微反应室最靠近外部表面的时候，是最有利于拍照的，而不用再透过芯片的第二层进行拍照。

基因测序芯片每一层的厚度并没有十分特殊的限定。一般的，基因测序芯片的第一层和第二层之间用薄层玻璃隔开即可。例如0.3mm厚度的BF33。一般的以不超过0.5mm为宜。当中间隔开的玻璃过于厚的时候，例如厚度超过1mm，则可能影响加热制冷的速率。

本发明所涉及的测序芯片的其它部分结构在所提到的专利中已经有描述，本发明则不再重复。

根据优选的实施方式，包括第二测序芯片。

根据优选的实施方式，所述第一测序芯片和第二测序芯片共用光学系统，循环采集信号。

根据优选的实施方式，第一测序芯片和第二测序芯片的冷热流体温度是不一样的。也就是说，当第一测序芯片进入热流体，使得其保持在测序反应温度的时候；第二测序芯片可以进入冷流体。可以采用油作为冷热流体。通过这样的方式，两个测序芯片的运行是基本不互相干扰的，可以使用一套流体系统，同时让两个测序芯片工作。大大提高了应用的效率。当然，由于测序分为多个步骤，每个步骤的时间不一样，双芯片测序的过程中不可避免的出现了第一测序芯片需要进入热油，但是第二测序芯片还没完成拍照的情况发生；简单的处理方式就是调整流体加入的顺序，比如推迟第一测序芯片的热油加入顺序即可。总体来说，提高了测序的效率。这种好处是很大的，现有的测序仪中，如果多个芯片互不干扰的测序，则需要多个加热平台，具备不同的温度功能，是一个复杂的工程，甚至来说，每次加一个反应芯片，则需要增加一个加热平台。本发明提供的方法只需要调整流体的加入顺序即可达到控制每个芯片的温度的目的，仅仅增加了流体系统的复杂程度，从一定程度上说，可以快速的增加同一个测序仪上面的芯片数量，并且互不干扰。这一点来讲，对于测序仪属于质的改进。

根据优选的实施方式，测序试剂采用同冷油相同的温度。

根据优选的实施方式，测序试剂、冷油在测序运行过程中的温度是相同的。

根据优选的实施方式，还包括测序试剂储存装置、洗液储存装置。

根据优选的实施方式，包括测试试剂一，用测序试剂一瓶盛放；包括测序试剂二，用测序试剂二瓶盛放；包括测序试剂三，用测序试剂三瓶盛放。

根据优选的实施方式，测序试剂为两种，分别是测序试剂一和测序试剂二。

根据优选的实施方式，测序试剂为三种。

根据优选的实施方式，清洗液为一种。

根据优选的实施方式，清洗液为两种。

根据优选的实施方式，所述流体切换系统包括旋转阀。

根据优选的实施方式，所述测序采用基因测序仪。

根据优选的实施方式，所述测序所用的测序仪包括流体系统，光学系统，芯片载物台。

根据优选的实施方式，所述试剂储存装置的储存温度为0-20摄氏度。

根据优选的实施方式，所述冷油的储存温度为0-20摄氏度。

根据优选的实施方式，所述热油的储存温度为60-95摄氏度，优选65-75摄氏度。

根据优选的实施方式，所述热油或者第二温度的试剂的储存温度为30-45摄氏度。当选择不同的催化酶的时候，基因测序芯片所采用的温度是不同的。

根据优选的实施方式，所述旋转阀的作用为使得旋转阀上的两个或者多个出入口之间形成通路。属于常见的旋转阀功能。

根据优选的实施方式，所述试剂储存装置用于储存测序试剂。

根据优选的实施方式，所述热油储存装置用于储存热油。

根据优选的实施方式，所述冷油储存装置用于储存冷油。

根据优选的实施方式，所述试剂储存装置、热油储存装置、冷油储存装置通过管路连接到第一旋转阀。

根据优选的实施方式，所述第一旋转阀连接到测序芯片。第一旋转阀将测序试剂、冷热油以及必须的其它试剂输送入测序芯片。

根据优选的实施方式，所述第一旋转阀连接到测序芯片的芯片入口。

根据优选的实施方式，所述注射器泵连接到测序芯片的芯片出口。

基因测序芯片属于常规的工艺。常见的，CN2017105741742，CN CN2017105741441,CN201710630287X,201811643917.8,201910156547.3；这几篇专利的内容，可以以引用的方式加入本专利。

一般的，采用旋转阀的方式作为流体控制结构。流体部件之间，通过塑料管连接。一般的采用聚四氟乙烯管进行连接。例如常见的0.3mm，0.6mm等。液路控制的方式在申请人以前的专利中有过介绍，例如CN2017211569462；该专利的内容可以以引用的方式加入本专利中。

一般的，采用加热板的方式控制试剂的温度。试剂瓶的内部可以预先放置温度探头，或者在试剂针的结构上设置温度探头。常见的，试剂瓶是可更换的，采用试剂针携带温度探头的方式会更加方便。试剂的恒温控制并不是复杂的技术。一般的，还会考虑试剂通过连接管路、旋转阀以后的温度降低，可以通过测试出口试剂温度的方式检测流出芯片的油的温度。通常的，高温油的温度比芯片实际需要温度高0.5-5摄氏度，优选0.5-2摄氏度。通常的，低温油的温度比芯片实际需要温度低0.5-5摄氏度，优选1-3摄氏度。温度的控制是经验性的，设备实际工作之前，可以进行微调。

洗液的作用是清洗油。洗液一般的乙醇、丙酮等小分子有机试剂。

一般的冷热油采用相同成分的油。一般的，采用氟油。油起到了密封的作用。常见的，申请人的专利CN201710630287X，CN2017211569462中都有介绍；这两篇专利的部分内容可以以引用的方式加入本专利中。

采用冷热油控制温度在微流控芯片中是少见的。冷热油通入芯片直接加热芯片，并且提供油封，这并不是常见的技术。

本发明具体实施方式中的具体实施例，仅仅是对于本发明的进一步说明，并不够构成成本发明的限制因素.

实施例1

冷热油用于测序反应。测序装置包括：表面种植有待测DNA片段的反应腔室，执行流体控制的泵阀系统，采集信号的光学系统以及中枢控制系统，对反应试剂进行控温的温控系统，参见图1。测试流程包括：(1)实验准备：将芯片放置芯片台，测序反应试剂及冷油瓶放置15℃温控台，将热油瓶放置65℃温控台，洗液一及洗液二常温放置；(2)泵阀系统首先控制洗液一进入反应腔室，清洗反应通道；(3)泵阀系统再控制相应反应液进反应腔室；(4)泵阀系统控制15℃冷油进芯片；(5)打开光源，相机采集信号记录背景值；(6)泵阀系统控制65℃热油进芯片，聚合酶延生反应进行，保持反应时间为45秒；(7)再次抽15℃冷油进芯片，采集信号。(8)泵阀系统抽洗液二进入反应腔室。步骤(2)-(8)为一个测序反应循环。如此循环进测序反应液，直至设定的循环数。

2+2测序，单色：配置3套反应液，每套两瓶，每瓶有两种标记有荧光基团的碱基，荧光基团均为X。一套中的两瓶反应液，恰好包含完整的4种碱基。6瓶溶液互不重复。

第一瓶反应液为测序试剂一；第二瓶反应液为测序试剂二。

完整的测序过程包括三轮，三轮依次进行。每轮的测序过程分别使用上述三套试剂。除此之外完全相同(使用相同的测序引物，反应条件完全相同)。

测序芯片结构参见实施例4,。

每轮测序包含：

1.将测序引物杂交在已经制备好的DNA阵列上

2.开始测序过程。重复2.1-2.4过程有限次。

2.1进第一瓶试剂。反应并采集荧光信号。

2.2清洗flowcell中的全部残留反应液和产生的荧光分子

2.3进第二瓶试剂。反应并采集荧光信号。

2.2清洗flowcell中的全部残留反应液和产生的荧光分子

3.将延伸过的测序引物解旋。

至此，便可进行下一轮实验。

准备反应液：

配制测序反应液洗液，简称洗液，含有:

20mM Tris-HCl pH 8.8

10mM(NH4)2SO4

50mM KCl

2mM MgSO4

0.1％

测序芯片参见实施例4。

将测序芯片置于测序仪上。

使用第一套反应液进行测序。对应于图1，遵循如下流程。

1，通入洗液10mL，冲洗芯片

2，通入100uL测序试剂一(8)进入芯片第一层

3，通入冷却油(10)进入芯片第二层

4，通入热油(11)进入芯片第二层

5，等待1min

6，用473nm激光激发，拍摄荧光图像。

7，通入洗液(7)10mL，冲洗芯片

8，通入100uL测序试剂二(9)

9，通入冷却油(10)进入芯片第二层

10，通入热油(11)进入芯片第二层

11，等待1min

12，用473nm激光激发，拍摄荧光图像。

重复1-13的步骤50次，得到100个荧光信号。

实施例2

根据实施例1所述的方法。设定热油的温度为70摄氏度，冷油的温度为4摄氏度。多轮实验发现，其冷热油的加热效率良好，温度变化见图2中虚线。关闭热油冷油温度控制。将相同的试剂放置在加热板上，设定温度为70摄氏度和4摄氏度循环。两组实验所用的加热及冷却的时间是相同的。加热板的芯片测试温度见图2中实线。这个实验可以说明(1)油加热和电加热芯片升降温速率基本一致。最高温度的不同是因为油加热是直接加热芯片，具备更高的效率。根据具体的情况，需求特定的温度是可控的。当改变芯片下面支撑的材料的时候，油升降温会变得更加快速。简单的，将芯片底部的材料更换的时候，由于只需要加热芯片，而不用考虑庞大的附属设备加热，则提升20％以上的效率。

一般的，电加热的时候，芯片底部同金属热板直接接触，这样具备良好的热传导性。而油加热的时候，则并不要求底部材料具备好的热传导性。这也使得底部材料有了更多的选择性。这种选择性对于工业设计来说，是具备很大优势的。热板表面的平整性加工和保持并不是一个容易的事情。而油加热的方式，则不需要考虑热板材料和加工的问题。

实施例3

根据实施例1所述的装置。图1中1为微坑阵列芯片；2-芯片流体入口；3-信号采集装置；4-阀；5-泵；6-试剂温控台；7-洗液一瓶；8-测序试剂一瓶；9-测序试剂二瓶；10-冷油瓶；11-热油瓶；12-洗液二瓶。其中，微坑阵列芯片具体结构参见实施例4，其它功能结构在专利CN2017105741742中已有描述。流体系统可以参考CN2017211569301。其中部件4中的阀为旋转阀，具备多个入口和出口。部件5的泵为注射器泵，用于提供动力。

根据具体的需求，可以改变微坑阵列芯片的入口个数以及出口个数。实际测序的过程中，测序芯片放置在测序仪上以后，步骤3通入冷却油，需要大概50-100ml，步骤4通入热油，需要50-100ml。同理的步骤9和10。

本实施例根据该特点，改进实施例1中的图1装置。将测序芯片的第二层所用的冷却加热液连接到冷却液或者加热液中去。这样达到了冷却液或者加热液的循环利用。当然，也可以设计更复杂一点的装置，将冷却液和加热液根据剩余的量来确定回收的方向，比如冷却液少的时候，将芯片的第二层的液体全部回收进入冷却液10；当加热液少的时候，将芯片的第二层的液体全部回收进入加热液11。

1，通入洗液10mL，冲洗芯片，冲洗废液进入废液瓶；

2，通入100uL测序试剂一(8)，多余液体进入废液瓶；

3，通入冷却油(10)，多余的油进入冷油瓶10；

4，通入热油(11)，多余的油进入冷油瓶10；

5，等待1min；

6，用473nm激光激发，拍摄荧光图像；

7，通入洗液(7)10mL，冲洗芯片，冲洗废液进入废液瓶；

8，通入100uL测序试剂二(9)，多余液体进入废液瓶；

9，通入冷却油(10)，多余的油进入冷油瓶10；

10，通入热油(11)，多余的油进入冷油瓶10；

11，等待1min

12，用473nm激光激发，拍摄荧光图像。

重复1-13的步骤50次，得到100个荧光信号。

通过这种改进，则多余的油不会被浪费掉。相比于实施例1，每次测序可以节省200ml以上的油。

实施例4

实施例1所述的装置。芯片主要分为三层，参见图3。从上到下分别是底板层101，中间隔层103，第二底板层105。三层组装在一起形成芯片，不同的芯片层之间用双面胶粘结。外界流体通过微反应室芯片层上的孔进入。

芯片结构的剖面图可以如图3所示，底板玻璃层为101，加热冷却液的流体层为102，一侧具备微坑的中间层103，反应液层为104，第二底板玻璃层为105。其中102中，模切的机构形成了空腔式的反应室。103的下表面，也就是与102接触的面，蚀刻有阵列的微反应室。其中，101,103,105为实体层。101和105用BF33玻璃制备，厚度为1mm。103可以用干法刻蚀的玻璃或者微通道板制备，厚度为0.3-0.5mm。本反应用的厚度为0.3mm。为了节省流体，102层的厚度为0.05mm，104层的厚度为0.08mm。所述102层和104层是用预先制备好图案的模切双面胶隔离形成的。

本专利的实施例是对于本发明的进一步解释，并不影响专利的保护范围。