一种快速进行聚合酶链反应的精密设备

技术领域

本发明涉及检测仪器技术领域，尤其涉及一种快速进行聚合酶链反应的精密设备。

背景技术

PCR(polymerase chain reaction，聚合酶链反应)这项技术是由凯利·穆利斯(Kary Mullis)发明，并因此在七年之后的1993年10月，获得了诺贝尔化学奖该项殊荣。该技术是利用一种人工干预的方法，通过反复相同的程序，利用一种特殊的酶，即DNA(deoxyribo nucleic acid，脱氧核糖核酸)聚合酶，来扩增特定的DNA片段。DNA聚合酶天然存在于生物体内，在细胞分裂前进行自我复制。当DNA开始复制时，解旋酶将双股的DNA分开成两个单股。DNA聚合酶便结合在两DNA单股链上，生成互补链。在穆利斯最初的PCR反应中，将DNA聚合酶用于体外试验。双链DNA被加热到96℃，使得双链分离成为两条单链。但是在这个温度下，DNA聚合酶被破坏，因此在每个循环的加热步骤后必须补充新的聚合酶。穆利斯的原始PCR反应效率极低，需要大量时间和DNA聚合酶，并且在整个PCR反应中都需要人来照看。后来，由嗜热细菌水生栖热菌(Thermus aquaticus)体内产生的DNA聚合酶改善了这种低效的PCR反应。由于嗜热细菌生活在温度达到50℃至80℃(122至176℉)的间歇泉中，它的DNA聚合酶具有耐热性。在用于PCR反应时，高温并不能破坏这种DNA聚合酶，因此不需要不断加入新的聚合酶，PCR反应由此变得简单并且可以由机器操作。PCR仪的诞生解决了繁琐的扩增过程，完全由机器通过温度改变实现有效扩增。

PCR扩增仪又称为PCR基因扩增仪、PCR核酸扩增仪、聚合酶链反应核酸扩增仪，是利用PCR技术对特定DNA扩增的一种仪器设备。PCR扩增仪通常由热盖部件、热循环部件、传动部件、控制部件和电源部件等部分组成。

图1为市面上PCR仪示意图，主要包括样品池10、样品池盖20、控制面板30、显示器40、指示灯50、电源开关60和机身70。目前市面上PCR仪全部应用半导体升降温进行扩增反应，应用此种方法在升降温过程中，温度变化时间长，一般一个循环反应在升降温过程中需要经历20-25s，常规PCR须进行40次循环反应，总时间需要800s-1000s，整个反应时间较长，对PCR产物有较大影响，而为了提高变温准确性及变温速率，既要选择高成本的半导体贴片，同时也需要选择传温迅速的导温模块(目前最贵的为镀金模块)，提高了设备成本。另外，由于半导体升降温过程中会发生冲温现象，导致扩增条件发生改变，对PCR准确扩增有较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速进行聚合酶链反应的精密设备，以解决上述问题，防止在PCR反应过程中出现冲温现象，并且可以降低PCR反应时间，提高实验效率。

本发明提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备，包括加热单元、载样台和试验管；所述加热单元包括多个导温模块和多个变温贴，所述导温模块和所述变温贴一一对应；各个所述变温贴的温度相异；所述导温模块的底端与所述变温贴的顶端固定连接；所述变温贴的底端与所述载样台的顶端固定连接；所述导温模块上开设有多个槽孔，多个所述槽孔在所述导温模块的底端的投影的中心连接形成一条直线；所述试验管包括多个样管，多个所述样管可一一对应的插设于任一所述导温模块上开设的多个所述槽孔中。

在一个实施例中，所述导温模块包括导热部和隔热部，所述隔热部包覆在所述导热部的外周；所述隔热部的底端与所述变温贴的顶端固定连接，所述导热部开设有多个所述槽孔。

在一个实施例中，所述试验管还包括连接薄片，多个所述样管的开口端固定卡接于所述连接薄片上。

在一个实施例中，所述快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括第一旋转装置和升降装置；多个所述样管设置于所述升降装置上；所述载样台的底端的中心与所述第一旋转装置固定连接，所述第一旋转装置能驱动所述载样台旋转；所述载样台上设有以所述中心为圆心的圆形容纳区域，所述圆形容纳区域包括多个扇形区域；任意相邻所述导温模块等角度分布于其中一个所述扇形区域上；所述导温模块形成的直线的延长线交汇于所述中心；所述升降装置驱动多个所述样管向上移动以从所述槽孔中脱离后，所述第一旋转装置驱动所述载样台旋转，以使相邻的另一所述导温模块位于多个所述样管下方；所述升降装置驱动多个所述样管向下移动以插设于另一所述导温模块的多个所述槽孔中。

在一个实施例中，所述快速进行聚合酶链反应的精密设备包括多个所述加热单元，所述升降装置包括多个夹持台；多个所述加热单元等角度分布于多个所述扇形区域上；多个所述夹持台与多个所述加热单元一一对应。

在一个实施例中，所述快速进行聚合酶链反应的精密设备包括六个所述加热单元，所述升降装置包括六个夹持台；所述圆形容纳区域包括六个所述扇形区域；六个所述加热单元等角度分布于六个所述扇形区域上；六个所述夹持台与六个所述加热单元一一对应。

在一个实施例中，所述快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括第二旋转装置和升降装置；所述升降装置与所述第二旋转装置连接；多个所述样管设置于所述升降装置上；所述载样台上设有以所述中心为圆心的圆形容纳区域，所述圆形容纳区域包括多个扇形区域；任意相邻的所述导温模块等角度分布于其中一个所述扇形区域上；所述导温模块形成的直线的延长线交汇于所述中心；所述升降装置驱动多个所述样管向上移动以从所述槽孔中脱离后，所述第二旋转装置驱动所述升降装置旋转，以使多个所述样管位于相邻的另一所述导温模块的上方；所述升降装置驱动多个所述样管向下移动以插设于另一所述导温模块的多个所述槽孔中。

在一个实施例中，所述快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括移动装置和升降装置；多个所述样管设置于所述升降装置上；所述导温模块等间距分布于所述载样台上；各导温模块形成的直线相互平行；所述载样台的底端与所述移动装置连接；所述升降装置驱动多个所述样管向上移动以从所述槽孔中脱离后，所述移动装置驱动所述载样台移动，以使多个所述样管位于相邻的另一所述导温模块的下方；所述升降装置驱动多个所述样管向下移动以插设于另一所述导温模块的多个所述槽孔中；或者，所述升降装置与所述移动装置连接；所述升降装置驱动多个所述样管向上移动以从所述槽孔中脱离后，所述移动装置驱动所述升降装置移动，以使多个所述样管位于相邻的另一所述导温模块的上方；所述升降装置驱动多个所述样管向下移动以插设于另一所述导温模块的多个所述槽孔中。

在一个实施例中，所述升降装置包括升降块和夹持台，所述夹持台包括盖板和两个夹持部，两个所述夹持部分别固定于所述盖板相对的两侧，所述夹持部与所述盖板之间形成有卡台；其中一个所述夹持部与所述升降块固定连接；在所述卡台卡住所述连接薄片的情况下，所述盖板盖压于所述样管的开口端。

在一个实施例中，所述加热单元还包括多个风扇模块，每个所述风扇模块一一对应的固定在每个所述变温贴的底端。

在一个实施例中，所述盖板的温度在95℃到105℃之间。

在一个实施例中，所述导温模块上开设有八个所述槽孔。

本发明提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备，包括加热单元、载样台和试验管。其中，所述加热单元包括三个导温模块和三个变温贴，三个所述导温模块和三个所述变温贴一一对应；三个所述变温贴的温度相异；所述导温模块的底端与所述变温贴的顶端固定连接；三个所述变温贴的底端与所述载样台的顶端固定连接；所述导温模块上开设有多个槽孔，多个所述槽孔在所述导温模块的底端的投影的中心连接形成一条直线；所述试验管包括多个样管，多个所述样管可一一对应的插设于任一所述导温模块上开设的多个所述槽孔中。本发明中，通过对三个导温模块设置PCR反应需要的三个温度点，在反应过程中，根据反应不同的步骤，直接将样管插入槽孔中，使样管中的DNA聚合酶迅速达到所需温度，且由于导温模块一直处于所需温度点，因此在改变样管温度过程中，无需再次加热，从而避免冲温现象产生，保证实验结果的准确性。

附图说明

图1为现有PCR仪结构示意图；

图2为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中导温模块俯视图；

图3为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中导温模块侧视图；

图4为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中载样台工作状态第一示意图；

图5为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中载样台工作状态第二示意图；

图6为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中升降装置示意图；

图7为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中升降装置另一状态示意图；

图8为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备中夹持台示意图；

图9为本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备操作界面示意图。

附图标记说明

10-样品池；20-样品池盖；30-控制面板；40-显示器；50-指示灯；60-电源开关；70-机身；100-加热单元；110-导温模块；111-槽孔；112-导热部；113-隔热部；120-变温贴；130-风扇模块；200-载样台；210-中心；220-圆形容纳区域；221-扇形区域；300-试验管；310-样管；320-连接薄片；400-第一旋转装置；500-升降装置；510-升降块；520-夹持台；521-盖板；522-夹持部；523-卡台；530-升降电机；540-丝杆滑轨；600-操作界面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图2～8所示，本发明实施例提供的快速进行聚合酶链反应的精密设备(也可称为快速PCR仪)，包括加热单元100、载样台200和试验管300。其中，加热单元100包括多个导温模块110和多个变温贴120(图中示例性的展示了包括三个导温模块110和对应的三个变温贴120，本实施例以三个导温模块和三个变温贴为例，但需要说明的是，导温模块和变温贴的数量可以自行设定)，三个导温模块110和三个变温贴120一一对应；三个变温贴120的温度相异；导温模块110的底端与变温贴120的顶端固定连接；三个变温贴120的底端与载样台200的顶端固定连接；导温模块110上开设有多个槽孔111，多个槽孔111在导温模块110的底端的投影的中心210连接形成一条直线；试验管300包括多个样管310，多个样管310可一一对应的插设于任一导温模块110上开设的多个槽孔111中。本实施例中，由于导温模块110的温度提前预设完成，因此对变温贴120及导温模块110的材质要求无需过于苛刻，采用普通变温贴120及导温模块110即可，可以极大节省成本。

本领域技术人员可以知晓的是，在PCR反应过程中，样管310的体积都很小，本实施例中，样管310的容量为0.2ml，因此在样管310插入导温模块110的槽孔111中时，样管310内样品的温度能够迅速的达到与导温模块110保持一致，且不会影响导温模块110设定的温度。在本实施例中，三个变温贴120的温度依次设置为95℃、55℃和72℃。此温度为PRC反应过程中，DNA聚合酶需要经过的温度。

本实施例中，通过设置在导温模块110底部的变温贴120来控制导温模块110的温度，使导温模块110保持在设定温度。本领域技术人员还可以理解的是，在一次实验过程中，会用到多个试样进行对比，因此，本实施例中的每个导温模块110均设置有多个槽孔111，如此一来，就可以一次对多个试样进行扩增，加快实验的进程。本实施例中，槽孔111的数量优选为8个，当然，本领域技术人员也可以根据实验的需要，增加或减少槽孔111的数量。本实施例中，由于载样台200上有变温贴120和导温模块110，因此载样台200的材质应选用耐高温材质。

本发明实施例中，通过对三个导温模块110设置PCR反应需要的三个温度点95℃、55℃和72℃，在反应过程中，DNA聚合酶首先在95℃的导温模块110中停留10秒，再在55℃的导温模块110中停留10秒，最后在72℃的导温模块110中停留10秒，如此完成一个循环。由于每次需要的DNA聚合酶较多，需要多个循环才能完成整个扩增过程，例如本实施例中，完成一次扩增反应需循环30次，只需重复上述循环即可，操作方便简单。DNA聚合酶在每一次温度改变的过程中，只需直接将样管310插入槽孔111中，而样管310的体积相对于导温模块110来说很小，因此可以使样管310中的DNA聚合酶迅速达到所需温度，且不会改变导温模块110的温度，而由于导温模块110一直处于设定的温度点，因此在改变样管310温度过程中，无需再次加热，从而避免冲温现象产生，保证实验结果的准确性。

在一个实施例中，导温模块110包括导热部112和隔热部113，隔热部113包覆在导热部112的外周；隔热部113的底端与变温贴120的顶端固定连接，导热部112开设有多个槽孔111。隔热部113可以有效的保持导热部112的温度，避免导热部112的温度降低，以保证样管310每次插入槽孔111中时，槽孔111的温度处于设定温度。同时，由于在实验过程中，导温模块110间距较小，且相邻的导温模块110温度不同，因此，隔热部113还可以避免相邻的导温模块110之间温度相互影响，进一步保证实验结果的准确性。

本领域技术人员可以理解的是，导热部112的材质应该具备良好的导热性，以保证样管310插入槽孔111中后，能迅速使样管310中的样品达到与导热部112的温度一致，本实施例中，导热部112的材质为铜，铜有优良的导热性能。在本实施例中，隔热部113优选为胶垫。

在一个实施例中，试验管300还包括连接薄片320，多个样管310的开口端固定卡接于连接薄片320上。通过连接薄片320将多个样管310连接起来，可以方便一次拿取多个样管310，简化操作。

在一个实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括第一旋转装置400和升降装置500；多个样管310设置于升降装置500上；载样台200的底端的中心210与第一旋转装置400固定连接，第一旋转装置400能驱动载样台200旋转；载样台200上设有以中心210为圆心的圆形容纳区域220，该圆形容纳区域220可以包括多个扇形区域221；任意相邻导温模块110等角度分布于其中一个扇形区域221上；三个导温模块110形成的三条直线的延长线交汇于中心210；升降装置500驱动多个样管310向上移动以从槽孔111中脱离后，第一旋转装置400驱动载样台200旋转，以使相邻的另一导温模块110位于多个样管310下方；升降装置500驱动多个样管310向下移动以插设于另一导温模块110的多个槽孔111中。本实施例中，将载样台200设置成圆形，并利用第一旋转装置400驱动载样台200旋转，从而可以缩小PCR仪的体积，便于携带，且方便进行循环试验。第一旋转装置400优选为旋转电极。

在一个实施例中，所述升降装置500包括升降块510和夹持台520，夹持台520包括盖板521和两个夹持部522，两个夹持部522分别固定于盖板521相对的两侧，夹持部522与盖板521之间形成有卡台523；靠近中心210一侧的夹持部522远离盖板521的一侧与升降块510固定连接；在卡台523卡住连接薄片320的情况下，盖板521盖压于样管310的开口端。在实验过程中，由于需要频繁的将样管310从槽孔111中取出、放入，在这一过程中，难免会造成样品从样管310开口处溢出。为避免这一现象发生，本发明实施例设置有盖板521，在取拿样管310的过程中，盖板521盖压在样管310的开口处，避免样品溢出，从而提高实验的准确性。

在本实施例中，升降装置500还包括升降电机530和丝杆滑轨540，升降块510与丝杆滑轨540螺纹连接，升降电机530通过驱动丝杆滑轨540旋转，以使升降块510在丝杆滑轨540上滑移，从而达到将样管310从槽孔111中取出或放入的目的，升降距离和升降速度通过丝杆滑轨540来调节，本实施例中丝杠滑轨540调节距离可精确到0.1mm。

在一个实施例中，盖板521的温度在95℃到105℃之间。盖板521盖压在样管310的开口处，在样品加热过程中，样品中的蒸汽难免会汇聚在盖板521上，从而影响实验结果，而通过设置盖板521温度95℃到105℃之间可以将凝聚在盖板521上的水蒸气蒸发掉，从而进一步保证实验结果的准确性，本实施例中，盖板521的温度优选为100℃。

上述圆形容纳区域220可以被等分成多个扇形区域221，由此使得圆形区域可以一次性容纳多个加热单元100，以下会详述：

快速进行聚合酶链反应的精密设备包括多个加热单元100，升降装置500包括多个一一对应的夹持台520和升降块510；多个加热单元100等角度分布于多个扇形区域221上；多个夹持台520与多个加热单元100一一对应，且多个夹持台520等角度与升降块510固定连接。本实施例中，通过设置多个加热单元100，可以一次进行多组DNA聚合酶的扩增反应，以节约试验时间。

在一个实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备包括六个加热单元100，升降装置500包括六个夹持台520；圆形容纳区域220可以被等分成六个扇形区域221，该扇形区域221的两侧边交汇于圆形容纳区域220的中心210，且各扇形区域221两个侧边之间的夹角为60度。六个加热单元100等角度分布于六个扇形区域221上；且各加热单元100中的任一导温模块110形成的直线经过中心210；六个夹持台520与六个加热单元100一一对应，且六个夹持台520等角度与升降块510固定连接。

以加热模块上设置8个槽孔111为例，此时一个试验管300中包含有8个样管310，此时，本实施例可同时提供48样品量扩增，可同时对48个样本进行扩增反应。参照图4，按照逆时钟方向依次分成A、B、C、D、E、F六组，每组可独立设定不同的温度实现梯度扩增反应，也可以设定相同温度实现等度扩增反应，每组导温模块110均设置8个槽孔111，每组逆时钟方向编号，三个导温模块110编号依次为A1-A2-A3、B1-B2-B3、C1-C2-C3、D1-D2-D3、E1-E2-E3和F1-F2-F3。下面将以48样品扩增为例进行说明：

首先设置A1、B1、C1、D1、E1、F1导温模块110为95℃恒定不变，A2、B2、C2、D2、E2、F2导温模块110为55℃恒定不变，A3、B3、C3、D3、E3、F3导温模块110为72℃恒定不变。

接着，升降块510通过向下运动将八连排样管310送入编号为A1、B1、C1、D1、E1、F1的导温模块110的槽孔111中，并停止10s；之后，升降块510向上运动直至八连排样管310离开槽孔111，接着，旋转电机顺时针旋转20°，此时八连排样管310下方正对编号为A2、B2、C2、D2、E2、F2的导温模块110的槽孔111，之后，升降块510下降至样管310进入槽孔111中并静止10s，接着，升降块510向上运动直至八连排样管310离开槽孔111，之后，旋转电机顺时针旋转20°，此时八连排样管310下方正编号为A3、B3、C3、D3、E3、F3的导温模块110的槽孔111，升降块510下降至槽孔111中，并静止10s，之后，升降块510上升带动样管310离开槽孔111，至此，完成一个循环反应。

而对于等温扩增反应，升降块510和旋转盘按照以上方式交互运动，旋转360°完成6个循环，一般扩增反应需要30个循环，只需完成5次360°旋转即可完成扩增。

对于梯度温度扩增反应，每个小组A、B、C、D、E、F温度不一样，完成一个循环后，旋转电机只需逆时针旋转40°，即可返回初始位置，反复循环30次即可完成30轮PCR扩增反应。

本实施例提供的PCR仪通过升降块510机旋转电机来辅助实现样管310从槽孔111中放入或取出，极大的节省了试验时间。而由于导温模块110的温度都是预先设定好的，从而样品在变温过程中，不会出现冲温现象，保证了试样结果的准确性。

在另一个实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括第二旋转装置和升降装置500；多个样管310设置于升降装置500上；载样台200上设有以中心210为圆心的圆形容纳区域220；圆形容纳区域220可以包括多个扇形区域221，任意相邻导温模块110等角度分布于任意扇形区域221上；三个导温模块110形成的三条直线的延长线交汇于中心210；升降装置500驱动多个样管310向上移动以从槽孔111中脱离后，第二旋转装置驱动升降装置500旋转，以使多个样管310位于相邻的另一导温模块110的上方；升降装置500驱动多个样管310向下移动以插设于另一导温模块110的多个槽孔111中。本实施例与上一实施例的区别在于，载样台200固定，升降装置500在第二旋转装置的驱动下进行旋转。当然，具体如何选择，使用人员可以根据实际情况进行设置。

在又一种实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括移动装置和升降装置500；多个样管310设置于升降装置500上；三个导温模块110等间距分布于载样台200上；三个导温模块110形成的三条直线相互平行；载样台200的底端与移动装置连接；升降装置500驱动多个样管310向上移动以从槽孔111中脱离后，移动装置驱动载样台200移动，以使多个样管310位于相邻的另一导温模块110的下方；升降装置500驱动多个样管310向下移动以插设于另一导温模块110的多个槽孔111中。对于一些狭长的空间，本实施例提供了一种导温模块110平行设置的方案。

在又一种实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括移动装置和升降装置500；多个样管310设置于升降装置500上；三个导温模块110等间距分布于载样台200上；三个导温模块110形成的三条直线相互平行；升降装置500与移动装置连接；升降装置500驱动多个样管310向上移动以从槽孔111中脱离后，移动装置驱动升降装置500移动，以使多个样管310位于相邻的另一导温模块110的上方；升降装置500驱动多个样管310向下移动以插设于另一导温模块110的多个槽孔111中。本实施例与上一实施例的区别在于，本实施例中载样台200不动，升降装置500升降的同时，还能移动。

在一个实施例中，加热单元100还包括三个风扇模块130，三个风扇模块130一一对应的固定在三个变温贴120的底端。风扇模块130可以用来调节导温模块110的温度，使得导温模块110一直处于设定温度。

在一个实施例中，快速进行聚合酶链反应的精密设备还包括智能芯片，智能芯片用于控制导温模块110、变温贴120、风扇模块130、升降装置500、第一旋转装置400、第二旋转装置的运行。如图9所示，本实施例中，还提供有操作界面600，试验人员可以在操作界面600中输入需要设定的温度，反应时间及反应类型等，即可完成PCR反应，由此进一步增加了PCR仪的智能性。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。