基于液态金属的PCR循环温度控制系统、装置及控制方法

技术领域

本发明涉及分子生物学技术领域，尤其是基于液态金属的PCR循环温度控制系统、装置及方法。

背景技术

PCR(聚合酶链式反应，Polymerase Chain Reaction)扩增检测核酸时，PCR是检测成败的关键，PCR由变性-退火-延伸三个步骤构成，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物，类似于DNA的天然复制过程。PCR不同的反应阶段要求不同的保持温度，DNA在95℃时变性成为单链，在60℃左右时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，当温度调整为72℃左右时达到DNA聚合酶最合适的反应温度，DNA聚合酶沿着模板根据碱基互补配对原则从羟基端向磷酸基团方向催化合成互补链。所以，在PCR的过程中，需要对温度进行快速精准地控制。

现有的多数采用间接加热PCR试剂的技术方案，存在以下的问题或缺陷：

其一，系统或装置所能提供的反应环境的稳定性不好，现有技术方案的相关系统或装置无法实现连续PCR；

其二，现有技术方案温度控制系统或装置还存在体积大、耗能高、散热性能差、温度控制准确性低等技术问题。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种精确度更高、温度控制速度更快、结构更为精简且基于液态金属PCR循环温度控制系统能够提供更为稳定的PCR扩增的反应环境，以及与该系统相对应的装置和控制方法。

第一方面，本申请的技术方案提供了一种基于液态金属的PCR循环温度控制系统；该系统包括微流泵、加热片、液态金属浴容器、微导管以及收集容器；

其中，所述液态金属浴容器内设有分隔部件，所述分隔部件将所述液态金属浴容器分隔得到第一空间和第二空间，所述第一空间中填充有第一液态金属，所述第二空间填充有第二液态金属；所述微导管穿透所述分隔部件固定在所述液态金属浴容器内；所述微导管的一端连接至所述微流泵，所述微导管的另一端设在所述收集容器中；

所述微流泵用于向微导管中注入样本试剂；所述加热片用于对所述第一空间和所述第二空间中的液态金属进行加热形成第一温区和第二温区；所述收集容器用于收集PCR扩增后的所述样本试剂。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述微导管中填充有矿物油，所述矿物油用于包裹所述样本试剂。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述加热片包括第一加热片和第二加热片；

所述第一加热设在所述第一空间的底部，所述第二加热片设在所述第二空间的底部。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述第一液态金属为金属镓、金属铟以及金属锡之间的任意一种合金或者钠钾合金；所述第二液态金属为金属镓、金属铟以及金属锡之间的任意一种合金或者钠钾合金。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述微导管包括以下至少之一：疏水类有机硅物料导管、玻璃导管以及硅材质导管。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述微流泵中内置微机电子系统；所述微机电子系统用于控制所述样本试剂在所述微导管中，并在所述第一温区和所述第二温区进行往复运动。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述装置包括了权利要求1-7任一项所述的基于液态金属的PCR循环温度控制系统。

第二方面，本发明的技术方案还提供基于液态金属的PCR升温加热装置，该装置包括了第一方面中所述的任意一种基于液态金属PCR升温加热系统：

第三方面，本发明的技术方案还提供基于液态金属的PCR循环温度控制装置，控制如第一方面中所述的任意一种基于液态金属PCR升温加热系统，包括以下步骤：

通过加热片加热第一空间中的液态金属得到第一温区；通过加热片加热第二空间中的液态金属得到第二温区；

通过微流泵向微导管中注入样本试剂；

控制所述微流泵使得所述样本试剂先后在所述第一温区的第一温度下以及所述第二温区的第二温度下进行PCR扩增；

通过收集容器收集PCR扩增后的所述样本试剂。

在本申请方案的一种可行的实施例中，在通过微流泵向微导管中注入样本试剂这一步骤之前，方法还包括以下步骤：

在所述微导管中注入矿物油排出空气，以使所述矿物油包裹所述样本试剂。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述控制所述微流泵使得所述样本试剂先后在所述第一温区的第一温度下以及所述第二温区的第二温度下进行PCR扩增这一步骤，其包括：

控制所述微流泵将位于所述第一温区中的所述样本试剂推进至所述第二温区；

或者，控制所述微流泵将位于所述第二温区中的所述样本试剂抽回至所述第一温区。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本申请技术方案选用液态金属作为热交换介质，发挥液态金属的高导热系数和沸点高的特性，增大了散热温度范围，能够实现更加高效的热量输运及散热能力，大大提高了整个散热系统的散热性能；并且，本方案通过将液态金属浴分隔形成第一温区和第二温区，并控制样本实际在两个不同的温度情况下进行PCR扩增，为PCR扩增提供稳定性更高的反应环境；此外，本申请的结构简单、适用范围广、可集成化、成本低且温控精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的基于液态金属的PCR循环温度控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的金属浴容器结构示意图；

图3为本发明实施例中微流泵的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于液态金属的PCR循环温度控制方法的步骤流程图。

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，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

基于前述背景技术中所提出的，由于现有的PCR加热模块，大多都是利用半导体升降温或空气升降温技术，模块的升降温速度从2.5度(如StratageneMX3000P)～20度(如Roche的LightCycler2.0)不等，常见的ABI7500模块升降温速度仅2.5度每秒，升降温速度也将直接影响了PCR反应的耗时以及效果。在进行加热升温的过程中，热量一般是由加热器产生，而加热器一般与需要加热的式样载体是分离的，从而导致了在加热的过程尝尝伴随出现从加热器到试样载体的载体薄片的热转移的热损失；另外，加热器与式样载体的分离还导致了加热系统或装置的温度控制环路中出现时延或滞后，改变加热器的功率从而进行温度的调整，并不能够直接快速地反映在式样载体的温度变化上。除此之外，现有的PCR加热装置所存在的工作粗糙、精度差，结构较复杂、生产成本高，不适合实用性的微流控自动检测设备使用的问题。

基于上述现有技术中所存在的缺陷，在第一方面，如图1所示，本申请技术方案提供的一种基于液态金属的PCR循环温度控制系统，该系统包括微流泵101、加热片、液态金属浴容器102、微导管103以及收集容器104。

在该实施例系统中，液态金属浴容器102内设有分隔部件105，分隔部件105将液态金属浴容器102分隔得到第一空间和第二空间，第一空间中填充有第一液态金属，第二空间填充有第二液态金属；微导管103穿透分隔部件固定在液态金属浴容器105内；微导管103的一端连接至微流泵101，微导管的另一端设在收集容器中104。其中，微流泵用于向微导管中注入样本试剂；加热片用于对第一空间和第二空间中的液态金属进行加热形成第一温区和第二温区，即低温区和高温区；收集容器用于收集PCR扩增后的样本试剂。

具体地，如图2所示，在进行PCR扩增的过程中，实施例系统使用加热片对两个温度区域，即第一空间和第二空间进行整体加热，将PCR所需要的高温区和低温区的温度达到稳定恒定的状态。然后，通过该微流泵输出样本试剂至微导管中，并通过推动和抽回使得样本试剂能够在高温区和低温区进行循环往复的流动，控制样本试剂在两个温度不同的液态金属浴中流动，能够满足基因扩增对温度变化的要求。

更为具体地，选用液态金属作为热交换介质，利用液态金属的高导热系数和沸点高的特性，增大了散热温度范围。液态金属熔点低、沸点高，具有独特的材料学及热物理性质，其具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，因此液态金属能够实现更加高效的热量输运及散热能力，大大提高了整个散热系统的散热性能；而且液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，是一种非常安全的流动工质，可以保证散热系统高效、长期、稳定地运行。由于液态金属的高导热系数，可随着加热片快速升降温，满足PCR扩增对温度的需求。解决现有技术中升降温加热装置体积大、耗能高、散热性能差、温度控制不准确性的问题。

在一些可选择的实施例中，系统中的微导管中填充有矿物油，矿物油用于包裹样本试剂。

具体地，实施例系统中的微导管中可预先填充矿物油，通过向微导管中注入矿物油的方式可以将其中的空气排除，在后续将样本注入至微导管中时，可以形成油包水模式，以事项无气泡的样本试剂注射，保证了PCR扩增过程中的气密性。

在一些可选的实施例中，系统中的微流泵中可以内置微机电子系统；

其中，微机电子系统用于控制样本试剂在微导管中，并在第一温区和第二温区进行往复运动。具体地，如图3所示，实施例中的微流泵采用微机电系统微泵来实现循环往复控制样本试剂在微导管中的流动，即通过压力驱动的气体扩散可实现连续流动PCR扩增。相较于传统被动微泵，本实施例中的微机电系统微泵能够极端环境中稳定速度控制的应用。实施例系统中的微机电系统微泵尺寸小，结构简单，不需要微制造过程或产生额外的外部功耗，具有强大的传输能力以及多相微滴和单相栓塞的输送能力，能够实现长距离传输，更容易集成，并且气泡抑制和在高温下具有较高的稳定性。

示例性地，实施例中可以通过具有微机电子系统地微流泵向微导管中注入样本试剂，并将样本试剂推动到第一温区停留30s，然后推到第二温区停留30s，然后将样本试剂抽回第一温区停留30s，往复循环移动40个循环以完成PCR扩增。

在一些可选择的实施例中，系统中的加热片包括第一加热片和第二加热片。

其中，第一加热设在第一空间的底部，用于对分隔部件形成的第一空间中的液态金属进行加热；第二加热片设在第二空间的底部，用于对分隔部件形成的第二空间中的液态金属进行加热。

具体地，实施例系统中加热片是两个分区分别控制95℃和60℃。在PCR不同的反应阶段要求不同的保持温度，DNA在95℃时变性成为单链，在60℃左右时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，DNA聚合酶沿着模板根据碱基互补配对原则从羟基端向磷酸基团方向催化合成互补链。液态金属浴在加热片快速升降温下在不同温度间变化，其内部的溶液能满足基因扩增对温度变化的要求。

在一些可选择的实施例中，系统中的第一液态金属为金属镓、金属铟以及金属锡之间的任意一种合金或者钠钾合金；第二液态金属为金属镓、金属铟以及金属锡之间的任意一种合金或者钠钾合金。

具体地，实施例系统中液态金属为镓、铟、锡中任一种的合金，或为钠钾合金，钠钾合金不仅密度更小，而且导热性能优良。可提供一种基于液态金属的PCR快速升降温加热装置，解决现有技术中升降温加热装置体积大，耗能高，散热性能差的问题。需要说明的是，液态金属可主动或被动地发生固化相变，其刚度和强度显著增强，此时，变成固体的金属很方便保存和固定微导管。

在一些可选的实施例中，系统中的微导管包括以下至少之一：疏水类有机硅物料导管、玻璃导管以及硅材质导管。

具体地，实施例系统中用于放置PCR扩增试剂样本的微通道可为PDMS、玻璃、聚合物等材质的微导管或者硅微通道，可以在高温下有效抑制的微泡形成。当样本试剂流过微通道时，能够保持稳定的压力驱动的气体扩散或微流泵的泵送功率。

第二方面，如图4所示，本申请实施例在第一方面中的系统的基础上，还提供了一种PCR升温加热方法，方法包括步骤S100-S400：

S100、通过加热片加热第一空间中的液态金属得到第一温区；通过加热片加热第二空间中的液态金属得到第二温区；

S200、通过微流泵向微导管中注入样本试剂；

S300、控制微流泵使得样本试剂先后在第一温区的第一温度下以及第二温区的第二温度下进行PCR扩增；

S400、通过收集容器收集PCR扩增后的样本试剂。

具体地，首先通过实施例系统中的加热片对两个温度区域进行整体加热，将PCR所需要的高温区和低温区的温度达到稳定恒定的状态。

可以理解的是，由于实施例中的TEC加热模块可以进行制热或制冷，同样地通过热传导的方式，本实施例也可以实现对PCR扩增试剂进行降温。

在一些可选择的实施例中，PCR升温加热方法还可以包括以下步骤：

S400、通过散热风扇对TEC加热模块的散热气流进行导流。

具体地，实施例通过散热风扇TEC加热模块进行散热，以便于在进行温度调控的过程中，尤其是降低温度的过程中，能够更加快速地使TEC加热模块达到目标温度。其次，再由微流泵向微导管中注入样本试剂至微导管中。其中，系统的加热片是两个分区分别控制95℃和60℃，即将液态金属浴容器第一空间中的液态金属加热至95℃，形成高温区；将液态金属浴容器第二空间中的液态金属加热至60℃，形成低温区；以满足在PCR不同的反应阶段要求不同的保持温度的需求，DNA在95℃时变性成为单链，在60℃左右时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，DNA聚合酶沿着模板根据碱基互补配对原则从羟基端向磷酸基团方向催化合成互补链；液态金属浴在加热片快速升降温下在不同温度间变化，其内部的溶液能满足基因扩增对温度变化的要求。最终，将完成PCR扩增后的样本试剂泵送至收集容器之中。

本实施例中选用液态金属作为热交换介质，发挥液态金属的高导热系数和沸点高的特性，增大了散热温度范围。液态金属熔点低、沸点高，具有独特的材料学及热物理性质，其具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，因此液态金属能够实现更加高效的热量输运及散热能力，大大提高了整个散热系统的散热性能；而且液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，是一种非常安全的流动工质，可以保证散热系统的高效、长期、稳定运行。并且由于液态金属的高导热系数，可随着加热片快速升降温，满足PCR扩增对温度的需求。解决现有技术中升降温加热装置体积大，耗能高，散热性能差、温度控制的不准确性的问题。

在一些可选择的实施例中，在通过微流泵向微导管中注入样本试剂这一步骤之前，方法还包括步骤S110：

S110、在微导管中注入矿物油排出空气，以使矿物油包裹样本试剂；

具体地，实施例先先将微导管中填充满矿物油将其中的空气排出，将样本试剂体注入管道内，让其形成油包水模式，以提供良好气密性的PCR扩增反应环境。

在一些可选择的实施例中，方法中控制微流泵使得样本试剂先后在第一温区的第一温度下以及第二温区的第二温度下进行PCR扩增这一步骤S300，起可以包括步骤S310或者S320：

S310、控制微流泵将位于第一温区中的样本试剂推进至第二温区；

S320、控制微流泵将位于第二温区中的样本试剂抽回至第一温区；

具体地，实施例中首先通过注射泵开始推动液体移动，将样本液体推动到高温区停留30s，然后推到低温区停留30s，然后再将样本液体抽回高温区停留30s，往复循环移动40个循环完成PCR扩增。

第三方面，在第一方面的系统的基础上，本申请的技术方案还提供一种基于液态金属的PCR循环温度控制装置，该装置搭载了第一方面中任意一种基于液态金属的PCR循环温度控制系统。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1.本申请技术方案选用液态金属作为热交换介质，发挥液态金属的高导热系数和沸点高的特性，增大了散热温度范围，能够实现更加高效的热量输运及散热能力，大大提高了整个散热系统的散热性能。

2.本申请技术方案通过将液态金属浴分隔形成第一温区和第二温区，并控制样本实际在两个不同的温度情况下进行PCR扩增，为PCR扩增提供稳定性更高的反应环境。

3.本申请技术方案具有结构简单、适用范围广、可集成化、成本低且温控精度高等特点。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。