基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，其包含：控制单元；与控制单元电连接的EWOD芯片，其由分别包含若干电极的储液部分、液滴生成部分、驱动部分和废液部分构成；设置在EWOD芯片正上方的恒温源，其与EWOD芯片不接触，由分别包含若干电极的加热部分、地电极部分和传感部分构成；与控制单元电连接的检测单元；该控制单元包含EWOD芯片的驱动电路、恒温源的控制电路及检测单元的控制接口。本发明专利技术利用EWOD技术，能够精确控制液滴停留时间和转移时间，使液滴反应充分，配合检测单元，可实现批量液滴的大规模快速转移，配合恒温源提供的反应温度，使反应溶液在高低温环境下充分反应。而且，装置结构简单、温度可控、反应快速、体积小、使用方便。

Digital PCR system based on EWOD drive and constant temperature source

The invention discloses a digital PCR system based on EWOD drive and constant temperature source, which includes a control unit and a EWOD chip electrically connected with the control unit, which is composed of a liquid storage part, a droplet generation part, a driving part, and a waste liquid part, respectively, and is set up at a constant temperature source at the top of the EWOD chip, and it is with EWOD The chip is not touched. It consists of the heating part, the ground electrode and the sensing part, which consists of several electrodes, and the detection unit electrically connected with the control unit. The control unit contains the driving circuit of the EWOD chip, the control circuit of the thermostat source and the control interface of the detection unit. By using EWOD technology, this invention can accurately control the retention time and transfer time of droplets, make the liquid drop reaction fully, cooperate with the detection unit, and can realize mass rapid transfer of mass droplets, and the reaction temperature provided by the constant temperature source, so that the reaction solution can be filled in the high and low temperature environment. Moreover, the device has the advantages of simple structure, controllable temperature, quick reaction, small volume and convenient operation.

【技术实现步骤摘要】
基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统
本专利技术涉及一种生化领域的控制装置，具体涉及一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统。
技术介绍
PCR(PolymeraseChainReaction，聚合酶链反应)常应用于生物分子学和基因工程的一项关键技术，该技术是一种在聚合酶、引物等作用下对模板基因进行选择性扩增片段的方法，由高温变性、低温退火（复性）及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行以使目的基因迅速扩增。液滴变小以后，单个液滴包含一个DNA分子，利用数学泊松分布计算方法，根据液滴发出荧光数量反推出DNA浓度。这个计算模型比较成熟，数字PCR生物应用基本都是这个计算方法原理。目前第三代数字PCR技术已经得到了初步应用，其在拷贝数变异、突变检测、基因相对表达研究（如等位基因不平衡表达）、二代测序结果验证、miRNA表达分析、单细胞基因表达分析等方面具有传统PCR技术无法比拟的优势。然而，现有数字PCR技术需要精密的温度循环控制，对温度控制系统提出了很高的要求，而且，温度循环时间制约了PCR的全程反应时间。微流控循环式的PCR技术对于高低温反应时间控制不精确，存在反应过程不充分的情况，而且难以对退火温度进行测试。针对数字PCR技术中系统构成复杂、反应耗时长、液滴可控制性差、反应不充分的不足，亟待需要一种温控精确、反应快速的数字PCR系统方案。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，利用EWOD驱动系统控制液滴的生成、混合和移动，为微液滴移动提供足够的动力，利用恒温加热源提供合适的反应温度区域，为微液滴内部反应提供合适的反应温度条件。本专利技术采用集成电路平面工艺加工阵列微电极，可实现批量液滴的大规模快速转移，配合恒温源提供的反应温度，使反应溶液在高低温环境下充分反应。本专利技术装置组成简单、温度可控、反应快速、体积小、使用方便的优点。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，该系统包含：控制单元；与控制单元电连接的EWOD芯片，该EWOD芯片由分别包含若干电极的储液部分、液滴生成部分、液滴驱动部分和废液部分构成；设置在EWOD芯片正上方的恒温源，该恒温源与EWOD芯片不接触；PCR反应液位于EWOD芯片与恒温源之间；该恒温源由分别包含若干电极的加热部分、地电极部分和传感部分构成；及与控制单元电连接的检测单元，该用于检测单元对EWOD芯片上的液滴形态、位置和荧光强度进行观测，并对控制单元进行反馈；其中，所述的控制单元包含EWOD芯片的驱动电路、恒温源的控制电路、及检测单元的控制接口。较佳地，所述的储液部分包含第一电极，用于储存液滴。较佳地，所述的液滴生成部分包含第二电极、第三电极及第四电极，用于生成液滴。较佳地，所述的液滴驱动部分包含第五电极、第六电极及第七电极，用于驱动生成的液滴。较佳地，所述的废液部分包含第八电极，用于收集废液滴。较佳地，所述的加热部分包含第九电极、第十电极、第十一电极、第十二电极，部分覆盖在驱动部分区域上，用于加热EWOD芯片。较佳地，所述的地电极部分包含第十三电极，其覆盖所有液滴的储液部分、液滴生成部分、液滴驱动部分、废液部分，用于使得液滴驱动更加稳定。较佳地，所述的传感部分包含第十四电极、第十五电极、第十六电极、第十七电极，部分覆盖在驱动部分区域上，用于检测EWOD芯片上的温度。较佳地，所述检测单元包含光源、第一滤光片及图像采集器。较佳地，所述检测单元还包含第二滤光片。EWOD(electrowetting-on-dielectric,介质上电润湿)是一种电控表面张力驱动方式，采用集成电路工艺加工的EWOD具有驱动精确、可批量生产的优点。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显著优点：1.本专利技术利用EWOD驱动技术，生成液滴大小均一，避免外界污染，能够精确控制液滴停留时间和转移时间，使液滴反应充分，配合检测单元可实现反馈控制，减少空液滴（无法产生液滴）和液滴融合。如液滴被拉伸、切断过程若时间太短，导致空液滴，而时间太长，降低了液滴产生效率。减少融合可使得液滴体积均一，从而使得DNA分子进入各个液滴的概率相等。2.本专利技术利用恒温源控制技术，温度控制精确，配合EWOD驱动技术不仅能实现大批量液滴的快速PCR反应，而且能够测量引物退火温度。一般采用实验测量方法，具体操作是：先设置不同的低温温度，再找出最佳退火温度。本专利技术的构思是将液滴移动到低温区不同的温度区域。并分别进行检测，实现测量退火温度目的。3.本专利技术采用集成电路平面加工工艺（利用紫外光刻和金属刻蚀工艺制作EWOD芯片）可大批量生产，降低使用成本，加工的阵列电极，可大批量转运液滴，实现高通量测试。附图说明图1为本专利技术的基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统的结构示意图。图2为本专利技术的EWOD芯片与恒温源组装的结构示意图。图3为本专利技术的EWOD芯片电极的结构示意图。图4为本专利技术的恒温源电极的结构示意图。图5为本专利技术实施例1中液滴驱动和加热示意图。图6为本专利技术实施例2中液滴驱动和加热示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。如图1所示，基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统由控制单元10、EWOD芯片20、恒温源30和检测单元40组成。所述恒温源30在EWOD芯片20正上方，并间隔一定距离（如50μm,数值并不做具体限定）；PCR反应液位于EWOD芯片与恒温源之间；检测单元40位于恒温源30上方，可对EWOD芯片20上的液滴形态、位置和荧光强度进行观测。所述控制单元10包括EWOD芯片20的驱动电路、恒温源30的控制电路及检测单元40的控制接口。所述EWOD芯片20由衬底21、电极22和绝缘疏水层23构成，包括储液部分201、液滴生成部分202、液滴驱动部分203和废液部分204，见图2。储液部分201包含第一电极2011，液滴生成部分202包括第二电极2021、第三电极2022、第四电极2023，液滴驱动部分203包括第五电极2031、第六电极2032、第七电极2033，废液部分204包括第八电极2041，如图3所示。所述的第二电极2021是液滴生成部分的拉出电极，其功能是把储液部分拉出第一步；所述的第三电极2022是液滴生成部分的过渡电极，功能是切断拉长的液滴；所述的第四电极2023是液滴生成部分的存储电极，功能是存储拉出的液滴。所述恒温源30由恒温源衬底31、恒温源电极32和恒温源绝缘疏水层33构成，包括加热部分301、地电极部分302和传感部分303。加热部分301包括第九电极3011、第十电极3012、第十一电极3013、第十二电极3014，地电极部分302包括第十三电极3021，传感部分303包括第十四电极3031、第十五电极3032、第十六电极3033、第十七电极3034。所述的恒温源电极既可以接电压差发热，又可以作为地电极使得液滴驱动更稳定，且设置有传感电极，能精确检测反应温度。所述检测单元40包括光源41、第一滤光片42、分光镜43、第二滤光片44、图像采集器45，如图1所示。两块滤光片，一片激发，一片接受。在作为视频监测液滴生成和移动准确时，要移开一片滤光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，其特征在于，该系统包含：控制单元；与控制单元电连接的EWOD芯片，该EWOD芯片由分别包含若干电极的储液部分、液滴生成部分、液滴驱动部分和废液部分构成；设置在EWOD芯片正上方的恒温源，该恒温源与EWOD芯片不接触；PCR反应液位于EWOD芯片与恒温源之间，该恒温源由分别包含若干电极的加热部分、地电极部分和传感部分构成；及与控制单元电连接的检测单元，该检测单元用于对EWOD芯片上的液滴形态、位置和荧光强度进行观测，并对控制单元进行反馈；其中，所述的控制单元包含EWOD芯片的驱动电路、恒温源的控制电路、及检测单元的控制接口。

【技术特征摘要】
1.一种基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，其特征在于，该系统包含：控制单元；与控制单元电连接的EWOD芯片，该EWOD芯片由分别包含若干电极的储液部分、液滴生成部分、液滴驱动部分和废液部分构成；设置在EWOD芯片正上方的恒温源，该恒温源与EWOD芯片不接触；PCR反应液位于EWOD芯片与恒温源之间，该恒温源由分别包含若干电极的加热部分、地电极部分和传感部分构成；及与控制单元电连接的检测单元，该检测单元用于对EWOD芯片上的液滴形态、位置和荧光强度进行观测，并对控制单元进行反馈；其中，所述的控制单元包含EWOD芯片的驱动电路、恒温源的控制电路、及检测单元的控制接口。2.如权利要求1所述的基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，其特征在于，所述的储液部分包含第一电极。3.如权利要求1所述的基于EWOD驱动和恒温源的数字PCR系统，其特征在于，所述的液滴生成部分包含第二电极、第三电极及第四电极。4.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜林，章凯迪，周嘉，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31