光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，包括：依次连接的白光光源、检测光路、微流控芯片和光谱采集处理显示模块；检测光路，用于将白光光源产生的白光传输至微流控芯片，并将经过微流控芯片的光信号传输至光谱采集处理显示模块；微流控芯片，用于进行生物化学反应；光谱采集处理显示模块，用于采集经过微流控芯片的光信号，对光信号进行解析，并生成可视化的生物化学反应实时动态变化信号曲线。本装置采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，既可以检测被荧光标记的待测物也可以检测未被荧光标记的待测物，解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。

In situ real-time detection system and method of nucleic acid amplification on optical fiber sensor microfluidic chip

【技术实现步骤摘要】
光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法
本专利技术是关于光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，属于生物检测

技术介绍
核酸扩增是20世纪先进的生物医学分析技术，可以在120分钟内将特定序列核酸片段放大到109拷贝数，实现高灵敏的分子诊断。核酸扩增技术主要包括变温扩增与等温扩增两大类。变温扩增以PCR(Polymerasechainreaction)为代表，是最早的核酸扩增技术，通过正反两条特异引物完全匹配启动核酸扩增反应，每个循环扩增周期大约90秒钟，包括变性、退火和延伸三个阶段。变性需要在94℃高温下持续15秒钟，退火是在60℃低温下持续30秒钟，延伸是通过酶的作用在72℃下以引物为核酸合成起点沿模板方向延伸45秒钟。PCR扩增就是由几十个扩增周期不断循环来实现。在变温扩增方法中，每个扩增周期只有在延伸阶段才进行核酸合成扩增，变性和退火阶段只是在为核酸扩增做准备，因此，变温扩增的有效时间不到全部时间的50％。为了提高核酸扩增效率，人们专利技术了等温扩增技术，如WalkerGT在1992年报道的链置换扩增(Stranddisplacementamplification，SDA)技术、LiuD在1996年报道的滚环扩增(Rollingcircleamplification，RCA)技术、TsugunoriNotomi在2000年报道的环介导等温扩增(Loop-mediatedisothermalamplification，LAMP)技术、LutzSascha在2010年报道的重组酶聚合酶扩增(RecombinasePolymeraseAmplification，RPA)等。等温扩增全程保持在固定温度下，无需高温变性和低温退火，扩增速度非常快，在短时间内可以将靶核酸复制到109～1010个拷贝。等温扩增的时间利用率达到100％，具有更高的核酸扩增效率。不论是变温扩增还是等温扩增技术，目前均主要采用荧光标记的方法进行实时检测，荧光检测需要加入荧光标记物，荧光标记物的加入会影响生物反应活性，产生荧光衰减淬灭不稳定等问题。而且一些生物反应中的试剂会和荧光标记物发生反应，无法采用荧光标记的方法进行检测。荧光检测中载体是96或384孔板的Tube管，每个指标分析都需要25μL的反应体积的试剂，对于样本量比较少的生物反应并不适用。荧光检测实际灵敏度在103个核酸拷贝以上，其仪器价格昂贵、样品试剂消耗量大且检测成本高，不利于进行多指标联合的低成本精准医学分析检测应用。另外，也有少量核酸扩增仪器采用浊度测量方法进行检测，但其检测灵敏度不高，检测结果不如荧光检测仪准确，只能用于对实验精度要求不高的场合，例如终点定性分析。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，其采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，检测未被荧光标记的待测物，很好地解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。为实现上述目的，本专利技术提供了光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，包括：依次连接的一个或多个白光光源、一根或多根第一光纤传感器、一个或多个检测光路、一个或多个微流控芯片、一个多路PID温度控制系统、一个CAN总线多轴运动控制系统、一根或多根第二光纤传感器和光谱采集处理显示模块；所述白光光源，用于产生白光；所述第一光纤传感器连接所述白光光源和所述检测光路；所述检测光路，用于将所述白光光源产生的白光传输至所述微流控芯片，并将经过所述微流控芯片的光信号传输至所述光谱采集处理显示模块；所述微流控芯片，用于进行生物化学反应，所述微流控芯片中的待测样品未经过荧光标记，所述微流控芯片还连接有温度控制器，所述多路PID温度控制系统用于调控所述微流控芯片的温度,所述多路PID温度控制系统与CAN总线多轴运动控制系统连接；所述第二光纤传感器用于将所述微流控芯片的光信号传输中所述光谱采集处理显示模块；所述光谱采集处理显示模块，包括用于接受所述第二光纤传感器传输的光信号的光纤扫描器；所述光谱采集处理显示模块对所述光信号进行解析，并生成可视化的所述生物化学反应实时动态变化信号曲线。进一步，所述检测光路对所述微流控芯片反应单元内放置的痕量样本，进行白光干涉高光谱非标记实时检测，并将检测结果实时发送到所述光谱采集处理显示模块；所述光纤扫描器通过旋转或平移的扫描方式，控制多根所述光纤传感器，将多个所述检测光路接收的白光干涉高光谱信号，逐一传输给所述光谱采集处理显示模块，实现光纤传感多张微流控芯片核酸扩增的高通量非标记原位实时并行检测。进一步，所述微流控芯片设置于一恒温密闭腔体内，所述恒温密闭腔体中设有加热器、温度传感器和温度控制器；所述加热器设置在所述微流控芯片的上下表面，采用亚毫米薄层空气浴流动加热的方式对所述微流控芯片进行加热，所述温度控制器用于控制所述微流控芯片温度，通过所述CAN总线多轴运动控制系统控制恒温密闭腔体的开/合，便于装/卸所述微流控芯片。进一步，所述微流控芯片的中心与第一电机轴连接，所述CAN总线多轴运动控制系统控制所述第一电机旋转，带动所述微流控芯片旋转，保证所述恒温密闭腔体内温度均匀，实现对所述微流控芯片上所述流体切换控制单元的驱动，满足样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增的分步控制需要。进一步，所述微流控芯片包括依次连接的储液单元、微流体切换控制单元、进样口、核酸提取单元、扩增反应腔体单元、缓冲调节单元和废液储存单元，所述储液单元、微流体切换控制单元、反应腔体单元和废液储存单元通过微流通道连接。进一步，所述扩增反应腔体单元底部固定有硅基二氧化硅层微芯片，所述硅基二氧化硅层微芯片上修饰有核酸或蛋白分子的抓手探针，所述抓手探针能将溶液中核酸扩增产物特异性地连接到微芯片表面，或让核酸扩增产物在微芯片表面随时间变化不断特异性地延伸形成长链；或者，所述扩增反应腔体单元底部设置有低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物，加热后所述特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，所述核酸扩增产物与荧光分子结合，对微流控芯片中的扩增反应过程进行动态表征。进一步，所述检测系统包括若干检测模式，所述检测模式之间设置有多路白光/荧光切换控制系统，用于进行所述检测模式切换，所述检测模式的一种为白光干涉高光谱非标记原位检测模式，所述检测光路包括依次连接的与所述白光光源连接的接口、聚光镜、分束镜、反射镜和物镜，所述白光经所述接口进入所述检测光路，经聚光镜和分束镜透射、反射镜反射和物镜后到达所述微流控芯片；经过所述微流控芯片产生的反射光信号经物镜、反射镜反射、分束镜反射和成像透镜透射后，经过光快门到达所述光谱采集处理显示模块；或者，所述检测光路可以将多根所述第二光纤传感器排成线阵，直接耦合进入面阵光谱探测器，通过多路所述白光/荧光切换控制系统，控制所述检测光路的光快门，实现对所述微流控芯片进行白光干涉高光谱非标记原位检测。进一步，所述检测模式的另一种为荧光检测模式，通过多路所述白光/荧光切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，包括：依次连接的一个或多个白光光源、一根或多根第一光纤传感器、一个或多个检测光路、一个或多个微流控芯片、一个多路PID温度控制系统、一个CAN总线多轴运动控制系统、一根或多根第二光纤传感器和光谱采集处理显示模块；/n所述白光光源，用于产生白光；/n所述第一光纤传感器连接所述白光光源和所述检测光路；/n所述检测光路，用于将所述白光光源产生的白光传输至所述微流控芯片，并将经过所述微流控芯片的光信号传输至所述光谱采集处理显示模块；/n所述微流控芯片，用于进行生物化学反应，所述微流控芯片中的待测样品未经过荧光标记，所述微流控芯片还连接有温度控制器，所述多路PID温度控制系统用于调控所述微流控芯片的温度,所述多路PID温度控制系统与CAN总线多轴运动控制系统连接；/n所述第二光纤传感器用于将所述微流控芯片的光信号传输中所述光谱采集处理显示模块；/n所述光谱采集处理显示模块，包括用于接受所述第二光纤传感器传输的光信号的光纤扫描器；所述光谱采集处理显示模块对所述光信号进行解析，并生成可视化的所述生物化学反应实时动态变化信号曲线。/n

【技术特征摘要】
1.光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，包括：依次连接的一个或多个白光光源、一根或多根第一光纤传感器、一个或多个检测光路、一个或多个微流控芯片、一个多路PID温度控制系统、一个CAN总线多轴运动控制系统、一根或多根第二光纤传感器和光谱采集处理显示模块；
所述白光光源，用于产生白光；
所述第一光纤传感器连接所述白光光源和所述检测光路；
所述检测光路，用于将所述白光光源产生的白光传输至所述微流控芯片，并将经过所述微流控芯片的光信号传输至所述光谱采集处理显示模块；
所述微流控芯片，用于进行生物化学反应，所述微流控芯片中的待测样品未经过荧光标记，所述微流控芯片还连接有温度控制器，所述多路PID温度控制系统用于调控所述微流控芯片的温度,所述多路PID温度控制系统与CAN总线多轴运动控制系统连接；
所述第二光纤传感器用于将所述微流控芯片的光信号传输中所述光谱采集处理显示模块；
所述光谱采集处理显示模块，包括用于接受所述第二光纤传感器传输的光信号的光纤扫描器；所述光谱采集处理显示模块对所述光信号进行解析，并生成可视化的所述生物化学反应实时动态变化信号曲线。


2.如权利要求1所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述检测光路对所述微流控芯片反应单元内放置的痕量样本，进行白光干涉高光谱非标记实时检测，并将检测结果实时发送到所述光谱采集处理显示模块；所述光纤扫描器通过旋转或平移的扫描方式，控制多根所述光纤传感器，将多个所述检测光路接收的白光干涉高光谱信号，逐一传输给所述光谱采集处理显示模块，实现光纤传感多张微流控芯片核酸扩增的高通量非标记原位实时并行检测。


3.如权利要求1或2所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片设置于一恒温密闭腔体内，所述恒温密闭腔体中设有加热器、温度传感器和温度控制器；所述加热器设置在所述微流控芯片的上下表面，采用亚毫米薄层空气浴流动加热的方式对所述微流控芯片进行加热，所述温度控制器用于控制所述微流控芯片温度，通过所述CAN总线多轴运动控制系统控制恒温密闭腔体的开/合，便于装/卸所述微流控芯片。


4.如权利要求3所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片的中心与第一电机轴连接，所述CAN总线多轴运动控制系统控制所述第一电机旋转，带动所述微流控芯片旋转，保证所述恒温密闭腔体内温度均匀，实现对所述微流控芯片上所述流体切换控制单元的驱动，满足样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增的分步控制需要。


5.如权利要求1或2所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片包括依次连接的储液单元、微流体切换控制单元、进样口、核酸提取单元、扩增反应腔体单元、缓冲调节单元和废液储存单元，所述储液单元、微流体切换控制单元、反应腔体单元和废液储存单元通过微流通道连接。


6.如权利要求5所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述扩增反应腔体单元底部固定有硅基二氧化硅层微芯片，所述硅基二氧化硅层微芯片上修饰有核酸或蛋白分子的抓手探针，所述抓手探针能将溶液中核酸扩增产物特异性地连接到微芯片表面，或让核酸扩增产物在微芯片表面随时间变化不断特异性地延伸形成长链；
或者，所述扩增反应腔体单元底部设置有低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物，加热后所述特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，所述核酸扩增产物与荧光分子结合，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄国亮，靳翔宇，符荣鑫，单晓晖，杜文丽，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11