集成式数字PCR系统技术方案

本申请公开了一种集成式数字PCR系统，包括数字PCR芯片、位置伺服驱动器、荧光图像检测装置和温度循环装置。温度循环装置包括温度控制器、散热模块及固定在散热模块上的TEC、设置在TEC正上方且间隔高度值大于数字PCR芯片厚度值的热盖且热盖为恒温源；数字PCR芯片在温度循环过程中位于热盖与TEC之间。数字PCR芯片设置在位置伺服驱动器上，以使数字PCR从温度循环装置处移动至荧光图像检测装置处。荧光图像检测装置为悬空固定于数字PCR芯片所在平面的上方；且荧光图像检测装置为基于互补金属氧化物半导体成像原理的设备。从而在保证数字PCR系统检测效率的基础上，极大地缩小设备体积以制备便携化设备，且提升对试剂的适用性。

【技术实现步骤摘要】
集成式数字PCR系统
本申请涉及聚合酶链式反应
，特别是涉及一种集成式数字PCR系统。
技术介绍
PCR(PolymeraseChainReaction，聚合酶链式反应)为一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，其利用DNA在95℃左右时会发生变性，由双链DNA分解为两个单链DNA；分解为单链的DNA在下降至60℃左右时，单链DNA会与引物结合；与引物结合的DNA在DNA聚合酶的作用下，按照碱基互补配对原则进行半保留复制，复制完成后即可获得两倍的DNA。经过温度多次在95℃和60℃的循环，实现对DNA进行大量的扩增。基于PCR原理的PCR技术作为当今最为重要的分子生物学检测手段，可以快速识别细菌、病毒、真菌等微生物类型与耐药性突变，分析灵敏度远远超过其他检测手段；仅需要三四十分钟的短时间，便可以准确检测不同微生物种群数量，因此在食品检测、临床检验、疾病控制、检验检疫、科研实验室、食品安全、化妆品检测、环境卫生等几乎所有的生命科学领域都有重要应用前景。举例来说，美国PE公司于1995年研制成功的荧光定量PCR技术，融合了PCR高灵敏性、DNA杂交的高特异性和光谱技术的高精确定量等优点，直接探测PCR过程中荧光信号的变化，以获得特定区段扩增产物定量的结果，不需要PCR后处理或电泳检测，整个过程中除了仅有加入样品的一次开盖实现了完全闭管操作，克服了常规PCR技术的诸多难题。实时荧光定量PCR的原理是以荧光共振能量转移原理为基础，荧光共振能量转移原理是当一个荧光分子即供体分子的荧光光谱与另一个荧光分子也即受体分子的激发光谱重叠时，供体荧光分子自身的荧光强度衰减，受体荧光分子的荧光强度增强。Ct值是指每个反应管内的荧光信号到达设定的阈值时所经历的循环数。Ct值是实时荧光PCR中一个很关键的因素，C代表循环(Cycle)，t代表阈值(Threshold)。每个模板的Ct值与该模板的起始拷贝数的对数存在线性关系，起始拷贝数越多，Ct值越小。实时荧光定量PCR技术首先利用已知起始拷贝数的标准品做出标准曲线，然后再根据荧光探针的发光基团所发出的荧光强度与PCR产物的数量呈对应关系，对位置样品的荧光信号进行“实时”检测并获得未知样品的Ct值，即可从标准曲线上计算出该样品的起始拷贝数。随着PCR技术的发展，通过将反应试剂分散为成千上万的微液滴并对每一个液滴进行热循环的dPCR(digitalPCR，数字PCR)技术诞生。该技术还同时对每一个液滴进行末端荧光检测来对反应结果进行分析。这一方法被誉为目前灵敏度最高的核酸检测定量方法，也是唯一的核酸分子绝对定量方法。近年来，数字PCR被广泛应用于检测和定量各种特定核酸含量。随着下一代测序和单细胞分析等技术的不断发展，用户对核酸定量的兴趣已经达到了前所未有的单分子水平，导致了数字PCR技术的繁荣。与传统荧光定量PCR技术相比，数字PCR的灵敏度高，更适合常规临床使用。数字PCR的原理是将标准PCR反应体系分配至大量微小的反应单元中，这能大大提高PCR反应体系对抑制物的耐受能力。传统PCR扩增技术的灵敏度只有1％，但数字PCR可轻松实现单分子检测，灵敏度可达0.1％甚至0.001％，这对于临床上痕量核酸标本检测、复杂背景下稀有突变检测，尤其是循环肿瘤DNA检测特别适用。随着检测技术的发展，现有的数字PCR检测平台的工作操作流程相对简单，兼容性强。数字PCR在减少使用通用引物或探针设计在多样性靶序列导致错配方面也具有优势。数字PCR平台可以与NGS(Next-generationsequencingtechnology，新一代基因测序技术)对接，实现对测序文库的质量控制，提供对测序文库的定量分析和质量评估信息。一方面，数字PCR对NGS的测序结果进行验证，确保测序结果可信度；另一方面，所得到的结果还包含反映测序文库质量的信息，如接头与接头二聚体、错误连接片段、过长连接片段等，这是当前其他方法所不具备的优势。基于分液方式的不同，数字PCR主要分为3种：mdPCR(MicrofluidicdigitalPCR，微流体数字PCR)、ddPCR(DropletdigitalPCR，微滴数字PCR)和cdPCR(ChipdigitalPCR，芯片数字PCR)，分别通过微流体通道、微液滴或微流体芯片实现分液，分隔开的每个微小区域都可进行单独的PCR反应。其中，mdPCR基于微流控技术，微流控技术(microfluidics)通过操控pL至uL体积的微量流体以实现化学或生物分析中的各项操作。对DNA模板进行分液，微流控技术能实现样品纳升级或更小液滴的生成，但液滴需要特殊吸附方式再与PCR反应体系结合，mdPCR已逐渐被其他方式取代；ddPCR技术，为相对成熟的数字PCR平台，利用油包水微滴生成技术，目前的仪器主要有Bio-rad公司的QX100/QX200微滴式dPCR系统，RainDance公司的RainDropTMdPCR系统和锐讯生物公司的DropX-2000数字PCR系统。其中，锐讯生物公司的dPCR系统利用油包水生成技术将含有核酸分子的反应体系生成20000个纳升级微滴，经PCR扩增后，微滴分析仪逐个对每个微滴进行检测；cdPCR利用微流控芯片技术将样品的制备、反应、分离和检测等集成到一块芯片上，目前的仪器主要有Fluidigm公司的Bio-MarkTM基因分析系统和LifeTechnologies公司的QuantStudio系统。利用集成流体通路技术在硅片或石英玻璃上刻上许多微管和微腔体，通过不同的控制阀门控制溶液在其中的流动来实现生物样品的分液、混合、PCR扩增，实现绝对定量。目前dPCR系统都是针对自身分液系统设计专用的温度循环装置，温度循环装置基于TEC(ThermoElectricCooler，半导体制冷器)制备。检测手段均为终点成像，再通过软件对图像分析计算，得出待检试剂初始DNA浓度。尽管TEC为目前使用最广泛的温度循环手段，但是该装置只可用于与之相配套的dPCR芯片，且反应试剂盒也需要专门定制，降低了对部分具有特殊配方的试剂的适用能力，普适性弱。同时，整个反应装置整体比较笨重。鉴于此，如何在保证数字PCR系统检测效率的基础上，极大地缩小设备体积以制备便携化设备，且提升对试剂的适用性，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。
技术实现思路
本申请提供了一种集成式数字PCR系统，在保证数字PCR系统检测效率的基础上，极大地缩小设备体积以制备便携化设备，且提升对试剂的适用性。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种集成式数字PCR系统，包括PCR扩增装置，还包括数字PCR芯片、位置伺服驱动器、荧光图像检测装置和温度循环装置；所述温度循环装置包括温度控制器、热盖、半导体制冷器和散热模块；所述热盖为恒温源、设置在所述半导体制冷器正上方且二者间隔高度值大于所述数字PCR芯片的厚度值，所述半导体制冷器固定在所述散热模块上方；所述数字PCR芯片在温度循环过程中位于所述热盖与所述半导体制冷器之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成式数字PCR系统，包括PCR扩增装置，其特征在于，还包括数字PCR芯片、位置伺服驱动器、荧光图像检测装置和温度循环装置；/n所述温度循环装置包括温度控制器、热盖、半导体制冷器和散热模块；所述热盖为恒温源、设置在所述半导体制冷器正上方且二者间隔高度值大于所述数字PCR芯片的厚度值，所述半导体制冷器固定在所述散热模块上方；所述数字PCR芯片在温度循环过程中位于所述热盖与所述半导体制冷器之间；/n所述数字PCR芯片设置在所述位置伺服驱动器上，以使所述数字PCR从所述温度循环装置处移动至所述荧光图像检测装置处；/n所述荧光图像检测装置为悬空固定于所述数字PCR芯片所在平面的上方；且所述荧光图像检测装置为基于互补金属氧化物半导体成像原理的设备。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成式数字PCR系统，包括PCR扩增装置，其特征在于，还包括数字PCR芯片、位置伺服驱动器、荧光图像检测装置和温度循环装置；
所述温度循环装置包括温度控制器、热盖、半导体制冷器和散热模块；所述热盖为恒温源、设置在所述半导体制冷器正上方且二者间隔高度值大于所述数字PCR芯片的厚度值，所述半导体制冷器固定在所述散热模块上方；所述数字PCR芯片在温度循环过程中位于所述热盖与所述半导体制冷器之间；
所述数字PCR芯片设置在所述位置伺服驱动器上，以使所述数字PCR从所述温度循环装置处移动至所述荧光图像检测装置处；
所述荧光图像检测装置为悬空固定于所述数字PCR芯片所在平面的上方；且所述荧光图像检测装置为基于互补金属氧化物半导体成像原理的设备。


2.根据权利要求1所述的集成式数字PCR系统，其特征在于，所述位置伺服驱动器包括连接杆和伺服电机；
所述数字PCR芯片设置在所述连接杆的一端，所述连接杆的另一端与所述伺服电机相连，以使所述数字PCR芯片在所述连接杆的转动过程中在所述温度循环装置处与所述荧光图像检测装置处往复运动。


3.根据权利要求2所述的集成式数字PCR系统，其特征在于，所述伺服电机为圆周式舵机、x轴移动平台或xy轴移动平台。


4.根据权利要求1所述的集成式数字PCR系统，其特征在于，所述热盖与所述半导体制冷器平行设置，且二者之间的垂直间隔距离值d为d＝d0+1，d0为所述数字PCR芯片的厚度值，单位为mm。


5.根据权利要求1所述的集成式数字PCR系统，其特征在于，所述荧光图像检测装置为CMOS相机，所述荧光图像检测装置与所述PCR扩增装置呈对角放置。


6.根据权利要求1所述的集成式数字PCR系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文明，李彬，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22