聚合酶链反应系统技术方案

本发明专利技术涉及一种易于使用的设备，并且通过从生物样本中提取核酸、PCR反应、以及对各种波长的激发光及其对应的荧光的扫描，可自动化进行实时反应产物的检测，并因而能够在单次操作中实施各种测试，具体地，能够在短时间内获得准确的结果。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合酶链反应系统
本专利技术涉及一种能够在实现聚合酶链反应的设备中实时检测核酸的提取和扩增反应以及扩增输出的系统结构。
技术介绍
作为基于证据的精密医学的一项重要技术，不论时间和地点都能够准确且快速地诊断患者疾病的即时(POC)诊断技术已成为人们关注的焦点。作为未来精密医学的关键新技术，许多基于症状的POC诊断研究正在积聚力量并得以发展，在基于症状的POC诊断中，依据疾病的症状(包括咳嗽、腹泻、高热、生殖器异常等等)一次性检查所有引起疾病症状的机会性病原体，以在短时间内检查和确认病原体并开出最佳的抗生素和治疗剂。这种POC诊断技术的优势在于可由本领域的非专业人士做出快速且准确的诊断，如同用于确认早期妊娠的验孕试剂盒、用于检查血糖水平的血糖监测设备。近年来，作为分子诊断技术，能够同时检测各种病原体的多种测试手段已得到发展。这种诊断技术用于确定传染病的精确原因，并为患者提供最佳处方以便及早治疗疾病，从而大大缩短患者的恢复期。因此，作为未来医学的关键技术，为了提高医疗质量和降低医疗费用，所述诊断技术已成为人们关注的焦点。然而，目前的分子诊断系统需要3小时或更久，并要求经训练的技术人员来确认结果。因此，开发一种能够完全自动化地执行复杂的核酸提取过程和实时基因扩增测试以便执行现场所需的POC分子诊断的小型自动化设备至关重要，并且所述自动化设备应当易于由普通人而非专业人员来操作。一种代表性的分子诊断方法是使用聚合酶链式反应(以下称为“PCR”)的方法。自1985年KaryMullis专利技术了聚合酶链反应(PCR)以来，因为PCR可用于快速且简易地扩增特定的DNA，所以已广泛用于分子生物学、分子诊断等等。因为PCR/RT-PCR的使用使得可确定生物样本中是否存在特定的DNA/RNA，所以PCR/RT-PCR已普遍用于诊断诸如病毒等的病原微生物的感染。这种PCR/RT-PCR技术已经发展成为实时定量PCR，从而使得PCR一结束即可检查结果。因此，由于简化的检查过程使PCR技术可用于显著地减少检查时间并准确地量化病原体数量，所以PCR技术已用作监测对HIV、HCV、HBV病毒等的治疗效果的标准诊断方法。另外，因为PCR技术可用于检查与某种疾病或遗传变异相关基因的表达样式，所以已用作诊断疾病的最重要技术。为了执行这种PCR，需要核酸提取步骤，核酸提取步骤包括去除抑制PCR反应的物质和从生物样本中提取纯核酸。因为核酸提取过程由多个步骤组成，并且在处理生物样本和核酸提取中要求熟练的技术，以及在手动操作时存在诸如人为错误污染的问题，所以分子诊断已大多使用自动化核酸提取装置来实施。因为应当安装实时定量PCR设备来执行PCR反应和检测反应产物，分子诊断以前主要是在大医院或专业临床试验机构中实施。各种使用PCR的自动化系统和设备已经得到发展，因为最近的研究和发展已经使提取核酸、执行PCR反应和检测反应产物的所有过程得以自动化执行，所以不用任何专业技能就能够简易地使用PCR。然而，现有的设备的缺陷在于其非常昂贵，花费很多处理时间，且难以一次执行各种测试。以下将描述PCR的基本原理。当DNA双螺旋加热至95℃以将双链DNA分离成单链时，且反应溶液冷却到退火温度以选择性地杂交与包含在PCR反应溶液中的待扩增区域的两末端互补的引物时，DNA聚合酶顺序连接与每个单链互补的四个核苷酸三磷酸(即A、G、TandC)以形成双螺旋。然后，反复执行该过程。在实验的基础上，执行30至45个将PCR反应溶液反复加热和冷却的循环(n)以将特定的DNA双螺旋指数扩增至2n螺旋。通过逆转录反应合成cDNA，接着通过PCR扩增，将RT-PCR反应扩展为检测RNA的方法。为了将PCR完全用于分子诊断，以下将描述实时定量PCR的新发展原理。为了定量分析使用PCR反应扩增的DNA，该方法包括将与DNA数量成比例地发出荧光的物质加入到PCR反应溶液中，随后测量每个循环的荧光来找出检测到临界荧光值的循环，并从临界荧光值定量地测量目标核酸的初始浓度。随着PCR专利技术后各种应用的发展，通过基因组计划已经识别出了许多与病原体和疾病相关的基因序列。另外，用于扩增这种与疾病相关的DNA/RNA序列并定性和定量诊断疾病的分子诊断已快速发展。由于常规PCR花费大约2小时来循环温度，因而能够更快速且更准确地执行用于POC诊断的PCR方法已不断发展(芯片实验室(LabChip)，2016，16，3866-3884)。为了在短时间内执行PCR反应，反应溶液的温度应快速改变。为了使用精密PCR反应仅扩增期望目标，引物还应当设计成特定地结合期望目标，并且在PCR温度循环反应中应当准确调节退火温度。为此，与传统地和普遍地用于实验室的0.5mL和0.2mL反应器相比，已开发出具有尽可能低的热容量并显示高传热的PCR微反应器。因为这种微反应器使用少量的反应溶液并具有大的表面积，所以传热速率高，从而允许快速的加热和冷却。没有显示通过放入10μLPCR溶液到具有17mm*15mm的尺寸和40至80μm的小深度的反应槽并用玻璃板覆盖反应槽来维持硅晶片的高表面积(>100mm2/10μL)，但是使用传统帕尔蒂埃热阻滞使循环时间缩短了一个周期(约3分钟)(Clin.Chem.40/9，1815-1818(1994))。已开发出初始PCR反应设备(TurboThermalcycler.BioneerCorp.Daejeon)，操作方式为将PCR反应器反复浸泡在高温水浴和低温水浴中，并将PCR反应器在高温水浴和低温水浴之间来回移动，以使PCR反应器快速热循环。以这种方式，配置为在不同温度区域之间循环反应器的PCR装置的优势在于通过将反应器浸入已经在空间传递法中维持合适温度的恒温水浴中，可快速且准确地实施PCR反应。然而，该PCR装置的缺陷在于其太大，因为需要几个恒温水浴而难以维持。因此，已主要使用的是采用时差温度循环方法的PCR装置，其中使用固定块中的帕尔蒂埃元件等使温度随时间变化。使用微流通道的PCR方法已发展为空间传递温度循环法和时差温度循环方法。空间传递温度循环法主要分为溶液以先进先出(FIFO)的方式连续流出的开放式反应器法、以及溶液在不同温度区域之间反复流动的封闭式反应器法。1994年，Nakano等人发展了一种开放式方法，在该方法中，在将毛细管缠绕在圆柱形块中之后，PCR溶液在具有不同温度区域的圆柱形块中连续流动(Biosci.Biotech.Biochem.，58(2)，349-352，1994)。这是微流通道的形式，且Kopp等人于1998年证实了PCR溶液反复流经高温和低温低温区域的微流通道形式的PCR装置，通过允许10μL的溶液以4.5秒的循环时间流动20个循环来执行PCR(Science2801046-1048，1998)。
技术实现思路
[技术问题]因此，本专利技术旨在提供一种设备，该设备能够从生物样本中提取核酸、执行PCR反应以及扫描不同波长范围内的激发光和对应的荧光以完全自动化地检测目标核酸，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合酶链反应系统，包括：/n核酸提取盒(100)，配置为使用核酸提取试剂作为介质从生物样本中提取核酸；/nPCR板(200)，联接在所述PCR板(200)插入的结构中，并经由通道连接至所述核酸提取盒(100)，且配置为从所述核酸提取盒(100)接收提取到的核酸溶液，并将所述核酸溶液容纳在至少一个或多个反应孔中，所述至少一个或多个反应孔容纳有引物、或引物/探针组、或包括所述引物/探针组的干燥的PCR混合物；以及/n温度控制模块(300)，设置于所述PCR板(200)上方，并包括一对加热块(310、320)，所述加热块(310、320)与反应孔(W)相邻设置以对所述反应孔(W)施加不同的温度，并允许旋转运动和竖直移动。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171211 KR 10-2017-0168971;20181128 KR 10-2018-011.一种聚合酶链反应系统，包括：
核酸提取盒(100)，配置为使用核酸提取试剂作为介质从生物样本中提取核酸；
PCR板(200)，联接在所述PCR板(200)插入的结构中，并经由通道连接至所述核酸提取盒(100)，且配置为从所述核酸提取盒(100)接收提取到的核酸溶液，并将所述核酸溶液容纳在至少一个或多个反应孔中，所述至少一个或多个反应孔容纳有引物、或引物/探针组、或包括所述引物/探针组的干燥的PCR混合物；以及
温度控制模块(300)，设置于所述PCR板(200)上方，并包括一对加热块(310、320)，所述加热块(310、320)与反应孔(W)相邻设置以对所述反应孔(W)施加不同的温度，并允许旋转运动和竖直移动。


2.根据权利要求1所述的聚合酶链反应系统，其中，所述温度控制模块(300)包括：
第一加热块(310)，设有与所述反应孔的表面对应的第一加压面(G1)，并维持在热变性所需的第一温度；
第二加热块(320)，设置为与对应于所述第一加热块(310)的位置间隔开，并设有与所述反应孔的表面对应的第二加压面(G2)，并维持在退火所需的第二温度；以及
驱动模块(330)，配置为实现所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)的旋转运动或竖直移动。


3.根据权利要求2所述的聚合酶链反应系统，还包括冷却风扇单元(340)，所述冷却风扇单元(340)配置为控制所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)之间的热辐射和热传导。


4.根据权利要求3所述的聚合酶链反应系统，其中，所述第二加热块(320)还包括在与所述第二加压面(G2)相对的顶部实施的冷却图案部件(321)。


5.根据权利要求3所述的聚合酶链反应系统，其中，使用温度传感器和加热单元，将所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)维持在所述第一温度或所述第二温度的设定温度。


6.根据权利要求3所述的聚合酶链反应系统，其中，所述驱动模块(330)包括：
旋转模块，包括驱动轴(S)，所述驱动轴(S)配置为使所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)自主旋转，以移动至将与所述反应孔的表面接触的所述第一加压面(G1)或所述第二加压面(G2)；以及
竖直移动模块，包括：
驱动框架(332)，配置为在垂直于所述驱动轴(S)的方向上实现所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)的竖直移动，以及
引导框架(334)，设置于在其中所述引导框架(334)穿过所述驱动框架的结构中。


7.根据权利要求6所述的聚合酶链反应系统，还包括第一弹性构件(333)，所述第一弹性构件(333)设置于在其中所述第一弹性构件(333)插入所述驱动框架的结构中，使得当所述反应孔的表面与所述第一加热块(310)或所述第二加热块(320)接触时，所述驱动框架向上方施加恢复力。


8.根据权利要求7所述的聚合酶链反应系统，还包括第二弹性构件(335)，所述第二弹性构件(335)设置在所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)上方，使得所述第二弹性构件(335)与所述第一加热块(310)和所述第二加热块(320)间隔开，以及所述第二弹性构件(335)具有设于所述第二弹性构件(335)两端的孔，所述孔的直径比所述引导框架的直径大，以在所述孔插入一对所述引导框架(334)之后允许所述驱动框架(332)竖直移动，同时通过设于所述引导框架(334)中的销来防止从所述引...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴翰浯，金锺甲，李洋源，朴相玲，张惠真，
申请(专利权)人：株式会社百奥尼，
类型：发明
国别省市：韩国;KR