用于光热PCR的基底及制备方法和使用方法技术

本发明专利技术公开了用于光热PCR的基底及制备方法和使用方法。基底包括多孔纳米材料薄膜和包被于其表面的金属涂层，金属涂层为连续金属薄膜或纳米金属粒子构成的致密或稀疏涂层。多孔纳米材料薄膜表面镀上金属涂层后，多孔纳米材料薄膜的孔隙为PCR反应提供空间，当被光源照射时，通过光热效应将光能转化为热能提供给PCR，控制光照强度和时间调节溶液温度实现PCR的热循环。该基底具有反应速率快、稳定性高、兼容性好、体积小、成本低等特性。成本低等特性。成本低等特性。

【技术实现步骤摘要】
用于光热PCR的基底及制备方法和使用方法


[0001]本专利技术涉及PCR基底，特别涉及用于光热PCR的基底及制备方法和使用方法。

技术介绍

[0002]聚合酶链式反应(PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。PCR利用DNA的半保留复制，通过高温变性、低温退火、最适反应温度延伸三个阶段的不断循环实现DNA片段的扩增。传统的PCR仪器通过多次温度循环加热和冷却DNA溶液实现DNA样品量多次加倍的过程，因而通常体积较大、价格昂贵、热循环时间长、操作要求高。缩短PCR热循环时间、提高PCR热循环效率和降低PCR成本是应用领域一直关注的问题，提高热转换效率、降低溶液质量或比热容都是有效的提高PCR效率的方法。随着材料科学的发展，许多具有光热效应的纳米材料为PCR研究领域带来了新突破，新兴的光热PCR模式彻底打破了传统PCR仪器的模式，在扩增效率上实现了质的飞跃。目前光热PCR的研究主要有两个发展方向，一是将具有光热效应的纳米材料分散至PCR溶液中，在调制光源的调控下实现多个热源多处同时加热提高加热效率；二是将纳米材料做成小尺寸、高热转换效率的基底，替代传统热源实现溶液加热与体积分割，建立快速精确的加热与冷却过程。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术目的是提供用于光热PCR的基底。
[0004]本专利技术另一目的是提供所述用于光热PCR的基底的制备方法。
[0005]本专利技术最后一目的是提供所述用于光热PCR的基底的使用方法。
[0006]技术方案：本专利技术提供一种用于光热PCR的基底，包括多孔纳米材料薄膜和包被于其表面的金属涂层，金属涂层为连续金属薄膜或纳米金属粒子构成的致密或稀疏涂层。
[0007]进一步地，多孔纳米材料为多孔氧化铝、多孔二氧化硅。
[0008]进一步地，金属为具有光热效应的金属。
[0009]进一步地，所述金属为金、银、铝、镍、钛、锆、铬。
[0010]所述的用于光热PCR的基底的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)取金属用有机溶液清洗除油，惰性气体保护下退火，碱洗，阳极氧化，制得多孔纳米材料薄膜；
[0012](2)多孔纳米材料薄膜表面镀上金属涂层。
[0013]进一步地，所述金属涂层通过物理沉积法、化学电镀法、原位合成法包被在多孔纳米材料薄膜表面。
[0014]所述的用于光热PCR的基底的使用方法，多孔纳米材料薄膜的孔隙为PCR反应提供空间，当被光源照射时，通过光热效应将光能转化为热能提供给PCR，控制光照强度和时间调节溶液温度实现PCR的热循环。
[0015]进一步地，所述光源为单色激光光源。
[0016]进一步地，所述光单色激光光源为脉冲激光、连续波激光、发光二极管或者光谱光
源中的任意一种或多种组合。
[0017]上述技术方案中：
[0018]多孔纳米材料为多孔氧化铝、多孔二氧化硅等富含有序孔隙的纳米材料，具有高导热系数、低热容，具有快热快冷的特性。多孔纳米材料的尺寸包括材料尺寸与孔径尺寸，材料尺寸与孔径尺寸都可根据PCR扩增的模板、DNA聚合酶差异而调节；本专利技术多孔纳米材料的厚度优选20μm
‑
70μm，孔径尺寸优选在50nm
‑
500nm。
[0019]PCR反应溶液在多孔纳米材料中被孔隙分割成小液滴，提高局部反应物浓度，降低局部反应溶液体积，实现纳米限域效应，增强PCR反应速率和稳定性。
[0020]金属涂层包裹在多孔纳米材料薄膜表面，该金属可以指金、银、铝、镍、钛、锆、铬等可以产生光热效应的金属化合物；金属涂层可以是连续金属薄膜，金属涂层还可以是金属纳米粒子构成的致密或稀疏涂层。
[0021]多孔纳米材料薄膜表面的金属涂层可以通过物理沉积如激光溅射、等离子体溅射、磁控溅射、电子束蒸镀等方式包被在多孔纳米材料表面，也可以通过电镀、无电解电镀等化学方法包被在多孔纳米材料表面。
[0022]金属涂层可在光源作用下产生局域表面等离激元共振，利用局部光能快速转化为热能的光热效应，加热PCR反应溶液，缩短PCR热循环时间。
[0023]金属涂层内表面或者外表面可以添加石墨烯涂层，也可以添加石墨层，以增强光热效应。
[0024]光源为相干性好的单色激光光源如脉冲激光、连续波激光或发光二极管、或者宽光谱光源等任意一种或多种组合。光源包含与对应金属涂层的等离激元共振波长耦合的光波段。
[0025]光源的光照强度和光照时间根据多孔氧化铝框架和孔径尺寸、金属涂层尺寸与种类、溶液体积与种类的不同存在差异，应在有效加热溶液实现PCR热循环的范围内。
[0026]光源的光照强度和光照时间可通过规律性开关或结合冷却器件而控制，从而精准调节PCR热循环温度。其中冷却器件为带扇叶的旋转风扇、抽气式冷却部件或散热材料等。
[0027]本专利技术所述的基底应用原理包括：多孔纳米材料的纳米限域效应、金属涂层表面的光热效应，聚合酶链式反应。
[0028]待扩增DNA片段、引物、耐热DNA聚合酶与dNTP加入缓冲液，将混合溶液滴入该光热PCR基底，溶液均匀分布在多孔纳米材料薄膜的孔隙，并被分割成小体积液滴。光源照射在镀金多孔纳米材料表面，使得金属涂层表面产生光热效应，金属涂层表面产生热量，整个多孔纳米材料温度升高，孔隙中的小液滴实现快速体加热。
[0029]通过调节光照强度和光照时间，溶液可以实现循环的温度变化，开始加热后温度快速升高至DNA变性温度(通常在90℃以上)，后降低至退火温度(通常在60℃以下)，然后升高至延伸温度(通常在56℃到75℃之间)维持一段时间后循环此变性、退火、延伸的过程。基于此光热PCR基底的高效地加热和冷却将PCR时间从传统的数小时缩短至几分钟，甚至几十秒内。
[0030]本专利技术中设计制作的用于光热PCR的基底是利用表面等离激元光热效应实现PCR扩增过程的精确加热与冷却控制，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间实现良好精确的切换控制。相对于普通光热PCR基底，其多孔结构的纳米限域效进一步降低了溶液质量，因
而具备更高的加热效率，进一步提升了热循环的速度，能与多种光源及微流系统兼容，具有良好的适配性。根据上述优势可以认为本专利技术中的光热PCR基底有利于低成本的、实时便携的快速PCR检测的进行与发展。
[0031]有益效果：本专利技术的光热PCR基底的多孔纳米材料薄膜可以分割PCR溶液成小体积液滴，实现纳米限域效应，提高PCR反应速率和稳定性；金属涂层可以快速地将光能转化为热能，实现光热效应，提供PCR反应所需温度条件，缩短PCR热循环时间。光源的光照强度和时间可以通过程序性开关和冷却器件控制，实现温度的精准调节，满足PCR热循环的温度变化需求。该光热PCR基底体积小、功率低、反应速率快，是一种新型快速PCR元件，具备实时快速检测的能力、与微流系统和便携设备集成兼容的特性，是理想的POCT元件，有利于扩展PCR检测的使用范围、增强PCR本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光热PCR的基底，其特征在于：包括多孔纳米材料薄膜和包被于其表面的金属涂层，金属涂层为连续金属薄膜或纳米金属粒子构成的致密或稀疏涂层。2.根据权利要求1所述的用于光热PCR的基底，其特征在于：多孔纳米材料为多孔氧化铝、多孔二氧化硅。3.根据权利要求1所述的用于光热PCR的基底，其特征在于：金属为具有光热效应的金属。4.根据权利要求3所述的用于光热PCR的基底，其特征在于：所述金属为金、银、铝、镍、钛、锆、铬。5.权利要求1所述的用于光热PCR的基底的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)取金属用有机溶液清洗除油，惰性气体保护下退火，碱洗，阳极氧化，制得多孔纳米材料薄膜；(2)多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祥伟，康思雨，费瑞华，葛芹玉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：