一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置及其应用。该装置包括微流控PCR芯片、光源控制单元、温度控制单元，微流控PCR芯片由光响应薄膜和带有闭合形状凹槽的基板粘结构成，基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道，闭合通道为样品进行PCR反应的场所；光源控制单元用于控制光斑照射样品溶液并跟随液体运动，驱动液体在闭合通道中循环流动；温度控制单元用于将微流控PCR芯片内闭合通道的不同区域分别加热至设定温度。与现有技术相比，本发明专利技术可以利用闭合通道实现反应的多次循环、反应时间和反应次数可以根据DNA种类和浓度的不同进行设定，从而有效提高反应的准确性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置及其应用
本专利技术涉及微流控
，尤其是涉及一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置及其应用。
技术介绍
聚合酶链式反应(PCR)能够通过少量的DNA或RNA片段在不同温度区域的循环反应，在短时间内实现成倍复制扩增。利用微流控技术可以把常规的PCR集成到几平方厘米的芯片上，其体积小、携带方便、表面积和体积比值大、容易操作并且结果快速，可用于现场即时诊断，有效缩短检验周转期，为应急处置、急救实施提供了重要手段。目前微流控PCR主要有静态腔室型PCR、连续流动型PCR和闭环型PCR等，共同的特点都是可以缩小反应体系，实现反应液升降温的变化。静态腔室型反应液静止在反应腔室中，外部的热控装置反复升降温为整个腔室提供变化温度。连续流动型PCR是通过外接注射器泵或气动阀等来操控液体流经不同温区及在每个温区的停留时间，热惯性取决于液体自身的热质量，与芯片的关系较小，因而热循环效率较高。但受限于单向泵出的驱动方式，连续流动型的反应时间和反应次数受通道设计影响很大，因此针对所需而进行定制化设计的程度很高。通过闭合通道实现液体的循环控制是解决上述问题的有效手段，如何实现闭合通道内液体的驱动是其关键问题。目前循环式PCR芯片的驱动方式主要有热对流驱动和磁驱动两种，其中热对流PCR是基于Rayleigh-Be′nard原理，即密闭装置内存在温度不同的两区域，温度的差异使得不同位置处液体的密度不同，从而产生浮力差异进而产生热对流运动；磁驱动是通过在通道中安装磁性纳米粒子塞子，在外部磁场下推动液体流动。前者无法精确控制液体流速，容易造成体系温度扩散，影响反应效率，而后者纳米粒子容易堵塞进样口，并且会造成生物样品的接触污染。因此，开发非接触式、可精确操控流速的循环驱动方法对于微流控PCR装置十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置及其应用，以通过光控实现流速的精确控制，提升反应效率。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术提供一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，包括：微流控PCR芯片、光源控制单元、温度控制单元，所述微流控PCR芯片由光响应薄膜和带有闭合形状凹槽的基板粘结构成，所述基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道，所述闭合通道为样品进行PCR反应的场所；所述光源控制单元用于控制光斑照射样品溶液并跟随液体运动，驱动液体在闭合通道中循环流动；所述温度控制单元用于将微流控PCR芯片内闭合通道的不同区域分别加热至设定温度。在本专利技术的一个实施方式中，所述光响应薄膜为能在光照下发生弯曲变形的材料，并且能够在PCR反应所需的温度(95℃以上)时保持光致形变能力。在本专利技术的一个实施方式中，所述光响应薄膜的材料的种类包括但不限于液晶高分子、光响应凝胶膜、光响应聚酰亚胺、聚氨酯等工程塑料或橡胶。在本专利技术的一个实施方式中，所述光响应薄膜的厚度为10-50μm，照射后所述光响应薄膜发生弯曲形变，响应时间≤5秒，响应温度范围为0-120℃。在本专利技术的一个实施方式中，所述基板具有一定的耐热性能，维卡软化温度大于100℃。能够通过数控雕刻机、光刻、蚀刻、准分子激光加工、热压、注塑、3D打印等方式中的一种或几种进行加工。在本专利技术的一个实施方式中，所述基板的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、环烯烃聚合物(COC)、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。在本专利技术的一个实施方式中，所述基板的厚度为2-8mm，长宽范围为20-100mm；所述基板上所加工闭合形状凹槽横截面选自半圆形、矩形或者梯形，半圆形的半径为10-5000μm，所述矩形的宽深范围均为10-5000μm；在本专利技术的一个实施方式中，所述基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道的截面形状为环形时，则其半径为5-50mm；若闭合通道的截面形状为其它形状，则其最小外接圆的半径为5-50mm。在本专利技术的一个实施方式中，所述闭合通道内壁经过亲水修饰处理形成修饰层，有助于样品水溶液在光控下的运动；所述修饰层为含无机硅酸盐纳米粒子的凝胶亲水涂层，或亲水性蛋白(如牛白蛋白)。在本专利技术的一个实施方式中，所述基板上还设置有进样通道和出样通道，所述进样通道和出样通道均与闭合通道连通，所述进样通道和出样通道的宽度与闭合通道一致，所述进样通道和出样通道的深度范围为1-50μm，且在同一芯片中所述进样通道和出样通道的深度小于等于闭合通道的深度。在本专利技术的一个实施方式中，样品注入后，利用密封胶封闭进样通道和出样通道。在本专利技术的一个实施方式中，所述光源控制单元包括液体控制光源及光源平移装置，所述光源平移装置用于带动液体控制光源实现三自由度的移动，进而能够实现光源X、Y、Z三方向的移动，其中，X、Y分别指同一平面上相垂直的两个坐标方向，Z是指垂直于X、Y所在平面，并分别垂直X、Y的一个坐标方向。在本专利技术的一个实施方式中，所述液体控制光源为紫外光、可见光或近红外光中的任意一种，所述液体控制光源是单点光源、线光源或阵列式集成光源中的任意一种，若光源为单点光源或线光源，需要加装光源平移装置。在本专利技术的一个实施方式中，所述光源平移装置可以为机械传动式结构，采用已有技术即可实现，具有10μm以内的重复定位精度，10mm/min-100mm/min的光斑移动速度范围，不小于80mm×30mm的可控移动范围。在本专利技术的一个实施方式中，所述液体控制光源置于微流控PCR芯片上方5-15cm处。在本专利技术的一个实施方式中，所述温度控制单元包括加热片、控温器以及配套的电源，所述加热片设有两个及以上，各加热片相互独立能够将微流控PCR芯片内闭合通道的不同区域分别加热至相应的温度；所述加热片、控温器及电源通过电线相连，使不同加热片的温度能够独立调节。各个加热片的温度通过控温器精确控制，并相互独立，不同加热片的温度可以相同，也可以不同，以满足不同种类DNA扩增的需求。在本专利技术的一个实施方式中，优选地，各加热片设置成扇形，且各加热片相互独立而又两两相邻，可以组成圆形。本专利技术光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置使用时的连接方式为：光响应薄膜与基板上表面通过热粘接的方式紧密贴合构成微流控PCR芯片，使基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道。样品注入后，利用密封胶封闭进样通道和出样通道，将微流控PCR芯片通过热粘胶粘贴于温度控制单元的加热片上。加热片、控温器及电源通过电线相连，使三个区域的温度可以独立调节。将光源控制单元的光源灯头置于微流控PCR芯片上方5-15cm处，将光源控制单元的光源固定于光源平移装置上，能够在微流控PCR芯片上方移动。控制光斑照射样品溶液并跟随液体运动，驱动液体在闭合通道中循环流动。使用本专利技术光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置进行检测的检测步骤为：1.在微流控PCR芯片通道内通过进样通道预导入PCR反应物混合液(包括模板DNA、引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，包括：/n微流控PCR芯片、光源控制单元、温度控制单元，/n所述微流控PCR芯片由光响应薄膜和带有闭合形状凹槽的基板粘结构成，所述基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道，所述闭合通道为样品进行PCR反应的场所；/n所述光源控制单元用于控制光斑照射样品溶液并跟随液体运动，驱动液体在闭合通道中循环流动；/n所述温度控制单元用于将微流控PCR芯片内闭合通道的不同区域分别加热至设定温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，包括：
微流控PCR芯片、光源控制单元、温度控制单元，
所述微流控PCR芯片由光响应薄膜和带有闭合形状凹槽的基板粘结构成，所述基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道，所述闭合通道为样品进行PCR反应的场所；
所述光源控制单元用于控制光斑照射样品溶液并跟随液体运动，驱动液体在闭合通道中循环流动；
所述温度控制单元用于将微流控PCR芯片内闭合通道的不同区域分别加热至设定温度。


2.根据权利要求1所述的一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，所述光响应薄膜为能在光照下发生弯曲变形的材料，并且能够在PCR反应所需的温度时保持光致形变能力；
所述光响应薄膜的厚度为10-50μm，照射后所述光响应薄膜发生弯曲形变，响应时间≤5s，在0-120℃温度范围内均可以产生光致形变。


3.根据权利要求1所述的一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，所述基板的厚度为1-8mm，长宽范围为20-100mm；所述基板上所加工闭合形状凹槽横截面选自半圆形或矩形，半圆形的半径为10-5000μm，所述矩形的宽深范围均为10-5000μm。


4.根据权利要求1所述的一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，所述基板上的凹槽与光响应薄膜形成闭合通道的截面形状为环形时，则其半径为5-50mm；若闭合通道的截面形状为其它形状，则其最小外接圆的半径为5-50mm。


5.根据权利要求1所述的一种光驱动循环式聚合酶链式反应微流控装置，其特征在于，所述基板上还设置有进样通道和出样通道，所述进样通道和出样通道均与闭合通道连通，所述进样通道和出样通道的宽度与闭合通道一致，所述进样通道和出样通道的深度范围度小于等于闭合通道的深度。


6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞燕蕾，刘荃，李欢，竺翀宇，鲁遥，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31