PCR扩增与检测设备制造技术

本发明专利技术公开了一种PCR扩增与检测设备，包括PCR扩增模块和PCR检测模块；所述PCR扩增模块包括：底座、温控组件、芯片组件以及驱动机构；所述PCR检测模块包括设置在所述台面的边缘处的位移机构以及设置在所述位移机构上的检测探头。本发明专利技术集成了PCR扩增与检测功能，可实现核酸检测；本发明专利技术中，通过配置可调节位置的旋转支撑杆，能够利用一个旋转机构完成PCR反应物的混合以及温控区的切换两项工作，简化了装置结构；本发明专利技术中既省去了同一个温控区域在相邻温度之间进行温度变化所需的时间，也省去了温控区域自身逐渐变化至要求的温度所需的时间，能够大大缩短PCR反应中温控所需的时间。间。间。

【技术实现步骤摘要】
PCR扩增与检测设备


[0001]本专利技术涉及DNA检测领域，特别涉及一种PCR扩增与检测设备。

技术介绍

[0002]PCR，即聚合酶链式反应，是一种DNA的快速扩增技术，是实时荧光定量PCR、基因测序和基因芯片等分子诊断的必要环节，在人类社会生活中应用广泛。比如检验血液中的某种病毒，有时病毒量极少(例如有的艾滋病病毒携带者)，通过传统的检查方法费力又费时，这时PCR技术先选定这种病毒DNA上的一段DNA，设计合适的引物DNA，然后通过PCR技术扩增很快就可以判断出血样中是否扩增出了大量的DNA，如果是的话，那么就说明血样中带有该种病毒了。再比如荧光定量PCR技术，实现了PCR从定性到定量的飞跃，所谓实时荧光定量PCR技术，是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
[0003]实现PCR检测一般需要PCR核酸扩增仪和光学检测设备来配合实现，现有技术中通常是采用两台独立的设备，在PCR核酸扩增仪中完成扩增后再转移到光学检测设备中进行检测，较为麻烦。
[0004]PCR温控过程是一个较为复杂的过程，通常需要在三个温区不断的切换，例如，一个完成的PCR温控过程可以为：步骤一：将样品加热到90
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96℃进行变性；步骤二：将样品降温到60℃～65℃进行退火；步骤三：将样品加热到70℃～75℃进行延伸。步骤四：重复步骤一至步骤三25～40次。可见，PCR温控过程是一个较为复杂的过程，需要反复进行温区的切换。PCR温控过程中，温区间切换的快慢直接影响了PCR反应的时间，所以提高温区间切换速度对缩短PCR反应时间至关重要。
[0005]PCR微芯片是利用MEMS(Micro
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Electro
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Mechanical System)技术和微流控技术制备的微流体芯片，微流控芯片具有体积小、比表面积大、集成度高、反应速度快、传热快等特性，得到了广泛应用。根据芯片样品腔室的不同，PCR可以分为静态腔室PCR和动态连续流式PCR。前者是传统PCR的微型化，反应混合物固定在微反应池内，其温度不断地反复循环；后者是DNA样品和反应物通过连续流动经过三个不同的恒温带,从而达到DNA片段扩增的目的。
[0006]通常的静态腔室PCR中，温区在不同温度间切换时需要通过如帕尔贴、PI膜加热片等温控装置先进行温区自身的温度变化，达到设定的温度，然后对反应芯片进行温控，由于温区自身的温度变化取决与升、降温速度，一般只能达到2～5℃/s，导致温区自身的温度变化消化时间长，大大延长了PCR温控时间。针对该缺陷，专利CN111346685A公开了一种可实现快速温控的装置和方法，其采用具有适合温度的流体直接进入温控腔体中替换原来的流体，是实现温度快速控制，而不需要通过温控部件逐渐加热或降温温控腔体，减少了温控过程中的升温和降温过程所需时间，提高了温控的速率。该可实现快速温控的装置和方法提供了一种较好的快速温控思路，在一定程度上解决了温区自身的温度变化耗时长的问题，但仍然存在不足：其通过适合温度的流体进入温控腔体中替换原来的流体，这一过程中同
样需要消耗一定的时间(一般需要数秒)，且流体替换的均匀性和效率难以保障，容易导致耗时的增长或是温度控制精度的下降。例如，其采用流体注入的方式替换原来的流体时，沿流体主流动方向的流体能快速替换，而边缘部分的流体替换缓慢，导致整个温控腔体的流体替换不均匀，最终导致温度不均匀，导致温控效果和效率降低。
[0007]通常的动态连续流式PCR是通过微流控技术将PCR反应溶液在不同温区之间流动。这种方法不存在升降温的过程，能减少时间消化。但这种方案也存在一些缺陷：样品在芯片内是不停流动的，所以反应时间等变量的控制主要通过设计芯片上微通道的结构来实现，通常结构相对更复杂也需要比较大的空间，且相应的用于驱动样品在芯片内持续流动的驱动机构也会较为复杂；另外，由于微通道内的面积/体积比较大，内壁对试剂和样品由吸收，所以会造成运送污染与试剂/样品损失；且在压力驱动条件下，微通道横截面的速度分布为抛物线或类似形状，中间速度最大而两侧靠近壁面速度最小(接近0)，所以在横截面不同位置的PCR样品将经历不同的反应时间。
[0008]专利201721483492.X提供了一种快速核酸扩增系统，其通过旋转方式使反应耗材中的核酸扩增反应溶液在不同温区间转移实现核酸快速扩增，克服了现有核酸扩增系统或耗时长或反应耗材难以实现的技术问题。但该系统仍然存在一些不足：该系统中，旋转机构驱动反应耗材旋转，在温控模块上设置一个缺口作为空气加热区，以对进入该缺口处的反应耗材进行温度控制，反应耗材进入该缺口后再通过一个驱动机构驱动上温控模块和下温控模块夹紧。1、该系统需要额外增加一个驱动机构，且驱动机构的动作需要与旋转机构配合，这样导致增加了驱动机构动作的时间，且额外增加了驱动机构与旋转机构配合的控制。2、该系统是通过加热丝或加热膜加热空气，利于缺口处的局部空气浴实现温控；空气存在比热低的不足，更重要的时，其需要使空气加热区始终保持在需要的温度，而缺口处无反应耗材进入时，为敞开状态，这样会导致大量热能的浪费；进一步的，其宣称通过空气浴进行温控，但并不能对空气气流进行操控，所以实际上可以说就是通过加热丝或加热膜进行温控的，故加热的均匀性有待商榷。
[0009]所以，现有的PCR设备，尤其是PCR温控方案仍然存在一些不足，存在不足，需要进行进一步改进，以提供更为可靠的方案。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种PCR扩增与检测设备。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种PCR扩增与检测设备，包括PCR扩增模块和PCR检测模块；所述PCR扩增模块包括：底座；
[0012]沿圆周方向设置在所述底座的台面上的至少3个均具有温控区域的温控组件，至少3个温控组件的温控区域用于独立提供不同的温度控制目标值；
[0013]芯片组件，其包括芯片座、与所述芯片座连接的旋转支撑杆以及设置在所述芯片座上的至少一个反应芯片；
[0014]以及用于驱动所述芯片座旋转的驱动机构，所述驱动机构包括转盘和用于驱动所述转盘旋转的动力装置，所述旋转支撑杆可沿径向活动连接在所述转盘上，使得所述旋转支撑杆可沿径向在第一位置和第二位置之间进行切换；
[0015]所述PCR检测模块包括设置在所述台面的边缘处的位移机构以及设置在所述位移机构上的检测探头；
[0016]所述旋转支撑杆在第一位置时，所述芯片座旋转过程中，所述芯片座上的反应芯片能够依次进入和离开每一个温控组件的温控区域以及所述检测探头的下方，以使得所述反应芯片可在不同温度值的温控区域之间进行切换，以满足PCR反应所需的温度环境，以及通过所述检测探头对所述反应芯片进行光学探测；
[0017]所述旋转支撑杆在第二位置时，所述芯片座能够在所述转盘和至少3个温控组件之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PCR扩增与检测设备，其特征在于，包括PCR扩增模块和PCR检测模块；所述PCR扩增模块包括：底座；沿圆周方向设置在所述底座的台面上的至少3个均具有温控区域的温控组件，至少3个温控组件的温控区域用于独立提供不同的温度控制目标值；芯片组件，其包括芯片座、与所述芯片座连接的旋转支撑杆以及设置在所述芯片座上的至少一个反应芯片；以及用于驱动所述芯片座旋转的驱动机构，所述驱动机构包括转盘和用于驱动所述转盘旋转的动力装置，所述旋转支撑杆可沿径向活动连接在所述转盘上，使得所述旋转支撑杆可沿径向在第一位置和第二位置之间进行切换；所述PCR检测模块包括设置在所述台面的边缘处的位移机构以及设置在所述位移机构上的检测探头；所述旋转支撑杆在第一位置时，所述芯片座旋转过程中，所述芯片座上的反应芯片能够依次进入和离开每一个温控组件的温控区域以及所述检测探头的下方，以使得所述反应芯片可在不同温度值的温控区域之间进行切换，以满足PCR反应所需的温度环境，以及通过所述检测探头对所述反应芯片进行光学探测；所述旋转支撑杆在第二位置时，所述芯片座能够在所述转盘和至少3个温控组件之间形成的环形空间中自由旋转。2.根据权利要求1所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述PCR检测模块还包括设置在所述台面边缘的PCR检测装置本体，所述位移机构包括设置在所述台面上的支架、设置在所述支架上的Y滑轨、可滑动设置在所述Y滑轨上的Y滑块、用于驱动所述Y滑块在所述Y滑轨上移动的Y驱动装置、设置在所述Y滑块上的Z滑轨、可滑动设置在所述Z滑轨上的Z滑块以及用于驱动所述Z滑块在所述Z滑轨上移动的Z驱动装置，所述检测探头设置在所述Z滑块上。3.根据权利要求2所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述芯片座上沿其旋转方向开设有至少2个用于容纳反应芯片的芯片槽，所述芯片槽沿垂直方向贯穿所述芯片座，以使得所述芯片座进入所述温控区域内后，反应芯片的上下表面均会暴露在所述温控区域中；所述转盘的侧部开设有供所述旋转支撑杆配合插入的安装插孔，所述转盘的表面开设有贯穿所述安装插孔的固定螺纹孔，所述固定螺纹孔内配合设置有固定螺丝；所述旋转支撑杆上沿所述转盘朝所述芯片座的方向间隔开设有有第一定位孔和第二定位孔，所述旋转支撑杆插入所述安装插孔内后，当所述第一定位孔与所述固定螺纹孔对齐时，所述旋转支撑杆处于第一位置，当所述第而定位孔与所述固定螺纹孔对齐时，所述旋转支撑杆处于第二位置；所述固定螺丝用于穿过所述固定螺纹孔和第一定位孔/第二定位孔，以将所述旋转支撑杆固定在所述安装插孔内。4.根据权利要求1所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，还包括与所述温控组件一一对应的至少3个热源组件，所述热源组件向所述温控组件提供恒定温度的温控液体，以使得所述温控组件的温控区域内的温度保持在所需要的温度控制目标值；所述热源组件包括预加热储液罐、设置在所述预加热储液罐内的第一加热装置、与所
述预加热储液罐入口端连通的进液管、与所述预加热储液罐的出口端通过输送管道连通的恒温储液罐、设置在所述恒温储液罐内的第二加热装置、与所述恒温储液罐的出口端连通的出液管、设置在所述进液管上的进液阀、设置在所述出液管上的出液阀、设置在所述输送管道上的输送控制阀以及设置在所述出液管上的输送泵；所述预加热储液罐内设置有第一温度传感器，所述恒温储液罐内设置有第二温度传感器；所述预加热储液罐中的温控液体经所述第一加热装置预加热后进入所述恒温储液罐，在所述第二加热装置的加热作用下保持在设定的恒定温度，然后经所述出液管提供至所述温控组件，以使所述温控组件的温控区域内的温度维持在所需要的温度控制目标值，所述温控组件排出的温控液体再返回至所述预加热储液罐中。5.根据权利要求4所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述温控组件包括设置在所述台面上的安装架、可上下移动设置在所述安装架上的上温控块、设置在所述上温控块上的联动机构、设置在所述台面上且处于所述上温控块正下方的下温控块；在所述驱动机构的作用下，所述芯片座旋转并与所述联动机构接触，以致所述上温控块向上移动，从而使得所述芯片座及其上的反应芯片能够进入由所述上温控块和下温控块之间的空间形成的所述温控区域内；所述安装架包括与所述台面连接的竖板以及与所述竖板连接的横板，所述上温控块设置在所述横板上；所述横板的底面开设有阶梯孔，所述阶梯孔包括由下至少依次连通的小孔段和大孔段，所述上温控块的上表面连接有若干安装滑杆，所述安装滑杆的顶部连接有限位盘；所述安装滑杆可滑动插设在所述小孔段内，所述限位盘可滑动设置在所述大孔段内，且所述限位盘的外径大于所述小孔段的内径，所述大孔段的上部内壁和限位盘之间连接有压簧。6.根据权利要求5所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述联动机构包括连接在所述上温控块的第一侧面的外端的导向轨道、第一端与所述上温控块的第一侧面的内端可转动连接且第二端可滑动设置在所述导向轨道上的联动块以及连接在所述导向轨道和联动块的第二端之间的拉簧；所述芯片座旋转时，所述上温控块的第一侧面迎向所述芯片座；所述联动块的第一端连接有滑动端，所述滑动端上沿垂直方向贯穿连接有限位轴；所述导向轨道的中部开设有供所述滑动端插入并沿弧形轨迹进行滑动的滑槽，所述导向轨道的上下表面均开设有贯穿至所述滑槽的导向槽，所述限位轴的上下两端分别可滑动设置在上下两个导向槽内；所述滑动端的外端面呈弧形状，所述滑槽的内壁为弧形面，使得所述联动块绕所述上温控块的第一侧面的内端转动时，所述滑动端可在所述滑槽沿弧形轨迹自由滑动；所述导向轨道的上下表面上处于远离所述上温控块的第一侧面的一端均连接有一弹簧安装柱，所述拉簧的一端连接在所述弹簧安装柱上另一端连接在所述限位轴上。7.根据权利要求6所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述联动块的底面设置有倾斜驱动面，沿所述芯片座旋转的方向，所述倾斜驱动面的高度逐渐降低；所述芯片座包括用于容纳反应芯片的芯片座以及可转动连接在所述芯片座侧部的至
少一个滚轮；所述芯片座旋转时，所述芯片座上的滚轮先与所述倾斜驱动面接触，使得随着所述芯片座的转动，所述联动块逐渐抬高并带动所述上温控块向上移动，以使所述芯片座进入所述上温控块和下温控块之间形成的温控区域内；所述芯片座上至少设置有两个沿垂直方向贯穿所述芯片座的用于安装反应芯片的芯片槽，以使得所述芯片座进入所述温控区域内后，反应芯片的上下表面均会暴露在所述温控区域中。8.根据权利要求7所述的PCR扩增与检测设备，其特征在于，所述上温控块和下温控块的内部均具有温控腔，所述上温控块和下温控块的外端面的两侧均分别设置有主进液管接头和出液管接头，所述上温控块的上表面和下温控块的下表面均设置有辅助进液管接头；所述主进液管接头、辅助进液管接头和出液管接头均与所述温控腔连通，所述出液管提供的温控液体经所述主进液管接头、辅助进液管接头进入所述温控腔，然后由所述出液管接头排出；所述上温控块和下温控块均包括内部中空的温控块本体，所述温控块本包括隔热外壳、设置在所述隔热外壳内的内胆以及与所述内胆密封连接的柔性导热面，所述内胆和柔性导热面围绕而成的空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松柏，
申请(专利权)人：苏州卫生职业技术学院，
类型：发明
国别省市：