一种便携式液滴PCR装置、方法及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种便携式液滴PCR方法、装置及其应用，包括夹层腔体、设于夹层腔体内的液滴存放和温控区，并公开了其控制方式；夹层腔体包括相平行的第一平板及第二平板、用于支撑第一平板侧部及第二平板侧部的第一支撑件及第二支撑件，液滴温控区设有光热层，黑色光热层贴设于第一平板油包水液滴加载和储存在光热夹层，通过程序控制的红外光照频率对光热夹层周期性快速加热和快速冷却，实现铺展的液滴的快速循环扩增和检测；更进一步，循环结束后，通过设有具备阶梯式狭缝通道的梯度夹层板组件液滴分级区满足数字定量等应用液滴均一性要求。本发明专利技术将传统的三维样品加热转变成二维平面加热，无需进行芯片的复杂设计，完全摆脱了传统PCR复杂的变温较慢和昂贵设备控制限制，有效解决了数字化超快液滴PCR的微型化、便携化问题。携化问题。携化问题。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式液滴PCR装置、方法及其应用


[0001]本专利技术涉及生化检测领域，尤其涉及一种便携式液滴PCR装置、方法及其应用。

技术介绍

[0002]温度变温程序的高效控制是很多反应过程的关键。例如，聚合酶链式反应(PCR)，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。一个完成的PCR温控过程可以为：1)将样品加热到90 96℃进行变性；将样品降温到55℃～60℃进行退火；3)将样品加热到70℃～75℃进行延伸；4)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。
[0003]传统的PCR反应在小试管中进行，其反应过程温控速度慢，一般需要80分钟到2小时才能完成。在PCR仪上完成PCR反应所需要的时间决定于以下几个因素：1、模块升温和降温时间2、模块与PCR管内温度平衡时间3、延伸时间4、循环次数如何提高升温降温过程和减少PCR管内溶液的平衡时间一直是超快PCR的核心问题。
[0004]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。静态腔室PCR是传统PCR的微型化，反应混合物固定在微反应池内，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，然后对温控目标进行温控，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，其温度不断地反复循环；或者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。但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。
[0005]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；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。更为重要的是流动的液体难以实现过程的定量分析，定量困难。目前的不管静态还是动态的方式往往其加热模块，升降温控制，以及芯片设计都非常复杂，控制较难，成本高。
[0006]要实现迅速升温和降温，目前还有一些方法采用光热效应进行快速的表面增温。有报道通过红外线作用于纳米粒子或者是纳米金膜表面，能够让物体表面迅速升温到10～100℃每秒。然而，由于反应体积较大(几百纳升至几十微升)，发热的表面加热反应体系会传热较慢，在实际应用中会出现反应效率低、产物不充分等问题，很难确定其Ct值，难以进行定量的分析。微流控油包水微液滴具有体积小、通量高、内部稳定、可绝对定量等优点被
广泛应用于生物、化学检测分析,特别是在数字化PCR和单分子无扩增等核酸和生物大分子绝对定量POCT检测中。分散的小液滴(pL～nL)相比于传统的反应体积更小，传热速度更快，可能更适合提高升温降温过程。然而，传统的液滴生成是基于微流控芯片，这种液滴生成需要精密注射泵对通道中油相和水相流体流速进行严格的控制生成液滴，其操作需要精确控制，成本高昂。基于现有液滴生成方式不可避免的结构复杂或操控难的缺点,不管是基于微振荡还是离心力方式的驱动力都严重制约了液滴POCT检测中简单和便携式的需要。总之，目前还没有一种耦合液滴技术能够实现高效便携的加热和降温，并能实现绝对定量特点的PCR反应系统。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本申请提供一种便携式液滴PCR装置、方法及其应用，无需进行芯片的复杂设计，完全摆脱了传统PCR复杂的变温程序和昂贵设备控制限制，有效解决了高通量超快液滴PCR的微型化、便携化问题。
[0008]为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本申请提供一种便携式液滴数字PCR控制方法，包括以下步骤：
[0010]S1.利用液滴分散组件将反应溶液分散为油包水液滴，转移并平摊至便携式液滴数字PCR装置内液滴温控区的光热层表面；
[0011]S2.对所述液滴温控区内的油包水液滴周期性进行红外线照射加热及风冷降温操作，以使油包水液滴得以循环扩增，即得到目标液滴；
[0012]S3.挤压空气进入所述液滴温控区对应的第一平板及第二平板，或抬高所述液滴温控区对应的第一平板顶部，形成夹角梯度，以驱动将目标液滴转移至所述液滴分级区，目标液滴自动进行梯度化分散排布组装，待测试观察。
[0013]优选的，步骤S3中，所述测试观察通过直接信号检测、荧光显微镜或光电二极管进行检测。
[0014]优选的，步骤S3中，步骤S2中循环进行红外线照射及风冷降温操作的时间、重复次数基于PCR反应程序。
[0015]优选的，在步骤S3中，还包括将所述多个夹层腔体装载至离心转盘中，用于高通量的将反应液滴转入分级区进行观察和定量。
[0016]优选的，所述装载夹层腔体的数量大于等于1，装载的角度为0
‑
70
°
。
[0017]第二方面，本申请提供一种用于便携式液滴数字PCR控制的液滴数字PCR装置，包括夹层腔体、设于所述夹层腔体内的液滴温控区及液滴分级区、用于将分散液滴转移至所述液滴温控区的液滴分散组件，所述液滴温控区与液滴分级区相连通；所述夹层腔体包括相平行的第一平板及第二平板、用于支撑所述第一平板侧部及第二平板侧部的第一支撑件及第二支撑件，所述第一平板、第一支撑件、第二平板、第二支撑件依次首尾相连，所述液滴温控区设有光热层，所述光热层贴设于所述第一平板，所述液滴分级区设有具备阶梯式狭缝通道的梯度夹层板组件，所述梯度夹层板组件的狭缝通道宽度自接近所述液滴温控区到远离所述液滴温控区而减小。
[0018]优选的，所述光热层包括光致发热层、覆盖所发热层的导热层。
[0019]优选的，所述梯度夹层板组件包括平板片、弯折片、第一限位件、第二限位件，所述
平板片的一端部与所述弯折片的一端部贴合，所述第一限位件用于固定所述平板片另一端部与所述钝角弯折片另一端部，所述第二限位件用于固定所述平板片中部与所述钝角弯折片中部。
[0020]优选的，所述梯度夹层板组件端部设有收集容器。
[0021]优选的，所述光热层与所述第一支撑件及第二支撑件均不接触。
[0022]本申请的有益效果如下：
[0023]1、将反应溶液分散成高通量液滴，并且将其平摊在二维平面上，极大的提高了传热的效率，同时也摆脱了溶液体积的限制，能满足ul～ml级别的液滴制作；
[0024]2.通过黑色本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种便携式液滴数字PCR控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.利用液滴分散组件将反应溶液分散为油包水液滴，转移并平摊至便携式液滴数字PCR装置内液滴温控区(2)的光热层(21)表面；S2.对所述液滴温控区(2)内的油包水液滴周期性进行红外线照射加热及风冷降温操作，以使油包水液滴得以循环扩增，即得到目标液滴；S3.挤压空气进入所述液滴温控区(2)对应的第一平板(11)及第二平板(12)，或抬高所述液滴温控区(2)对应的第一平板(11)顶部，形成夹角梯度，以驱动目标液滴转移至所述液滴分级区(3)，目标液滴自动进行梯度化分散排布组装，待测试观察。2.根据权利要求1所述的便携式液滴数字PCR控制方法，其特征在于，步骤S2或者S3中，所述测试观察通过直接信号检测、荧光显微镜或光电二极管进行检测。3.根据权利要求1所述的便携式液滴数字PCR控制方法，其特征在于，步骤S3中，步骤S2中循环进行红外线照射及风冷降温操作的时间、重复次数基于PCR反应程序。4.根据权利要求1所述的便携式液滴数字PCR控制方法，其特征在于，在步骤S3中，还包括将所述多个夹层腔体(1)装载至离心转盘中，用离心力实现高通量的反应结果的观察。5.根据权利要求4所述的便携式液滴数字PCR控制方法，其特征在于，所述装载夹层腔体(1)的数量大于等于1，装载的角度为0
‑
70
°
。6.一种用于便携式液滴数字PCR控制的液滴数字PCR装置，其特征在于，包括夹层腔体(1)、设于所述夹层腔体(1)内的液滴温控区(2)及液滴分级区(3)、用于将分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄习知，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：