一种用于自动化和定点照护核酸扩增测试的方法和装置制造方法及图纸

这项工作提供了一种使用磁阻(MR)检测在定点照护进行定量的和灵敏的多重核酸检测的方法和设备。MR传感器元件的温度校准是对每个元件执行的，而不是假设相同的校准参数适用于MR传感器阵列的每个元件。它可以包括允许自动清洗和试剂注射的数控流体系统、实现芯片上聚合酶链式反应(PCR)的芯片上温度管理系统以及便携式磁阻传感器平台。除了添加样本和简单的顶级控制之外，这种方法需要最少的用户参与，这使得它非常适合定点照护应用。这使得它非常适合定点照护应用。这使得它非常适合定点照护应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于自动化和定点照护核酸扩增测试的方法和装置


[0001]本专利技术涉及核酸扩增(nucleic acid amplification)和磁性生物传感设备和技术。

技术介绍

[0002]基于聚合酶链反应(PCR)的生物测定是用于以高特异性和敏感性检测生物样本的重要工具。PCR中结合样本(bound sample)的检测通常通过荧光检测进行。然而，本领域还考虑了用于PCR测定的磁性检测。PCR中的磁性检测依赖于磁阻(MR)传感器，该磁阻(MR)传感器的电阻取决于磁场。因此，由于磁性纳米颗粒对附近磁场的影响，可以磁性地检测也与磁性纳米颗粒结合的结合样本。然而，MR传感器的电阻还取决于它们的温度。因此，对温度的准确控制和测量对于用于PCR测定的MR检测是重要的。
[0003]US 2018/0313789中考虑的MR检测中的温度管理方法是确定用于零场电阻率的校准方程R＝R0(1+α(T
‑
T0))中的参数R0和α。一旦完成，MR传感器本身就可用作温度传感器。这项工作的重要特点是，它涉及MR传感器阵列，并且隐含地假设相同的α和R0可用于阵列中的每个传感器。
[0004]我们发现，这一假设在实践中可能不合理。因此，为PCR测定中的MR检测提供改进的温度管理将是本领域的进步。

技术实现思路

[0005]在这项工作中，执行对MR传感器的每个元件温度校准，以便它们能够更准确地提供用于控制PCR循环的温度测量。
[0006]一个示例性实施例是用于分别经由PCR和磁生物感测进行便携式芯片上核酸扩增和终点或实时检测的设备。该优选实施例的特征包括以下各项单独或任意组合。
[0007]1)焦耳加热网络包括表面安装电阻器，用于在热循环期间实现受控加热。物理地位于印刷电路板(PCB)的底层的电阻器网络的示意图如图7A
‑
7C所描绘的。如图8所示，由电阻器生成的热量通过插接通孔被传递到金属化加热板(位于顶层上)。这种配置使得热量能够更有效地垂直传递和均匀分布到包含PCR溶液的区域。
[0008]2)一种温度感测机制，其依赖于由温度变化引起的磁传感器的电阻的测得的变化。
[0009]3)一种磁性传感器阵列，用于对感兴趣分析物执行终点检测或实时检测。
[0010]4)一种定制电路系统，具有用于驱动和从磁传感器阵列读取的模拟前端、用于数字化传感器数据的模数转换器模块以及用于控制不同模块并对所采集信息进行频率分析的微控制器。
[0011]5)一种移动电话应用，用于实现对热循环和终点读出参数的用户指定。对于热循环部件，用户可以指定：与每个步骤相关联的温度和时间长度以及与扩增处理相关联的循环次数。对于读出部件，用户能够指定：孵育时间和读出时间。在完成测定后，向用户展示他
们的个人测定结果以及将那些结果转发给他们的医疗保健提供者的机会。
[0012]利用该装置的示例性终点PCR方法包括扩增芯片上DNA，然后使用磁性感测对所得PCR产物进行定量。优选的终点测定的显著特征包括以下各项的单独或任意组合。
[0013]1)该设备允许在同一芯片上进行温度循环和磁阻信号读取。
[0014]2)用生物素官能化的DNA寡核苷酸引物(正向引物或反向引物)，以允许最终与磁性纳米颗粒表面上的链霉亲和素结合。
[0015]3)在PCR温度循环完成后，添加附加的两个温度步骤。该两个附加的步骤为：重新分离所有新形成的DNA链最后的变性步骤，然后在较低温度下的“检测”步骤，在“检测”步骤期间，经生物素化的目标DNA与表面俘获性探针杂交，并且链霉亲和素包被的磁性纳米颗粒与生物素结合，从而将纳米颗粒束缚在表面上(参见图1的(E))。
[0016]4)一种具有低甘油含量的PCR超混合液，使得溶液的粘度不会过多地破坏/减缓纳米颗粒的扩散。
[0017]利用该装置的示例性实时PCR方法包括扩增芯片上DNA，然后使用磁性感测对所得PCR产物进行定量。优选的实时测定的显著特征包括以下各项的单独或任意组合。
[0018]1)该设备允许在同一芯片上进行温度循环和磁阻信号读取。
[0019]2)一种DNA聚合酶，具有抗体介导而不是化学介导的热启动特性，使得一旦在PCR开始时被激活，它将不会由检测步骤中所涉及的较低温度而失活。
[0020]3)第二检测探针(生物素官能化的单链DNA寡核苷酸)。第二检测探针可被设计为具有不受目标基因中的任一目标基因的序列影响的序列，使得同一探针可以用于检测多个目标。
[0021]4)在标准PCR温度循环中增加了附加的两个温度步骤(变性、重组、延伸)。该两个附加步骤为：第二变性步骤以重新分离所有新形成的DNA链，然后在较低温度下进行“检测”步骤，在“检测”步骤期间，目标DNA与表面俘获性探针和第二检测探针杂交，从而形成将纳米颗粒束缚在表面上(参见图2的(E))的夹层结构。
[0022]5)一种具有低甘油含量的PCR超混合液，使得溶液的粘度不会过多地破坏/减缓纳米颗粒的扩散。
附图说明
[0023]图1示出了用于在本专利技术的实施例中使用的优选终点PCR测定。
[0024]图2示出了用于在本专利技术的实施例中使用的优选实时PCR测定。
[0025]图3示出了与本专利技术的实施例有关的示例性框图。
[0026]图4是示出了示例性PCR处理序列的流程图。
[0027]图5示出了示例性温度校准数据。
[0028]图6是MR传感器电阻的示例性直方图。
[0029]图7A
‑
图7C示出了包括加热电阻器和MR传感器芯片的示例性印刷电路板配置的若干视图。
[0030]图8示出了用于PCR反应腔室的示例性配置。
[0031]图9是与用于双重调制的模拟滤波有关的电路示意图。
[0032]图10是与PCR循环的温度控制和泵的控制有关的电路示意图。
[0033]图11是与驱动磁线圈以提供偏置磁场有关的电路示意图。
[0034]图12示出了用于反应井(well)和泵通道的示例性配置。
[0035]图13示出了示例性PCR温度循环数据。
[0036]图14是用于终点PCR的测得的结合曲线。
[0037]图15示出了用于终点PCR的多重测定结果。
[0038]图16示出了用于PCR温度循环的主动冷却的示例。
具体实施方式
[0039]为了更好地理解本方法的背景，首先考虑两种优选的PCR测定方法是有帮助的。
[0040]A)终点PCR(End
‑
point PCR)
[0041]图1示出了具有终点检测的芯片上PCR的优选方法的步骤。为了简单起见，仅一个传感器和一组目标DNA/引物/俘获性探针被示出，并且从一个步骤到下一个步骤相同的元件绝大部分不在每个步骤中引用。
[0042]步骤(A)示出了PCR反应混合物114，PCR反应混合物114包括D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于执行定点照护PCR(聚合酶链式反应)测试的装置，所述装置包括：反应腔室，所述反应腔室被配置为保持PCR试剂；磁阻传感器阵列，所述磁阻传感器阵列被设置在所述反应腔室内；一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件被设置为向所述反应腔室提供热量；其中所述磁阻传感器阵列包括两个或更多个传感器元件；其中所述两个或更多个传感器元件用作所述反应腔室的温度传感器；处理器，所述处理器被配置为通过响应于来自所述温度传感器的信号控制所述一个或多个加热元件来提供用于PCR循环的所述反应腔室的温度控制；其中T0为参考温度，其中R
0j
为传感器元件j在温度T0下的零场电阻率，其中α为是磁阻传感器阵列的温度系数，并且其中传感器元件j的零场电阻率R
j
由R
j
＝R
0j
(1+α(T
‑
T0))给出；其中通过为所述磁阻传感器阵列确定α并为每个传感器元件确定R
0j
来确定所述传感器元件的温度校准。2.如权利要求1所述的装置，进一步包括基板；其中所述磁阻传感器阵列设置在所述基板的第一表面上；其中所述一个或多个加热元件设置在与所述基板的所述第一表面相对的所述基板的第二表面上；其中所述PCR反应腔室的底板由所述基板形成，使得所述磁阻传感器阵列位于所述PCR反应腔室内部。3.如权利要求2所述的装置，进一步包括一个或多个导热通孔，所述一个或多个导热通孔被配置为增强从所述一个或多个加热元件到所述PCR反应腔室的热流。4.如权利要求3所述的装置，进一步包括夹在所述磁阻传感器阵列与所述基板之间的导热板，其中所述导热板与所述一个或多个导热通孔物理接触。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过对从每个传感器元件获得的所述温度进行平均来测量所述PCR反应腔室的温度。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁阻传感器阵列的温度系数α在单独的校准步骤中确定。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考温度T0是室温，并且其中通过测量每个传感器元件在室温下的零场电阻率来确定每个传感器元件j的R
0j

【专利技术属性】
技术研发人员：姚承阳，K，
申请(专利权)人：小利兰，
类型：发明
国别省市：