一种非接触式实时微聚合酶链式反应系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统，其包括：芯片，其具有用于容纳样品的反应室和在反应室下方的用于加热所述样品的嵌入式金属加热器；光学单元，其包括关联的LED驱动器和光检测放大器，且置于所述芯片上方用于检测荧光；感应加热器，其围绕所述芯片安装并电感耦合到金属加热器；红外温度传感器，其安装在所述芯片下方用于测量金属加热器的温度，其中，所述红外温度传感器与信号调节器接合；及控制器，其与信号调节器和感应加热器接合，以通过信号调节器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施方式涉及一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统，更具体而言，本专利技术的实施方式涉及一种PCR系统，其具有带有密封反应室的感应式加热的芯片和红外温度传感器。
技术介绍
在分子生物学中，PCR是一种使单个或几个拷贝的脱氧核糖核酸(DNA)片段扩增至若干数量级从而产生特定DNA序列的百万计拷贝的技术。该方法是基于热循环，即连续地加热和冷却样品。随着PCR的进行，所产生的DNA自身用作复制模板。PCR包括加热和冷却的三个主要步骤，重复25-30次。每一个循环包括(i)在 94度变性，此时全部双链解链成单链DNA; (ii)在 54度的较低温度下退火，此时两个引物与单链模板配对，(iii) 在 72度延伸，其中聚合酶通过连接与模板互补的碱基而使引物延伸，由此对于每一个模板形成两个拷贝的双链DNA。传统的台式PCR系统使用大的金属加热和冷却块使聚丙烯管内部装载的样品温度循环，反应室的小型化在集成化、速度和效率方面具有优势。由于这些优势，对PCR的小型化系统的开发已经成为极为关注的领域。许多研发团队已经使用适于生物反应的各种材料制作出装置。大部分的研发团队已使用硅作为其基材，因其具有高的热传导性和良好特性的加工条件。裸硅是光学不透明的并且有报道称其抑制PCR反应。氧化的硅或玻璃是优选的，但是这些芯片中的反应室、加热器和温度传感器的复杂的多步加工使其对于单一用途的一次性应用来说过于昂贵。此外，反应室密封步骤要求避免热蒸发，这通常通过不同类型的粘合法中的一种来完成，例如熔融粘合法、阳极粘合法、粘合剂粘合法、可逆粘合法和超声粘合法。另一方面，聚合物是生物相容性的低成本材料，其是透明的并且容易在较低温度下成型。但是，其热传导性与硅相比要低得多。因此加热器和温度传感器的设计非常重要。加热方法的选择与材料的选择对于快速微芯片PCR方案起到重要的作用。一般说来，不同的团队通常使用的加热方法有两类接触式和非接触式加热。接触式加热方法利用电阻加热器加热PCR溶液。加热器通常是薄膜金属，大多是钼(Pt)，这是因为其具有对于电阻的可重现的温度依赖性、承受高温的能力、良好的化学稳定性和高的纯度。此外，通常使用钛的薄层作为Pt的粘合层，这是由于后者在高温下展现高扩散率，这使得其性能恶化。但是Pt非常昂贵而且光学不透明。其它的金属或合金也已被用作加热器。一些商业上可得到的珀尔贴块热电单元也已经广泛用于PCR芯片的温度控制，尽管其具有较大的热质量、较慢的温度斜率并且是不透明的。最常用的PCR的非接触式加热方案是基于热空气循环，其通过快速切换所需温度的空气流来完成。但是对于单个芯片控制和应用热空气并非易事。在一些报道中，使用钨灯的红外辐射被用作非接触式热源，其对于35个循环需要不到15分钟。但是，钨灯是非相干的非聚焦光源，因此需要高功率(50-100W)以使芯片达到所需温度。在另一个报道中，描述了使用非昂贵的卤灯作为低功率辐射源用于硅微反应室中的温度的快速上升。根据之前的讨论，有必要研发这样的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统以克服以上提到的问题，该系统具有带有密封反应室的感应式加热的聚合物芯片和和红外温度传感器，该芯片由选自包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸系物、聚丙烯和聚碳酸酯的组中的材料制成。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的一个目的是提供一种具有感应加热器和红外辐射温度传感器的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统。本专利技术的一个目的是提供一种具有带有反应室和嵌入式金属加热器的芯片的非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR)系统。专利技术概沭通过提供如本专利技术中所要求保护的系统和方法，可以克服现有技术的缺点并提供额外的优点。通过本专利技术的技术可以实现附加的特点和优点。本文中对本专利技术的其它具体实施方式和方面进行了详细说明并且被认为是本专利技术所要求保护的一部分。本专利技术的基本的具体实施方式提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR) 系统。该系统包括具有用于容纳样品的反应室和在所述反应室下方嵌入的用于加热样品的金属加热器的芯片。包括关联的LED驱动器和光检测放大器的光学单元，其置于芯片上方用于检测荧光。感应加热器围绕芯片安装并且电感耦合到金属加热器。红外温度传感器安装在芯片下方用于测量金属加热器的温度，其中所述红外温度传感器与信号调节器接合。 以及控制器与信号调节器和感应加热器接合，以通过信号调节器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述芯片由选自但不限于聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、丙烯酸系物、聚碳酸酯、聚丙烯的组中的材料制成。在本专利技术的一个具体实施方式中，LED驱动器和光检测器放大器和脉冲宽度模块控制器与数据采集和控制系统接合以监测PCR的不同参数。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述感应加热器是线圈，所述线圈靠近所述芯片设置而用于感应加热金属加热器。而且芯片和线圈间的距离在O-IOmm之间变化。在本专利技术的一个具体实施方式中，控制器(5)选自脉冲宽度调节器、比例积分微分(PID)控制器和开/关转换器中的至少一种。在本专利技术的一个具体实施方式中，在反应室的一侧具有喷嘴以在样品填充过程中限制所捕集的空气。本专利技术的另一个具体实施方式提供了一种非接触式实时微聚合酶链式反应(PCR) 系统的操作方法。该方法包括将样品填充到芯片的反应室中的行为。使用嵌入式金属加热器加热样品，其中所述嵌入式金属加热器电感耦合到感应加热器以接收来自感应加热器的热能。然后使用红外温度传感器测量金属加热器的温度。以及使用控制器基于从红外温度传感器接收的反馈来调节感应加热器的功率。在本专利技术的一个具体实施方式中，在填充样品之前通过设置在所述芯片的一端的喷嘴将所捕集的空气从反应室中冲走。在本专利技术的一个具体实施方式中，使用包括关联的LED驱动器和光检测放大器的光学单元来检测荧光。在本专利技术的一个具体实施方式中，使用数据采集和控制系统来监测聚合酶链式反应的不同参数。在本专利技术的一个具体实施方式中，通过电磁感应方法由感应加热器向金属加热器供给热量。以上概述仅作说明之用，并非意欲加以任何限制。除了以上所述的说明性方面具体实施方式和特点外，进一步的方面具体实施方式和特点通过附图和以下详细说明将是明显的。附图说明本专利技术的新颖的特点和特性如所附权利要求所阐述的那样。但是本专利技术自身，优选的使用方式，其进一步的目的和优点，也可以通过参考以下具体实施方式的详细说明结合附图得到最好的理解。现参照附图(其中相同的附图标记代表相同的元件)通过实施例描述一个或更多的具体实施方式，其中图I表示非接触式微PCR系统的框图。图2a_2c表示带有嵌入式加热器和反应室的PDMS芯片的三步制备步骤。图2d和2e表示PDMS芯片的顶视图和透视图。图3a_3c表不线圈相对于芯片、物镜和IR传感器的位置。图4表示围绕厚度为O. 4mm的直径为8mm镍环的磁场线的2D数字模拟，该镍环用 2匝由Imm直径导线制成的直径IOmm的铜线圈感应加热，负载电流10A，频率为50kHz。图5表示不同加热材料的耗散功率与频率的函数的数字模拟不锈钢(SS)、铝 (Al)和铜(Cu)。还显示了铜线圈自身(线圈)的耗散功率。图6表示解链曲线，其显示实时荧光信号的导数与温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯维萨·钱德拉，苏迪普·蒙达尔，文卡塔拉曼·文卡塔克里希南，萨迪亚迪普·维斯瓦纳坦，雷吉斯·马里拉德维·拉达克里希南，拉维普拉卡什·贾亚拉曼，钱德拉塞卡尔·巴斯卡兰奈尔，皮拉里赛蒂·文卡塔·苏巴拉奥，
申请(专利权)人：比格科技私人有限公司，
类型：
国别省市：