專利名稱：聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction，PCR)在微流控芯片上實現(xiàn)DNA擴增及實時熒光檢測。應用于生化反應和醫(yī)學檢測領域。
背景技術：
生化檢測設備領域中微型化是一個發(fā)展方向，微機電技術 (Micro-electro-mechanical systems,MEMS)的發(fā)展使PCR反應可以在芯片上完成。傳統(tǒng)熒光PCR儀中存在以下缺點儀器體積大，升降溫速率慢，溫度精度不高，半導體加熱制冷器長期溫度驟變壽命縮短。利用MEMS技術制造的微井式芯片，解決了儀器體積大的問題， 但上述其他問題還存在。在三恒溫區(qū)微流控芯片中，可以解決上述問題，但由于結構特點， 又出現(xiàn)了液體流動動力問題和實現(xiàn)微流控芯片上聚合酶鏈式反應實時熒光檢測的難題。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種可以在微流控芯片上進行PCR反應同時進行熒光檢測的微型聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其具有溫控精度高、穩(wěn)定性強的特點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，包括微流控芯片，該系統(tǒng)帶有螺旋形微流道結構的基底層1、蓋板層2，基底層1與蓋板層2形成微流控芯片；在蓋板層2上有兩個孔分別為進樣孔3和出樣孔4，分別位于微流道的起點和終點；提供氣壓動力使樣品流動的空氣泵連接至進樣孔3 ；基底層1材料為導熱良好的材料；蓋板層2為透光材料；熱循環(huán)單元，該系統(tǒng)包括半導體加熱制冷器5和驅動電路、溫度傳感器6，以及基于微處理器與比例積分微分算法的控制模塊；3個半導體加熱制冷器5在環(huán)形微流體通道的下方構成變性、退火、延伸三個區(qū)；溫度傳感器6放置在半導體加熱制冷器5和微流控芯片之間；溫度傳感器6連接至控制模塊，控制模塊連接至驅動電路，驅動電路與半導體加熱制冷器5相連，控制半導體加熱制冷器5的加熱或制冷溫度；實時熒光檢測單元，該單元包括光源8、光電探測器9、及上述的控制模塊；光源8 采線陣發(fā)光二極管，光電探測器9采用線陣雪崩光電二極管，線陣LED和線陣雪崩光電二極管平行設置，并且與螺旋式微流道成夾角大于10°的角度，通過光學支架7固定；線陣LED 和線陣雪崩光電二極管放置在微流控芯片延伸區(qū)上方；控制模塊連接到光電探測器9。上述熱循環(huán)單元和實時熒光檢測單元中的控制模塊連接至計算機。所述的基底層1與蓋板層2以鍵合技術密封在一起形成微流控芯片.所述的溫度傳感器6為鉬電阻傳感器；半導體加熱制冷器5、溫度傳感器6、光源 8、采用半導體工藝制作。所述的控制模塊是以采用數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA為核心的控制模塊。
控制整個裝置的計算機接口采用串口或USB或藍牙或Wi-Fi或internet網(wǎng)絡有線或無線方式連接至控制模塊。所述變性區(qū)的典型溫度為95°C，退火區(qū)的典型溫度為65°C，延伸區(qū)的典型溫度為 72 "C。本發(fā)明的工作過程如下，樣品通過進樣孔流入微流道，樣品在空氣泵的驅動下在微流道中流動，樣品在微流道里流動一圈，即分別流過了變性區(qū)、退火區(qū)、延伸區(qū)，完成一次聚合酶鏈式反應，線陣發(fā)光二極管照明一次，同時線陣雪崩光電二極管對反應進行一次熒光探測；聚合酶鏈式反應反復循環(huán)實現(xiàn)DNA的擴增，同時進行實時熒光檢測。本發(fā)明具有實質性的特點與進步，本發(fā)明的技術效果與經(jīng)典的實時PCR儀相比， 利用MEMS技術制作微流控芯片，試劑微量化；通過三個恒溫區(qū)的設計省去了升降溫時間大大縮短了聚合酶鏈式反應的時間，同時延長了半導體加熱制冷器的使用壽命。與已經(jīng)發(fā)明的PCR微流控芯片相比，在芯片上制作半導體加熱制冷器代替現(xiàn)有的微加熱器，不僅可以加熱而且可以主動制冷；發(fā)明一個低成本高靈敏度的實時熒光檢測系統(tǒng)，光源采用半導體工藝制作的線陣發(fā)光二極管，光電探測器采用線陣雪崩光電二極管，實現(xiàn)實時定量熒光檢測。由于采用螺旋形微流道，使得樣品在流道內更容易流動。對于多個樣品進行檢測時，僅需要更換微流控芯片，降低了實驗成本。


下面結合附圖對本發(fā)明專利進一步說明。圖1本發(fā)明的結構俯視圖。圖2本發(fā)明的結構側視側。圖3是圖1的A-A剖視圖。圖4本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖中1、帶有螺旋形微流道的基底層，2、蓋板層，3、進樣孔，4、出樣孔，5、半導體加熱制冷器，6、溫度傳感器，7、光學支架，8、光源，9、光電探測器，10、空氣泵。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對于本發(fā)明做進一步說明如圖1和2所示，本發(fā)明聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，包括微流控芯片、空氣泵、溫度控制系統(tǒng)和熒光檢測裝置。在微流道下方是溫度控制系統(tǒng)，在微流道上方是熒光檢測裝置，空氣泵只要實現(xiàn)其功能位置不做具體規(guī)定。如圖3所示，從上到下依次是蓋板層2、帶有螺旋形微流道的基底層1、溫度傳感器6和半導體加熱制冷片5。微流控芯片連接方式，利用MEMS工藝制造帶有螺旋形微流道的基底層1和蓋板層 2，兩者通過鍵合成為微流控芯片。在蓋板層2上有兩個貫通孔分別為進樣孔3、出樣孔4， 進樣孔3、出樣孔4分別與微流道的起點和終點相對應，樣品從進樣孔3進樣，進樣后空氣泵 10從進樣孔3進氣，樣品通過氣壓方式流動，多余氣體從出樣孔4排出。通過空氣泵10的進氣量可以控制樣品的流速，進而根據(jù)微流道尺寸和樣品流速可以知道樣品的實時位置。 空氣泵10的位置不做具體規(guī)定，根據(jù)具體情況進行調節(jié)，只要實現(xiàn)其功能即可。在微流控芯片下方是三個半導體加熱制冷器5，其覆蓋整個微流道區(qū)域，在三個半
4導體加熱制冷器5之間留有一定的空隙，利用空氣隔熱。通過控制變性區(qū)半導體加熱制冷器5使微流道變性區(qū)恒溫在典型溫度95°C，為變性過程提供恒溫；通過控制退火區(qū)半導體加熱制冷器5使微流道退火區(qū)恒溫在典型溫度65°C，為退火過程提供恒溫；通過控制延伸區(qū)半導體加熱制冷器5使微流道延伸區(qū)恒溫在典型溫度72°C，為延伸過程提供恒溫。變性階段1分鐘，退火階段30秒，延伸階段則根據(jù)要擴增的DNA片段長短來決定，一般需要1分鐘。樣品經(jīng)過變性、退火和延伸，完成一次聚合酶鏈式反應，聚合酶鏈式反應過程反復循環(huán)實現(xiàn)DNA的擴增。擴增反應前，通常需要10分鐘預變性。 在微流控芯片上方是實時熒光檢測裝置，包括光源、光電探測器9和熒光信號采集處理系統(tǒng)。光源8采用半導體工藝制作的線陣發(fā)光二極管，光電探測器9采用線陣雪崩光電二極管，線陣LED和線陣雪崩光電二極管平行設置，并且與螺旋式微流道成大于10° 角度，通過光學支架7固定，放置在微流控芯片延伸區(qū)上方，樣品在微流道里流動一圈，即分別流過了變性區(qū)、退火區(qū)、延伸區(qū)，完成一次聚合酶鏈式反應，線陣發(fā)光二極管照明一次， 同時線陣雪崩光電二極管對反應進行一次熒光探測；聚合酶鏈式反應反復循環(huán)實現(xiàn)DNA的擴增，同時進行實時熒光檢測。熒光信號采集處理系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)受控制模塊控制，控制模塊與計算機相連，如圖4所示，計算機接口采用串口或USB或藍牙或Wi-Fi或internet 網(wǎng)絡等有線或無線方式，上位機程序控制整個裝置。控制模塊是以采用數(shù)字信號處理器DSP 或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA為核心的控制模塊。
權利要求
1.聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于它包括微流控芯片，該系統(tǒng)帶有螺旋形微流道結構的基底層(1)、蓋板層(2)，基底層(1)與蓋板層⑵形成微流控芯片；在蓋板層⑵上有兩個孔分別為進樣孔⑶和出樣孔(4)，分別位于微流道的起點和終點；提供氣壓動力使樣品流動的空氣泵連接至進樣孔(3)；基底層 (1)材料為導熱良好的材料；蓋板層(2)為透光材料；熱循環(huán)單元，該系統(tǒng)包括半導體加熱制冷器(5)和驅動電路、溫度傳感器(6)，以及基于微處理器與比例積分微分算法的控制模塊；3個半導體加熱制冷器(5)在環(huán)形微流體通道的下方樣品流動方向依次構成變性、退火、延伸三個區(qū)；溫度傳感器(6)放置在半導體加熱制冷器(5)和微流控芯片之間；溫度傳感器(6)連接至控制模塊，控制模塊連接至驅動電路，驅動電路與半導體加熱制冷器(5)相連，控制半導體加熱制冷器(5)的加熱或制冷溫度；實時熒光檢測單元，該單元包括光源(8)、光電探測器(9)、及上述的控制模塊；光源 (8)采線陣發(fā)光二極管，光電探測器(9)采用線陣雪崩光電二極管，線陣LED和線陣雪崩光電二極管平行設置，并且與螺旋式微流道成夾角大于10°的角度，通過光學支架(7)固定； 線陣LED和線陣雪崩光電二極管放置在微流控芯片延伸區(qū)上方；光電探測器(9)連接到控制模塊；上述的控制模塊連接至計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于 所述的基底層(1)與蓋板層(2)以鍵合技術密封在一起形成微流控芯片。
3.根據(jù)權利要求1所述的聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于 所述的溫度傳感器(6)為鉬電阻傳感器；半導體加熱制冷器(5)、溫度傳感器(6)、光源(8) 采用半導體工藝制作。
4.根據(jù)權利要求1所述的聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于 所述的控制模塊是以采用數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA為核心的控制模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于 控制整個裝置的計算機接口采用串口或USB或藍牙或Wi-Fi或internet網(wǎng)絡有線或無線方式連接至控制模塊。
6.根據(jù)權利要求1所述的聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，其特征在于 反接所述的半導體加熱制冷器(5)可以實現(xiàn)三個溫區(qū)的制冷冷卻，代替了傳統(tǒng)的自然冷卻。
全文摘要
聚合酶鏈式反應器及實時光學陣列檢測裝置，涉及生化反應和醫(yī)學檢測領域。其包括帶有螺旋式微流道結構的基底層，基底層與蓋板層以鍵合技術密封在一起，在蓋板層上有兩個貫通孔分別為進樣孔、出樣孔；微處理器控制三個半導體加熱制冷器件，使整個微流道區(qū)域形成聚合酶鏈式反應所需的變性區(qū)、退火區(qū)、延伸區(qū)三個恒定溫度場；三個鉑電阻溫度傳感器置于微流控道芯片和半導體加熱制冷器件之間，形成閉環(huán)對溫度進行控制。實時熒光檢測系統(tǒng)包括光源、光電探測器和熒光信號采集處理系統(tǒng)。本發(fā)明利用MEMS技術制作微流控芯片，試劑微量化；通過三個恒溫區(qū)的設計省去了升降溫時間，縮短了聚合酶鏈式反應時間，延長了半導體加熱制冷器的使用壽命。
文檔編號C12M1/36GK102220228SQ20111013404
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權日2011年5月23日
發(fā)明者馮繼宏, 孔晶晶, 常宇, 張新磊, 張曉光, 曾毅, 王冬, 袁玉強 申請人:北京工業(yè)大學