專利名稱：一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)檢測裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物芯片技術(shù)，具體涉及一種基于生物芯片和單片機 5技術(shù)的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置。
背景技術(shù)：
PCR(聚合酶鏈式反應(yīng))是1985年美國Cetus公司的K. B. Mullis 和R.K.Saiki等人發(fā)明的一種特異性DNA體外擴增技術(shù)。這種技術(shù) 的實質(zhì)是體外酶促合成特異性的DNA片斷，即無細胞分子克隆系
io 統(tǒng)，這一技術(shù)稱為Polymerase Chain Reaction,簡稱PCR (聚合酶鏈 式反應(yīng))。PCR可以非常簡便快速地采取體外擴增的方式從微量生物 材料中獲取大量特定的遺傳物質(zhì)。PCR技術(shù)原理是將待擴增的DNA 作模板，用來與模板正鏈和負鏈互補的兩種寡聚核普酸(通過生物樣 品溶液獲得)做引物，經(jīng)過模板DNA的定性、模板與引物結(jié)合復(fù)性
15 以及在DNA聚合酶作用下發(fā)生引物鏈延伸反應(yīng)等三步循環(huán)來擴增兩 引物間的DNA片段。每一循環(huán)的DNA產(chǎn)物經(jīng)變性后又成為下一個 循環(huán)的模板DNA。整個工作過程需要在三種不同溫度下(即變性、 退火、延伸)循環(huán)完成，每經(jīng)歷一次循環(huán)可使基因增加一倍，經(jīng)過 30次左右的循環(huán)，就能將待測基因擴增IOO萬倍以上。
20 自Cetus公司第一臺PCR擴增測量儀問世以來，經(jīng)過幾代的發(fā)
展，出現(xiàn)了目前被廣泛應(yīng)用的定量PCR測量裝置(簡稱qPCR)。
qPCR系統(tǒng)巿場前景廣闊，在至少以下幾個方面具有廣闊的前 景藥物篩選和新藥開發(fā)、疾病診斷基因芯片、環(huán)境保護、重大疫情 的第一時間現(xiàn)場快速檢測。例如03年的非典和近期阜陽地區(qū)爆發(fā)的
25手足口病這種大規(guī)模傳染病突發(fā)的時候，需要第一時間進入現(xiàn)場找出 病源，這樣對qPCR測量儀器的便攜性和快速性提出了很高的要求。為了滿足這些應(yīng)用，微型化qPCR測量裝置是重要的發(fā)展方向。
目前已經(jīng)有將微流體控制模塊和qPCR系統(tǒng)集成于單一芯片的集 成qPCR芯片，微流體控制模塊的功能是加載及分配生物樣品溶液， 包括微流體溝道及反應(yīng)陣列芯片。這樣集成的目的是實現(xiàn)一次性低成 5 本快速測量。但是，由于將生物樣品溶液的加載、分離、分配、混合、 測量的所有模塊，及微流體溝道及反應(yīng)陣列的相關(guān)微伐、微泵、控制 和測量部件都集成于單一芯片，系統(tǒng)十分復(fù)雜，加工難度很大，很難 發(fā)揮微加工的批量化低成本優(yōu)勢，從而使一次性使用的芯片成本很 高，很難實現(xiàn)低成本實用化的目標。
10

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置及 其制備方法，該裝置釆用三模塊化結(jié)構(gòu)，降低了使用的成本，同時解
決了微型化qPCR將反應(yīng)單元、加熱單元、測量單元制作在一個芯片 上而造成的加工難度大、造價過高等問題，適用于便攜式高靈敏生物 15 傳感應(yīng)用。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案 一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，該裝置中用于提供PCR反應(yīng) 所需溫度的加熱單元、用于加載及分配生物樣品溶液使其與生物樣本 DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元、用于采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號 20的測量單元被集成為三個模塊，所述三個模塊釆用疊合結(jié)構(gòu)連接并相 互對準。
優(yōu)選地，所述三個模塊釆用翻蓋式疊合結(jié)構(gòu)，集成所述加熱單元 的模塊處于底層，集成所述微流體單元的模塊處于中間層，集成所述 測量單元的模塊處于頂層。
25 優(yōu)選地，該裝置還包括控制電路模塊，其與加熱單元連接用于對
所述溫度進行實時檢測與控制，所述控制電路模塊與測量單元連接，
用于根據(jù)測量單元釆集的所述電信號來獲取DAN擴增產(chǎn)量。優(yōu)選地，集成所述加熱單元的模塊包括集成微加熱器及溫度傳
感器陣列的第一芯片；封裝所述第一芯片的第一外殼；其中所述第一
芯片上的微電極通過引線與第一外殼內(nèi)的電極連接。
優(yōu)選地，集成所述微流體單元的模塊包括集成微流體溝道及反
5應(yīng)陣列的第二芯片；封裝所述第二芯片的第二外殼；其中所述第二芯
片上的微電極通過引線與第二外殼內(nèi)的電極連接。
優(yōu)選地，集成所述測量單元的模塊包括集成微密封倉及電化學(xué)
電極陣列的第三芯片；封裝所述第三芯片的第三外殼；其中所述第三
芯片上的微電極通過引線與第三外殼內(nèi)的電極連接。 io優(yōu)選地，該裝置還包括控制電路模塊，所述第一外殼、第二外殼
和第三外殼分別被安裝在不同封裝插座板上，其中
安裝第一外殼的封裝插座與控制電路模塊的溫度控制電路連接； 安裝第三外殼的封裝插座通過排線與控制電路模塊的電化學(xué)檢
測電路相連接。
15 優(yōu)選地，所述控制電路模塊內(nèi)存儲有設(shè)定溫度T，若提供給加熱
單元的溫度Tx與T不相等，所述控制電路模塊利用PID算法對偏差 Tx-T進行運算得到調(diào)節(jié)量，利用所述調(diào)節(jié)量對提供給加熱單元的溫 度進行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明還提供了 一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的制備方法， 20 該方法包括以下步驟
將用于提供PCR反應(yīng)所需溫度的加熱單元、用于加載及分配生 物樣品溶液使其與生物樣本DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元、用于 采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號的測量單元集成為三個模塊； 將所述三個模塊釆用疊合結(jié)構(gòu)連接并相互對準。 25 優(yōu)選地，所述集成為三個模塊的步驟包括以下子步驟
將構(gòu)成加熱單元的微加熱器及溫度傳感器陣列集成到第一芯片； 利用第一外殼封裝所述第一芯片，并將第一芯片上的微電極通過引線與第一外殼內(nèi)的電極連接；
將構(gòu)成微流體單元的集成微流體溝道及反應(yīng)陣列一起集成到第
二芯片；
利用第二外殼封裝所述第二芯片，并將第二芯片上的微電極通過
5引線與第二外殼內(nèi)的電極連接；
將構(gòu)成測量單元的微密封倉及電化學(xué)電極陣列集成到第三芯片； 利用第三外殼封裝所述第三芯片，并將第三芯片上的微電極通過 引線與第三外殼內(nèi)的電極連接；
將第一、第二和第三外殼分別安裝在三個不同封裝插座板上； io 將安裝第一外殼的封裝插座板與控制電路模塊中的溫度控制電 路連接；
將安裝第三外殼的封裝插座通過排線與控制電路模塊中的電化 學(xué)檢測電路相連接。
利用本發(fā)明提供的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置及其制備方法， 15 具有以下有益效果
1) 解決了微型化qPCR將微流體單元、加熱單元、測量單元制作 在一個芯片上而造成的加工難度大、造價過高等問題，降低了使用的 成本；
2) 采用的疊合結(jié)構(gòu)適用于便攜式高靈敏生物傳感應(yīng)用；
20 3 )每次使用，只要更換承載生物醫(yī)學(xué)樣品的微流體模塊即可。


圖l為本發(fā)明定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置閉合工作時的密封結(jié) 構(gòu)圖2為本發(fā)明定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置中的三個集成芯片結(jié) 25 構(gòu)示意圖3為本發(fā)明定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置各模塊釆用層疊式模 塊組合的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的立體裝配圖； 圖5本發(fā)明定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的控制電路模塊圖。
圖中1、第一芯片；2、第二芯片；3、第三芯片；4、第一模塊；5、 第二模塊；6、第三模塊；7、第一封裝插座；8、第三封裝插座；9、 5控制電路模塊；10、第一外殼；11、第三外殼。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置及其制備方法，結(jié)合 附圖和實施例說明如下。
本發(fā)明是為克服傳統(tǒng)定量聚合酶鏈式反應(yīng)qPCR測量裝置及目前
10已經(jīng)存在的qPCR測量裝置的缺點，提出一種新型的三模塊微型化定 量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置(后面簡稱3MW^PC7 )及其制備方法。 該裝置中包括三個模塊，這三個模塊分別為用于提供PCR反應(yīng)所需 溫度的加熱單元被集成制作后的第一模塊4;用于加載及分配生物樣 品溶液使其與生物樣本DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元被集成制作
15后的第二模塊5;用于采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號的測量單元被集成 制作后的第三個模塊6，該三個模塊釆用疊合結(jié)構(gòu)連接并相互對準。 實施例l
本實施例中加熱單元由微加熱器及溫度傳感器陣列構(gòu)成，微加熱 器用于加熱為PCR反應(yīng)提供其所需溫度，溫度傳感器陣列用于實時
20 進行溫度釆集；微流體單元由集成微流體溝道及反應(yīng)陣列構(gòu)成，微流 體溝道中連接有微泵和閥，利用微流體溝道實現(xiàn)生物樣品溶液的加 載、分離、混合，利用反應(yīng)陣列實現(xiàn)進行PCR反應(yīng)實現(xiàn)生物樣本DAN 擴增；測量單元由微密封倉及電化學(xué)電極陣列構(gòu)成，微密封倉由圖形 化的PDMS ( Plant Design Management System )密封層構(gòu)成，測量單
25元設(shè)置在微流體單元上方，微密封倉提供了裝置閉合工作時的密封結(jié) 構(gòu)(見圖1)，用于防止生物樣品溶液的污染和蒸發(fā)，電化學(xué)電極陣 列用于采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號。如圖3所示，三個模塊釆用翻蓋式疊合結(jié)構(gòu)，集成加熱單元的第 一模塊4處于底層，集成微流體單元的第二模塊5處于中間層，集成
測量單元的第三模塊6處于頂層。該裝置還包括控制電路模塊9，控 制電路模塊9與加熱單元連接，用于對加熱單元釆集的溫度進行實時 5檢測與控制，控制電路模塊9與測量單元連接，用于根據(jù)測量單元采 集的電信號來獲取DAN擴增產(chǎn)量。
如圖1 4所示，本實施例中第一模塊4包括集成微加熱器及 溫度傳感器陣列的第一芯片1;封裝第一芯片1的第一外殼10,第一 芯片1上的微電極通過引線與第一外殼10內(nèi)的電極連接；安裝第一
io外殼11的第一封裝插座板7,該第一封裝插座板7與控制電路模塊 IO的溫度控制電路連接。第二模塊5包括集成微流體溝道及反應(yīng) 陣列的第二芯片2;封裝第二芯片2的第二外殼(圖中未示出)，第 二芯片2上的微電極通過引線與第二外殼內(nèi)的電極連接；安裝第二外 殼的第二封裝插座板(圖中未示出)。第三模塊3包括集成微密封
15倉及電化學(xué)電極陣列的第三芯片3;封裝第三芯片3的第三外殼11， 第三芯片3上的微電極通過引線與第三外殼3內(nèi)的電極連接；安裝第 三外殼11的第三封裝插座板8，第三封裝插座板8通過排線與控制 電路模塊9的電化學(xué)檢測電路相連接。如圖3所示，三個模塊采用翻 蓋式疊合結(jié)構(gòu)連接，第一模塊4處于底層，第二模塊5處于中間層，
20第三模塊6處于頂層，當三個模塊層疊在一起時，便形成了一個微型 化qPCR測量裝置(見圖2),三個模塊層疊在一起時，保證將三個模 塊關(guān)閉時第一芯片1、第二芯片2和第三芯片3的位置相互對準。
本發(fā)明中三個模塊的層疊方式不限于翻蓋式層疊方式，三個模 塊在實際應(yīng)用中，也可分別固定在支架上，與相應(yīng)的電學(xué)信號提取及
25控制電路模塊9相連接，釆用翻蓋及相應(yīng)的多種對準方式，使三個模 塊靈活地形成一體，從而形成一個3M、《尸Ci 系統(tǒng)，對樣品進行處理、 取樣和分析。在每次使用時，只要更換承載生物樣品溶液的第二模塊5即可。
本實施例中的控制電路模塊9具體采用單片機實現(xiàn)，如圖5所示 為本實施例中控制部分結(jié)構(gòu)，第一模塊4中的溫度傳感器陣列和微加
熱器陣列通過模擬信號選通電路接入單片機，通過i/o擴展選通電路
5連接A/D釆樣芯片和D/A釆樣芯片，該裝置工作時由第一芯片l上 的溫度傳感器對第二芯片上反應(yīng)陣列的溫度進行釆樣和AD轉(zhuǎn)換，將 測量結(jié)果Tx送入單片機，單片機將輸入的溫度值一方面通過接口電 路送入上位機，另 一方面與內(nèi)部指定單元的給定溫度值T進行比較。 如果Tx不等于T,則按照設(shè)計好的PID算法對偏差(Tx-T)進行運
io算、處理，得到一個調(diào)節(jié)量，單片機再將此調(diào)節(jié)量通過DA轉(zhuǎn)換得到 矩形波脈沖，送入微加熱器，控制第二芯片2上反應(yīng)陣列的溫度。第 三芯片2上的電化學(xué)電極陣列將釆集的電信號AD轉(zhuǎn)換后發(fā)送到單片 機，單片機根據(jù)所釆集的電信號獲取PCR反應(yīng)中擴增的DAN產(chǎn)量， 根據(jù)不同情況發(fā)出控制信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，通過控制微泵和閥來控制
15第二芯片2上的集成微流體溝道。
本實施例中定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的制備方法包括以下 步驟將構(gòu)成加熱單元的微加熱器及溫度傳感器陣列集成到第一芯片 1;利用第一外殼IO封裝第一芯片1,并將第一芯片l上的微電極通 過引線與第一外殼10內(nèi)的電極連接；將構(gòu)成微流體單元的集成微流
20體溝道及反應(yīng)陣列集成到第二芯片2;利用第二外殼封裝第二芯片2, 并將第二芯片2上的微電極通過引線與第二外殼內(nèi)的電極連接；將構(gòu) 成測量單元的微密封倉及電化學(xué)電極陣列集成到第三芯片3;利用第 三外殼12封裝第三芯片3，并將第三芯片3上的微電極通過引線與 三外殼11內(nèi)的電極連接；將第一外殼10、第二外殼和第三外殼111
25分別對應(yīng)安裝在第一封裝插座板7、第二封裝插座板和第三封裝插座 板9上；將安裝第一外殼10的第一封裝插座7與控制電路模塊9的 溫度控制電路連接；將安裝第二外殼11的第二封裝插座通過排線與控制電路模塊9的電化學(xué)檢測電路相連接；將第一封裝插座板7、第
二封裝插座板和第三封裝插座板9釆用翻蓋式疊合結(jié)構(gòu)疊合連接，使
三個芯片相互對準。
本實施例中軟件系統(tǒng)包括單片機軟件系統(tǒng)和上位機軟件系統(tǒng)。單
5片機軟件系統(tǒng)釆用多中斷處理技術(shù)、定時中斷復(fù)用技術(shù)、PID控制 算法、USB接口通訊技術(shù)等多種相應(yīng)的技術(shù)手段對反應(yīng)倉的溫度進 行實時控制，檢測DNA擴增的產(chǎn)量，并與上位機PC進行通信。
上位機軟件系統(tǒng)使用Visual Bask 6.0軟件，利用其強大可視化編 程功能和Windows的圖形交互界面，使用戶能夠更方便的控制 io3MW^PCi 芯片測量系統(tǒng)，并實時了解系統(tǒng)的工作情況，及獲取測量 參數(shù)。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān) 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明 15的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征在于，該裝置中用于提供PCR反應(yīng)所需溫度的加熱單元、用于加載及分配生物樣品溶液使其與生物樣本DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元、用于采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號的測量單元被集成為三個模塊，所述三個模塊采用疊合結(jié)構(gòu)連接并相互對準。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征 在于，所述三個模塊釆用翻蓋式疊合結(jié)構(gòu)，集成所述加熱單元的模塊 處于底層，集成所述微流體單元的模塊處于中間層，集成所述測量單io元的模塊處于頂層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其 特征在于，該裝置還包括控制電路模塊，其與加熱單元連接用于對所 述溫度進行實時檢測與控制，所述控制電路模塊與測量單元連接，用 于根據(jù)測量單元釆集的所述電信號來獲取DAN擴增產(chǎn)量。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征在于，集成所述加熱單元的模塊包括集成微加熱器及溫度傳感 器陣列的第一芯片；封裝所述第一芯片的第一外殼；其中所述第一芯 片上的微電極通過引線與第一外殼內(nèi)的電極連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征 20在于，集成所述微流體單元的模塊包括集成微流體溝道及反應(yīng)陣列的第二芯片；封裝所述第二芯片的第二外殼；其中所述第二芯片上的 微電極通過引線與第二外殼內(nèi)的電極連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征 在于，集成所述測量單元的模塊包括集成微密封倉及電化學(xué)電極陣25列的第三芯片；封裝所述第三芯片的第三外殼；其中所述第三芯片上 的微電極通過引線與第三外殼內(nèi)的電極連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其特征在于，該裝置還包括控制電路模塊，所述第一外殼、第二外殼和第三 外殼分別被安裝在不同封裝插座板上，其中安裝第一外殼的封裝插座與控制電路模塊的溫度控制電路連接； 安裝第三外殼的封裝插座通過排線與控制電路模塊的電化學(xué)檢測 5電路相連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2或7所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，其 特征在于，所述控制電路模塊內(nèi)存儲有設(shè)定溫度T，若提供給加熱單 元的溫度Tx與T不相等，所述控制電路模塊利用PID算法對偏差Tx-T進行運算得到調(diào)節(jié)量，利用所述調(diào)節(jié)量對提供給加熱單元的溫度進行 io調(diào)節(jié)。
9、 一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的制備方法，其特征在于， 該方法包括以下步驟將用于提供PCR反應(yīng)所需溫度的加熱單元、用于加載及分配生物 樣品溶液使其與生物樣本DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元、用于釆 15集DAN擴增產(chǎn)量的電信號的測量單元集成為三個模塊； 將所述三個模塊釆用疊合結(jié)構(gòu)連接并相互對準。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置的制備 方法，其特征在于，所述集成為三個模塊的步驟包括以下子步驟將構(gòu)成加熱單元的微加熱器及溫度傳感器陣列集成到第一芯片； 20 利用第一外殼封裝所述第一芯片，并將第一芯片上的微電極通過引線與第一外殼內(nèi)的電極連接；將構(gòu)成微流體單元的集成微流體溝道及反應(yīng)陣列集成到第二芯片； 利用第二外殼封裝所述第二芯片，并將第二芯片上的微電極通過 引線與第二外殼內(nèi)的電極連接； 25 將構(gòu)成測量單元的微密封倉及電化學(xué)電極陣列集成到第三芯片； 利用第三外殼封裝所述第三芯片，并將第三芯片上的微電極通過 引線與第三外殼內(nèi)的電極連接；將第一、第二和第三外殼分別安裝在三個不同封裝插座板上； 將安裝第一外殼的封裝插座板與控制電路模塊中的溫度控制電路 連接；將安裝第三外殼的封裝插座通過排線與控制電路模塊中的電化學(xué) 檢測電路相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定量聚合酶鏈式反應(yīng)測量裝置，該裝置中用于提供PCR反應(yīng)所需溫度的加熱單元、用于加載及分配生物樣品溶液使其與生物樣本DAN發(fā)生PCR反應(yīng)的微流體單元、用于采集DAN擴增產(chǎn)量的電信號的測量單元被集成為三個模塊，且這三個模塊采用疊合結(jié)構(gòu)連接并相互對準，該制備方法的制備過程為利用微納米加工技術(shù)將上述三個單元集成到三個不同的芯片，并對芯片封裝后安裝到不同封裝插座上，最后對封裝插座采用翻蓋式結(jié)構(gòu)疊合連接。本發(fā)明降低了傳統(tǒng)加工方法的難度，降低了設(shè)備的成本，每次使用僅需更換其中一個模塊即可，所采用的整體結(jié)構(gòu)也非常適于便攜。
文檔編號C12Q1/68GK101429560SQ20081024037
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者劉澤文, 國石磊, 健 秦 申請人:清華大學(xué)