基于激光加熱的液滴式pcr反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng)器，包括反應(yīng)芯片主體，反應(yīng)芯片主體內(nèi)開設(shè)有PCR反應(yīng)液通道和載流剪切通道，該載流剪切通道的一端與反應(yīng)芯片主體外相通，另一端分為兩支，分別從PCR反應(yīng)液通道相對(duì)的兩側(cè)相匯，PCR反應(yīng)液通道的一端與反應(yīng)芯片主體內(nèi)開設(shè)的反應(yīng)空腔相通，在反應(yīng)空腔的底部水平開設(shè)有流動(dòng)微槽，在流動(dòng)微槽中部開設(shè)有凹坑，反應(yīng)芯片主體內(nèi)還開設(shè)有外載流通道，該外載流通道與反應(yīng)空腔內(nèi)部相通，反應(yīng)芯片主體頂部設(shè)置有激光發(fā)射器。本發(fā)明通過凹坑來固定液滴，并通過載流來帶動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用激光作為控溫的熱源，其溫控特性優(yōu)越，可以提高PCR反應(yīng)的效率和速率，同時(shí)還具有表面抑制效應(yīng)小、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生化反應(yīng)器，特別是涉及一種基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng) 器。 基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng)器

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，微電子機(jī)械系統(tǒng)、生命科學(xué)和分析科學(xué)等學(xué)科相交叉所產(chǎn)生的新興學(xué) 科--生物微電子機(jī)械系統(tǒng)又稱微流控芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室或微全分析系統(tǒng)發(fā)展迅速，其市 場(chǎng)空間巨大，可廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開發(fā)、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域。 微流控芯片是把一個(gè)傳統(tǒng)的分析實(shí)驗(yàn)室功能微縮到一個(gè)小芯片上構(gòu)建成化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn) 室，與傳統(tǒng)分析方法相比，微流控芯片具有響應(yīng)速度快、樣品和試劑消耗量少、系統(tǒng)外部連 接少、污染少、實(shí)行一次性使用、可以實(shí)時(shí)、原位、連續(xù)檢測(cè)、并可在微環(huán)境下工作，可實(shí)現(xiàn)批 量制造、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。因此，微流控芯片技術(shù)已引起人們的廣發(fā)關(guān)注，成為了生物醫(yī)學(xué)、 化學(xué)分析等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003] 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)芯片主體，又稱PCR芯片是微流控芯片重要應(yīng)用之一，其實(shí)質(zhì)就 是利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在體外用一對(duì)與待擴(kuò)增DNA片斷兩側(cè)序列互補(bǔ)的引物誘發(fā)酶促聚 合反應(yīng)合成特異性的DNA片斷，將待擴(kuò)增DNA片段先經(jīng)過高溫變性，然后在低溫引物退火， 再在中溫進(jìn)行延伸，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，一般需20-40次，使特異性DNA數(shù)量獲得指數(shù)規(guī)律 的倍增，便于進(jìn)一步對(duì)DNA分子進(jìn)行分析、檢測(cè)。傳統(tǒng)的PCR擴(kuò)增儀，每次能批量處理48 或96個(gè)樣品，單個(gè)樣品體積典型值為0.2ml。由于溫度參數(shù)的大慣性、大滯后特點(diǎn)，這類 儀器存在著升降溫速率低（一般為1°C /s)、所需時(shí)間長(zhǎng)、溫度測(cè)控精度低、均勻性差和各個(gè) 循環(huán)周期之間的重復(fù)性差等不足，無法滿足現(xiàn)代生物化學(xué)研究需求。PCR芯片則解決了上 述問題，不僅可以實(shí)現(xiàn)快速加熱、控制熱傳遞以及溫度測(cè)量等部件集成到一塊芯片上，還可 以進(jìn)行精確的溫度控制，充分體現(xiàn)了微流控芯片高效、快速、試劑用量少、節(jié)約藥品等優(yōu)點(diǎn)， 相比傳統(tǒng)的PCR擴(kuò)增儀，PCR芯片還便于攜帶，更有利于實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
[0004] PCR芯片主要可以分為兩種，一種是靜態(tài)微槽式PCR芯片，一種是連續(xù)流動(dòng)式PCR 芯片。靜態(tài)微槽式PCR芯片就是將反應(yīng)混合物固定在加工好的微反應(yīng)室里，通過外部或內(nèi) 部控制加熱器來實(shí)現(xiàn)快速的升溫和降溫，完成一輪PCR的三個(gè)溫度循環(huán)。靜態(tài)PCR芯片不需 要很長(zhǎng)的流體通路，因而便于實(shí)現(xiàn)平行反應(yīng)及分析系統(tǒng)，此外，由于PCR在固定空間完成， 反應(yīng)組份接觸的總體通道長(zhǎng)度很短，因而表面抑制效應(yīng)相對(duì)較小，靜態(tài)PCR芯片的不足之 處在于這個(gè)反應(yīng)器要經(jīng)歷溫度的變化，較大的熱容不利于溫度的迅速響應(yīng)。流動(dòng)式PCR芯 片中反應(yīng)組份在通道中連續(xù)流動(dòng)，流經(jīng)不同溫區(qū)過程中完成變性、退火和延伸。流動(dòng)式PCR 芯片避免了這個(gè)反應(yīng)器的反復(fù)溫度變化，反應(yīng)體系的溫度變化非常快，因而有利于快速反 應(yīng)和分析，流動(dòng)式PCR芯片的主要缺點(diǎn)是較長(zhǎng)流動(dòng)通道造成的嚴(yán)重表面抑制效應(yīng)。此外，流 動(dòng)式PCR中循環(huán)次數(shù)一般不能靈活控制，裝置尺寸較大，而且不利于實(shí)現(xiàn)平行分析。
[0005] 因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種熱容較小、表面抑制效應(yīng)小的高效快速PCR 反應(yīng)芯片主體。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種熱容較小、 表面抑制效應(yīng)小且高效快速的PCR反應(yīng)芯片主體。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng)器，其特征 是：包括透明的反應(yīng)芯片主體（1)，所述反應(yīng)芯片主體（1)內(nèi)開設(shè)有PCR反應(yīng)液通道（2)和 載流剪切通道（3)，該載流剪切通道（3)的一端與反應(yīng)芯片主體（1)外相通，另一端分為兩 支，兩個(gè)分支分別從PCR反應(yīng)液通道（2)相對(duì)的兩側(cè)相匯，在此處形成剪切點(diǎn)（2a)，所述 PCR反應(yīng)液通道（2)的一端與反應(yīng)芯片主體（1)外界相通，另一端與反應(yīng)芯片主體（1)內(nèi)開 設(shè)的反應(yīng)空腔（6)相通，在反應(yīng)空腔（6)的底部水平開設(shè)有扁長(zhǎng)型的流動(dòng)微槽（7)，所述流 動(dòng)微槽（7)的一端與PCR反應(yīng)液通道⑵相連，在流動(dòng)微槽（7)上或流動(dòng)微槽（7)正上方 開設(shè)有寬度局部變大的凹坑（8)，該流動(dòng)微槽（7)的另一端延伸至反應(yīng)空腔（6)外并與反 應(yīng)芯片主體（1)外相通，所述反應(yīng)芯片主體（1)內(nèi)還開設(shè)有外載流通道（9)，該外載流通道 (9) 一端直接與反應(yīng)空腔（6)內(nèi)部相通，另一端與反應(yīng)芯片主體（1)外相通，所述反應(yīng)芯片 主體（1)頂部設(shè)置有激光發(fā)射器（10)，該激光發(fā)射器（10)的發(fā)射孔朝下布置，且該激光發(fā) 射器（10)位于凹坑（8)的正上方。
[0008] 使用上述結(jié)構(gòu)的液滴式PCR反應(yīng)器，在對(duì)PCR反應(yīng)液進(jìn)行處理時(shí)，由PCR反應(yīng)液通 道的一端注入PCR反應(yīng)液，該P(yáng)CR反應(yīng)液內(nèi)包含有待擴(kuò)增DNA片段，使PCR反應(yīng)液進(jìn)入PCR 反應(yīng)液通道，同時(shí)在載流剪切通道和外載流通道內(nèi)均注入外載流液，載流剪切通道處流來 的外載流液和PCR反應(yīng)液在剪切點(diǎn)出相匯，此時(shí)PCR反應(yīng)液在從載流剪切通道處流來的外 載流液的擠壓剪切作用下形成一滴一滴的PCR反應(yīng)液滴，PCR反應(yīng)液滴在外載流液的作用 下進(jìn)入反應(yīng)空腔并沿著流動(dòng)微槽運(yùn)動(dòng)。由于流動(dòng)微槽的高度小于PCR反應(yīng)液滴的直徑，使 得PCR反應(yīng)液在流動(dòng)微槽兩側(cè)呈現(xiàn)"薄餅"狀，而在流動(dòng)微槽的上方會(huì)在有突出，呈現(xiàn)"山 丘"狀，"山丘"狀表面積比"薄餅"狀小，所以需要足夠大的額外力做功才能使得PCR反應(yīng) 液偏離微槽，所以PCR反應(yīng)液會(huì)在外載流液作用下沿著流動(dòng)微槽運(yùn)動(dòng)。從外載流通道注入 的外載流液充滿整個(gè)反應(yīng)空腔，因此在PCR反應(yīng)液與壁面之間會(huì)形成油膜，大大降低了 PCR 反應(yīng)液在流動(dòng)微槽內(nèi)流動(dòng)的表面抑制效應(yīng)。當(dāng)PCR反應(yīng)液在外載流液的作用下流動(dòng)到凹坑 時(shí)，PCR反應(yīng)液表面積會(huì)進(jìn)一步減小，所以當(dāng)外載流液的速度不是大時(shí)，PCR反應(yīng)液便不能 脫離該位置，因此PCR反應(yīng)液便被固定在凹坑位置。當(dāng)外載流液流速增加時(shí)，PCR反應(yīng)液又 可以被外載流液帶走，或者有下一個(gè)PCR反應(yīng)液到達(dá)該P(yáng)CR反應(yīng)液的前端，該液滴也可能被 帶走，但當(dāng)前PCR反應(yīng)液完成反應(yīng)前，停止向載流剪切通道注入外載流液并停止向PCR反應(yīng) 液通道注入PCR反應(yīng)液。凹坑處固定住PCR反應(yīng)液滴，并且由于外載流液的剪切作用，會(huì)在 PCR反應(yīng)液滴內(nèi)部形成對(duì)流渦，這樣非常有利于液滴的內(nèi)部傳熱傳質(zhì)，這樣有利于PCR反應(yīng) 的高效快速進(jìn)行。采用激光作為熱源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴直接加熱，熱容小，溫度響應(yīng)快。PCR 反應(yīng)液滴流到凹坑處被固定時(shí)，在激光發(fā)射器的加熱下進(jìn)行PCR反應(yīng)，并且采用激光作為 PCR反應(yīng)熱源，可以直接加熱反應(yīng)的PCR反應(yīng)液滴，而不加熱其他地方，這樣熱容比較小，溫 度響應(yīng)快，并且激光可以對(duì)PCR反應(yīng)液滴進(jìn)行整體加熱，使得PCR反應(yīng)液滴溫度比較均勻， 并且通過調(diào)節(jié)激光功率可以很好的調(diào)控液滴的溫升，這樣可以精確的控制PCR反應(yīng)液滴的 溫度，使得PCR反應(yīng)液滴在高溫變性一低溫引物退火-中溫延伸這樣一個(gè)反應(yīng)循環(huán)所需要 的時(shí)間為不足80s，這樣完成40個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間也不足1個(gè)小時(shí)，比現(xiàn)有的其他方法節(jié) 省一半時(shí)間以上。當(dāng)一滴PCR反應(yīng)液滴在凹坑處完成了 PCR反應(yīng)時(shí)，可以通過增加外載流 通道處進(jìn)來的外載流液流量，使得PCR反應(yīng)液滴脫離凹坑，從流動(dòng)微槽的另一端流出PCR反 應(yīng)芯片主體，從而進(jìn)行后續(xù)的檢測(cè)。
[0009] 為了更好的調(diào)整PCR反應(yīng)液和外載流液的流量，所述PCR反應(yīng)液通道（2)、載流剪 切通道（3)和外載流通道（9)均與反應(yīng)芯片主體（1)外壁上設(shè)置的微量注射器（11)相通， 通過微量注射器來控制PCR反應(yīng)液和外載流液的流量。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過凹坑來固定液滴，并通過載流來帶動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)， 同時(shí)采用激光作為控溫的熱源，其溫控特性優(yōu)越，可以提高PCR反應(yīng)的效率和速率，同時(shí)還 具有表面抑制效應(yīng)小、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是圖1的A-A視圖。
[0013] 圖3是PCR反應(yīng)液溫升與激光功率的關(guān)系圖。
[0014] 圖4是PCR反應(yīng)液溫升與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0016] 如圖1和圖2所示，包括反應(yīng)芯片主體1、PCR反應(yīng)液通道2、載流剪切通道3、反應(yīng) 空腔6、流動(dòng)微槽7、凹坑8、外載流通道9、激光發(fā)射器10和微量注射器等部件，所述反應(yīng)芯 片主體1為透明材質(zhì)制成，在反應(yīng)芯片主體1內(nèi)水平開設(shè)有PCR反應(yīng)液通道2和載流剪切 通道3,所述PCR反應(yīng)液通道2和載流剪切通道3在同一水平面上，該P(yáng)CR反應(yīng)液通道2的 一端通過第一載流通道12與反應(yīng)芯片主體1外的微量注射器11相通，該第一載流通道12 堅(jiān)向開設(shè)在PCR反應(yīng)液通道2這一端的上方，PCR反應(yīng)液通道2的另一端與反應(yīng)芯片主體1 內(nèi)開設(shè)的反應(yīng)空腔6相通，所述載流剪切通道3的一端通過第二載流通道13與反應(yīng)芯片主 體1外的微量注射器11相通，該第二載流通道13堅(jiān)向開設(shè)在載流剪切通道3 -端的上方， 載流剪切通道3的另一端分為兩支，兩個(gè)分支分別從PCR反應(yīng)液通道2相對(duì)的兩側(cè)相匯，在 此處形成剪切點(diǎn)2a。所述反應(yīng)空腔6的底部水平開設(shè)有扁長(zhǎng)型的流動(dòng)微槽7,所述流動(dòng)微 槽7的一端與PCR反應(yīng)液通道2相連，該流動(dòng)微槽7的底面與PCR反應(yīng)液通道2的底面在 同一曲面上，該流動(dòng)微槽7的高度比其直徑小，在流動(dòng)微槽7中開設(shè)有一個(gè)或若干個(gè)凹坑8， 凹坑也可以開設(shè)在微槽7對(duì)面的腔體壁面上，在本實(shí)施例中優(yōu)選為開設(shè)在流動(dòng)微槽7中，該 流動(dòng)微槽7的另一端延伸至反應(yīng)空腔6外并通過泄流通道15與反應(yīng)芯片主體1外相通，該 泄流通道15設(shè)置在流動(dòng)微槽7這一端的下方，所述反應(yīng)芯片主體1內(nèi)還開設(shè)有外載流通道 9,該外載流通道9 一端直接與反應(yīng)空腔6內(nèi)部相通，另一端通過第三載流通道15與反應(yīng)芯 片主體1外設(shè)置的微量注射器11相通，該第三載流通道15設(shè)置在外載流通道9這一端的 上方。所述反應(yīng)芯片主體1頂部設(shè)置有激光發(fā)射器10,該激光發(fā)射器10朝下布置，且該激 光發(fā)射器10位于凹坑8的正上方。
[0017] 如圖3所示，反應(yīng)了 PCR反應(yīng)液溫升與激光功率的關(guān)系，表明采用激光作為PCR熱 源，PCR反應(yīng)液的溫度響應(yīng)極快。根據(jù)時(shí)間常數(shù)和溫度與激光功率與溫升的關(guān)系，繪制了 PCR反應(yīng)液溫度循環(huán)圖，如圖4所示，在激光功率為8. lmW時(shí)為高溫變性階段，然后降低激光 功率至3. 8mW，此時(shí)為低溫引物退火階段，再提升激光功率至5. 6mW，此時(shí)為中溫延伸階段， 中溫延伸階段完畢后這一個(gè)反應(yīng)循環(huán)所需要的時(shí)間為不足90s，這樣完成40個(gè)循環(huán)所需要 的時(shí)間也僅需1個(gè)小時(shí)，比現(xiàn)有的其他方法節(jié)省一半時(shí)間以上。當(dāng)PCR液滴完成完整的PCR 過程，本發(fā)明可以通過增大載流流速，使得液滴被載流帶走。
[0018] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無 需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，比如改變PCR反應(yīng)液通道2、載流剪切通道3、流動(dòng)微槽7和外載流通道9的連接 方式，或是改變凹坑與激光發(fā)射器的數(shù)量及布置方式等皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù) 范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng)器，其特征是：包括透明的反應(yīng)芯片主體（1)， 所述反應(yīng)芯片主體（1)內(nèi)開設(shè)有PCR反應(yīng)液通道（2)和載流剪切通道（3)，該載流剪切通 道（3)的一端與反應(yīng)芯片主體（1)外相通，另一端分為兩支，兩個(gè)分支分別從PCR反應(yīng)液通 道（2)相對(duì)的兩側(cè)相匯，在此處形成剪切點(diǎn)（2a)，所述PCR反應(yīng)液通道（2)的一端與反應(yīng) 芯片主體（1)外界相通，另一端與反應(yīng)芯片主體（1)內(nèi)開設(shè)的反應(yīng)空腔（6)相通，在反應(yīng)空 腔（6)的底部水平開設(shè)有扁長(zhǎng)型的流動(dòng)微槽（7)，所述流動(dòng)微槽（7)的一端與PCR反應(yīng)液 通道（2)相連，在流動(dòng)微槽（7)上或流動(dòng)微槽（7)正上方開設(shè)有寬度局部變大的凹坑（8)， 該流動(dòng)微槽（7)的另一端延伸至反應(yīng)空腔（6)外并與反應(yīng)芯片主體（1)外相通，所述反應(yīng) 芯片主體（1)內(nèi)還開設(shè)有外載流通道（9)，該外載流通道（9) 一端直接與反應(yīng)空腔（6)內(nèi) 部相通，另一端與反應(yīng)芯片主體（1)外相通，所述反應(yīng)芯片主體（1)頂部設(shè)置有激光發(fā)射器 (10)，該激光發(fā)射器（10)的發(fā)射孔朝下布置，且該激光發(fā)射器（10)位于凹坑（8)的正上 方。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于激光加熱的液滴式PCR反應(yīng)器，其特征是：所述PCR反應(yīng) 液通道（2)、載流剪切通道（3)和外載流通道（9)均與反應(yīng)芯片主體（1)外壁上設(shè)置的微量 注射器（11)相通。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK104109628SQ201410341202
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】陳蓉, 王智彬, 王宏, 廖強(qiáng), 朱恂, 丁玉棟, 葉丁丁, 李俊 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)