本發(fā)明涉及一種微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)載人航天技術(shù)的日趨成熟，航天任務(wù)周期的逐漸延長(zhǎng)，對(duì)航天員健康保障的要求也會(huì)越來越高。航天器中處于非監(jiān)控狀態(tài)的微生物嚴(yán)重威脅航天員的健康。長(zhǎng)期航天飛行中，微生物菌群的增長(zhǎng)及菌株變異會(huì)影響儀器設(shè)備的性能及工作環(huán)境條件，對(duì)航天器及其儀器設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。為了預(yù)防空間飛行中感染性疾病的發(fā)生、傳播和進(jìn)行有效治療，必須嚴(yán)密監(jiān)控航天器中的微生物。其中PCR擴(kuò)增技術(shù)正是檢測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)核心技術(shù)之一，一個(gè)合理的PCR擴(kuò)增系統(tǒng)不僅增加了設(shè)備的便攜性、實(shí)用性，而且提高了PCR擴(kuò)增效率。PCR—聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是一種在體外模擬自然DNA復(fù)制過程的核酸擴(kuò)增技術(shù),即無性細(xì)胞分子克隆技術(shù)，其原理類似于天然DNA的復(fù)制,是體外酶促反應(yīng)選擇性地合成特異性DNA的一種方法。反應(yīng)步驟是人工合成一對(duì)寡核苷酸引物與特異擴(kuò)增DNA片段兩條鏈的兩端序列分別互補(bǔ)，由高溫(在攝氏96度左右)熱變性、低溫(在攝氏55度左右)復(fù)性和適溫(在攝氏72度左右)延伸組成一個(gè)周期循環(huán)進(jìn)行,使DNA片段得以迅速擴(kuò)增。在合適條件下，這種循環(huán)不斷重復(fù),前一個(gè)循環(huán)的產(chǎn)物DNA可作為后一個(gè)循環(huán)的模板DNA參與DNA的合成,使產(chǎn)物DNA的量按2ⁿ方式擴(kuò)增。從理論上講經(jīng)過三十多次的循環(huán)反應(yīng)，DNA擴(kuò)增倍數(shù)為10⁶～10⁹。PCR技術(shù)的實(shí)用性，使得其應(yīng)用廣泛，多用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用來檢測(cè)細(xì)菌、病毒類疾??；診斷遺傳疾病；診斷腫瘤；應(yīng)用于法醫(yī)物證學(xué)。

在PCR反應(yīng)過程中，PCR產(chǎn)物是隨著循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)呈指數(shù)增加的狀態(tài)，所以在微型生物芯片中，往往起始樣品中的所要檢測(cè)的目標(biāo)DNA數(shù)量太少，需要不斷的復(fù)制，才能達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；研究表明PCR擴(kuò)增循環(huán)進(jìn)行40次循環(huán)后，到達(dá)了一個(gè)生物曲線峰值，之后如果再進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)物也不會(huì)再有明顯增加，所以實(shí)驗(yàn)一般都取40次PCR擴(kuò)增循環(huán)。

單微通道PCR擴(kuò)增裝置的出現(xiàn)為PCR擴(kuò)增系統(tǒng)的縮微提供了一個(gè)很先進(jìn)的思路，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，見發(fā)明專利《一種基于壓電陶瓷鼓動(dòng)輸送式的單微通道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)》，公開號(hào)CN103695308B。目前單通道PCR擴(kuò)增反應(yīng)裝置進(jìn)樣控制方式有三種：1、應(yīng)用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCR試劑在三個(gè)溫區(qū)的移動(dòng)，但是其中控制電路中的AD芯片與DA芯片存在自己本身的延時(shí)誤差，由于PCR擴(kuò)增反應(yīng)是一個(gè)40次循環(huán)的反復(fù)過程，所以由于每一個(gè)循環(huán)都存在一部分不可避免誤差性，導(dǎo)致40次反復(fù)循環(huán)后嚴(yán)重影響了擴(kuò)增結(jié)果，對(duì)于微型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成的誤差損失更為明顯。而且如果為提高電路控制芯片的質(zhì)量減少客觀誤差的同時(shí)，則提高了設(shè)備的成本并且效果并不明顯。此外由于電路的本身體積限制，降低了系統(tǒng)的集成性，不能后續(xù)為檢測(cè)與采集系統(tǒng)增添外設(shè)。2、利用氣體的熱脹冷縮原理，使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片改變微通道中的壓強(qiáng)對(duì)試劑進(jìn)行推動(dòng)，這種控制方式是非線性的，控制難度比較大，而且裝置需要空間較大，不便于縮微；3、利用壓電陶瓷的形變對(duì)微通道中試劑形成擠壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)試劑在微通道中的推動(dòng)，這種方式缺點(diǎn)是形變量小，形成的推動(dòng)力有限，目前的器件條件下不足以實(shí)現(xiàn)試劑在三個(gè)溫區(qū)的移動(dòng)。

針對(duì)以上情況，本發(fā)明提出一種基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，它采用電磁鐵作為試劑推動(dòng)的動(dòng)力源，直接通過通電斷電操作就可以完成微通道中試劑在三個(gè)溫區(qū)的移動(dòng)，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，具有非接觸，裝置簡(jiǎn)單，體積小，移動(dòng)復(fù)位精度高，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)縮微，功能集成的優(yōu)點(diǎn)，而且由于降低了成本，微通道及推動(dòng)部分可以一次性使用，避免了試劑的交叉污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，主要用于失重條件下的空間范圍內(nèi)應(yīng)用的PCR擴(kuò)增工作和微型結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè)系統(tǒng)的后續(xù)搭建，目的在于將微通道循環(huán)PCR擴(kuò)增模塊和電磁推動(dòng)模塊集成，實(shí)現(xiàn)適用于空間作業(yè)要求的便攜式微型化PCR熒光實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到功能集成、結(jié)構(gòu)縮微、重量輕體積小全自動(dòng)檢測(cè)的目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括退火低溫區(qū)、延伸適溫區(qū)、熱變高溫區(qū)、PCR試劑、電磁推動(dòng)模塊；電磁推動(dòng)模塊主體為兩個(gè)條形電磁鐵芯，電磁鐵芯上均繞有線圈，在電磁鐵芯的軸線上對(duì)應(yīng)有兩個(gè)鐵塊，鐵塊上嵌入到橡膠活塞中，鐵塊及活塞部分被嵌入到石英材質(zhì)的微通道中，兩個(gè)鐵塊中間通過連接桿連接；三個(gè)溫區(qū)的退火低溫區(qū)、延伸適溫區(qū)、熱變高溫區(qū)各自中間處設(shè)有隔熱層，以保證三個(gè)溫區(qū)的溫度恒定；微通道從退火低溫區(qū)、延伸適溫區(qū)、熱變高溫區(qū)中穿過。當(dāng)對(duì)電磁鐵通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的鐵塊就會(huì)在磁力的作用下帶動(dòng)活塞在微通道中向通電的電磁鐵一側(cè)移動(dòng)，依次在三個(gè)溫區(qū)中往返運(yùn)動(dòng)直到完成40個(gè)循環(huán)。

一種基于電磁推動(dòng)微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，如圖1-2所示，該系統(tǒng)采用左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括電磁鐵芯a1、線圈a2、微通道3、熱變高溫區(qū)模塊4、退火低溫區(qū)模塊5、延伸適溫區(qū)模塊6、線圈b7、電磁鐵芯b8、U形活塞a9、彈簧a10、橡膠活塞a11、鐵塊a12、PCR試劑13、第一連接桿14、第二連接桿15、鐵塊b16、進(jìn)樣孔17，排氣口18、彈簧b19、U形活塞b20、橡膠活塞b21。

熱變高溫區(qū)模塊4、退火低溫區(qū)模塊5、延伸適溫區(qū)模塊6依次連接組成該系統(tǒng)的工作區(qū)，微通道3穿過熱變高溫區(qū)模塊4、退火低溫區(qū)模塊5、延伸適溫區(qū)模塊6的中間；電磁鐵芯a1、電磁鐵芯b8對(duì)稱設(shè)置在工作區(qū)的兩側(cè)，兩個(gè)電磁鐵芯上分別繞有線圈a2和線圈b7；U形活塞a9、U形活塞b20對(duì)稱設(shè)置在微通道3的兩側(cè)；橡膠活塞a11、橡膠活塞b21對(duì)稱設(shè)置在U形活塞a9、U形活塞b20之間；U形活塞a9、橡膠活塞a11之間連接有彈簧a10，U形活塞b20、橡膠活塞b21之間連接有彈簧b19；橡膠活塞a11和橡膠活塞b21之間的上下位置平行連接有第一連接桿14和第二連接桿15。

鐵塊a12、鐵塊b16分別嵌入在橡膠活塞a11和橡膠塞b21中；鐵塊a12和彈簧a10連接，鐵塊b16和彈簧b19連接。微通道3的中間依次設(shè)有進(jìn)樣孔17和排氣口18。

當(dāng)對(duì)線圈通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁鐵芯就能夠?qū)ξ⑼ǖ?中活塞內(nèi)的鐵塊產(chǎn)生磁力，由于磁力大于彈簧產(chǎn)生的彈力，活塞帶動(dòng)試劑向通電的電磁鐵芯一側(cè)移動(dòng)，需要擴(kuò)增的PCR試劑13設(shè)置在橡膠活塞a11和橡膠活塞b21之間，彈簧a10和彈簧b19的作用是當(dāng)兩個(gè)電磁鐵芯斷電時(shí)使得橡膠活塞a11、PCR試劑13和橡膠活塞b21能夠快速?gòu)?fù)位到退火低溫區(qū)模塊5的位置；

高溫變性的過程工作方式：首先向線圈2通入電流，橡膠活塞a11、PCR試劑13和橡膠活塞b21會(huì)向U形活塞a9的方向移動(dòng)，當(dāng)橡膠活塞a11在磁力的作用下移動(dòng)到與U形活塞a9接觸時(shí)，U形活塞a9會(huì)對(duì)橡膠活塞a11產(chǎn)生一個(gè)阻擋力，在與彈簧a10彈力的共同作用下使橡膠活塞a11停止移動(dòng)，U形活塞a9上開有排氣的小孔，熱變高溫區(qū)模塊4在微通道3外部被設(shè)置在對(duì)應(yīng)PCR試劑13的位置，當(dāng)PCR試劑13在高溫約96℃的作用下完成變性后，線圈a2斷電，此時(shí)橡膠活塞a11、PCR試劑13和橡膠活塞b21在彈簧a10彈力的作用下幾乎瞬時(shí)的返回初始位置，退火低溫區(qū)模塊5被設(shè)置在PCR試劑13此時(shí)位置的外部。

微通道3由石英毛細(xì)管構(gòu)成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)驗(yàn)裝置的搭建滿足“功能集成結(jié)構(gòu)微縮”易于便攜的技術(shù)特點(diǎn)，通過對(duì)電磁鐵磁性的控制完成PCR試劑在三個(gè)溫度區(qū)中準(zhǔn)確移動(dòng)的目的，由彈簧產(chǎn)生的彈力進(jìn)行精確復(fù)位，不需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，不但進(jìn)一步縮微了熒光PCR擴(kuò)增系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)；而且由于復(fù)位幾乎是瞬時(shí)的，這降低了PCR試劑在三個(gè)溫區(qū)移動(dòng)所需的時(shí)間，提高了PCR擴(kuò)增效率；成本降低后系統(tǒng)微通道部分可一次性使用，可以避免試劑的交叉污染；本系統(tǒng)采用了非接觸式控制方法，對(duì)裝置位置擺放的要求得以降低，使其更易于集成在熒光PCR檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適用于空間作業(yè)要求的便攜式微型化PCR熒光實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到功能集成、結(jié)構(gòu)縮微、重量輕體積小全自動(dòng)檢測(cè)的目標(biāo)。

附圖說明

圖1為基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)總圖。

圖2為系統(tǒng)微通道部分剖面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)完整擴(kuò)增過程做進(jìn)一步說明。

圖1為基于電磁推動(dòng)的微流道PCR擴(kuò)增系統(tǒng)總圖，圖2為系統(tǒng)微通道部分剖面示意圖。

首先向通過進(jìn)樣孔17向微通道3中的橡膠活塞a11和橡膠塞b21之間注入需要擴(kuò)增的PCR試劑13后使用光學(xué)UV膠將進(jìn)樣孔17和排氣口18密封。將熱變高溫區(qū)模塊4溫度控制為96℃，退火低溫區(qū)模塊5溫度控制為55℃，延伸適溫區(qū)模塊6溫度控制為72℃，向線圈a2通入電流，電磁鐵芯a1開始工作，橡膠活塞a11、PCR試劑13和橡膠活塞b21會(huì)向U形活塞a9的方向移動(dòng)，當(dāng)橡膠活塞a11在磁力的作用下移動(dòng)到與U形活塞a9接觸時(shí)，U形活塞a9會(huì)對(duì)橡膠活塞a11產(chǎn)生一個(gè)阻擋的力，在與彈簧a10彈力的共同作用下使橡膠活塞a11停止移動(dòng)，U形活塞a9上開有排氣的小孔，熱變高溫區(qū)模塊4在微通道3外部被設(shè)置在對(duì)應(yīng)的PCR試劑13的位置，當(dāng)PCR試劑13在高溫96℃的作用下完成變性后線圈a2斷電，此時(shí)橡膠活塞a11、PCR試劑13和橡膠活塞b21在彈簧b10彈力的作用下幾乎瞬時(shí)的返回圖2所示的位置，退火低溫區(qū)模塊5被設(shè)置在PCR試劑13此時(shí)位置的外部，PCR試劑在此位置完成低溫復(fù)性過程，向線圈b7通電，電磁鐵芯b8開始對(duì)鐵塊b16產(chǎn)生磁力，當(dāng)橡膠活塞b21移動(dòng)到與U形活塞b20接觸時(shí)會(huì)停止移動(dòng)，延伸適溫區(qū)模塊6被設(shè)置在PCR試劑13此時(shí)對(duì)應(yīng)位置的外部，PCR試劑完成適溫延伸過程，給線圈b7斷電，PCR試劑幾乎瞬時(shí)的回到圖2所示位置，至此完成PCR試劑擴(kuò)增的一個(gè)循環(huán)，繼續(xù)重復(fù)此過程直到PCR試劑完成40個(gè)擴(kuò)增循環(huán)。