專利名稱：熒光pcr微流控芯片微通道中微流體熒光測(cè)速控速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熒光PCR微流控芯片微通道中微流體熒光測(cè)速控速 裝置，主要用于測(cè)量生物熒光PCR微流控芯片的微通道中的工作微流體流速， 達(dá)到控制實(shí)際微流體流速的目的，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。
微全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis System, P-TAS)的概念， 于20世紀(jì)90年代初首次提出，在此后十余年中該領(lǐng)域已發(fā)展為當(dāng)前世界上 最前沿的科技領(lǐng)域之一。一TAS概念是,將目前現(xiàn)代宏觀實(shí)驗(yàn)室中的生物化學(xué) 分析技術(shù)的許多過(guò)程與步驟，在生物化學(xué)分析技術(shù)的功能縮微化的基礎(chǔ)上，實(shí) 現(xiàn)生物化學(xué)分析技術(shù)全分析過(guò)程結(jié)構(gòu)集成化，即將傳統(tǒng)成熟的生物化學(xué)分析 技術(shù)實(shí)驗(yàn)室各種器具和儀器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮微，同時(shí)將現(xiàn)代宏觀實(shí)驗(yàn)室中的生 物化學(xué)分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)室各種器具和儀器具有的功能進(jìn)行集成，在100平方毫 米左右(甚至更小的面積)的芯片上，實(shí)現(xiàn)微型化的全過(guò)程與步驟的生物化學(xué) 分析系統(tǒng)，達(dá)到生物化學(xué)分析目的。微全分析系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、試樣用 量少、通量高等顯著的特點(diǎn)，因此深受世界各國(guó)的極為關(guān)注，并開(kāi)展了大量相 關(guān)研究。
微流控技術(shù)很快成為實(shí)現(xiàn)WAS的理念的實(shí)用技術(shù)。已涉及到了許多方面， 如曰常的打印機(jī)墨水噴頭、化工反應(yīng)過(guò)程、燃料電池直等。同時(shí)，與生命科學(xué) 應(yīng)用密切相關(guān)的生物工程、臨床檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生防疫、國(guó)防防化、農(nóng)業(yè)、林 業(yè)、畜牧獸醫(yī)、海洋漁業(yè)、法醫(yī)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、食品監(jiān)督檢驗(yàn)、制藥、化工、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、生化反恐等，更是其應(yīng)用最為密切和緊密的領(lǐng)域。在產(chǎn)業(yè)化方面， 全球基于微流控技術(shù)的產(chǎn)品的年利潤(rùn)以每年20%的增長(zhǎng)率迅速突破150億歐 元。
微流控技術(shù)是在微米級(jí)結(jié)構(gòu)中操控納升和皮升體積流體的技術(shù)和科學(xué)。微流控技術(shù)在實(shí)現(xiàn)一TAS整套理念和目標(biāo)的過(guò)程中，主要是以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代宏觀實(shí) 驗(yàn)室中的生物和化學(xué)分析檢驗(yàn)系統(tǒng)的"功能縮微和結(jié)構(gòu)集成"為具體目的的。 其特征是，其各類導(dǎo)流和容納流體的有效結(jié)構(gòu)(包括微通道，反應(yīng)室和其他某 些功能部件)至少在一個(gè)維度上為微米尺度。與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室宏觀尺度全過(guò)程與 步驟的實(shí)驗(yàn)裝置相比，微米級(jí)結(jié)構(gòu)的流體環(huán)境的面積/體積比例顯著增加， 也就是說(shuō)，連接各類有效結(jié)構(gòu)(包括反應(yīng)室和其他某些功能部件)完成分析檢 驗(yàn)全過(guò)程與步驟的主要方式是，以微通道為各類功能部件連接微結(jié)構(gòu)，以微通 道中微體積流體的流動(dòng)為各類功能部件產(chǎn)生功能作用基本條件的。
因此，從技術(shù)層面看，在承載微流動(dòng)液體的微通道中，對(duì)微流動(dòng)液體進(jìn) 行實(shí)際流速測(cè)速，按需要進(jìn)行調(diào)控流速，是在微米級(jí)結(jié)構(gòu)中操控納升和皮升 體積流體，完成分析檢驗(yàn)全過(guò)程與步驟的核心之一，也是微流控技術(shù)的核心之
目前,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的微流體流速測(cè)量技術(shù)有化學(xué)標(biāo)記物測(cè)速方法， 流體溫度差異量標(biāo)記方法測(cè)速方法，示蹤微粒子成像測(cè)速方法和共焦熒光示
蹤物檢測(cè)測(cè)速方法等。但是上述的測(cè)速方法，存在以下缺陷
1)測(cè)速方法中都需顯示蹤跡的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)速，也就是說(shuō)，這些方法對(duì)理 論和實(shí)驗(yàn)研究有一定的作用，但對(duì)在微通道中的具體微流動(dòng)液體實(shí)際工作的 監(jiān)測(cè)，并沒(méi)有更多的作用。不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微流動(dòng)液體在微通道中實(shí)際的工作流體 和介質(zhì)流速情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和流速控制。
這是因?yàn)樵谏鲜龅臏y(cè)速方法中，使用一些非實(shí)際工作流體和介質(zhì)，并在微 通道中對(duì)這些非實(shí)際的工作流體和介質(zhì)，進(jìn)行非實(shí)際工作狀況模擬測(cè)速和調(diào) 控流速。實(shí)際上，微米級(jí)結(jié)構(gòu)微通道中操控納升和皮升體積流體的技術(shù)和科
學(xué)，已經(jīng)有一系列與物體表面有關(guān)的特有效應(yīng)，影響分析性能如，層流效應(yīng)， 表面張力及毛細(xì)效應(yīng)，快速熱導(dǎo)效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)等。因此，只有對(duì)微通道中實(shí) 際的工作流體和介質(zhì)，進(jìn)行實(shí)際工作狀況測(cè)速和調(diào)控流速,才能對(duì)在微米級(jí)結(jié) 構(gòu)微通道中的納升和皮升體積流體，進(jìn)行有實(shí)際意義的操控，才能保障具體實(shí)際的工作微流體流完成分析檢驗(yàn)全過(guò)程與步驟。
2)實(shí)現(xiàn)上述測(cè)速方法的外圍設(shè)備，由于其體積大，很難在將來(lái)的器件發(fā)展 過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)功能縮微結(jié)構(gòu)集成的微型全分析系統(tǒng)理念。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服了現(xiàn)有的微流體流速測(cè)量方法都需附加顯示 蹤跡的物質(zhì)，從而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微通道中的實(shí)際工作流體和介質(zhì)流速情況進(jìn)行
實(shí)時(shí)反饋和流速控制的缺陷，提供了一種熒光PCR微流控芯片微流體熒光測(cè) 速控速裝置及方法，本裝置能夠?qū)ξ⑼ǖ乐形⒘黧w的實(shí)際工作流速進(jìn)行實(shí)時(shí) 測(cè)量，并能根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)流速進(jìn)行控制，使其盡可能與理論設(shè)計(jì)流速相吻 合，從而保障分析檢驗(yàn)全過(guò)程與步驟的順利完成。
本實(shí)用新型的理論依據(jù)使用現(xiàn)有的微通道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)空微通道和
有熒光PCR試劑的微通道(有陽(yáng)性熒光PCR試劑微通道和有陰性熒光PCR試劑 微通道)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。具體為對(duì)39個(gè)循環(huán)的生物PCR微流控芯片中不同的 微通道進(jìn)行熒光檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)充滿陽(yáng)性熒光PCR試劑微通道的熒光信號(hào)值 為空微通道的熒光信號(hào)值的4倍左右，而為充滿陰性熒光PCR試劑微通道熒 光信號(hào)值的10倍左右，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。在圖3中，熒光信號(hào)值是平均值，其 檢測(cè)的重復(fù)性偏差為2. 6%和穩(wěn)定性偏差為2. 7%。
熒光檢測(cè)是直接測(cè)量被激發(fā)對(duì)象所產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度，只要檢測(cè)器有足夠 的靈敏度，可在很低的基底(空白值)上檢測(cè)信號(hào)的微弱變化。由于陰性熒光 PCR試劑(或未過(guò)熒光信號(hào)抬升域值(CT值))和純水，對(duì)激發(fā)光有較強(qiáng)的吸收， 而反射和被激發(fā)出的發(fā)射光較少。盡管分光系統(tǒng)對(duì)激發(fā)光和發(fā)射光在互相干 擾的光譜范圍進(jìn)行了高截止深度的分光，但空微通道由于其固體的特性，對(duì) 激發(fā)光的反射較強(qiáng),還是能因小部分激發(fā)光反射到探測(cè)器上，使熒光信號(hào)值增 大。因此，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，充滿陰性熒光PCR試劑微通道熒光信號(hào)值為 空微通道的熒光信號(hào)值的0. 4倍左右。
陽(yáng)性熒光PCR試劑在充分?jǐn)U增后，其帶有熒光的基因拷貝數(shù)已為10的7-8次方，其強(qiáng)熒光發(fā)射光使探測(cè)器很容易探測(cè)到，在現(xiàn)有的檢測(cè)儀器上都可獲得 陽(yáng)性熒光PCR試劑微通道的熒光信號(hào)值，其為充滿陰性熒光PCR試劑微通道
熒光信號(hào)值的10倍左右。
不同的檢測(cè)儀器靈敏度不一樣， 一般來(lái)說(shuō)，充滿陽(yáng)性熒光PCR試劑微通 道熒光信號(hào)值為充滿陰性熒光PCR試劑微通道熒光信號(hào)值的10 (土1)倍，已可 滿足分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)的相對(duì)測(cè)量信號(hào)分辨率技術(shù)要求。
由于空微通道和有熒光PCR試劑的微通道的熒光檢測(cè)信號(hào)有較大的差異， 所以根據(jù)熒光檢測(cè)信號(hào)值可以判斷哪些循環(huán)的微通道是空微通道(即熒光 PCR試劑的前端流未到的微通道)，哪些循環(huán)的微通道是有熒光PCR試劑的微 通道(即熒光PCR試劑的前端流到和已流經(jīng)的微通道位置)。
基于上述理論，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案如下。熒光PCR微流控芯片 微通道中微流體熒光測(cè)速控速裝置，包括有光源l、激發(fā)光分光系統(tǒng)2、激發(fā) 光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5、發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)6、發(fā)射光分光系統(tǒng)4、流速調(diào)控執(zhí) 行元件12、計(jì)算機(jī)10、與計(jì)算機(jī)10相連接的光電檢測(cè)器3、與生物PCR熒光 微流控芯片11平行布置的絲杠8和與絲杠8相連接的步進(jìn)電機(jī)9。其中，激 發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5和發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)6均固定在絲杠9上，計(jì)算機(jī)10 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，流速調(diào)控執(zhí)行元件12的輸入端與計(jì)算機(jī)10 相連接，輸出端與生物熒光PCR微流控芯片微通道的生物PCR熒光試劑進(jìn)樣 口 13相連通。光源1發(fā)出的光通過(guò)激發(fā)光分光系統(tǒng)2分光后經(jīng)激發(fā)光光纖傳 導(dǎo)系統(tǒng)5傳到生物PCR熒光微流控芯片11的微通道進(jìn)行熒光激發(fā)，被激發(fā)出 的熒光發(fā)射光經(jīng)發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)6和發(fā)射光分光系統(tǒng)4后被光電檢測(cè)器3 接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)10進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理；計(jì)算機(jī)10根據(jù)數(shù) 據(jù)處理結(jié)果控制流速調(diào)控執(zhí)行元件12調(diào)節(jié)微通道的流速。
在生物PCR熒光微流控芯片11上的每個(gè)微通道上都設(shè)置有檢測(cè)點(diǎn)，每相 鄰的兩個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)在微流體流動(dòng)方向上的距離為一個(gè)微通道長(zhǎng)度，第一個(gè) 微通道的熒光檢測(cè)點(diǎn)和生物PCR試劑進(jìn)樣口 13之間的微通道長(zhǎng)度，不視為生物PCR微通道工作長(zhǎng)度。
還包括有多光路校準(zhǔn)光纖系統(tǒng)7，是為了保證每次每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)的熒
光實(shí)時(shí)定點(diǎn)檢測(cè)基準(zhǔn)的"一致性"，進(jìn)行檢測(cè)背景噪聲調(diào)零的系統(tǒng)。
生物熒光PCR微流控芯片微通道中微流體的熒光測(cè)速控速方法，該方法 是按以下步驟進(jìn)行的.-
1)計(jì)算機(jī)10通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，使激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng) 5照射至第一個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)10通過(guò)光電檢測(cè)器3動(dòng)態(tài)掃描該檢測(cè)點(diǎn) 的熒光信號(hào)值，當(dāng)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值為空微通道的熒光信號(hào)值的N倍時(shí)，記
錄此刻的時(shí)間tl;
計(jì)算機(jī)10在通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，使激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5 照射至第二個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)10通過(guò)光電檢測(cè)器3動(dòng)態(tài)掃描該檢測(cè)點(diǎn)的 熒光信號(hào)值，當(dāng)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值為空微通道的熒光信號(hào)值的N倍時(shí)，記錄 此刻的時(shí)間t2;
則第一通道的流速V為
v二L/T
其中v為第一個(gè)微通道中微流體的流速，L為一個(gè)微通道的長(zhǎng)度，T為
熒光PCR試劑流經(jīng)第一個(gè)微通道所需的時(shí)間，即T= t2- tl;
當(dāng)微通道內(nèi)為陽(yáng)性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值范圍為3 5;
當(dāng)微通道內(nèi)為陰性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值范圍為0.3 0.5;
計(jì)算機(jī)10計(jì)算第一個(gè)微通道中的微流體的流速和理論設(shè)計(jì)流速的差值， 并將該差值傳送給流速調(diào)控執(zhí)行元件12來(lái)調(diào)節(jié)下一個(gè)微通道內(nèi)的流速使其為 理論設(shè)計(jì)流速；
2)計(jì)算機(jī)10控制步進(jìn)電機(jī)9使激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5和發(fā)射光光纖傳 導(dǎo)系統(tǒng)6依次照射到各個(gè)循環(huán)微通道上的檢測(cè)點(diǎn)，微流體從一個(gè)微通道上的 檢測(cè)點(diǎn)流到其相鄰微通道上的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)流經(jīng)的距離為一個(gè)微通道長(zhǎng)度；計(jì)算 機(jī)IO重復(fù)步驟1中的檢測(cè)計(jì)算方法，能夠?qū)Ω鱾€(gè)微通道的流速進(jìn)行檢測(cè)及對(duì)下一個(gè)微通道的流速進(jìn)行控制。
本實(shí)用新型是利用微全分析系統(tǒng)微流控生物熒光PCR芯片的微通道中熒 光實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)的差異，對(duì)實(shí)際的工作流體和介質(zhì)流速進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)時(shí)反饋 和對(duì)流速進(jìn)行控制。
本實(shí)用新型能夠?qū)ξ⑼ǖ乐械奈⒘鲃?dòng)液體的實(shí)際工作流速進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋 和控制。在體積上，隨著"功能集成結(jié)構(gòu)縮微"的熒光檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和嵌入
芯片中光譜檢測(cè)器出現(xiàn)，在PCR循環(huán)擴(kuò)增熒光檢測(cè)上，還滿足微型全分析系 統(tǒng)(一TAS)概念的"功能縮微和結(jié)構(gòu)集成"的技術(shù)要求，為實(shí)時(shí)測(cè)速方法提 供了一種全新的實(shí)用化手段。

圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意框圖
圖2 39個(gè)循環(huán)的生物PCR微流控芯片
圖3 39個(gè)循環(huán)的生物PCR微流控芯片中不同的微通道熒光檢測(cè)信號(hào)值(原始 值未單位標(biāo)定)
圖4流速調(diào)控執(zhí)行元件12的具體結(jié)構(gòu)
圖中1、光源，2、激發(fā)光分光系統(tǒng)，3、光電檢測(cè)器，4、發(fā)射光分光 系統(tǒng)，5、激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)，6、發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)，7、多光路校準(zhǔn)光 纖系統(tǒng)，8、絲杠，9、步進(jìn)電機(jī)，10、計(jì)算機(jī)，11、-生物PCR微流控芯片， 12、流速調(diào)控執(zhí)行元件，13、生物PCR試劑進(jìn)樣口， 14、微流控芯片的微通 道，15、風(fēng)冷隔溫孔，16、生物PCR試劑出樣口， 17、為在每次PCR循環(huán)實(shí) 時(shí)擴(kuò)增檢測(cè)點(diǎn)，18、注射活塞，19、平移注射桿系統(tǒng)，20、生物PCR試劑。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1 2詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例。
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1，激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5和發(fā)射光光纖傳 導(dǎo)系統(tǒng)6均固定在絲杠9上，計(jì)算機(jī)10通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，流 速調(diào)控執(zhí)行元件12的輸入端與計(jì)算機(jī)10相連接，輸出端與生物PCR微流控芯片微通道的生物PCR熒光試劑進(jìn)樣口 13相連接。從光源1發(fā)出的激發(fā)光，經(jīng)
激發(fā)光分光系統(tǒng)2分光和激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5，能夠到達(dá)39個(gè)循環(huán)的生物 PCR熒光微流控芯片ll(其主視圖如圖2)進(jìn)行PCR擴(kuò)增循環(huán)微通道的熒光激 發(fā)。被激發(fā)出的熒光發(fā)射光，經(jīng)發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)6和發(fā)射光分光系統(tǒng)4 后，被光電檢測(cè)器(PMT) 3接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)入計(jì)算機(jī)10進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理。
多光路校準(zhǔn)光纖系統(tǒng)7是為了保證每次每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)的熒光實(shí)時(shí)定 點(diǎn)檢測(cè)基準(zhǔn)的"一致性"，進(jìn)行檢測(cè)背景噪聲調(diào)零的系統(tǒng)。
由于在39個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)中，對(duì)每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)的時(shí)間和流過(guò)三溫度 區(qū)域的微通道長(zhǎng)短和布局有"一致性"要求，因此在設(shè)計(jì)和制備微流控生物熒 光PCR芯片時(shí),其上的每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)微通道的長(zhǎng)短和布局是一樣的。本實(shí) 施例在39個(gè)循環(huán)的生物PCR熒光微流控芯片11的每個(gè)微通道上的同一位置 都設(shè)置有檢測(cè)點(diǎn)，每相鄰的兩個(gè)熒光實(shí)時(shí)檢測(cè)點(diǎn)在微流體流動(dòng)方向上的長(zhǎng)度 為一個(gè)微通道長(zhǎng)度，第一個(gè)微通道的熒光檢測(cè)點(diǎn)和生物PCR試劑進(jìn)樣口 13之 間的微通道長(zhǎng)度，不視為生物PCR微通道工作長(zhǎng)度。而一個(gè)微通道的長(zhǎng)度可根 據(jù)理論計(jì)算設(shè)計(jì)的每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)的微通道得知。各個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)在同一 直線上，絲杠8與該直線平行布置。
從第一個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)開(kāi)始，通過(guò)檢測(cè)到的微通道內(nèi)的實(shí)際熒光信號(hào)值， 獲得熒光PCR試劑的前端是否流到正在檢測(cè)的熒光檢測(cè)點(diǎn),計(jì)算機(jī)記錄微流體 流經(jīng)該通道的時(shí)間，就可獲得微流體在該通道內(nèi)的實(shí)際的工作流速和實(shí)際流 速需調(diào)整量，實(shí)際的工作流速二一個(gè)微通道的長(zhǎng)度/微流體流經(jīng)該通道實(shí)際所 需時(shí)間，實(shí)際流速需調(diào)整量=理論設(shè)計(jì)流速-實(shí)際的工作流速，結(jié)果為正，說(shuō)明 實(shí)際的工作流速需增加；反之需減少；結(jié)果為零，說(shuō)明實(shí)際的工作流速與理 論計(jì)算設(shè)計(jì)的工作流速吻合，實(shí)際流速不需調(diào)整。計(jì)算機(jī)10將實(shí)際流速調(diào)整 量反饋到流速調(diào)控執(zhí)行元件12，即可對(duì)下一個(gè)循環(huán)的進(jìn)行流速調(diào)控，實(shí)現(xiàn)生 物熒光PCR微流控芯片中每一個(gè)微通道中微流體的熒光測(cè)速控速,使實(shí)際的工作微流體流速與理論計(jì)算設(shè)計(jì)的工作流速相吻合。 具體的測(cè)速方法為 1 )計(jì)算機(jī)10通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，使激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng) 5照射至第一個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)10通過(guò)光電檢測(cè)器3動(dòng)態(tài)掃描該檢測(cè)點(diǎn)
的熒光信號(hào)值，當(dāng)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值為空微通道的熒光信號(hào)值的N倍時(shí)，記
錄此刻的時(shí)間tl;
計(jì)算機(jī)10在通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，使激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)5 照射至第二個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)10通過(guò)光電檢測(cè)器3動(dòng)態(tài)掃描該檢測(cè)點(diǎn)的 熒光信號(hào)值，當(dāng)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值為空微通道的熒光信號(hào)值的N倍時(shí)，記錄
此刻的時(shí)間t2;
則第一通道的流速V為
v=L/T
其中v為第一個(gè)微通道中微流體的流速，L為一個(gè)微通道的長(zhǎng)度，T為 熒光PCR試劑流經(jīng)第一個(gè)微通道所需的時(shí)間，即T=t2-tl;
當(dāng)微通道內(nèi)為陽(yáng)性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值為3 5;
當(dāng)微通道內(nèi)為陰性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值為0.3 0.5;
計(jì)算機(jī)10計(jì)算第一個(gè)微通道中的微流體的流速和理論設(shè)計(jì)流速的差值， 并將該差值傳送給流速調(diào)控執(zhí)行元件12來(lái)調(diào)節(jié)下一個(gè)微通道內(nèi)的流速使其為 理論設(shè)計(jì)流速。流速調(diào)控執(zhí)行元件12的具體結(jié)構(gòu)如圖4，包括有用于盛放PCR 試劑20的容器和設(shè)置在容器內(nèi)的、用于向微通道中注射生物PCR試劑和維持 PCR試劑在微通道中流速的注射活塞18、帶有步進(jìn)電機(jī)的平移注射桿系統(tǒng)19。 其中，平移注射桿系統(tǒng)19中的步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，容器的出液口與微流 控芯片的微通道14相連通。計(jì)算機(jī)通過(guò)微通道中的微流體的實(shí)際流速和理論 設(shè)計(jì)流速的差值來(lái)控制平移桿注射系統(tǒng)19的移動(dòng)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)微流控芯片 中的試劑的流速。
2)步進(jìn)電機(jī)9的步長(zhǎng)為相鄰的兩個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)的間距，該間距是已知的(在設(shè)計(jì)和制備微流控生物熒光PCR芯片時(shí)，已經(jīng)設(shè)定， 一般是以微通道長(zhǎng)度為依 據(jù),等值分布的)，計(jì)算機(jī)10通過(guò)步進(jìn)電機(jī)9控制絲杠8移動(dòng)，使激發(fā)光光纖
傳導(dǎo)系統(tǒng)5和發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)移至第三個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)。微流體從歩驟1
中的第二個(gè)檢測(cè)點(diǎn)流到本步驟中的第三個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)時(shí)流經(jīng)的距離為一個(gè)微
通道長(zhǎng)度。計(jì)算機(jī)10控制光電檢測(cè)器3動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值并記 錄此刻的時(shí)間t3，當(dāng)該點(diǎn)的熒光信號(hào)值為空微通道的熒光信號(hào)值的N倍時(shí)，
則第二通道的流速V為
v=L/T
其中v為第二個(gè)微通道中微流體的流速，L為單個(gè)微通道的長(zhǎng)度，T 為微流體流經(jīng)第二個(gè)微通道所需的時(shí)間，即T=t3-t2;
當(dāng)微通道內(nèi)為強(qiáng)陽(yáng)性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值范圍為3 5; 當(dāng)微通道內(nèi)為陰性熒光PCR試劑時(shí)，所述的N的取值范圍為0.3 0.5。 計(jì)算機(jī)10計(jì)算第二個(gè)微通道中的微流體的流速和理論設(shè)計(jì)流速的差值， 并將該差值傳送給流速調(diào)控執(zhí)行元件12來(lái)調(diào)節(jié)下一個(gè)微通道內(nèi)的流速使其為 理論設(shè)計(jì)流速；
重復(fù)步驟2，能夠?qū)Ω鱾€(gè)微通道的流速進(jìn)行檢測(cè)及控制。 由于生物PCR微流控芯片上的微通道是根據(jù)生物PCR的技術(shù)要求、三溫 度工作區(qū)的大小、微通道長(zhǎng)短以及在芯片上的布局等要求設(shè)計(jì)和制備成的， 因此微流控芯片一旦制備成后，以上各參數(shù)在實(shí)際試驗(yàn)中是不能改變的。而 在實(shí)際的微通道中實(shí)際熒光PCR試劑流速與理論計(jì)算設(shè)計(jì)的試劑流速是否吻 合，是決定微流控芯片生物PCR擴(kuò)增效果成敗的唯一的實(shí)際工作狀態(tài)中可調(diào)控 的參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用本裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物熒光PCR微流控芯片微通道中 的微流體的熒光測(cè)速控速，可使具體實(shí)際的工作微流體流速與理論計(jì)算設(shè)計(jì) 的工作流速相吻合，保障了熒光PCR擴(kuò)增循環(huán)的外部工作條件，進(jìn)而保證了芯 片分析檢驗(yàn)全過(guò)程與步驟的準(zhǔn)確完成。
在39個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)中，要求對(duì)每個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)(每一個(gè)PCR擴(kuò)增循環(huán)是指，熒光PCR試劑按設(shè)定的時(shí)間沿微通道流過(guò)55度，72度和92度的溫度 區(qū)域，實(shí)現(xiàn)基因體外按2的n次方自我復(fù)制)都要進(jìn)行一次微通道中的熒光信 號(hào)檢測(cè)，這樣構(gòu)成在基因體外按2的n次方自我復(fù)制過(guò)程，即PCR擴(kuò)增循環(huán)過(guò) 程中，熒光信號(hào)變化曲線，分子生物學(xué)可以根據(jù)該曲線，獲得被檢測(cè)對(duì)象的多 種生物基因信息和診斷依據(jù)。使用本裝置進(jìn)行熒光實(shí)時(shí)定點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，可以獲得 PCR擴(kuò)增循環(huán)過(guò)程中的熒光信號(hào)變化曲線，
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCR擴(kuò)增循環(huán)微流控生物熒光PCR 芯片微通道中實(shí)際的工作流速情況進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光信息反饋，將實(shí)際流速調(diào)整 量反饋到流速調(diào)控執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)生物熒光PCR微流控芯片微通道中微流體的 熒光測(cè)速控速，使具體實(shí)際的工作微流體流速與理論計(jì)算設(shè)計(jì)的工作流速相 吻合，從而保障熒光PCR擴(kuò)增循環(huán)的外部工作條件，保證了芯片的分析檢驗(yàn)全 過(guò)程與步驟的完成。
權(quán)利要求1、熒光PCR微流控芯片微通道中微流體熒光測(cè)速控速裝置，其特征在于包括有光源(1)、激發(fā)光分光系統(tǒng)(2)、激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(5)、發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(6)、發(fā)射光分光系統(tǒng)(4)、流速調(diào)控執(zhí)行元件(12)、計(jì)算機(jī)(10)、與計(jì)算機(jī)(10)相連接的光電檢測(cè)器(3)、與生物PCR熒光微流控芯片(11)平行布置的絲杠(8)和與絲杠(8)相連接的步進(jìn)電機(jī)(9)，步進(jìn)電機(jī)(9)與計(jì)算機(jī)(10)相連；在生物PCR熒光微流控芯片(11)的每個(gè)微通道上都設(shè)置有檢測(cè)點(diǎn)，每相鄰的兩個(gè)熒光檢測(cè)點(diǎn)在微流體流動(dòng)方向上的距離為一個(gè)微通道長(zhǎng)度；其中，激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(5)和發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(6)均固定在絲杠(9)上，計(jì)算機(jī)(10)能夠通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(9)控制絲杠(8)移動(dòng)，流速調(diào)控執(zhí)行元件(12)的輸入端與計(jì)算機(jī)(10)相連接，輸出端與生物PCR微流控芯片的微通道相連通；光源(1)發(fā)出的光通過(guò)激發(fā)光分光系統(tǒng)(2)分光后經(jīng)激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(5)傳到生物PCR熒光微流控芯片(11)上的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行熒光激發(fā)，被激發(fā)出的熒光發(fā)射光經(jīng)發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)(6)和發(fā)射光分光系統(tǒng)(4)后被光電檢測(cè)器(3)接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)(10)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理；計(jì)算機(jī)(10)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果控制流速調(diào)控執(zhí)行元件(12)調(diào)節(jié)微通道的流速。
專利摘要本實(shí)用新型是熒光PCR微流控芯片微通道中微流體熒光測(cè)速控速裝置，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。包括有光源(1)、激發(fā)光分光系統(tǒng)(2)、發(fā)射光分光系統(tǒng)(4)、流速調(diào)控執(zhí)行元件、與計(jì)算機(jī)相連接的光電檢測(cè)器(3)、絲杠和與絲杠相連接的步進(jìn)電機(jī)。在生物PCR熒光微流控芯片的每個(gè)微通道的同一位置設(shè)置有檢測(cè)點(diǎn)。激發(fā)光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)和發(fā)射光光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)均固定在絲杠上，計(jì)算機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制絲杠移動(dòng)，流速調(diào)控執(zhí)行元件的輸入端與計(jì)算機(jī)相連接，輸出端與生物PCR微流控芯片的微通道相連接。通過(guò)本裝置可以測(cè)量每個(gè)微通道的流速，通過(guò)實(shí)際流速與理論流速的差值，能夠通過(guò)流速調(diào)控執(zhí)行元件調(diào)控下一個(gè)微通道的流速。
文檔編號(hào)G05D13/00GK201130152SQ200720187378
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者藝 任, 堅(jiān) 吳, 李海亮 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)