一種非接觸式實時微聚合酶鏈式反應系統及其方法技術方案

本發明專利技術提供了一種非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR)系統，其包括：芯片，其具有用于容納樣品的反應室和在反應室下方的用于加熱所述樣品的嵌入式金屬加熱器；光學單元，其包括關聯的LED驅動器和光檢測放大器，且置于所述芯片上方用于檢測熒光；感應加熱器，其圍繞所述芯片安裝并電感耦合到金屬加熱器；紅外溫度傳感器，其安裝在所述芯片下方用于測量金屬加熱器的溫度，其中，所述紅外溫度傳感器與信號調節器接合；及控制器，其與信號調節器和感應加熱器接合，以通過信號調節器基于從紅外溫度傳感器接收的反饋來調節感應加熱器的功率。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術的實施方式涉及一種非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR)系統，更具體而言，本專利技術的實施方式涉及一種PCR系統，其具有帶有密封反應室的感應式加熱的芯片和紅外溫度傳感器。
技術介紹
在分子生物學中，PCR是一種使單個或幾個拷貝的脫氧核糖核酸(DNA)片段擴增至若干數量級從而產生特定DNA序列的百萬計拷貝的技術。該方法是基于熱循環，即連續地加熱和冷卻樣品。隨著PCR的進行，所產生的DNA自身用作復制模板。PCR包括加熱和冷卻的三個主要步驟，重復25-30次。每一個循環包括(i)在 94度變性，此時全部雙鏈解鏈成單鏈DNA; (ii)在 54度的較低溫度下退火，此時兩個引物與單鏈模板配對，(iii) 在 72度延伸，其中聚合酶通過連接與模板互補的堿基而使引物延伸，由此對于每一個模板形成兩個拷貝的雙鏈DNA。傳統的臺式PCR系統使用大的金屬加熱和冷卻塊使聚丙烯管內部裝載的樣品溫度循環，反應室的小型化在集成化、速度和效率方面具有優勢。由于這些優勢，對PCR的小型化系統的開發已經成為極為關注的領域。許多研發團隊已經使用適于生物反應的各種材料制作出裝置。大部分的研發團隊已使用硅作為其基材，因其具有高的熱傳導性和良好特性的加工條件。裸硅是光學不透明的并且有報道稱其抑制PCR反應。氧化的硅或玻璃是優選的，但是這些芯片中的反應室、加熱器和溫度傳感器的復雜的多步加工使其對于單一用途的一次性應用來說過于昂貴。此外，反應室密封步驟要求避免熱蒸發，這通常通過不同類型的粘合法中的一種來完成，例如熔融粘合法、陽極粘合法、粘合劑粘合法、可逆粘合法和超聲粘合法。另一方面，聚合物是生物相容性的低成本材料，其是透明的并且容易在較低溫度下成型。但是，其熱傳導性與硅相比要低得多。因此加熱器和溫度傳感器的設計非常重要。加熱方法的選擇與材料的選擇對于快速微芯片PCR方案起到重要的作用。一般說來，不同的團隊通常使用的加熱方法有兩類接觸式和非接觸式加熱。接觸式加熱方法利用電阻加熱器加熱PCR溶液。加熱器通常是薄膜金屬，大多是鉬(Pt)，這是因為其具有對于電阻的可重現的溫度依賴性、承受高溫的能力、良好的化學穩定性和高的純度。此外，通常使用鈦的薄層作為Pt的粘合層，這是由于后者在高溫下展現高擴散率，這使得其性能惡化。但是Pt非常昂貴而且光學不透明。其它的金屬或合金也已被用作加熱器。一些商業上可得到的珀爾貼塊熱電單元也已經廣泛用于PCR芯片的溫度控制，盡管其具有較大的熱質量、較慢的溫度斜率并且是不透明的。最常用的PCR的非接觸式加熱方案是基于熱空氣循環，其通過快速切換所需溫度的空氣流來完成。但是對于單個芯片控制和應用熱空氣并非易事。在一些報道中，使用鎢燈的紅外輻射被用作非接觸式熱源，其對于35個循環需要不到15分鐘。但是，鎢燈是非相干的非聚焦光源，因此需要高功率(50-100W)以使芯片達到所需溫度。在另一個報道中，描述了使用非昂貴的鹵燈作為低功率輻射源用于硅微反應室中的溫度的快速上升。根據之前的討論，有必要研發這樣的非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR)系統以克服以上提到的問題，該系統具有帶有密封反應室的感應式加熱的聚合物芯片和和紅外溫度傳感器，該芯片由選自包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸系物、聚丙烯和聚碳酸酯的組中的材料制成。
技術實現思路
專利技術目的本專利技術的一個目的是提供一種具有感應加熱器和紅外輻射溫度傳感器的非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR)系統。本專利技術的一個目的是提供一種具有帶有反應室和嵌入式金屬加熱器的芯片的非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR)系統。專利技術概沭通過提供如本專利技術中所要求保護的系統和方法，可以克服現有技術的缺點并提供額外的優點。通過本專利技術的技術可以實現附加的特點和優點。本文中對本專利技術的其它具體實施方式和方面進行了詳細說明并且被認為是本專利技術所要求保護的一部分。本專利技術的基本的具體實施方式提供了一種非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR) 系統。該系統包括具有用于容納樣品的反應室和在所述反應室下方嵌入的用于加熱樣品的金屬加熱器的芯片。包括關聯的LED驅動器和光檢測放大器的光學單元，其置于芯片上方用于檢測熒光。感應加熱器圍繞芯片安裝并且電感耦合到金屬加熱器。紅外溫度傳感器安裝在芯片下方用于測量金屬加熱器的溫度，其中所述紅外溫度傳感器與信號調節器接合。 以及控制器與信號調節器和感應加熱器接合，以通過信號調節器基于從紅外溫度傳感器接收的反饋來調節感應加熱器的功率。在本專利技術的一個具體實施方式中，所述芯片由選自但不限于聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、丙烯酸系物、聚碳酸酯、聚丙烯的組中的材料制成。在本專利技術的一個具體實施方式中，LED驅動器和光檢測器放大器和脈沖寬度模塊控制器與數據采集和控制系統接合以監測PCR的不同參數。在本專利技術的一個具體實施方式中，所述感應加熱器是線圈，所述線圈靠近所述芯片設置而用于感應加熱金屬加熱器。而且芯片和線圈間的距離在O-IOmm之間變化。在本專利技術的一個具體實施方式中，控制器(5)選自脈沖寬度調節器、比例積分微分(PID)控制器和開/關轉換器中的至少一種。在本專利技術的一個具體實施方式中，在反應室的一側具有噴嘴以在樣品填充過程中限制所捕集的空氣。本專利技術的另一個具體實施方式提供了一種非接觸式實時微聚合酶鏈式反應(PCR) 系統的操作方法。該方法包括將樣品填充到芯片的反應室中的行為。使用嵌入式金屬加熱器加熱樣品，其中所述嵌入式金屬加熱器電感耦合到感應加熱器以接收來自感應加熱器的熱能。然后使用紅外溫度傳感器測量金屬加熱器的溫度。以及使用控制器基于從紅外溫度傳感器接收的反饋來調節感應加熱器的功率。在本專利技術的一個具體實施方式中，在填充樣品之前通過設置在所述芯片的一端的噴嘴將所捕集的空氣從反應室中沖走。在本專利技術的一個具體實施方式中，使用包括關聯的LED驅動器和光檢測放大器的光學單元來檢測熒光。在本專利技術的一個具體實施方式中，使用數據采集和控制系統來監測聚合酶鏈式反應的不同參數。在本專利技術的一個具體實施方式中，通過電磁感應方法由感應加熱器向金屬加熱器供給熱量。以上概述僅作說明之用，并非意欲加以任何限制。除了以上所述的說明性方面具體實施方式和特點外，進一步的方面具體實施方式和特點通過附圖和以下詳細說明將是明顯的。附圖說明本專利技術的新穎的特點和特性如所附權利要求所闡述的那樣。但是本專利技術自身，優選的使用方式，其進一步的目的和優點，也可以通過參考以下具體實施方式的詳細說明結合附圖得到最好的理解。現參照附圖(其中相同的附圖標記代表相同的元件)通過實施例描述一個或更多的具體實施方式，其中圖I表示非接觸式微PCR系統的框圖。圖2a_2c表示帶有嵌入式加熱器和反應室的PDMS芯片的三步制備步驟。圖2d和2e表示PDMS芯片的頂視圖和透視圖。圖3a_3c表不線圈相對于芯片、物鏡和IR傳感器的位置。圖4表示圍繞厚度為O. 4mm的直徑為8mm鎳環的磁場線的2D數字模擬，該鎳環用 2匝由Imm直徑導線制成的直徑IOmm的銅線圈感應加熱，負載電流10A，頻率為50kHz。圖5表示不同加熱材料的耗散功率與頻率的函數的數字模擬不銹鋼(SS)、鋁 (Al)和銅(Cu)。還顯示了銅線圈自身(線圈)的耗散功率。圖6表示解鏈曲線，其顯示實時熒光信號的導數與溫本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：斯維薩·錢德拉，蘇迪普·蒙達爾，文卡塔拉曼·文卡塔克里希南，薩迪亞迪普·維斯瓦納坦，雷吉斯·馬里拉德維·拉達克里希南，拉維普拉卡什·賈亞拉曼，錢德拉塞卡爾·巴斯卡蘭奈爾，皮拉里賽蒂·文卡塔·蘇巴拉奧，
申請(專利權)人：比格科技私人有限公司，
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國別省市：