[发明专利]聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)在微流控芯片上实现DNA扩增及实时荧光检测。应用于生化反应和医学检测领域。

背景技术

医学与生化检测设备中微型化是一个重要发展方向，微机电系统技术(Micro-electro-mechanical systems，MEMS)的发展为PCR反应在芯片上完成提供了可能。传统荧光PCR仪中存在以下缺点：仪器体积大，升降温速率慢，动态控温精度不高，半导体加热制冷器长期温度骤变寿命缩短。现在利用MEMS技术制造的PCR反应芯片分为三种：微阱式芯片、微流控芯片和微水浴芯片。微阱式芯片存在以下缺点：升降温速率慢，动态控温，温度精度不高，一般只有合金层微加热器，没有主动式的制冷器，如专利200310122607.9和200510011180.4等。微流控芯片存在以下缺点：一般只有合金层微加热器，没有主动制冷器，如专利200410024703.4等。微水浴芯片200610043243.9等，加热制冷结构复杂。利用MEMS技术制造的PCR反应芯片，解决了仪器体积大的问题，但是又出现了主动制冷、实时荧光检测在芯片上集成的难题。

发明内容

本发明目的是提供一种可以在微流控芯片上进行PCR反应同时进行荧光检测的微型聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置，其具有温控精度高、稳定性强的特点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：聚合酶链式反应器及实时微光学检测装置，它包括：

微流控芯片，其包括带有螺旋形微流道的基底层1、盖板层2，基底层1与盖板层2一起形成微流控芯片；在盖板层2上有两个孔分别为进样孔和出样孔，分别位于微流道的起点和终点；提供气压动力使样品流动的空气泵10与进样孔3相连；基底层1的材料为导热性能良好的材料；盖板层2采用透光材料；

热循环单元，其包括半导体加热制冷器5和驱动电路、温度传感器6，以及基于微处理器与比例积分微分算法的控制模块；3个半导体加热制冷器5在螺旋形微流体通道的下方，沿样品在微流体通道依次形成变性区、退火区和延伸区；温度传感器6放置在半导体加热制冷器5和微流控芯片之间；温度传感器6连接至控制模块，控制模块连接至驱动电路，驱动电路与半导体加热制冷器5相连，控制半导体加热制冷器5的加热或制冷温度；

实时荧光检测单元，该系统包括光源7、光电探测器9和上述的控制模块；光源7采用线阵发光二极管，光电探测器9采用光电倍增管，所述的线阵发光二极管与光电倍增管平行固定，并且与螺旋形微流道成大于10度的夹角；光源线阵发光二极管和光电倍增管位于微流控芯片延伸区上方；将微流道的荧光汇聚成一条直线光的柱面镜与接受直线光将其聚焦到一点的球面透镜组合式的微光学器件，置于微流道的上方，球面透镜的出射光由光电探测器9接收；光电探测器9连接到控制模块；

上述热循环单元和实时荧光检测单元中的控制模块连接至计算机。

所述的基底层1与盖板层2以键合技术密封在一起形成微流控芯片。

所述的温度传感器6为铂电阻传感器；半导体加热制冷器5、温度传感器6、光源8采用半导体工艺制作。

所述的控制模块是以采用数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA为核心的控制模块。

控制整个装置的计算机接口采用串口或USB或蓝牙或Wi-Fi或internet网络有线或无线方式连接至控制模块。

所述变性区的典型温度为95℃，退火区的典型温度为65℃，延伸区的典型温度为72℃。

样品从进样口进样后空气泵向进样口进气，提供气压动力使样品流动。样品在微流道里流动，依次经过变性区、退火区、延伸区，样品流动一圈即完成一次PCR反应。利用MEMS技术制造的微流控芯片实现了微量反应体系。

所述的温度控制采用DSP/FPGA输出脉宽调制波(Pulse-width modulating，PWM)控制三块半导体加热制冷器，三个铂电阻温度传感器为DSP/FPGA提供温度反馈信号，采用PID算法闭环控制调节温度，使整个微流道区域形成PCR反应所需的变性区、退火区、延伸区三个恒定温度场。三个半导体加热制冷器彼此之间留有一定的空隙，利用空气隔热。