[实用新型]面向空间的微型微流控实时荧光PCR工作系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种面向空间的微型微流控实时荧光PCR工作系统，是一种“功能集成结构缩微”型的PCR扩增反应装置，属于生物学、分析化学及医学检测领域。

背景技术

分析测试是人类最频繁的科学技术活动之一，创新分析测试技术及相应的创新分析测试仪器在很大程度上代表了一个国家的科技水平，并保证了技术先进的国家在相关领域的知识和技术的战略储备和可持续发展能力。在以生命科学为主导的21世纪，新一代的分析测试仪器应该更加微型化、自动化、快速化与便携化。

微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis System，μTAS)又称芯片实验室(lab on a chip，LOC)。μTAS的目标是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能集成到便携设备上，甚至是方寸大小的芯片上，即实现生化分析实验室的“功能集成结构缩微”。

随着我国载人航天技术的日趋成熟，航天任务周期的逐渐延长，对航天员健康保障的要求也会越来越高。航天器中处于非监控状态的微生物严重威胁航天员的健康。由于宇宙射线与应激等因素的协同作用，导致人体免疫功能降低，患病机率增加，此时舱中的致病微生物会严重影响到航天员的身体健康。同时，航天飞行器上携带有能在太空环境下生存的微生物，有可能通过人类或航天器带到空间站、火星表面，会对人类研究太空生命形式造成不利影响。因此，航天器上装备生物危害实时自动报警系统是十分必要的。

生物危害报警器中的微型荧光检测系统，由于其关键技术的实质是要求功能集成和结构缩微，以实现重量轻体积小全自动检测为目标。而目前的生物芯片荧光微检测系统，也同样要求体积小、功能多、自动化水平高。因此，生物危害报警器中荧光微检测系统的研究，将可以移植在生物芯片荧光微检测系统基础上进行，并可以对检测系统在失重条件下的计算进行修正研究，以实现“面向空间应用”。

PCR微流控生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它是将采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等功能集成于一个芯片里，其科学性和先进性集中体现在结构缩微和功能集成这两个方面。生物芯片技术有4个基本要点：芯片制备、样品制备、生化反应和信号检测。其原理是：PCR反应混合物在精密注射泵的作用下按设定的流速进入生物芯片上分别处于三个恒温区(94℃、50～60℃、72℃)的微通道，经过PCR的变性、复性和延伸，从而实现一次扩增循环，一个循环可以使DNA总量增加一倍。在合适条件下，这种循环不断重复，n次循环后使产物DNA的量按2n方式扩增。最后待测液体经过激发光源照射发出荧光，由光敏元件采集并经过光电转换后输出荧光值的电信号。

显然目前的微流控PCR工作系统对于在空间进行PCR荧光实时检测工作主要存在如下缺点：

1、温度循环系统采用铜块或铝块进行加热和风扇冷却相配合，整个装置耗能多，体积大难以缩小，无法实现便携性；

2、目前荧光微光谱检测器都是直接使用传统的封装光电管，如光电倍增管(PMT)或电荷耦合元件(CCD)。由于元件自身的体积就很大，而且又是分体使用，需要有配套的光路装置，致使整个荧光检测装置的体积庞大，根本不可能嵌入到生物芯片中；

3、由于在激发光传导和反射光采集时需要各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输，不仅结构复杂难以实现集成化，并且影响实时荧光检测的稳定性；

4、由于检测并未达到零距离接触的测量方式，会使荧光微检测受到非检测对象物质，如组成微通道壁等物质的干扰，造成测量误差；

5、PCR微流控生物芯片的进样控制系统、温度控制系统、荧光检测系统一般采用各部分单独控制，无法对微通道内温度的变化、液体的流速及荧光检测之间的信号进行实时反馈与集成控制。

因此，实现对PCR微流控工作系统不同模块间进行高度集成控制，以及研制体积小到可嵌入芯片且灵敏度高到能达到生物技术要求的微型荧光检测装置是实现PCR荧光实时检测系统的集成便携式以及微型化的主要研究方向。

实用新型内容

为了很好地解决上述问题，本实用新型涉及一种微型微流控实时荧光PCR工作系统，主要应用于空间范围对PCR扩增反应进行实时荧光检测。目的在于实现微型微流控实时荧光PCR检测系统的集成自动化控制，以及实现整个工作系统的便携式微型化。

本专利是采用以下技术方案实现上述目的：