[实用新型]连续流PCR与毛细管电泳功能集成的微流控芯片装置

说明书

技术领域

本发明属于分子生物检测技术领域，具体涉及一种连续流PCR与毛细管电泳功能集成的微流控芯片装置。 

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)又被称为无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术，是一种体外快速扩增DNA技术，作为一种主要的扩增复制手段，已经在医学诊断、基因分析、法医鉴定等广泛领域得到应用，逐渐成为核酸分析和扩增的核心技术之一，并给基因相关研究带来了深远的影响。 

PCR技术通过调控聚合酶在DNA某些位点的活性来操纵DNA分子复制，该反应具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点，并且能在数小时内将试管内所要研究的目的DNA分子或者片断，扩增复制出几十万乃至几百万倍在一定的检测仪器下用肉眼能够直接观察和判断。PCR技术能够从微量的样品中扩增出足够量的DNA分子供分析研究和检测鉴定，实现痕量样品的分析与检测。过去几天甚至几个星期才能完成的样品分析过程，用PCR技术几个小时便可完成。 

随着集成电路和微电子机械系统(Micro Electro Mechanicals system，MEMS)技术的日趋成熟，以硅/玻璃/聚合物为基底材料的PCR生物芯片得到了飞速的发展，它们都具有集成化程度高、热循环速率快、交互式污染小及样品消耗少等优点，使整个生化反应过程集成化、微型化和连续化，将促进微全分析系统(MicroTotal Analysis system-μTAS)的真正实现，并对医药开发、病毒检测、生命科学、医学诊断及食品与环境检测等领域产生重大影响。 

随着PCR芯片在诸多领域的广泛应用，以及人们对分析仪器集成化、微型化的要求，传统的PCR扩增仪器己经不能满足人们对PCR反应的需要，寻求一种更加有效、更集成化的PCR反应装置成为日益迫切的任务。MEMS技术和集成电路的飞速发展，为研制新型PCR反应装置提供了有力的保障，促进了PCR芯片研究的飞速发展。 

到目前为止，PCR生物芯片主要有两种结构形式:①微反应腔式PCR芯 片(Micro chamber PCR chip，MC-PCR)， 连续流动式PCR芯片(Continuous-flow PCR chip，CF-PCR)。 

微反应腔式PCR芯片实际上是传统PCR的微型化，它将反应混合物固定在微反应池中，通过在外部对微反应池不断的加热与降温，实现三个温区温度的循环，它是一种时域式PCR反应装置。MC-PCR芯片成本低，体积小，结构简单，热循环次数不受限制，容易实现批量生产，易于制作成一次性PCR芯片。但是，微反应池的尺寸常常限制了样品的体积和反应时间，其能量消耗主要受系统的热容量所控制，加热和冷却的速度相对较慢，为了取得较快的加热/冷却速度，需要对系统热容量进行精确的优化。 

鉴于微反应腔式PCR芯片存在的问题，研究人员设计了连续流动式PCR芯片，主要工作原理是:扩增试剂在PCR反应所需的三个固定温区内连续流动，样品在每温区滞留的时间由其流经的路程决定，每流过三个温区就完成了一次温度循环，即完一次扩增。CF-PCR芯片利用空域方式实现PCR反应，已成为PCR芯片的重要研究方向之一。CF-PCR芯片的主要优点包括:(l)扩增反应所需的加热/冷却速度仅由混合物的流动速度来控制，不受系统的热容量所限制。(2)操纵小体积样品液体运动时，不仅方便易行，且密闭性良好，可有效避免样品溶液的蒸发。(3)可通过连续提供不同生物样品的方法，实现不同生物样品的连续扩增，这不仅大大节省了反应时间，而且简化了操作程序。(4)PCR混合物的体积可在μl-ml量级范围内改变。(5)利用CF-PCR芯片，可以把样品制备、PCR扩增以及产物检测等多项功能集成在一起，以连续流动的方式进行快速的、集成化分析。 

目前，CF-PCR芯片可分为基于MEMS技术的片式芯片和非芯片式两种。前者是通过微加工技术将微通道加工在硅/玻璃/聚合物衬底材料上，集成化程度高，系统所占空间体积较小。1998年，Martin U.Kopp等首次提出了一种CF-PCR芯片，该芯片的三个温度区(95℃、77℃和60℃)分别利用了三个恒温铜块来实现加热，Pt电阻温度传感器固定在玻璃的背面，由恒流泵驱动样品和缓冲液在微通道内的流动。该系统最快可在90s内实现20个循环。根据实验要求将芯片加工成“蜿蜒”型或“螺旋”型通道，其循环数目通常是不可改变。