[发明专利]用于聚合酶链式反应的芯片、实时检测装置和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合酶链式反应(PCR)的芯片及实时检测装置，具体涉及一种基于电化学的生物芯片和对芯片的微弱电流检测的装置。

背景技术

聚合酶链式反应(PolymeraseChainReaction，简称PCR)，是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火(复性)及适温延伸等反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增，具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。它不仅可用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基础研究，还可用于病原体检测、产前诊断、肿瘤基因检测、疗效评估、食品安全检测、食品转基因检测等医疗、食品、卫生领域。

实时荧光定量PCR(QuantitativeReal-timePCR)，在PCR扩增过程中，通过添加荧光物质，对PCR进程进行实时检测，有效地解决了传统定量只能终点检测的局限，实现了每一轮循环均检测一次荧光信号的强度，并记录在电脑软件之中，通过对每个样品Ct值的计算，根据标准曲线获得定量结果。实时荧光定量PCR所使用的荧光物质可分为两种：荧光探针和荧光染料，前者包括Taqman荧光探针、分子信标等，后者主要为SYBR荧光染料。荧光定量PCR仪由基本PCR部分、荧光检测部分和上位计算机部分等组成，其中荧光检测部分包括激励光源、光电倍增管、信号采集与处理等部分，因此设计复杂、机体庞大、成本较高，难以基层推广使用。

电化学芯片为PCR检测提供了一种有效方法，无需使用特定光源，不必进行光电转化倍增等步骤，因此简单易行，易于实现仪器小型化和便携化。电化学芯片研究已开展多年，但目前大部分电化学芯片都是在PCR扩增完成之后，将扩增产物加入到芯片中，根据阴阳性样本给出的不同电信号进行判断，一方面操作繁琐，不能实现实时监测，另一方面PCR产物的开盖操作大大增加了污染的可能性。因此电化学芯片虽然具备一系列优点，但尚未实现大规模使用。

发明内容

为了克服目前荧光定量PCR仪结构复杂、电化学芯片难以实现实时监测的缺点，本发明提出了一种新的聚合酶链式反应的芯片及其实时检测装置和系统。本发明的芯片采用多层结构，提高了操作的便捷性，保证了反应的一致性，在微型的芯片上完成PCR温控、微流控和微弱信号的采集测量，在确保使用便捷的基础上，完成了生物传感器类芯片的灵敏测量。

本发明采用如下技术方案：

一种PCR芯片，包括调温基底和依次层叠在调温基底上的电化学基板、反应池板、进出液孔板、注射接头板和热盖，以及对电化学基板与其上各部件的相对位置进行固定的限位器，其中：热盖对芯片的顶层加热；热盖下的注射接头板上设有多个试剂注射接头；与试剂注射接头的位置相对应，在进出液孔板上开有试剂的进液孔和出液孔；每组进液孔和出液孔对应一个设于反应池板上的反应池；电化学基板具有反应面和电路连接点，反应面朝上，并设置有与反应池对应的PCR反应区域；调温基底对电化学基板的温度进行调节控制；限位器上设置与外部电气连接的引出接口。

所述热盖设有加热板和温度传感器，其中加热板可以采用加热薄膜，或者其他加热器件，例如帕尔贴，通过PID温度调节使热盖的温度维持恒定。

调温基底包括升降温板和温度传感器，通过PID温度调节使基底的温度控制在设定的温度，实现对芯片底部的温度可控的加热。调温基底可利用芯片工艺，基于帕尔贴等类似原理集成在芯片底部。

同时，本发明提供了一种对上述PCR芯片进行实时检测的装置，包括：恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块和MCU，其中恒压源模块为PCR芯片提供恒电位；温控模块调节控制PCR芯片的反应温度；微流控模块通过导管连接PCR芯片，实现PCR反应样品溶液的加载、抽取和混合；信号采集模块采集PCR反应样品的电信号，并传递给MCU；恒压源模块、温控模块、微流控模块、信号采集模块分别连接MCU，由MCU对各模块进行实时控制。

PCR芯片实时检测装置与PCR芯片连接，通过MCU对各个模块的控制完成该装置对PCR芯片的电压控制、温度控制、微流控制和信号采集，实现对PCR扩增的实时电化学检测。恒压源模块连接PCR芯片的电化学基板；温控模块连接PCR芯片的调温基底和热盖；微流控模块通过导管与PCR芯片中的试剂注射接头对接；信号采集模块则连接电化学基板；各模块分别连接MCU，而MCU连接上位机(PC机)，由上位机对整个装置进行控制操作，并实现数据的显示和存储。PCR芯片、实时检测装置和上位机构成了一个用于PCR反应和实时电化学检测的系统。