[發明專利]連續流PCR與毛細管電泳功能集成的微流控芯片裝置

無效

• 申請號: 201210250385.8
• 申請日: 2012-07-19
• 公開（公告）號: CN102899238A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 楊楠;艾洪新;何越;臧伯瑋
• 申請（專利權）人: 凱晶生物科技(蘇州)有限公司
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/34
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明屬于分子生物檢測技術領域，具體涉及一種連續流PCR與毛細管電泳功能集成的微流控芯片裝置。?

背景技術

聚合酶鏈式反應(PCR)又被稱為無細胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴增技術，是一種體外快速擴增DNA技術，作為一種主要的擴增復制手段，已經在醫學診斷、基因分析、法醫鑒定等廣泛領域得到應用，逐漸成為核酸分析和擴增的核心技術之一，并給基因相關研究帶來了深遠的影響。?

PCR技術通過調控聚合酶在DNA某些位點的活性來操縱DNA分子復制，該反應具有特異、敏感、產率高、快速、簡便、重復性好、易自動化等突出優點，并且能在數小時內將試管內所要研究的目的DNA分子或者片斷，擴增復制出幾十萬乃至幾百萬倍在一定的檢測儀器下用肉眼能夠直接觀察和判斷。PCR技術能夠從微量的樣品中擴增出足夠量的DNA分子供分析研究和檢測鑒定，實現痕量樣品的分析與檢測。過去幾天甚至幾個星期才能完成的樣品分析過程，用PCR技術幾個小時便可完成。?

隨著集成電路和微電子機械系統(Micro?Electro?Mechanicals?system，MEMS)技術的日趨成熟，以硅/玻璃/聚合物為基底材料的PCR生物芯片得到了飛速的發展，它們都具有集成化程度高、熱循環速率快、交互式污染小及樣品消耗少等優點，使整個生化反應過程集成化、微型化和連續化，將促進微全分析系統(MicroTotal?Analysis?system-μTAS)的真正實現，并對醫藥開發、病毒檢測、生命科學、醫學診斷及食品與環境檢測等領域產生重大影響。?

隨著PCR芯片在諸多領域的廣泛應用，以及人們對分析儀器集成化、微型化的要求，傳統的PCR擴增儀器己經不能滿足人們對PCR反應的需要，尋求一種更加有效、更集成化的PCR反應裝置成為日益迫切的任務。MEMS技術和集成電路的飛速發展，為研制新型PCR反應裝置提供了有力的保障，促進了PCR芯片研究的飛速發展。?

到目前為止，PCR生物芯片主要有兩種結構形式:①微反應腔式PCR芯?片(Micro?chamber?PCR?chip，MC-PCR)，②連續流動式PCR芯片(Continuous-flow?PCR?chip，CF-PCR)。?

微反應腔式PCR芯片實際上是傳統PCR的微型化，它將反應混合物固定在微反應池中，通過在外部對微反應池不斷的加熱與降溫，實現三個溫區溫度的循環，它是一種時域式PCR反應裝置。MC-PCR芯片成本低，體積小，結構簡單，熱循環次數不受限制，容易實現批量生產，易于制作成一次性PCR芯片。但是，微反應池的尺寸常常限制了樣品的體積和反應時間，其能量消耗主要受系統的熱容量所控制，加熱和冷卻的速度相對較慢，為了取得較快的加熱/冷卻速度，需要對系統熱容量進行精確的優化。?

鑒于微反應腔式PCR芯片存在的問題，研究人員設計了連續流動式PCR芯片，主要工作原理是:擴增試劑在PCR反應所需的三個固定溫區內連續流動，樣品在每溫區滯留的時間由其流經的路程決定，每流過三個溫區就完成了一次溫度循環，即完一次擴增。CF-PCR芯片利用空域方式實現PCR反應，已成為PCR芯片的重要研究方向之一。CF-PCR芯片的主要優點包括:(l)擴增反應所需的加熱/冷卻速度僅由混合物的流動速度來控制，不受系統的熱容量所限制。(2)操縱小體積樣品液體運動時，不僅方便易行，且密閉性良好，可有效避免樣品溶液的蒸發。(3)可通過連續提供不同生物樣品的方法，實現不同生物樣品的連續擴增，這不僅大大節省了反應時間，而且簡化了操作程序。(4)PCR混合物的體積可在μl-ml量級范圍內改變。(5)利用CF-PCR芯片，可以把樣品制備、PCR擴增以及產物檢測等多項功能集成在一起，以連續流動的方式進行快速的、集成化分析。?

目前，CF-PCR芯片可分為基于MEMS技術的片式芯片和非芯片式兩種。前者是通過微加工技術將微通道加工在硅/玻璃/聚合物襯底材料上，集成化程度高，系統所占空間體積較小。1998年，Martin?U.Kopp等首次提出了一種CF-PCR芯片，該芯片的三個溫度區(95℃、77℃和60℃)分別利用了三個恒溫銅塊來實現加熱，Pt電阻溫度傳感器固定在玻璃的背面，由恒流泵驅動樣品和緩沖液在微通道內的流動。該系統最快可在90s內實現20個循環。根據實驗要求將芯片加工成“蜿蜒”型或“螺旋”型通道，其循環數目通常是不可改變。?