[發明專利]面向空間的微型微流控實時熒光PCR工作系統

無效

• 申請號: 201210050339.3
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN102604824A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 吳堅;楊洋;陳濤;劉世炳
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C12M1/38
• 分類號: C12M1/38;C12M1/36;C12M1/34
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明涉及一種面向空間的微型微流控實時熒光PCR工作系統，是一種“功能集成結構縮微”型的PCR擴增反應裝置，屬于生物學、分析化學及醫學檢測領域。

背景技術

分析測試是人類最頻繁的科學技術活動之一，創新分析測試技術及相應的創新分析測試儀器在很大程度上代表了一個國家的科技水平，并保證了技術先進的國家在相關領域的知識和技術的戰略儲備和可持續發展能力。在以生命科學為主導的21世紀，新一代的分析測試儀器應該更加微型化、自動化、快速化與便攜化。

微型全分析系統(Miniaturized?Total?Analysis?System，μTAS)又稱芯片實驗室(lab?on?a?chip，LOC)。μTAS的目標是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能集成到便攜設備上，甚至是方寸大小的芯片上，即實現生化分析實驗室的“功能集成結構縮微”。

隨著我國載人航天技術的日趨成熟，航天任務周期的逐漸延長，對航天員健康保障的要求也會越來越高。航天器中處于非監控狀態的微生物嚴重威脅航天員的健康。由于宇宙射線與應激等因素的協同作用，導致人體免疫功能降低，患病機率增加，此時艙中的致病微生物會嚴重影響到航天員的身體健康。同時，航天飛行器上攜帶有能在太空環境下生存的微生物，有可能通過人類或航天器帶到空間站、火星表面，會對人類研究太空生命形式造成不利影響。因此，航天器上裝備生物危害實時自動報警系統是十分必要的。

生物危害報警器中的微型熒光檢測系統，由于其關鍵技術的實質是要求功能集成和結構縮微，以實現重量輕體積小全自動檢測為目標。而目前的生物芯片熒光微檢測系統，也同樣要求體積小、功能多、自動化水平高。因此，生物危害報警器中熒光微檢測系統的研究，將可以移植在生物芯片熒光微檢測系統基礎上進行，并可以對檢測系統在失重條件下的計算進行修正研究，以實現“面向空間應用”。

PCR微流控生物芯片是近年來在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術，它是將采樣、稀釋、加試劑、反應、分離和檢測等功能集成于一個芯片里，其科學性和先進性集中體現在結構縮微和功能集成這兩個方面。生物芯片技術有4個基本要點：芯片制備、樣品制備、生化反應和信號檢測。其原理是：PCR反應混合物在精密注射泵的作用下按設定的流速進入生物芯片上分別處于三個恒溫區(94℃、50～60℃、72℃)的微通道，經過PCR的變性、復性和延伸，從而實現一次擴增循環，一個循環可以使DNA總量增加一倍。在合適條件下，這種循環不斷重復，n次循環后使產物DNA的量按2n方式擴增。最后待測液體經過激發光源照射發出熒光，由光敏元件采集并經過光電轉換后輸出熒光值的電信號。

顯然目前的微流控PCR工作系統對于在空間進行PCR熒光實時檢測工作主要存在如下缺點：

1、溫度循環系統采用銅塊或鋁塊進行加熱和風扇冷卻相配合，整個裝置耗能多，體積大難以縮小，無法實現便攜性；

2、目前熒光微光譜檢測器都是直接使用傳統的封裝光電管，如光電倍增管(PMT)或電荷耦合元件(CCD)。由于元件自身的體積就很大，而且又是分體使用，需要有配套的光路裝置，致使整個熒光檢測裝置的體積龐大，根本不可能嵌入到生物芯片中；

3、由于在激發光傳導和反射光采集時需要各類光學器件和光纖組成的光路進行光路傳輸，不僅結構復雜難以實現集成化，并且影響實時熒光檢測的穩定性；

4、由于檢測并未達到零距離接觸的測量方式，會使熒光微檢測受到非檢測對象物質，如組成微通道壁等物質的干擾，造成測量誤差；

5、PCR微流控生物芯片的進樣控制系統、溫度控制系統、熒光檢測系統一般采用各部分單獨控制，無法對微通道內溫度的變化、液體的流速及熒光檢測之間的信號進行實時反饋與集成控制。

因此，實現對PCR微流控工作系統不同模塊間進行高度集成控制，以及研制體積小到可嵌入芯片且靈敏度高到能達到生物技術要求的微型熒光檢測裝置是實現PCR熒光實時檢測系統的集成便攜式以及微型化的主要研究方向。

發明內容

為了很好地解決上述問題，本發明涉及一種微型微流控實時熒光PCR工作系統，主要應用于空間范圍對PCR擴增反應進行實時熒光檢測。目的在于實現微型微流控實時熒光PCR檢測系統的集成自動化控制，以及實現整個工作系統的便攜式微型化。

本專利是采用以下技術方案實現上述目的：