專利名稱：用于pcr擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，屬于生物醫(yī)學(xué)檢測儀器領(lǐng)域，具體是一種以PCR芯片為主體，在恒溫液控制溫區(qū)中進(jìn)行PCR反應(yīng)，可同時(shí)集成或單獨(dú)使用的功能性儀器模塊。
背景技術(shù)：
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)，也稱無細(xì)胞克隆技術(shù) (Free bacteria cloning technique)，作為分子生物學(xué)和基因工程的一項(xiàng)重要技術(shù)，是一種在引物引導(dǎo)下選擇性擴(kuò)增DNA和RNA片段的方法。PCR技術(shù)具有特異、敏感、產(chǎn)率高、快速、簡便、重復(fù)性好、易自動(dòng)化等突出優(yōu)點(diǎn)，能在小容器內(nèi)將所要研究的目的基因或某一 DNA 片段于數(shù)小時(shí)內(nèi)擴(kuò)增復(fù)制至幾十萬乃至幾百萬倍，供分析研究和檢測鑒定。PCR擴(kuò)增需要反應(yīng)液在高溫變性，低溫退火，中溫延伸這三個(gè)溫區(qū)之間不斷變化， 因此快速準(zhǔn)確的循環(huán)溫度控制是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PCR技術(shù)存在熱慣性大從而升降溫度慢、反應(yīng)溫度分布不均勻、反應(yīng)體積大需要試劑量大、產(chǎn)物必須轉(zhuǎn)移分離等缺點(diǎn)。研究表明，PCR反應(yīng)實(shí)際上在變性和退火階段所需要時(shí)間的很短，PCR反應(yīng)中如果能克服熱慣性可以大量減少升降溫時(shí)間以加速整個(gè)反應(yīng)過程。連續(xù)流PCR通過使反應(yīng)液流過不同的恒溫溫區(qū)進(jìn)行PCR反應(yīng)，可以克服傳統(tǒng)PCR 的弱點(diǎn)，大大減少反應(yīng)時(shí)間和對(duì)試劑的消耗。本專利在微流控連續(xù)流PCR與毛細(xì)管式連續(xù)流PCR的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展與創(chuàng)新，針對(duì)現(xiàn)有連續(xù)流PCR不易更換，也不易模塊化批量使用等弱點(diǎn)，將外部結(jié)構(gòu)與微流控芯片結(jié)合，擁有穩(wěn)定的外部液體溫度區(qū)與統(tǒng)一的流動(dòng)控制。整體結(jié)構(gòu)可拆卸更換，具有模塊化特點(diǎn)，便于集成使用與單獨(dú)使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠與外部流體進(jìn)出控制模塊 (控制外部泵體和氣源)、液體溫度循環(huán)控制模塊(控制恒溫水箱溫度)集成的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊。反應(yīng)試劑在功能模塊中經(jīng)過多個(gè)PCR反應(yīng)恒溫溫區(qū)構(gòu)成的螺旋形流路，進(jìn)行快速的PCR反應(yīng)，且可以控制PCR循環(huán)反應(yīng)的次數(shù)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明包括上部組合功能區(qū)，底部連接座，流體流出管，流體阻流塞，頂部流體控制管。其中上部組合功能區(qū)放置于底部連接座的頂上，上部組合功能區(qū)與流體流出管、流體阻流塞直接連接；頂部流體控制管底部插入上部組合功能區(qū)頂部。所述的上部組合功能區(qū)從里到外分別由中央固定塊，隔熱橡膠板，設(shè)有流體通道的可更換的微流控玻璃片，設(shè)有流體通道的流體進(jìn)出玻璃片，設(shè)有流體通道的液控恒溫玻璃片和結(jié)構(gòu)側(cè)柱組合而成，所述中央固定塊位于上部組合功能區(qū)中央，中央固定塊四個(gè)直角固定著結(jié)構(gòu)側(cè)柱，中央固定塊側(cè)面被隔熱橡膠板緊貼，每兩個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱間夾持著一塊隔熱橡膠板、一塊微流控玻璃片和一塊液控恒溫玻璃片或結(jié)構(gòu)側(cè)柱間夾持著一塊隔熱橡膠板與一塊流體進(jìn)出玻璃片。所述可更換的微流控玻璃片，流體進(jìn)出玻璃片，結(jié)構(gòu)側(cè)柱為流體區(qū)域構(gòu)成部件，上述流體區(qū)域構(gòu)成部件內(nèi)部均有多道形狀相同的流體通道，組裝后形成一螺旋型流路，流體通過流體進(jìn)出玻璃片進(jìn)出流路。所述液控恒溫玻璃片內(nèi)部有流體通道，流體通道通過流體入口與流體出口與外部溫度控制模塊連接，交換流體，通過外界不斷流入恒溫流體保持整塊控恒溫玻璃片的溫度。所述流體進(jìn)出玻璃片頂部有儲(chǔ)液凹槽，一個(gè)側(cè)面有多個(gè)有孔凸起，儲(chǔ)液凹槽與有孔凸起均與流體進(jìn)出玻璃片內(nèi)部的流體通道相連，流體進(jìn)出玻璃片含有孔凸起的側(cè)面朝外。所述中央固定塊的材料為ABS樹脂，隔熱橡膠板材料是工程用耐熱橡膠?？筛鼡Q的微流控玻璃片，液控恒溫玻璃片，流體進(jìn)出玻璃片主體部分都是石英玻璃，中間有流體通道。流體進(jìn)出玻璃片上設(shè)有的有孔凸起是PTEE材料。結(jié)構(gòu)側(cè)柱整體結(jié)構(gòu)是ABS樹脂，有孔凸起及內(nèi)部的流體通道是PTEE材料。所述的底部連接座由ABS樹脂制成，底部鏤空，其上有與上部組合功能區(qū)的結(jié)構(gòu)側(cè)柱固定的對(duì)應(yīng)螺絲孔，通過螺絲可將底部連接座與上部組合功能區(qū)固定。有與上部組合功能區(qū)液控恒溫玻璃片底部流體進(jìn)出矩形孔對(duì)應(yīng)的有孔矩形凸起，可通過內(nèi)部的圓孔與外界流體泵入泵出管道相連接。所述流體流出管、流體阻流塞插入上部組合功能區(qū)的流體進(jìn)出玻璃片上的有孔凸起中，所述有孔凸起有N個(gè)，則流體阻流塞有N-I個(gè)，流體流出管有1個(gè)；流體流出管和流體阻流塞位置可更換，這兩個(gè)部件一起決定流體螺旋型流路最終的循環(huán)次數(shù)，流出管作為螺旋型流路的出口。所述的流體流出管與所述的流體阻流塞均由ABS樹脂制成。兩者都插在上部組合功能區(qū)的流體進(jìn)出玻璃片的平面上的對(duì)應(yīng)有孔矩形凸起中，其位置可根據(jù)實(shí)際操作需求更改。流體可通過流出管流出，而流體阻流塞能阻止應(yīng)孔洞流體流出。所述頂部流體控制管上部是可與外界氣源或者泵體連接的管子，底部直接插到上部組合功能區(qū)的流體進(jìn)出玻璃片頂部的儲(chǔ)液凹槽中。固定的橫梁上有兩個(gè)螺絲孔與上部組合功能區(qū)的流體進(jìn)出玻璃片頂部的螺絲孔對(duì)應(yīng)，通過螺絲可將頂部流體控制管與上部組合功能區(qū)固定。主體部分由PTEE制成，有螺絲孔的固定橫梁由金屬制成。采用本發(fā)明進(jìn)行PCR反應(yīng)工作機(jī)制如下(以下以包含四塊隔熱橡膠板，三塊可更換的微流控玻璃片，一塊流體進(jìn)出玻璃片，四個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱的功能模塊為例說明)
事先將反應(yīng)試劑通過頂部流體控制管注入到流體進(jìn)出玻璃片頂部的儲(chǔ)液凹槽，然后將頂部流體控制管的管道的另外一端接到高壓氣源或者泵體，通過高壓氣源或者泵體來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)試劑進(jìn)入玻璃片內(nèi)部的通道流動(dòng)。通過調(diào)節(jié)氣源或泵體可調(diào)整反應(yīng)試劑在通道內(nèi)的流動(dòng)速度。流體進(jìn)出玻璃片中的流體通道，三塊可更換的微流控玻璃片中的流體通道，以及這四塊玻璃片之間的結(jié)構(gòu)側(cè)柱的流體通道部分共同構(gòu)成了反應(yīng)試劑的流體環(huán)境?？筛鼡Q的微流控玻璃片中的流體通道兩邊的流體通道口(會(huì)與相應(yīng)接觸的結(jié)構(gòu)側(cè)柱的有孔凸起直接連接)處于同一水平面，有多層(設(shè)計(jì)例為40層)形狀相同但互不接觸的流體通道層，不同層間的流體無法在芯片內(nèi)直接接觸；結(jié)構(gòu)側(cè)柱的流體通道也是水平的，但使得流體水平上轉(zhuǎn)向了 90°，連接了兩塊玻璃芯片上的流體；而流體進(jìn)出玻璃片中的流體通道則正好使得流體從本層入口流入后從下一層出口流出。即流體會(huì)在流體進(jìn)出玻璃片中完成一次循環(huán)進(jìn)
入下一層。流體進(jìn)出玻璃片除了頂部的儲(chǔ)液凹槽外，內(nèi)部每隔T層(T為可根據(jù)需求更換)流體通道在橫向上會(huì)有一個(gè)出流口，出流口與玻璃片側(cè)面上的矩形有孔凸起相通。矩形有孔凸起一般會(huì)塞上流體阻流塞，使得實(shí)際流體不會(huì)從支路出流口流出而繼續(xù)循環(huán)。而當(dāng)PCR 循環(huán)達(dá)到需要次數(shù)時(shí)，在其所對(duì)應(yīng)的矩形有孔凸起處接入流體流出管，引出已完成反應(yīng)循環(huán)的液體。每塊可更換的微流控玻璃片都夾在在一塊隔熱橡膠板和一塊液控恒溫玻璃片之間。液控恒溫玻璃片內(nèi)部流體通道是單一的不斷彎曲的蛇形結(jié)構(gòu)，底部有兩個(gè)流體通道口， 直接與底部連接座的對(duì)應(yīng)位置相連。在底部連接座的對(duì)應(yīng)位置由兩根管子分別連接到外部的循環(huán)泵的出流口和恒溫水箱中。使用加熱裝置和溫度檢測裝置保證恒溫水箱中的液流溫度為設(shè)定溫度。循環(huán)泵的進(jìn)流口接到水箱中。工作時(shí)打開循環(huán)泵，使液體從恒溫水箱沿著管道進(jìn)入液控恒溫玻璃片的一個(gè)液體通道口，進(jìn)入芯片內(nèi)部后沿著通道流動(dòng)并從另一個(gè)液體通道口流出，最終回到恒溫水箱。在這個(gè)流動(dòng)過程中，熱交換使液控恒溫玻璃片保持在設(shè)定的恒溫狀態(tài)。在實(shí)際PCR工作環(huán)境下，三塊液控恒溫玻璃片的溫度分別設(shè)定為94° C(變性)。60° C (退火)72° C (延伸)。液控恒溫玻璃片的存在，使得與其接觸的微流控玻璃片也保持為基本一致的溫度，當(dāng)內(nèi)部的試劑在微流控玻璃片通道中流動(dòng)時(shí)，將得到玻璃片的熱量傳遞。即試劑流經(jīng)不同的微流控玻璃片實(shí)際上是經(jīng)過了不同的PCR反應(yīng)溫度溫區(qū)， 從而獲得了 PCR反應(yīng)每個(gè)階段所需要的溫度。同時(shí)另一個(gè)接觸面的隔熱橡膠板能減少反應(yīng)過程中的熱量散失。整體構(gòu)造使得設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)為η次(η為流體進(jìn)出玻璃片的出流口之間間隔層數(shù)T 的整數(shù)倍)流體會(huì)在外界推動(dòng)下按下列順序流動(dòng)
流體進(jìn)出玻璃片儲(chǔ)液凹槽_>流體進(jìn)出玻璃片(1層)_>結(jié)構(gòu)側(cè)柱A (1層)-> 可更換的微流控玻璃片Al，94° C變性(1層)-> 結(jié)構(gòu)側(cè)柱B (1層)_>可更換的微流控玻璃片Bl (1層)，60° C退火-> 結(jié)構(gòu)側(cè)柱C (1層)-> 可更換的微流控玻璃片Cl (1層)72° C (延伸)_>結(jié)構(gòu)側(cè)柱D (1層)-> 流體進(jìn)出玻璃片(完成一次循環(huán)，從1層進(jìn)入2)->結(jié)構(gòu)側(cè)柱A (2層)->……-> 流體進(jìn)出玻璃片(第η層，完成η次循環(huán))_>對(duì)應(yīng)η層的出流口 ->流體流出管_>外部容器或者管道。即整體構(gòu)成了一螺旋形流路，流路中有三個(gè)恒溫溫區(qū)進(jìn)行PCR 反應(yīng)。本發(fā)明比現(xiàn)有的常規(guī)PCR儀器和微流控芯片型PCR有以下優(yōu)勢
1.擁有連續(xù)流型微流控PCR反應(yīng)的高效反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，PCR反應(yīng)速度比常規(guī)PCR儀器快得多。2.利用恒溫液流來進(jìn)行溫控，水的比熱容高，因此溫區(qū)的溫度均勻性好，恒溫性比直接通過電阻加熱和直接散熱要好得多。3.模塊易拆卸，方便清洗與更換，可根據(jù)實(shí)際需求采用不同的微流控芯片玻璃片來進(jìn)行反應(yīng)，通道的形狀，長度，與流速一起直接決定了進(jìn)行每次PCR循環(huán)的時(shí)間，這些可以通過更換微流控芯片玻璃片來改變，甚至可以考慮用重新設(shè)計(jì)的微流控芯片使得整體增加新的功能，而且也可以選擇整體反應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。
4.模塊化設(shè)計(jì)，既可以將底座與相應(yīng)的泵體和水箱的配合，頂部流體控制管接上外來泵體或者高壓氣源直接使用；也可以將多個(gè)模塊一起使用。將底座統(tǒng)一放置到固定位置上，然后多個(gè)模塊的底座相同溫區(qū)可以接到同樣的水缸和泵體上，頂部流體控制管接到統(tǒng)一的高壓氣源或者泵體上一同使用，可實(shí)現(xiàn)批量化同時(shí)操作，既可以單獨(dú)使用也可以批
量一起使用。5.模塊還可以進(jìn)一步將底座與設(shè)計(jì)好的其他設(shè)備直接相連，流體流出管與其他設(shè)備相連，不需外部轉(zhuǎn)移進(jìn)入其他設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)其他功能。實(shí)現(xiàn)集成一體化?？傊糜赑CR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊是一種易拆卸，能單獨(dú)也能集成，可根據(jù)實(shí)際需要靈活變更，方便高效的發(fā)明，能夠?yàn)檫@個(gè)PCR芯片領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化做出突出的貢獻(xiàn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的整體軸測圖2為本發(fā)明實(shí)施例的已組裝的上部組合功能區(qū)結(jié)構(gòu)的軸測圖3為本發(fā)明實(shí)施例的已組裝的上部組合功能區(qū)結(jié)構(gòu)的俯視圖4為本發(fā)明實(shí)施例的分解的上部組合功能區(qū)結(jié)構(gòu)的軸測圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種可更換的微流控玻璃片的主視圖6為本發(fā)明實(shí)施例的另一種可更換的微流控玻璃片的主視圖7為本發(fā)明實(shí)施例的可更換的微流控玻璃片的側(cè)邊局部放大的軸測圖8為本發(fā)明實(shí)施例的流體進(jìn)出玻璃片的主視圖9為本發(fā)明實(shí)施例的流體進(jìn)出玻璃片的軸測圖10為本發(fā)明實(shí)施例的液控恒溫玻璃片的主視圖11為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)柱的軸測圖12為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)柱的橫向上的一個(gè)切面圖13為本發(fā)明實(shí)施例的中央固定塊的軸測圖14為本發(fā)明實(shí)施例的隔熱橡膠板的軸測圖15為本發(fā)明實(shí)施例的底部連接座的正面的軸測圖16為本發(fā)明實(shí)施例的底部連接座的背面的軸測圖17為本發(fā)明實(shí)施例的流體流出管，流體阻流塞的背面的軸測圖18為本發(fā)明實(shí)施例的頂部流體控制管的軸測圖。圖中1 一上部組合功能區(qū)、2—底部連接座、3—流體流出管、4一流體阻流塞、5— 頂部流體控制管、6 —中央固定塊、7—隔熱橡膠板、8—可更換的微流控玻璃片、9 一流體進(jìn)出玻璃片、10—液控恒溫玻璃片、11一結(jié)構(gòu)側(cè)柱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。以下實(shí)施例進(jìn)行以25個(gè)循環(huán)的PCR 反應(yīng)作為樣例闡述工作原理，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括上部組合功能區(qū)1、底部連接座2、流體流出管3，流體阻流塞4和頂部流體控制管5。其中上部組合功能區(qū)1設(shè)置于底部連接座2的頂上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上兩者正好可以互相卡穩(wěn)；流體流出管3，流體阻流塞4插入上部組合功能區(qū)1的一個(gè)側(cè)面(流體進(jìn)出玻璃片9構(gòu)成)上的有孔凸起中。實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)的有孔凸起有8個(gè)。而流體阻流塞4有7個(gè)，流體流出管3有1個(gè)，它們的位置可以根據(jù)模塊運(yùn)行實(shí)際情況隨時(shí)更換； 頂部流體控制管5底部插入上部組合功能區(qū)1的儲(chǔ)液凹槽的中(流體進(jìn)出玻璃片9頂部)。如圖2、圖3、圖4所示，所述的上部組合功能區(qū)1從里到外分別由中央固定塊6， 隔熱橡膠板7，可更換的微流控玻璃片8，流體進(jìn)出玻璃片9，液控恒溫玻璃片10，結(jié)構(gòu)側(cè)柱 11組合而成，通過各個(gè)結(jié)構(gòu)上的螺絲孔洞進(jìn)行固定。中央固定塊6位于上部組合功能區(qū)1 中央，中央固定塊6四個(gè)直角固定著結(jié)構(gòu)側(cè)柱11，中央固定塊6四個(gè)面被四塊隔熱橡膠板7 緊貼，有兩個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11間夾持著一塊隔熱橡膠板7和一塊流體進(jìn)出玻璃片9，其他每兩個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11間夾持著一塊隔熱橡膠板7、一塊微流控玻璃片8和一塊液控恒溫玻璃片10。 本實(shí)施例中，隔熱橡膠板7，有4塊，按逆時(shí)針以7A、7B、7C、7D標(biāo)示；可更換的微流控玻璃片 8，有3塊，逆時(shí)針以8A、8B、8C標(biāo)示；結(jié)構(gòu)側(cè)柱11有4塊，逆時(shí)針按1 IAUlBU 1C、1ID標(biāo)示。 上部組合功能區(qū)1是用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊的主體功能部分。如圖2所示，上述的上部組合功能區(qū)1的所有部件組合后，其頂部均在一水平面內(nèi)；隔熱橡膠板7，可更換的微流控玻璃片8，流體進(jìn)出玻璃片9，液控恒溫玻璃片10的底部也均在同一水平面上，這四者高度相同；中央固定塊6和結(jié)構(gòu)側(cè)柱11的底部在一水平面內(nèi)， 兩者高度相同。后兩者(中央固定塊6和結(jié)構(gòu)側(cè)柱11)的高度比前四者(隔熱橡膠板7，可更換的微流控玻璃片8，流體進(jìn)出玻璃片9，液控恒溫玻璃片10)的高度要高。由于頂部對(duì)齊， 前四者的底部比后兩者凹陷，按照組合位置形成四個(gè)凹陷，凹陷深度與相應(yīng)的高度差對(duì)應(yīng)。 這個(gè)高度差也正好是底部連接座2的四個(gè)凸臺(tái)的高度(可見圖15)
所述的底部連接座2由ABS樹脂制成，如圖15、圖16所示，底部鏤空，由于上部組合功能區(qū)的四個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11對(duì)應(yīng)的螺絲孔，可通過螺絲可將底部連接座與上部組合功能區(qū)固定。有與上部組合功能區(qū)三塊液控恒溫玻璃片10的底部流體進(jìn)出矩形孔對(duì)應(yīng)的六個(gè)有孔矩形凸起(圖15)，其對(duì)應(yīng)背面的六個(gè)圓孔與外界流體泵入泵出管道相連接(圖16)。底部連接座2主要作用是連接外部恒溫流體、支撐固定整個(gè)結(jié)構(gòu)，以及方便與其他外部設(shè)備的連接固定。所述的流體流出管3與所述的流體阻流塞4均由ABS樹脂制成，其結(jié)構(gòu)如圖17所示。兩者都插在上部組合功能區(qū)的流體進(jìn)出玻璃片9的側(cè)面上的對(duì)應(yīng)有孔矩形凸起中(圖 9)，其位置可根據(jù)實(shí)際操作需求更改。流體阻流塞4使得對(duì)應(yīng)的有孔矩形凸起中的流體不會(huì)流出，流體流出管3則可使對(duì)應(yīng)的有孔矩形凸起中的流體得以流出。正常運(yùn)行情況下，將流體流出管3導(dǎo)出的試劑收集，即得到經(jīng)過了指定周期PCR循環(huán)的反應(yīng)的成品。所述頂部流體控制管5上部是可與外界氣源或者泵體連接的軟管，底部直接插到上部組合功能區(qū)1的流體進(jìn)出玻璃片9頂部的儲(chǔ)液凹槽中。如圖18所示，頂部流體控制管 5整體結(jié)構(gòu)由主體與固定的橫梁組成。固定的橫梁上有兩個(gè)螺絲孔與上部組合功能區(qū)1的流體進(jìn)出玻璃片9頂部的螺絲孔對(duì)應(yīng)，通過螺絲可將頂部流體控制管5與上部組合功能區(qū) 1固定。頂部流體控制管5主體部分由PTEE制成，有螺絲孔的固定橫梁為金屬制成。頂部流體控制管5主要作用是在反應(yīng)開始前將試劑引入儲(chǔ)液凹槽以及反應(yīng)開始后通過外部連接的氣源或者泵體控制實(shí)際試劑在流體通道中的流動(dòng)速度，進(jìn)而影響整體PCR反應(yīng)周期的時(shí)間和PCR反應(yīng)的質(zhì)量。
所述中央固定塊6如圖13所示，為一長方體，頂面與底面是正方形。材料是ABS 樹脂。其在上述的上部組合功能區(qū)1組裝完畢插入所述的底部連接座2時(shí)，恰好能卡在底部連接座2四個(gè)凸起塊包圍形成的中心區(qū)域中(圖15)。中央固定塊6的主要功能是起整個(gè)上部組合功能區(qū)1的中央支撐作用。所述隔熱橡膠板7結(jié)構(gòu)如圖14所示，為一形狀簡單的結(jié)構(gòu)，用工程用耐熱橡膠制成，其兩邊的階梯型結(jié)構(gòu)是為了與結(jié)構(gòu)側(cè)柱11的階梯型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，組裝時(shí)方便定位與卡穩(wěn)。隔熱橡膠板7的主要功能是使得與其直接接觸的可更換的微流控玻璃片8溫度恒溫性保持得更好，溫度不至于受外界對(duì)流與熱交換影響太大。另一個(gè)功能是作為結(jié)構(gòu)固定的緩沖。所述可更換的微流控玻璃片8，由石英玻璃制成。整體形狀是長方形薄片，如圖5、 圖6所示。內(nèi)部有流體通道，流體通道貫穿左右兩邊，左右兩邊的出入口處還有專門設(shè)計(jì)的比內(nèi)部其他通道稍微大一些的通道口(圖7)，可以與結(jié)構(gòu)側(cè)柱11夾持微流控玻璃片8的側(cè)面上的有孔凸起對(duì)應(yīng)(見圖11)，使得兩者流體通道能夠接合不泄露。流體通道為多道，互相間間隔開，在玻璃片內(nèi)部不能直接相連通。本實(shí)施例中為40道，意味著可以進(jìn)行最多40 次PCR循環(huán)周期。(后面的流體進(jìn)出玻璃片9的通道數(shù)同此數(shù)目)。圖5與圖6是兩種內(nèi)部流體通道部分不同的可更換的微流控玻璃片11。可對(duì)應(yīng)在試劑反應(yīng)時(shí)需要在不同溫區(qū)的不同時(shí)間情況下搭配使用。體現(xiàn)出可更換的微流控玻璃片11可按需更換的特點(diǎn)。微流控玻璃片8是試劑反應(yīng)與流動(dòng)的主場所。所述流體進(jìn)出玻璃片9，結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。是由與微流控玻璃片8相似的中心有流體通道的石英玻璃芯片與正面外環(huán)一圈石英玻璃墊片(用來填充結(jié)構(gòu)側(cè)柱11相應(yīng)夾持部位)的粘合而成，墊片厚度正好與液控恒溫玻璃片10的厚度相同。頂部有下陷的儲(chǔ)液凹槽，凹槽中央的小孔為直接流體進(jìn)出玻璃片9內(nèi)部的流體通道。如圖9所示，和微流控玻璃片8類似，左右兩邊也有通道口，但流體進(jìn)出玻璃片9內(nèi)部的流體通道不對(duì)稱，右邊通道口流入的液體從左邊通道口流出時(shí)，出口位置比進(jìn)口位置下降了一個(gè)通道口。這個(gè)設(shè)計(jì)使得在整體組裝好后，試劑將在流體進(jìn)出玻璃片9的流體通道中實(shí)現(xiàn)變道，即完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的通道。流體進(jìn)出玻璃片9內(nèi)部每隔T層(T為可根據(jù)需求更換，此實(shí)施例為T=5)流體通道會(huì)橫向上有一個(gè)出流口，出流口與玻璃片側(cè)面上的矩形有孔凸起相通。 矩形有孔凸起用PTEE材料制成。矩形有孔凸起外面一般會(huì)塞上流體阻流塞4，堵塞這個(gè)出流口支路，使流體在流體通道中繼續(xù)循環(huán)。為了使得整個(gè)體系反應(yīng)能夠得到所需要的PCR 循環(huán)次數(shù)，對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)的矩形有孔凸起將接上流體流出管3，使完成反應(yīng)循環(huán)的液體從此處流出。此實(shí)施例流體流出管3接在第5個(gè)矩形有空凸起處，即按實(shí)施例進(jìn)行PCR反應(yīng)時(shí)， 試劑進(jìn)行反應(yīng)完5*5=25次PCR循環(huán)后將從流體流出管3中流出，結(jié)束反應(yīng)。所述液控恒溫玻璃片10，由石英玻璃制成。整體形狀是長方形薄片，如圖10所示。 內(nèi)部有流體通道，流體通道形成一條蛇形路徑，底面有兩個(gè)開口，作為流體進(jìn)出口。其可與底部連接座2上的有孔矩形凸起對(duì)應(yīng)相連，最終兩個(gè)流體進(jìn)出口分別通過底部連接座2引入的導(dǎo)管接入外界恒溫水箱以及接著恒溫水箱的泵體。外部泵體泵入的恒溫水將使得液控恒溫玻璃片10保持恒溫。液控恒溫玻璃片10主要作用就是通過接觸導(dǎo)熱，保持直接接觸的可更換的微流控玻璃片8的溫度，使得PCR反應(yīng)得到需要的溫度。所述結(jié)構(gòu)側(cè)柱11，其結(jié)構(gòu)如圖11、圖12所示。其中兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)(互相呈90° C)用于兩個(gè)方向上的隔熱橡膠板7，可更換的微流控玻璃片8，流體進(jìn)出玻璃片9，液控恒溫玻璃片10的加持。如圖11所示，內(nèi)側(cè)面上有有孔凸起，有孔凸起內(nèi)有水平面內(nèi)兩有孔凸起互相接通的流體通道(圖12)。對(duì)應(yīng)于可更換的微流控玻璃片8或液控恒溫玻璃片10 側(cè)面的通道口?？梢栽诮M裝時(shí)將流體通道很好的密封，使得結(jié)構(gòu)側(cè)柱11兩端接著的玻璃片的流體通道接通。側(cè)面上的螺絲孔用于將所加持的玻璃片固定，底部的螺絲孔(圖11)用于與底部連接座2的對(duì)應(yīng)螺絲孔固定。結(jié)構(gòu)側(cè)柱11整體結(jié)構(gòu)用ABS樹脂制成，但內(nèi)部流體通道與有孔凸起是用PTEE材料加工后塞入結(jié)構(gòu)側(cè)柱11得到。如圖2、圖3、圖4所示，所述的上部組合功能區(qū)1的組裝方式如下所有結(jié)構(gòu)頂部在同一水平面上。中央固定塊6位于中央，四個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11的直角卡口分別與中央固定塊 6的四個(gè)直角完全貼合。四個(gè)隔熱橡膠板7 (圖14)，每一個(gè)都將較小的一個(gè)側(cè)面緊貼中央固定塊6的一個(gè)側(cè)面，每個(gè)隔熱橡膠板7的兩邊由結(jié)構(gòu)側(cè)柱11的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)卡穩(wěn)。此時(shí)將3 塊可更換的微流控玻璃片8分別插進(jìn)每兩結(jié)構(gòu)側(cè)柱11形成的插槽的靠隔熱橡膠板7的一面。將流體進(jìn)出玻璃片9插進(jìn)未插入微流控玻璃片8的兩結(jié)構(gòu)側(cè)柱11形成的插槽中，含有孔凸起的側(cè)面朝外。然后3塊液控恒溫玻璃片10分別插到3塊可更換的微流控玻璃片8 旁邊的插槽。組合完結(jié)構(gòu)如圖2圖3所示?？筛鼡Q的微流控玻璃片8，流體進(jìn)出玻璃片9，液控恒溫玻璃片10，結(jié)構(gòu)側(cè)柱11這四個(gè)部件的側(cè)面上都有螺絲孔。螺絲孔有對(duì)應(yīng)關(guān)系，按上述組裝方式組裝好后，從結(jié)構(gòu)側(cè)柱 11的外表面的螺絲孔將螺絲扭入，結(jié)構(gòu)側(cè)柱11與其所夾的可更換的微流控玻璃片8，液控恒溫玻璃片10或結(jié)構(gòu)側(cè)柱11與其所夾的流體進(jìn)出玻璃片9即可完全固定無松動(dòng)。如圖1、 圖11所示，結(jié)構(gòu)側(cè)柱11底部有螺絲孔，四個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11共有4個(gè)螺絲孔，與底部連接座2 上的四個(gè)螺絲孔對(duì)應(yīng)。將上部組合功能區(qū)1插入底部連接座2后，從底部連接座2后面的螺絲柱(見圖16)將螺絲扭入，將上部組合功能區(qū)1與底部連接座2即完全固定無松動(dòng)。頂部流體控制管5有兩個(gè)螺絲孔，其與部組合功能區(qū)1的流體進(jìn)出玻璃片9頂部的兩個(gè)螺絲孔對(duì)應(yīng)。將頂部流體控制管5底部插入上部組合功能區(qū)1的儲(chǔ)液凹槽的后，將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)螺絲扭入。如圖1、圖18所示，上部組合功能區(qū)1與頂部流體控制管5即完全固定。本實(shí)施例完成全部組裝好后，如圖1所示。然后將底部連接座2對(duì)應(yīng)液控恒溫玻璃片10的圓孔插上管道，連接到外部的泵體和恒溫水箱。使得液控恒溫玻璃片10A、10B、 IOC的恒定溫度分別設(shè)定為94° C (變性)。60° C (退火)72° C (延伸)。此時(shí)通過頂部流體控制管5將反應(yīng)液注入儲(chǔ)液凹槽，并將頂部流體控制管5接到外部的氣源或泵體。外部氣源或泵體將使得儲(chǔ)液凹槽里面的反應(yīng)液進(jìn)入由4塊玻璃片(9、8A、8B、8C)和四個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱11 (11A、11B、11C、11D)的內(nèi)部流體通道組成的液流循環(huán)通道。按照9->11Α->8Α_11Β-> 8B->11C-8C-11D_9-···的順序循環(huán)流動(dòng)，然后會(huì)在流體進(jìn)出玻璃片9進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，整體構(gòu)成一個(gè)螺旋形流路。由于可更換的微流控玻璃片8A，8B，8C分別與液控恒溫玻璃片10A， 10B,10C直接貼合，因此按順序流經(jīng)這三塊玻璃片內(nèi)部流體通道的反應(yīng)液也會(huì)流經(jīng)對(duì)應(yīng)液控恒溫玻璃片的溫區(qū)。即流體每次按94° C (變性)。60° C (退火)72° C (延伸)溫區(qū)的順序流動(dòng)，完成一次PCR反應(yīng)循環(huán)。而每進(jìn)行5個(gè)循環(huán)，流體在流體進(jìn)出玻璃片9會(huì)碰到一個(gè)支路出流口通向在流體進(jìn)出玻璃片9外面的矩形有孔凸起。由于前4個(gè)矩形有孔凸都被流體阻流塞4塞住，因此支路出流口不起作用。第25個(gè)循環(huán)的支路出流口(對(duì)應(yīng)第5個(gè)矩形有孔凸起)外部連接的是流體流出管3，由于支路要比繼續(xù)向前走內(nèi)部流體通道的壓力要小的多，流體就會(huì)在25個(gè)PCR循環(huán)后從流體流出管3流出，完成整個(gè)25個(gè)循環(huán)的PCR反應(yīng)過程。綜上，本發(fā)明提出一種用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，以可更換的微流控玻璃片為主要反應(yīng)區(qū)域，以外界泵入的恒溫流體到液控恒溫玻璃片作為各溫區(qū)熱源，通過流體進(jìn)出玻璃片與外界進(jìn)行試劑交換，以四個(gè)中轉(zhuǎn)的流體通道的結(jié)構(gòu)側(cè)柱為固定，中心有用于填充的中央固定塊和隔熱橡膠板，頂部有控制液流速度的流體控制管，可接到外部流體進(jìn)出控制模塊(控制外部泵體和氣源)。底部是連接到液體溫度循環(huán)控制模塊(外部泵體或氣源)及固定結(jié)構(gòu)的底部連接座。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上方便對(duì)準(zhǔn)和配合固定，以相應(yīng)的螺絲孔固定整體各部件。能夠形成一個(gè)循環(huán)次數(shù)可以更改，流體依次流經(jīng)三個(gè)PCR反應(yīng)恒溫溫區(qū)的螺旋形流路，以進(jìn)行連續(xù)流式PCR反應(yīng)。是一個(gè)PCR反應(yīng)效率高，可應(yīng)對(duì)情況多，方便拆卸與清洗，易于大規(guī)模生產(chǎn)集成，能夠根據(jù)需要在不同情況下使用的功能模塊。以上實(shí)施例詳細(xì)顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。 本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于包括上部組合功能區(qū) (1)、底部連接座(2)、流體流出管(3)，流體阻流塞(4)和頂部流體控制管(5);其中上部組合功能區(qū)(1)放置于底部連接座(2)的頂上，上部組合功能區(qū)(1)與流體流出管(3)、流體阻流塞(4)直接連接；頂部流體控制管底部插入上部組合功能區(qū)(1)頂部；所述的上部組合功能區(qū)(1)從里到外分別由中央固定塊(6)，隔熱橡膠板(7)，設(shè)有流體通道的可更換的微流控玻璃片(8)，設(shè)有流體通道的流體進(jìn)出玻璃片(9)，設(shè)有流體通道的液控恒溫玻璃片(10)和結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)組合而成；所述中央固定塊(6)位于上部組合功能區(qū)中央，中央固定塊(6)邊角固定著結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)，中央固定塊(6)側(cè)面緊貼隔熱橡膠板 (7);每兩個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)間夾持著一塊隔熱橡膠板(7)、一塊微流控玻璃片(8)和一塊液控恒溫玻璃片(10)或兩個(gè)結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)間夾持著一塊隔熱橡膠板(7)與一塊流體進(jìn)出玻璃片(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于所述中央固定塊(6)，隔熱橡膠板(7)，可更換的微流控玻璃片(8)，流體進(jìn)出玻璃片(9)，液控恒溫玻璃片(10)和結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)，這些部件的頂部在同一水平面上，結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)的卡口分別與中央固定塊(6)的邊角完全貼合，隔熱橡膠板(7)中每一塊都將較小的一個(gè)側(cè)面緊貼中央固定塊(6)的一個(gè)側(cè)面，每個(gè)隔熱橡膠板(7)的兩邊由結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)卡??； 可更換的微流控玻璃片(8)分別插在每兩結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)形成的插槽的靠隔熱橡膠板(7)的一面；流體進(jìn)出玻璃片(9)插進(jìn)未插入微流控玻璃片(8)的兩結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)形成的插槽中； 液控恒溫玻璃片(10)分別插到可更換的微流控玻璃片(8)旁邊的插槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述可更換的微流控玻璃片(8)，流體進(jìn)出玻璃片(9)以及結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)內(nèi)部均有多道形狀相同的流體通道，組裝后形成一螺旋型流路，流體通過流路進(jìn)出玻璃片(9)進(jìn)出流路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述液控恒溫玻璃片(10)內(nèi)部有流體通道，流體通道通過流體入口與流體出口與外部溫度控制模塊連接，交換流體，通過外界不斷流入恒溫流體保持整塊控恒溫玻璃片(10)的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述液控恒溫玻璃片(10)內(nèi)部流體通道形成一條蛇形路徑，底部有兩個(gè)流體通道口，直接與底部連接座(2)的對(duì)應(yīng)位置相連；可更換的微流控玻璃片(8)中的流體通道兩邊的流體通道口與相應(yīng)接觸的結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)的有孔凸起直接連接，有多層形狀相同但互不接觸的流體通道層，各層間的流體無法在芯片內(nèi)直接接觸；結(jié)構(gòu)側(cè)柱(11)的流體通道是水平的，連接兩塊玻璃芯片上同一層的流體；而流體進(jìn)出玻璃片(9)中的流體通道則正好使得流體從本層入口流入后從下一層出口流出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于所述流體進(jìn)出玻璃片(9)頂部有儲(chǔ)液凹槽，一個(gè)側(cè)面有多個(gè)有孔凸起，儲(chǔ)液凹槽與有孔凸起均與流體進(jìn)出玻璃片(9)內(nèi)部的流體通道相連，流體進(jìn)出玻璃片(9)含有孔凸起的側(cè)面朝外。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述流體流出管(3)，流體阻流塞(4)插入上部組合功能區(qū)(1)的流體進(jìn)出玻璃片(9)上的有孔凸起中，所述有孔凸起有N個(gè)，則流體阻流塞(4)有N-I個(gè)，流體流出管C3)有1個(gè)；流體流出管(3)和流體阻流塞(4)位置可更換，這兩個(gè)部件一起決定流體螺旋型流路最終的循環(huán)次數(shù)，流體流出管(3)作為螺旋型流路的出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述頂部流體控制管(5) —端連接外部控制模塊，另一端能夠連接上部組合功能區(qū)(1)內(nèi)部流體區(qū)域構(gòu)成部件構(gòu)成的流路，通過外部氣源或泵體控制流體在上部組合功能區(qū)(1)內(nèi)部流路中的流動(dòng)速度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 所述頂部流體控制管(5)上部是可與外界氣源或者泵體連接的軟管，底部直接插到上部組合功能區(qū)(1)的流體進(jìn)出玻璃片(9)頂部的儲(chǔ)液凹槽中，流體進(jìn)出玻璃片(9)頂部的儲(chǔ)液凹槽作為螺旋形流路的入口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其特征在于 該功能模塊使用時(shí)PCR反應(yīng)試劑從流體進(jìn)出玻璃片(9)頂部的儲(chǔ)液凹槽中流入，經(jīng)過三個(gè)恒溫溫區(qū)的螺旋型流路，完成多次循環(huán)的PCR反應(yīng)，最終從流出管(3)導(dǎo)出。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于PCR擴(kuò)增的可更換部件的功能模塊，其中以可更換的微流控玻璃片為主要反應(yīng)區(qū)域，以外界泵入的恒溫流體到液控恒溫玻璃片為各溫區(qū)熱源，通過流體進(jìn)出玻璃片與外界進(jìn)行試劑交換，以中轉(zhuǎn)的流體通道的結(jié)構(gòu)側(cè)柱為固定，中心有用于填充的中央固定塊和隔熱橡膠板，頂部有控制液流速度的流體控制管，可接到外部流體進(jìn)出控制模塊。本發(fā)明模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上方便對(duì)準(zhǔn)和配合固定；能夠形成一個(gè)循環(huán)次數(shù)可以更改，流體依次流經(jīng)PCR反應(yīng)恒溫溫區(qū)的螺旋形流路，以進(jìn)行連續(xù)流式PCR反應(yīng)，是一個(gè)PCR反應(yīng)效率高，可應(yīng)對(duì)情況多，方便拆卸與清洗，易于大規(guī)模生產(chǎn)集成，能夠根據(jù)需要在不同情況下使用的功能模塊。
文檔編號(hào)C12M1/38GK102296027SQ201110237159
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者伍擇希, 劉武, 吳校生, 崔峰, 張衛(wèi)平, 李金鳳, 陳俊杰, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)