一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，该分析检测系统包括公转与自转复合运动平台、微流控芯片、多轴运动控制系统、多路PID温度控制系统、光学检测系统和数据采集处理及显示系统；公转与自转复合运动平台按圆周分度间隔设置两个以上的自转运动定位轴，每一微流控芯片固定设置在公转与自转复合运动平台的自转运动定位轴上；多轴运动控制系统用于对公转与自转复合运动平台的运动情况进行控制，多路PID温度控制系统用于对每一微流控芯片所处的温度进行调节和控制；光学检测系统用于对微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测，并将检测结果实时发送到数据采集处理及显示系统。本发明可以满足每天几十到二百份样本的高通量核酸扩增检测应用需要。
【专利说明】
一种高通量微流控芯片核酸扩増分析检测系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种核酸检测系统，特别是关于一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统。
【背景技术】
[0002]核酸扩增分析是二十世纪广泛使用的先进生物医学分析方法，可以在2个小时左右的时间内将特定序列核酸片段复制到16?19拷贝数，从而实现高灵敏度的分子鉴定。现有的核酸扩增分析主要有变温扩增与等温扩增两大类型。变温扩增方法(Polymerasechain react1n，PCR)是最早的核酸扩增技术，通过正反两条特异引物完全匹配启动核酸扩增反应，以扩增周期为单位进行循环，每一个扩增周期大约90秒钟，包括变性阶段、退火阶段和延伸阶段，其中，变性阶段是在94°C高温下变性15秒钟，退火阶段是在60°C低温下退火30秒钟，延伸阶段是在72°C下通过酶的作用以引物为核酸合成起点沿模板方向延伸45秒钟。扩增过程就是由几十个或更多这样的扩增周期不断循环来完成。在变温扩增方法中，一个扩增周期只有在延伸阶段才进行核酸合成扩增，变性阶段和退火阶段只是在为核酸合成扩增做准备，因此，从时间上计算，变温扩增方法用于核酸扩增的有效时间仅占全部时间的50%。
[0003]为了提高核酸扩增效率并改善温控条件，学者们又先后研究了多种等温核酸扩增技术，例如Walker GT等人在1992年报道的链置换扩增(Strand displacementampl if i cat 1n，SDA)方法、Liu D 等人在 1996 年报道的滚环扩增(Ro 11 ing circleampl if i cat 1n，RCA)方法和Tsugunori Notomi等人在2000年报道的环介导等温扩增(Loop-mediated isothermal amplificat1n，LAMP)方法等。与变温扩增方法不同，等温扩增方法全程保持在一个固定的温度下，无需高温变性和低温退火过程，不存在温度变化引起的时间损耗，因此其扩增速度非常快，可以在较短的时间内将靶核酸扩增到19?11t3个拷贝。而且从时间上计算，等温扩增方法全部时间均在进行核酸扩增，时间利用率达到100%，所以等温扩增方法具有更高的核酸扩增效率。实时荧光定量PCR仪是常用的核酸扩增实时检测仪器，主要使用Tube管，需要25yL左右反应体系，检测灵敏度通常在1000个核酸分子拷贝数以上，仪器价格也比较昂贵，一台仪器需要20?30万元。国内有多家单位围绕基于试管实时荧光定量PCR检测开展了检测方法的研究工作，例如西安天隆科技有限公司和中山大学达安基因股份有限公司都对此技术递交专利申请，他们的发明点在于采用不同的光纤耦合方法对试管中PCR扩增反应产物进行实时荧光定量检测，达到简化光路系统结构，降低整个仪器造价成本的目的。但是由于涉及到光纤耦合与信号传输，荧光信号接收端的数值孔径不可能很高，荧光信号在光纤中传输时随着距离的增加其损耗明显增大，因此仪器的检测灵敏度受到较大的限制。
[0004]为了提高检测灵敏度和减少样品与试剂的消耗，现有技术中存在一种微纳升体系流体芯片检测系统，采用12个镜片组成双焦面成像光学检测系统结构，实现了微流控芯片核酸等温扩增分析，检测样品消耗达到1yL以下。但是，上述系统一次只能检测一张微纳升体系流体芯片，按照一天工作8小时计算，一台仪器一天只能检测8张以内数量的微纳升体系流体芯片，即使是在早晚加班各I小时的情况下，最多一天也只能检测10份样本，不能满足中等以上规模医院每天几十份甚至上百份样品量的核酸分析应用需要。因此，非常有必要开发一种高通量、低样品-试剂消耗的核酸扩增分析检测系统，满足常规中大型医院每天几十到一百份左右样品量的核酸分析实际应用需要。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对多份痕量样本进行高通量、快速、高效的核酸分析鉴定的高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，该分析检测系统包括一公转与自转复合运动平台、两个以上的微流控芯片、一多轴运动控制系统、一多路PID温度控制系统、一个以上光学检测系统和一数据采集处理及显示系统;所述公转与自转复合运动平台按圆周分度间隔设置两个以上的自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴上均固定设置一所述微流控芯片;所述多轴运动控制系统用于对所述公转与自转复合运动平台的运动情况进行控制，所述多路PID温度控制系统用于对每一所述微流控芯片所处的温度进行调节;所述光学检测系统用于对所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测，并将检测结果实时发送到所述数据采集处理及显示系统。
[0007]优选地，所述公转与自转复合运动平台包括一底座、一公转运动大圆盘、一对公转传动从动齿轮、若干自转传动小齿轮、一自转传动主动大齿轮、一自转传动齿轮轮对、一导电滑环、一个以上的加热膜以及与所述加热膜数量相对应的温度传感器;所述底座顶部通过一支撑轴固定连接所述公转运动大圆盘，所述公转运动大圆盘上覆盖一保温罩形成恒温密闭腔体，所述支撑轴上设置所述公转传动从动齿轮、自转传动齿轮轮对和导电滑环，所述自转传动齿轮轮对包括通过一联轴器固定连接的第一自转传动齿轮和第二自转传动齿轮；所述公转运动大圆盘顶部按圆周分度间隔设置两个以上的所述自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴上固定设置所述自转传动小齿轮，所述公转运动大圆盘底部固定连接所述公转传动齿轮从动轮，所述公转传动从动齿轮啮合所述公转传动主动齿轮，所述公转传动主动齿轮分别固定连接所述公转驱动电机与光电定位开关，所有所述自转传动小齿轮与所述第一自转传动齿轮啮合，所述第二自转传动齿轮啮合所述自转传动主动齿轮，所述自转传动主动齿轮固定连接所述自转驱动电机与光电定位开关，所述公转运动大圆盘内对应设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器分别通过所述导电滑环连接所述多路PID温度控制系统;所述保温罩顶部设置一用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔，所有所述微流控芯片通过所述公转与自转复合运动平台依次运动到所述光学检测系统的检测位置，由所述光学检测系统对所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度顺序实时检测。
[0008]优选地，所述公转与自转复合运动平台包括一底座、一公转运动大圆盘、一个以上的加热膜以及与所述加热膜数量相对应的温度传感器;所述公转运动大圆盘上覆盖一保温罩形成恒温密闭腔体，所述公转运动大圆盘顶部按圆周分度间隔设置两个以上的所述自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴均固定连接一自转驱动电机与光电定位开关，所述公转运动大圆盘内对应设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器连接所述多路PID温度控制系统;所述保温罩顶部设置有与所述微流控芯片数量相同的用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔，每一所述通孔上方均对应设置一所述光学检测系统，每一所述光学检测系统对相应位置处的所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测。
[0009]—种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，该分析检测系统包括一抽屉式支架、一多路PID温度控制系统、一多轴运动控制系统和一数据采集处理及显示系统，所述抽屉式支架的每一层设置有一个以上的抽屉，每一所述抽屉内固定设置一核酸扩增检测子模块，所述核酸扩增检测子模块包括一保温圆盘、一保温罩、一微流控芯片、一自转运动定位轴、一驱动电机、一光电开关、一光学检测系统、一个以上的加热膜和与所述加热膜数量相对应的温度传感器，所述保温罩顶部设置一用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔;所述保温圆盘上覆盖所述保温罩形成恒温密闭腔体，所述驱动电机固定设置在所述抽屉上，所述驱动电机的输出轴固定连接所述自转运动定位轴，所述自转运动定位轴从所述保温圆盘的中心穿过，所述微流控芯片固定设置在所述自转运动定位轴端，所述保温圆盘和保温罩内分别设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器分别连接所述多路PID温度控制系统，所述光电开关用于控制所述驱动电机的旋转初始位置，所述光学检测系统固定设置在所述抽屉顶部且与所述通孔位置相对应，用于对所述微流控芯片反应通道中放置的痕量样本进行高灵敏度检测并将结果发送到所述数据采集处理及显示系统。
[0010]优选地，每一所述光学检测系统均包括有一激发光源、一分光器件、一双焦面成像透镜组和一光电探测器，其中，双焦面成像透镜组包括一物镜和一成像镜头;所述激发光源发出的光经一激发滤色片和一聚光镜发射到所述分光器件，经所述分光器件透射后再经所述物镜聚焦照射所述微流控芯片，激发所述微流控芯片反应通道中痕量样品产生的荧光并经所述物镜收集发射到所述分光器件，经所述分光器件反射后依次经一发射滤色片、一成像透镜和一针孔光阑发射到所述光电探测器，所述光电探测器将接收到的信号发送到所述数据采集处理及显示系统。
[0011]优选地，所述微流控芯片包含一个以上反应通道和一条以上的一端设置进样孔另一端设置有缓冲池的出气孔的微流控通道，所述微流控芯片通过所述自转运动定位轴固定在所述恒温密闭腔体内并通过亚毫米空气层立体加热。
[0012]优选地，多个所述光学检测系统分别通过一光纤束引导共用一个光电探测器，将每一所述光纤束的一端紧贴放置在所述光学检测系统的针孔光阑的后面，每一所述光纤束的另一端固定设置在一维运动控制扫描器，通过所述一维平移运动控制扫描器将多个所述光纤束的另一端顺序通过所述光电探测器的检测窗口。
[0013]优选地，多个所述光学检测系统采用全光纤单元阵列结构，每个所述光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，所述光纤单元的I路进口端靠近所述微流控芯片，所述光纤单元的2路出口端中一路通过所述光学检测系统的激发滤色片连接所述光学检测系统的激发光源，另一路顺序排列成面阵经过所述光学检测系统的发射滤色片成像到一 CCD面阵探测器的光敏传感器。
[0014]优选地，多个所述光学检测系统采用全光纤单元阵列结构，每个所述光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，所述光纤单元的I路进口端靠近所述微流控芯片，所述光纤单元的2路出口端中一路通过所述光学检测系统的激发滤色片连接所述光学检测系统的激发光源，所述光纤单元的2路出口端中的另一路顺序排列固定在I个一维运动控制扫描器上，通过所述一维运动控制扫描器将多个光纤单元的另一路顺序通过所述发射滤色片发射到一光电探测器。
[0015]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明采用公转与自转复合运动平台结构，微流控芯片安装在自转运动定位轴上，通过公转与自转复合运动平台的控制，运动到光学检测系统的检测位置，由同一个光学检测系统对多张微流控芯片进行实时顺序检测，并以公转周期为单位输出信号在数据采集处理及显示系统上进行显示，因此实现了对多张微流控芯片的高通量检测。2、本发明采用微流控芯片可以实现单指标核酸检测的反应体系<1.5yL，检测限达到10个核酸分子拷贝以内，并且采用亚毫米薄层空气浴流动加热方式对微流控芯片进行加热，加热速度快且温度场均匀，保证微流控芯片上反应通道之间的温度具有良好的一致性。3、本发明采用抽屉式分层布局，每个抽屉内设置一核酸扩增检测子模块，可以根据微流控芯片核酸扩增分析检测的通量要求，进行2个以上的核酸扩增检测子模块的自由集成组合，提高适应不同通量要求的灵活性。4、本发明可以采用光纤束引导多个光学检测系统，通过一维运动控制扫描器将多个光纤束的另一端顺序通过光电探测器的检测窗口，实现共用I个光电探测器对多个微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换检测。5、本发明采用光纤束阵列将其一端分成多条独立的光纤束分别接收多个双焦面成像透镜组采集的微流控芯片核酸扩增检测荧光信号，将光纤束阵列的另一端成像到CCD面阵探测器的光敏传感器上，实现对多个光学检测系统采集的微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换并行检测。6、本发明采用全光纤单元阵列结构，每个光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，光纤单元的I路进口端靠近微流控芯片，光纤单元的2路出口端中一路连接激发光源，另一路顺序排列固定在I个一维运动控制扫描器上，通过一维运动控制扫描器将多个光纤单元的另一路顺序通过滤色片和光电探测器检测窗口，因此实现共用I个光电探测器和I个滤色片对多个微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换检测。7、本发明采用全光纤单元阵列结构，每个光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，光纤单元的I路进口端靠近微流控芯片，光纤单元的2路出口端中一路连接激发光源，另一路顺序排列成光纤束阵列经过滤色片成像到CCD面阵探测器的光敏传感器上，实现对多个微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换并行检测。综上所述，本发明可以满足每天几十到二百份样本的高通量核酸扩增检测应用需要。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统结构示意图；
[0017]图2是本发明系统的公转与自转复合运动平台结构示意图；
[0018]图3是图2的局部结构示意图；
[0019]图4是本发明的独立电机控制自转运动定位轴的结构示意图；
[0020]图5是本发明的微流控芯片及光学检测系统结构示意图，其中，(a)为微流控芯片结构示意图，(b)为光学检测系统结构示意图；
[0021 ]图6是本发明的抽屉式分层布局检测系统结构示意图；
[0022]图7是本发明的多个光纤单元一维运动控制扫描结构示意图；
[0023]图8是本发明的光纤束阵列排布结构示意图；
[0024]图9是本发明的全光纤单元结构示意图；
[0025]图10是本发明的全光纤单元阵列C⑶探测结构示意图；
[0026]图11是本发明的全光纤单元阵列一维扫描结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]实施例1:
[0029]如图1?3所示，本发明提供的高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，包括一公转与自转复合运动平台GZP、两个以上的微流控芯片MC、一多轴运动控制系统MMDS、一多路PID(比例积分微分)温度控制系统MPIDS、一光学检测系统ODS和一数据采集处理及显示系统DSCXS。公转与自转复合运动平台GZP上按圆周分度间隔设置两个以上的微流控芯片MC，每一个微流控芯片MC固定设置在公转与自转复合运动平台GZP的自转运动定位轴上；多轴运动控制系统MMDS用于对公转与自转复合运动平台GZP的运动情况进行控制，多路PID温度控制系统MPIDS用于对每一微流控芯片MC所处的温度进行调节和控制;光学检测系统ODS用于对微流控芯片MC内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测，并将检测结果实时发送到数据采集处理及显示系统DSCXS。
[0030]在一个优选的实施例中，公转与自转复合运动平台GZP包括一底座、一公转运动大圆盘GRMD、一保温罩、一公转驱动电机D J、一光电定位开关OEKG、一对公转传动从动齿轮CRMCL、一自转驱动电机与光电定位开关ZJ、若干自转运动定位轴ZRMA、若干自转传动小齿轮CL5、一自转传动主动齿轮CL2、一自转传动齿轮轮对、一导电滑环DEHH、两个以上的加热膜Heater和两个以上温度传感器。
[0031]底座顶部中心通过一支撑轴固定连接公转运动大圆盘GRMD，公转运动大圆盘GRMD上覆盖保温罩形成恒温密闭腔体，保温罩的大小、结构与公转运动大圆盘GRMD相同，保温罩顶部设置有用于对微流控芯片MC进行激发以及用于探测微流控芯片荧光的通孔。支撑轴上设置公转传动从动齿轮GRMCL、自转传动齿轮轮对和导电滑环DEHH，自转传动齿轮轮对包括通过一联轴器固定连接的第一自转传动齿轮CL4和第二自转传动齿轮CL3。公转运动大圆盘GRMD顶部按圆周分度间隔设置两个以上的自转运动定位轴ZRMA，每一自转运动定位轴ZRMA上固定设置自转传动小齿轮CL5，公转运动大圆盘GRMD底部固定连接公转传动从动轮GRMCL，公转传动从动齿轮GRMCL啮合公转传动主动齿轮CLl，公转传动主动齿轮CLl分别固定连接公转驱动电机DJ与光电定位开关OEKG，用于控制公转运动大圆盘的转动。所有自转传动小齿轮CL5与第一自转传动齿轮CL4啮合，第二自转传动齿轮CL3连接自转传动主动齿轮CL2，自转传动主动齿轮CL2固定连接自转驱动电机与光电定位开关DJ，用于控制各自转运动定位轴ZRMA的转动。公转运动大圆盘GRMD内还设置有加热膜Heater和温度传感器，加热膜Heater是一个环形充满大圆盘的整体结构，温度传感器靠近加热膜，此时只需共用一个温度传感器进行温度测量反馈即可;也可以做成与自转传动定位轴ZRMA对应的一个个独立的与微流控芯片MC直径相近的圆形加热膜小片，此时需要每一个加热膜小片对应一个温度传感器进行温度测量反馈，加热膜Heater与温度传感器分别通过导电滑环DEHH连接多路PID温度控制系统MPIDS。
[0032]如图4所示，本发明的每一自转运动定位轴ZRMA均固定连接一自转驱动电机与光电定位开关，通过独立电机进行驱动，这样可以独立自由控制每个微流控芯片MC的旋转运动状态，能够有效提高自转运动定位轴的运动控制灵活性，此结构的公转与自转复合运动平台GZP与上述结构基本相同，公转与自转复合运动平台的保护罩上设置有与微流控芯片数量相同的通孔，不同的是去除了所有的齿轮传动机构取消公转运动与导电滑环，每一微流控芯片MC均对应设置一光学检测系统0DS，每一光学检测系统ODS对相应位置处的微流控芯片MC内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测，可以通过多个光学检测系统对多个微流控芯片进行一一对应检测，有效提高微流控芯片核酸扩增分析检测的实时性。
[0033]在一个优选的实施例中，如图5(a)所示，每一微流控芯片MC均包括一个以上反应通道T以及一条以上的一端设置进样孔IH另一端设置有缓冲池BC的出气孔的微流控通道MT，反应通道T采用一条带缓冲池的微管道连接到微流控通道MT上，反应通道T的直径为0.5?2.5_，深度为0.1?0.3mm，使用时，微流控芯片MC固定设置在公转与自转复合运动平台结构的自转运动定位轴ZRMA上，通过亚毫米空气层立体加热。
[0034]在一个优选的实施例中，如图5(b)所示，光学检测系统包括有一激发光源LED、一激发滤色片Fl、一聚光镜L3、一分束镜或二向色镜D、一双焦面成像透镜组(物镜LI和成像镜头L2)、一发射滤色片F2、一针孔光阑PH和一光电探测器PMT。激发光源LED发出的光经激发滤色片Fl和聚光镜L3发射到分束镜或二向色镜D上，经分束镜或二向色镜D透射后再经物镜LI聚焦照射微流控芯片MC，激发微流控芯片MC反应通道中痕量样品产生的荧光经物镜LI收集发射到分束镜或二向色镜D上，经分束镜或二向色镜D反射后依次经发射滤色片F2、成像透镜L2和针孔光阑PH发射到光电探测器PMT，光电探测器PMT将接收到的信号发送到数据采集处理及显示系统DSCXS，本发明借助公转与自转复合运动平台，可以通过一个光学检测系统对所有的微流控芯片进行实时顺序检测，并以公转周期为单位输出信号，通过数据采集处理及显示系统进行分析处理及显示，实现对多个微流控芯片的高通量检测。
[0035]实施例2:
[0036]如图6所示，本发明还提供一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，包括一抽屉式支架CHZM、一多路PID温度控制系统MPIDS、一多轴运动控制系统MMDS和一数据采集处理及显示系统MSCXS，抽屉式支架CHZM的每一层Layer设置有一个以上的抽屉，每一抽屉SM内固定设置一核酸扩增检测子模块Chip，核酸扩增检测子模块Chip包括一保温圆盘、一保温罩、一微流控芯片、一自转运动定位轴、一驱动电机、一光电开关、一光学检测系统、一个以上的加热膜和一个以上的温度传感器，保温罩顶部中心设置一通孔。驱动电机的底座固定设置在抽屉上，驱动电机的输出轴固定连接自转运动定位轴，自转运动定位轴从保温圆盘的中心孔穿过，微流控芯片固定设置在自转运动定位轴端，保温圆盘上覆盖保温罩形成恒温密闭腔体，保温圆盘和保温罩内分别设置有加热膜和温度传感器，加热膜与温度传感器分别连接多路PID温度控制系统。光电开关设置在自转运动定位轴旁边，用于控制驱动电机的旋转初始位置，抽屉顶部还固定设置光学检测系统，光学检测系统用于对微流控芯片反应通道中放置的痕量样本进行高灵敏度检测并将结果发送到数据采集处理及显示系统。本实施例的光学检测系统的结构与实施例1的光学检测系统结构相同，在此不再赘述，多轴运动控制系统用于控制各个驱动电机带动自转运动定位轴运动，多路PID温度控制系统用于对微流控芯片所处的温度进行调节和控制。
[0037]在一个优选的实施例中，如图7所示，本发明还可以通过光纤束引导多个光学检测系统共用I个光电探测器，将光纤束的一端(如Inl至Ιπ20)紧贴放置在针孔光阑PH的后面，用于接收双焦面成像透镜组采集的微流控芯片MC核酸扩增检测荧光信号，光纤束的另一端(如Outl至0ut20)固定在I个一维运动控制扫描器，通过一维平移或旋转运动控制扫描器将多个光纤束的另一端(如Outl至0ut20)顺序通过光电探测器的检测窗口，实现共用I个光电探测器对多个微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换检测。
[0038]在一个优选的实施例中，如图8所示，本发明的多个光学检测系统还可以共用I个CCD面阵探测器，即采用光纤束阵列，将光纤束阵列的一端分成多条独立的光纤束(如Inl到In20)分别接收多个双焦面成像透镜组采集的微流控芯片核酸扩增检测荧光信号，而将光纤束的另一端(如Outl到0ut20)排列成方形或圆形阵列直接耦合或通过一透镜成像到CCD面阵探测器的光敏传感器上，实现对多个光学检测系统采集的微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换并行检测。
[0039]在一个优选的实施例中，如图9所示，本发明的多个光学检测系统采用全光纤单元阵列结构，每个光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，光纤单元的I路进口端(In)靠近微流控芯片MC，光纤单元的2路出口端中一路(如Outl-1到0Utl-20)通过激发滤色片(如Fl-1到F1-20)连接激发光源(如LEDl到LED20)，另一路(如0ut2-l到0ut2-20)顺序排列成面阵(如0ut2-l到0ut2-20)经过发射滤色片后直接耦合或通过一透镜成像到CCD面阵探测器的光敏传感器上，如图10所示，实现对多张微流控芯片的核酸扩增检测荧光信号的光电转换并行检测。
[0040]在一个优选的实施例中，如图11所示，本发明的光学检测系统还可以采用全光纤单元阵列结构，每个光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，光纤单元的I路进口端(如Inl到Ιπ20)靠近微流控芯片，光纤单元的2路出口端中一路通过激发滤色片(如Fl-1到F1-20)连接激发光源(如LEDI到LED20)，光纤单元的2路出口端中的另一路(如Out2-1到0ut2-20)顺序排列固定在I个一维运动控制扫描器上，通过一维运动控制扫描器将多个光纤单元的另一路顺序通过发射滤色片的光电探测器检测窗口，实现共用I个光电探测器对多个微流控芯片核酸扩增检测荧光信号的光电转换检测。
[0041]下面以实施例1详细说明采用本发明提供的高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统对微流控芯片内的痕量样本进行检测，包括以下步骤:
[0042]1、根据待检测的若干核酸指标，将相应的核酸检测用分子探针分别固定在微流控芯片MC的反应通道底部。
[0043]2、将待分析的核酸样品溶入核酸检测用试剂中，采用移液器将已溶入了核酸样品的核酸检测用试剂从微流控芯片MC的各进样孔注入相应的微流控通道，具体实施过程中，微流控芯片MC的进样孔与移液器枪头紧密配合，在进样过程中通过预置一段空气柱在移液器顶端，来保证微流控芯片MC加样结束拔出移液器枪头后，其进样孔没有液体泄露，有利于进样孔的密封。
[0044]3、微流控芯片MC安装在公转与自转复合运动平台GZP的自转运动定位轴上ZRMA，通过公转与自转复合运动平台GZP的控制，运动到光学检测系统ODS的检测位置，由光学检测系统ODS对多个微流控芯片MC进行高通量实时检测，由数据采集处理及显示系统DSCXS进行存储显示。数据采集处理及显示系统DSCXS通过多路PID温度控制系统控制加热膜Heater，对微流控芯片MC进行亚毫米薄层空气浴流动加热，微流控芯片MC同时在自转运动定位轴ZRMA上作旋转运动，带动空气流动，使得微流控芯片MC上反应通道之间的温度均匀；根据实际应用通过多路PID温度控制系统MPIDS控制微流控芯片MC保持在30°C?95°C温度范围内的某一温度，使得微流控芯片MC内各反应通道的引物被释放出，并与核酸样品和核酸检测用试剂混合，在控温或等温扩增条件下进行核酸扩增反应，实现高通量的痕量核酸样品分子诊断。
[0045]4、采用激发光源LED照射微流控芯片MC，使微流控芯片MC中的核酸样品在激发光源LED的激发下产生荧光;通过双焦面成像透镜组使荧光收集效率达到光学衍射极限；荧光被会聚在光电探测器PMT上转换为模拟信号，光电探测器PMT将产生的模拟信号发送到数据采集处理及显示系统DSCXS生成实时荧光检测信号，并实时显示荧光检测信号曲线。
[0046]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，该分析检测系统包括一公转与自转复合运动平台、两个以上的微流控芯片、一多轴运动控制系统、一多路PID温度控制系统、一个以上光学检测系统和一数据采集处理及显示系统； 所述公转与自转复合运动平台按圆周分度间隔设置两个以上的自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴上均固定设置一所述微流控芯片;所述多轴运动控制系统用于对所述公转与自转复合运动平台的运动情况进行控制，所述多路PID温度控制系统用于对每一所述微流控芯片所处的温度进行调节;所述光学检测系统用于对所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测，并将检测结果实时发送到所述数据采集处理及显示系统。2.如权利要求1所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，所述公转与自转复合运动平台包括一底座、一公转运动大圆盘、一对公转传动从动齿轮、若干自转传动小齿轮、一自转传动主动大齿轮、一自转传动齿轮轮对、一导电滑环、一个以上的加热膜以及与所述加热膜数量相对应的温度传感器； 所述底座顶部通过一支撑轴固定连接所述公转运动大圆盘，所述公转运动大圆盘上覆盖一保温罩形成恒温密闭腔体，所述支撑轴上设置所述公转传动从动齿轮、自转传动齿轮轮对和导电滑环，所述自转传动齿轮轮对包括通过一联轴器固定连接的第一自转传动齿轮和第二自转传动齿轮;所述公转运动大圆盘顶部按圆周分度间隔设置两个以上的所述自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴上固定设置所述自转传动小齿轮，所述公转运动大圆盘底部固定连接所述公转传动齿轮从动轮，所述公转传动从动齿轮啮合所述公转传动主动齿轮，所述公转传动主动齿轮分别固定连接所述公转驱动电机与光电定位开关，所有所述自转传动小齿轮与所述第一自转传动齿轮啮合，所述第二自转传动齿轮啮合所述自转传动主动齿轮，所述自转传动主动齿轮固定连接所述自转驱动电机与光电定位开关，所述公转运动大圆盘内对应设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器分别通过所述导电滑环连接所述多路PID温度控制系统;所述保温罩顶部设置一用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔，所有所述微流控芯片通过所述公转与自转复合运动平台依次运动到所述光学检测系统的检测位置，由所述光学检测系统对所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度顺序实时检测。3.如权利要求1所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，所述公转与自转复合运动平台包括一底座、一公转运动大圆盘、一个以上的加热膜以及与所述加热膜数量相对应的温度传感器； 所述公转运动大圆盘上覆盖一保温罩形成恒温密闭腔体，所述公转运动大圆盘顶部按圆周分度间隔设置两个以上的所述自转运动定位轴，每一所述自转运动定位轴均固定连接一自转驱动电机与光电定位开关，所述公转运动大圆盘内对应设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器连接所述多路PID温度控制系统； 所述保温罩顶部设置有与所述微流控芯片数量相同的用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔，每一所述通孔上方均对应设置一所述光学检测系统，每一所述光学检测系统对相应位置处的所述微流控芯片内放置的痕量样本进行高灵敏度实时检测。4.一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，该分析检测系统包括一抽屉式支架、一多路PID温度控制系统、一多轴运动控制系统和一数据采集处理及显示系统，所述抽屉式支架的每一层设置有一个以上的抽屉，每一所述抽屉内固定设置一核酸扩增检测子模块，所述核酸扩增检测子模块包括一保温圆盘、一保温罩、一微流控芯片、一自转运动定位轴、一驱动电机、一光电开关、一光学检测系统、一个以上的加热膜和与所述加热膜数量相对应的温度传感器，所述保温罩顶部设置一用于供所述光学检测系统进行荧光检测的通孔； 所述保温圆盘上覆盖所述保温罩形成恒温密闭腔体，所述驱动电机固定设置在所述抽屉上，所述驱动电机的输出轴固定连接所述自转运动定位轴，所述自转运动定位轴从所述保温圆盘的中心穿过，所述微流控芯片固定设置在所述自转运动定位轴端，所述保温圆盘和保温罩内分别设置有所述加热膜和温度传感器，所述加热膜与温度传感器分别连接所述多路PID温度控制系统，所述光电开关用于控制所述驱动电机的旋转初始位置，所述光学检测系统固定设置在所述抽屉顶部且与所述通孔位置相对应，用于对所述微流控芯片反应通道中放置的痕量样本进行高灵敏度检测并将结果发送到所述数据采集处理及显示系统。5.如权利要求1或4所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，每一所述光学检测系统均包括有一激发光源、一分光器件、一双焦面成像透镜组和一光电探测器，其中，双焦面成像透镜组包括一物镜和一成像镜头； 所述激发光源发出的光经一激发滤色片和一聚光镜发射到所述分光器件，经所述分光器件透射后再经所述物镜聚焦照射所述微流控芯片，激发所述微流控芯片反应通道中痕量样品产生的荧光并经所述物镜收集发射到所述分光器件，经所述分光器件反射后依次经一发射滤色片、一成像透镜和一针孔光阑发射到所述光电探测器，所述光电探测器将接收到的信号发送到所述数据采集处理及显示系统。6.如权利要求1或4所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，所述微流控芯片包含一个以上反应通道和一条以上的一端设置进样孔另一端设置有缓冲池的出气孔的微流控通道，所述微流控芯片通过所述自转运动定位轴固定在所述恒温密闭腔体内并通过亚毫米空气层立体加热。7.如权利要求3或4所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，多个所述光学检测系统分别通过一光纤束引导共用一个光电探测器，将每一所述光纤束的一端紧贴放置在所述光学检测系统的针孔光阑的后面，每一所述光纤束的另一端固定设置在一维运动控制扫描器，通过所述一维平移运动控制扫描器将多个所述光纤束的另一端顺序通过所述光电探测器的检测窗口。8.如权利要求3或4所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，多个所述光学检测系统采用全光纤单元阵列结构，每个所述光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，所述光纤单元的I路进口端靠近所述微流控芯片，所述光纤单元的2路出口端中一路通过所述光学检测系统的激发滤色片连接所述光学检测系统的激发光源，另一路顺序排列成面阵经过所述光学检测系统的发射滤色片成像到一 CCD面阵探测器的光敏传感器。9.如权利要求3或4所述的一种高通量微流控芯片核酸扩增分析检测系统，其特征在于，多个所述光学检测系统采用全光纤单元阵列结构，每个所述光纤单元采用I路进口 2路出口的光纤束排布结构，所述光纤单元的I路进口端靠近所述微流控芯片，所述光纤单元的2路出口端中一路通过所述光学检测系统的激发滤色片连接所述光学检测系统的激发光源，所述光纤单元的2路出口端中的另一路顺序排列固定在I个一维运动控制扫描器上，通过所述一维运动控制扫描器将多个光纤单元的另一路顺序通过所述发射滤色片发射到一光电探测器。
【文档编号】C12M1/38GK106085842SQ201610429432
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】黄国亮, 林雪, 薛宁, 马丽, 罗贤波, 祖国, 黄世光, 范云倩, 刘晓笙
【申请人】清华大学, 博奥生物集团有限公司