荧光定量基因快速扩增检测装置和扩增检测方法与流程

本发明涉及生物和医学领域，特别是一种荧光定量基因快速扩增检测装置和扩增检测方法。

背景技术：

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,以下简称为PCR)是一种重要的基因体外快速扩增检测技术。PCR技术模拟生物体内DNA的复制过程，在合适的温度条件下，利用扩增所需要的模板、引物、聚合酶等原料，使目标DNA或RNA片段经过变性、退火和聚合延伸三个过程的不断循环，得到目标DNA或RNA片段的几倍到几百万倍的扩增。荧光定量PCR技术就是在PCR的反应过程中加入特定的荧光基团，通过采集扩增过程中样品的荧光信号强度，得到样品中目标DNA或RNA的含量。荧光定量PCR技术实现了对样品中微量的目标DNA或RNA片段的快速大量扩增及检测，在生物学和医学领域具有重要的应用价值。

在基因体外快速扩增检测中，样品温度的控制和样品荧光信号的检测是两大核心技术。样品温度调控一般通过金属块实现，通过改变金属块的温度来满足目标基因样品体外扩增对温度变化的要求。

在先技术“基于底部扫描检测的荧光定量PCR检测系统”(中国发明专利，授权公告号：CN101328503A)提出了一种基于底部扫描检测的荧光定量PCR检测系统，该发明中温度控制装置包括金属块、半导体制冷器和风扇等。该发明中样品溶液的温度由半导体制冷器控制，对试管中样品溶液荧光信号的检测是通过在底部打孔或者安放光纤来实现的。该发明技术方案存在以下不足：

第一，扩增时间长。该发明只用一个金属块进行温度控制，当需要改变样品溶液温度时，就必须改变金属块的温度，而改变金属块的温度一般需要花费较长的时间，因此样品扩增需要较长的时间。

第二，不同位置的样品溶液的温度均匀性差。该发明中样品溶液的温度由半导体制冷器控制，而半导体制冷器一般只安放在金属块的底部中央位置，因此在加热或制冷时会存在中间强和边缘弱的问题，从而导致中间样品溶液与边缘样品溶液的温度不一致，进而会造成中间样品与边缘样品的扩增效率的不一致；

第三，样品溶液荧光采集效率低。该发明如果采用底部直接打孔的方式，会导致检测荧光信号的传感器没法接近试管中的样品，从而降低了荧光信号的激发和采集效率；如果采用光纤的方式，荧光信号会受光纤通光孔径的限制，也降低了荧光信号的激发和采集效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种荧光定量基因快速扩增检测装置和扩增检测方法，该发明不仅解决了在先技术存在的扩增所需时间长、样品溶液温度均匀性差、荧光采集效率低等问题，还降低了基因扩增检测装置对温度控制算法的要求。该发明具有样品溶液温度转换速度快、样品间温度均匀性好、荧光信号采集效率高、温度控制简单、可靠、能耗低等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种荧光定量基因快速扩增检测装置，包括PCR试管、温度控制模块，其特点在于还有导热硅胶、荧光检测模块、第一传送机构、第一驱动机构、连接机构、第二传送机构和第二驱动机构，所述的温度控制模块包括一个以上的恒温块，每两个恒温块之间由绝热层隔开并依次排列构成，所述的导热硅胶设置在所述的PCR试管的外侧，所述的温度控制模块的恒温块放置在所述的导热硅胶的周围；所述的PCR试管的顶部通过所述的连接机构固定在所述的第二传送机构上，在第二驱动机构的驱动下所述的第二传送机构带动所述的PCR试管沿垂直方向移动；所述的荧光检测模块置于所述的PCR试管的顶面、底面或侧面，所述的荧光检测模块由激发光源、检测光路、光电探测单元构成并固定在第一传送机构上，第一驱动机构驱动第一传送机构带动所述的荧光检测模块运动。

所述的第一传送机构为丝杆或传送带。

所述的PCR试管为单个试管、单连排试管或多排试管。

样品溶液放置于所述的PCR试管中，不同孔位的PCR试管中放置同一次检测中所有样品扩增所需的温度循环条件一致的相同的样品溶液或者不同的样品溶液。

所述的导热硅胶的高度大于样品溶液在所述的PCR试管内的高度，保证样品能够被得到所述的导热硅胶完全包覆。

一个PCR试管、两个PCR试管、多个PCR试管或者全部PCR试管对应一个温度控制模块。

所述的荧光检测模块包括一个以上的荧光检测装置，每个荧光检测装置检测一个以上发射波长的荧光，所述的荧光检测模块能够检测放置在所述的PCR试管中不同的样品溶液发出的相同或不同的荧光。

所述的荧光检测模块的结构为：

采用点激发光源、检测光路、非图像光电传感器构成并置于所有PCR试管1的顶面、底面或侧面位置，所述的非图像光电传感器包括光电二极管、光电池、光电管、光电倍增管，所述的点激发光源一次照射并激发一个PCR样品溶液，所述的非图像光电传感器实现对一个PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测；

或采用面激发光源、检测光路和面阵图像传感器构成并置于所有PCR试管1的顶面、底面或侧面位置，所述的面激发光源一次性全部照射并同时激发所有的PCR样品溶液，所述的面阵图像传感器同时对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。

采用一个以上所述的荧光检测模块，分别配置在所有PCR试管的顶面、底面或侧面，实现对相应的PCR试管中的样品溶液的荧光信号进行检测。

利用上述荧光定量基因快速扩增检测装置对目标DNA或RNA进行扩增和检测的方法，包括如下步骤：

1)将扩增所需的样品溶液加入所述的PCR试管；

2)根据目标DNA或RNA扩增所需的特定温度点的个数及数值，选择并设置相应的温度控制模块，确定扩增循环次数；

3)第二驱动机驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需的第一个温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的第一温度值，再停留基因第一扩增时间，然后第二驱动机构驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需第二温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的第二温度值，再停留基因第二扩增时间，然后第二驱动机构驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需下一个温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的下一温度值，再停留基因下一扩增时间，直到完成目标DNA或RNA扩增周期所需的所有温度值和对应的扩增时间；

4)所述的第二驱动机驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到所述的温度控制模块外进行荧光信号检测：

若检测装置中采用非图像光电传感器的所述的荧光检测模块，所述的荧光检测模块固定在第一传送机构上，第一驱动机构驱动第一传送机构带动所述的荧光检测模块运动，点激发光源激发一个PCR样品溶液，所述的非图像光电传感器实现对一个PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测，逐步实现对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测；

若检测装置中采用图像传感器时，所述的荧光检测模块的面激发光源一次性全部照射并同时激发所有的PCR样品溶液，所述的面阵图像传感器同时对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测；

5)重复步骤3)、4)，完成另一个扩增循环和荧光信号检测，直至完成最后一个扩增循环和荧光信号检测；

6)利用上述测量结果绘制样品溶液的荧光信号的扩增曲线，按现有的分析方法得到样品溶液目标DNA或RNA的含量。

与在先技术相比，本发明具有如下技术效果：

第一，扩增速度快。在先技术中当需要改变样品溶液温度时，就必须改变金属块的温度，而改变金属块的温度需要花费较长的时间。比如金属块的温度从60度上升到95度再下降到60度需要一分钟左右，完成40次循环扩增一般需要40分钟左右。而在本发明中，所述的温度控制模块中包含多种不同温度的恒温块，并且每个恒温块的温度都是基因扩增所需的特定温度。样品溶液在不同温度的恒温块间通过移动来完成温度转换，无需反复加热和制冷恒温块，因此节约了升降温所需要的大部分时间，所以本发明具有扩增速度快的优点。

第二，不同位置的样品溶液温度的均匀性好。当需要控制所有样品处于同一扩增温度时，在先技术采用在金属块的底部中央位置安放半导体制冷器来控制样品温度，因此在加热或制冷时会存在中间强和边缘弱的问题，从而导致中间样品溶液与边缘样品溶液的温度有大于0.3度的温度差异。而在本发明中可以实现对单个PCR试管中的样品溶液的温度进行控制，可以消除不同位置的样品溶液间的温度的差异，所有样品间的温度差异小于0.2度，提升了样品溶液温度的均匀性。

第三，荧光检测效率高。在先技术荧光检测采用底部打孔或者采用安装光纤的方式。如果采用底部直接打孔的方式，会导致检测荧光信号的传感器没法接近试管中的样品，从而降低了荧光信号的激发和采集效率；如果采用光纤的方式，荧光信号会受光纤通光孔径的限制，也降低了荧光信号的激发和采集效率。本发明采用恒温块和导热硅胶来控制样品溶液的温度，当需要检测样品溶液荧光时，由第二驱动机构驱动PCR试管移动，使PCR中的样品溶液移动到温度控制模块外部，方便荧光检测模块对样品溶液荧光的激发和检测，因此提升了样品溶液的荧光检测效率。

第四，温度控制简单。在先技术中当需要改变样品溶液温度时，就必须改变金属块的温度，为了满足升降温速度快同时控温精度高的两方面需求，温度控制算法需要同时考虑动态性能指标和稳态性能指标。而在本发明中所述的温度控制模块中包含多种不同温度点的恒温块，并且每个恒温块的温度都是基因扩增所需的特定温度，样品溶液通过在不同温度的恒温块间移动来完成温度转换，温度控制只需要考虑稳态指标。因此本发明具有温度控制简单的优点。

第五，耗能少。在先技术中当需要改变样品溶液温度时，就必须改变金属块的温度，而快速反复的升温和降温过程需要消耗大量能量。而本发明中所述的温度控制模块中包含多种不同温度点的恒温块，并且每个恒温块的温度都是基因扩增所需的特定温度，样品溶液通过在不同温度的恒温块间移动来完成温度转换，无需反复加热或制冷，只要消耗很少的能量来维持所述的恒温块的温度恒定。因此本发明的温度控制系统耗能少。

附图说明

图1为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置单个PCR试管示意图。

图2为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置多个PCR试管示意图。

图3为本发明样品溶液处于第一恒温块时的示意图。

图4为本发明样品溶液处于第二恒温块时的示意图。

图5为本发明实施例一示意图。

图6为本发明实施例二示意图。

图7为本发明实施例三示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

请参阅图1-2，图1为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置单个PCR试管示意图，图2为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置多个PCR试管示意图。参阅图1，本发明荧光定量基因快速扩增检测装置，包括PCR试管1、导热硅胶2、温度控制模块3、荧光检测模块4、第一传送机构5、第一驱动机构6、连接机构7、第二传送机构8、第二驱动机构9。温度控制模块3由第一恒温块301、绝热层302和第二恒温块303组成。上述部件的位置关系如下：

所述的PCR试管1内放置样品溶液，不同孔位的PCR试管1中可以放置同一次检测中所有样品扩增所需的温度循环条件一致的相同的样品溶液或者不同的样品溶液，所述的PCR试管1为单个试管、单连排试管或多排试管，其中图1为单个PCR试管；图2为单连排PCR试管。

所述的PCR试管1通过所述的连接机构7固定在所述的第二传送机构8上，由所述的第二驱动机构9驱动所述的第二传送机构8带动所述的PCR试管1移动。

所述的PCR试管1可以移动到所述的温度控制模块3的外部。

所述的导热硅胶2放置在所述的PCR试管1的外侧，所述的温度控制模块3中的恒温块放置在所述的导热硅胶2的周围。

所述的导热硅胶2贴着所述的PCR试管1，此时所述的导热硅胶2与所述的PCR试管1能进行充分的热传递，保证试管内样品溶液的温度与导热硅胶的温度相同。所述的导热硅胶2的高度大于样品溶液在所述的PCR试管内的高度，保证样品能够得到完全的包覆。

所述的导热硅胶2位于所述的PCR试管1和所述的温度控制模块3中的恒温块之间，所述的导热硅胶2贴在所述的PCR试管1的外壁，所述的恒温块和所述的PCR试管1之间通过所述的导热硅胶2实现热量传递。

每个所述的PCR试管1都对应一个所述的温度控制模块3，也可以是两个、多个或者全部PCR试管对应一个温度控制模块3。

所述的温度控制模块3包含一个以上的恒温块，不同温度的恒温块之间被绝热层隔开，防止不同温度的恒温块之间发生热交换。

所述的PCR试管1可在不同温度的恒温块之间移动。将所述的恒温块的温度设置为目标基因扩增所需的一种、两种或者多种特定的温度值，所述的PCR试管1在不同温度的恒温块之间来回移动，实现目标基因快速扩增所需的温度循环。

所述的恒温块的个数与完成基因扩增所需的特定温度的数量保持一致。

参阅图2，所述的荧光检测模块4放置在所述的PCR试管1的底部，所述的荧光检测模块4的光电检测单元采用图像传感器或非图像光电传感器，所述非图像光电传感器包括光电二极管、光电池、光电管、光电倍增管。

采用非图像光电传感器的荧光检测模块4，包括激发光源、检测光路、非图像光电传感器构成并置于所有PCR试管1的顶面、底面或侧面位置，所述的点激发光源一次照射并激发一个PCR样品溶液，所述的非图像光电传感器实现对一个PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。所述的荧光检测模块4固定在第一传送机构5上，第一驱动机构6驱动第一传送机构5带动所述的荧光检测模块4运动，实现对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。

采用图像光电传感器的荧光检测模块4采用面激发光源、检测光路和面阵图像传感器构成并置于所有PCR试管1的顶面、底面或侧面位置，所述的面激发光源一次性全部照射并同时激发所有的PCR样品溶液，所述的面阵图像传感器同时对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。

在本发明中，也可以采用一个以上所述的荧光检测模块4，分别配置在所有PCR试管1的顶面、底面或侧面，实现对相应的PCR试管中的样品溶液的荧光信号进行检测。

利用本发明荧光定量基因快速扩增检测装置对目标DNA或RNA进行扩增检测的方法，包括如下步骤：

1)将扩增所需的样品溶液加入所述的PCR试管；

2)根据目标DNA或RNA扩增所需的特定温度点的个数及数值，选择并设置相应的温度控制模块3；

3)第二驱动机驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需的第一个温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的第一温度值，再停留基因第一扩增时间，然后第二驱动机构驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需第二温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的第二温度值，再停留基因第二扩增时间，然后第二驱动机构驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到DNA或RNA扩增所需下一个温度点对应的恒温块位置，使PCR试管中的样品溶液的温度到达所述的下一温度值，再停留基因下一扩增时间，直到完成目标DNA或RNA扩增周期所需的所有温度值和对应的扩增时间。

4)所述的第二驱动机驱动第二传送机构带动所述的PCR试管移动到所述的温度控制模块3外。

若检测装置中采用非图像光电传感器的所述的荧光检测模块，所述的荧光检测模块4固定在第一传送机构5上，第一驱动机构6驱动第一传送机构5带动所述的荧光检测模块4运动，实现对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。

若检测装置中采用图像感器的所述的荧光检测模块，所述采用图像传感器的荧光检测模块4中的面激发光源一次性全部照射并同时激发所有的PCR样品溶液，所述的面阵图像传感器同时对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测。

5)重复步骤3、4)，直至完成最后一个扩增循环和荧光信号检测。

6)利用上述测量结果绘制样品溶液的荧光信号的扩增曲线，按现有的分析方法得到样品溶液目标DNA或RNA的含量。

实施例一

请参阅图3-5，图5为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置及检测方法实施例一的示意图。

本实施例包括多个PCR试管1、导热硅胶2、温度控制模块3、荧光检测模块4、第一传送机构5、第一驱动机构6、连接机构7、第二传送机构8、第二驱动机构9。所述的温度控制模块3包括第一恒温块301、绝热层302和第二恒温块303。在本实施例中，样品溶液放置在所述的多个PCR试管1内，所述的荧光检测模块4放置在所述的PCR试管1的底部。所述的PCR试管1被一个温度控制模块3包围，一个荧光检测模块4。所述的温度控制模块3包括第一恒温块301和第二恒温块303，第一恒温块301为高温恒温块，第二恒温块303为低温恒温块。所述的第一恒温块301和第二恒温块303之间被所述的绝热层302隔开，防止所述的第一恒温块301和所述的第二恒温块303之间发生热交换。所述的第一恒温块301保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的高温度；所述的第二恒温块303保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的低温度。参阅图3-5，所述的PCR试管1在所述的第一恒温块301和所述的第二恒温块303之间移动来改变样品溶液的温度，所述的PCR试管1与所述的温度控制模块3中的恒温块的热交换是通过所述的导热硅胶2来完成的。1个所述的采用非图像光电传感器的荧光检测模块4置于PCR试管1的底面。所述的荧光检测模块4固定在第一传送机构5上，第一驱动机构6驱动第一传送机构5带动所述的荧光检测模块4运动，实现对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测，通过分析样品溶液每个循环的荧光信号的变化曲线，得到样品中目标DNA或RNA的含量。

实施例二

请参阅图6，图6为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置实施例二的示意图。本实施例包括8个PCR试管1、导热硅胶2、温度控制模块3、荧光检测模块4、第一传送机构5、所述的第一驱动机构6、连接机构7、第二传送机构8、第二驱动机构9。所述的温度控制模块3包括第一恒温块301、绝热层302和第二恒温块303。所述的荧光检测模块4放置在所述的PCR试管1的侧面。所有PCR试管1被同一个所述的温度控制模块3包围，配有8个荧光检测模块4。所述的温度控制模块3中设置了第一恒温块301和第二恒温块303，所述的第一恒温块301为高温恒温块，所述的第二恒温块303为低温恒温块。第一恒温块301和第二恒温块303之间被所述的绝热层302隔开，防止第一恒温块301和第二恒温块303之间发生热交换。第一恒温块301保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的高温度；第二恒温块303保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的低温度。参阅图3-4，所述的PCR试管1在第一恒温块301和第二恒温块303之间移动来改变样品溶液的温度，所述的PCR试管1与所述的温度控制模块3中的恒温块的热交换是通过所述的导热硅胶2来完成。8个非图像光电传感器的荧光检测模块4分别配置在8个PCR试管1的侧面。所述的荧光检测模块4固定在第一传送机构5上，第一驱动机构6驱动第一传送机构5带动所述的荧光检测模块4运动，实现对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测，通过分析样品溶液每个循环的荧光信号的变化曲线，得到样品中目标DNA或RNA的含量。

实施例三

请参阅图7，图7为本发明荧光定量基因快速扩增检测装置实施例三的示意图。本实施例包括多个PCR试管1、导热硅胶2、温度控制模块3、一个荧光检测模块4、连接机构7、第二传送机构8、第二驱动机构9。所述的温度控制模块3包括第一恒温块301、绝热层302和第二恒温块303。在本实施例中，所述的荧光检测模块4放置在所述的PCR试管1的上部。所有PCR试管1被一个所述的温度控制模块3中的恒温块包围，一个所述的荧光检测模块4。所述的温度控制模块3中设置了所述的第一恒温块301为高温恒温块，所述的第二恒温块303为低温恒温块。第一恒温块301和第二恒温块303之间被所述的绝热层302隔开。防止第一恒温块301和第二恒温块303之间发生热交换。第一恒温块301保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的高温度；第二恒温块303保持温度不变，并且其温度值为基因扩增所需的低温度。所述的PCR试管1在第一恒温块301和第二恒温块303之间移动来改变样品溶液的温度，所述的PCR试管1与所述的温度控制模块3中的恒温块的热交换是通过所述的导热硅胶2来完成。

所述的荧光检测模块4由面激发光源、检测光路和面阵图像传感器构成并置于所有PCR试管1的顶面，所述的面激发光源一次性全部照射并同时激发所有的PCR样品溶液，所述的面阵图像传感器同时对所有PCR试管中的样品溶液荧光信号进行检测，通过分析样品溶液每个循环的荧光信号的变化曲线，得到样品中目标DNA或RNA的含量。

实验表明，本发明不仅解决了在先技术存在的扩增所需时间长、样品溶液温度均匀性差、荧光采集效率低等问题，还降低了基因扩增检测装置对温度控制算法的要求。该发明具有样品溶液温度转换速度快、样品间温度均匀性好、荧光信号采集效率高、温度控制简单、可靠、能耗低等优点。