电化学基因检测装置及方法与流程

本发明涉及生物医疗器械领域，特别涉及一种电化学基因检测装置及方法。

背景技术：

电化学基因传感器用于基因测序，能节省大量的试剂和仪器损耗。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究。杂交测序是电化学基因传感器技术的重要应用。该测序技术理论上不失为一种高效可行的测序方法，但需通过大量重叠序列探针与目的分子的杂交方可推导出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探针。电化学基因传感器技术可以比较容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的问世无疑为杂交测序提供了实践的可能性。

但是现有通过电化学传感器进行基因检测需要较多的步骤，并且对于人工的操作要求比较高，同时检测的步骤繁琐时间较长，对于需要同时对多个样品进行检测的情况需要大量的人力物力，提高了检测成本，再且，由于受到地方和设备的限制，对于多样品的处理明显有的很大的限制，特别是对于医院和实验室等地方，受到空间的限制，不能安装过多的设备和容纳过多的操作人员，大大的减低了对于样品的检测效率，比且对于检测过程中需要对样品进行转移或操作，由于多个步骤分离处理，容易使到样品或数据受到影响，从而大大的影响了检测准确性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的问题，提出以下技术方案。

本发明第一方面，提供一种电化学基因检测装置，包括：

基因芯片，其形成有反应槽，所述反应槽内壁敷设有一铜层；所述基因芯片还包括固定连接于所述铜层上的检测探针；

温控模块，其包括布设于所述反应槽内并控制所述反应槽内的温度的温控探针，所述温控探针与所述铜层连接；

复合模块，其包括加样探针和加样驱动组件，所述加样探针与所述加样驱动组件的动力输出端传动连接，所述加样驱动组件驱动所述加样探针向所述反应槽内加样；

其中，所述检测探针表面涂覆的工作电极层，所述加样探针表面涂覆有参比电极层，所述铜层的一处敷设有辅助电极层。

进一步的，每一所述基因芯片上具有成矩阵分布的多个所述反应槽，每一所述反应槽对应设有一所述检测探针、所述温控探针和所述加样探针；

每一检测探针对应的微处理器包括基因检测反馈元件，每一温度探针包括一个温度控制元件和一个温度反馈元件，每一个温度控制元件分别对应于一个基因反馈元件，温度控制元件根据度反馈单元对基因反馈元件的温度监控。

进一步的，所述工作电极层表面键合有dna分子探针。

具体的，所述基因芯片的制备方法包括：用甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物作为基因芯片的制作材质，使用激光刻蚀的方式刻蚀出所述反应槽；在所述反应槽内电镀铜层，并同时将所述检测探针绝热固定于所述电镀铜层上。

具体的，所述加样驱动组件包括：

泵体，该泵体限定了用于容纳流体的一个容腔，所述容腔具有一个被驱动端壁和两个输出端壁；

致动器，该致动器与所述被驱动端壁传动连接以引起所述被驱动端壁的振荡运动，从而产生所述被驱动端壁和所述输出端壁沿各自大体上垂直于其表面的一个方向的位移振荡，并在所述被动驱动端壁和所述输出端壁的各自中心与其外围之间产生至少一个振动环；

阻振物，所述阻振物与所述被驱动端壁的外围部分传动连接以减少这些部位的位移振荡而产生的阻尼，所述阻振物包括一种柔性印刷电路材料；

第一孔，所述第一孔布设于靠近所述被驱动端壁的一个所述输出端壁具有的任一。

振动环上并连通所述泵体；

第二孔，所述第二孔布设于远离所述被驱动端壁的一个所述输出端壁具有的任一振动环上并延伸至穿过所述泵体；

其中，这些位移震荡引起了在所述泵体的空腔内的流体的相应压力震荡，从而使得泵体内的流体流动穿过所述第一孔和所述第二孔，以形成一流通路径。

进一步的，所述流通路径是邻近所述工作电极层、所述参比电极层和所述辅助电极布设的，使得流动穿过所述泵体的空腔的流体首先流过所述工作电极层、所述参比电极层和所述辅助电极。

具体的，所述复合模块还包括加样箱，所述流通路径的一端连通所述加样箱、另一端延伸至与所述加样探针连通。

可选的，所述电化学基因检测装置包括基座、检测机构、微处理器和上位处理终端；所述检测机构、所述微处理器和所述上位处理终端均固定连接于所述基座上；

所述检测机构，用于根据杂交反应，采用电化学技术对分子进行标记，并通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号；

所述微处理器控制所述检测机构进行基因检测，接受所述检测机构的扫描数据，进行结果分析，并将分析结果传送至所述上位处理终端，所述上位处理终端通过发送控制指令实时调节所述微处理器；

所述检测机构包括恒电位电路、电流-电压转换电路和多档位放大电路；

所述检测探针的输出端、所述温控探针的输出端和所述加样探针的输出端均与所述恒电位电路的输入端连接，所述恒电位电路的输出端与所述电流-电压转换电路的输入端连接，所述电流-电压转换电路的输出端与所述多档为放大电路的输入端连接，所述微处理器与所述多档位放大电路的输出端连接并对信号进行处理。

本发明的另一方面，提供一种电化学基因检测方法，采用电化学基因检测装置进行检测；所述电化学基因检测装置包括基座、检测机构、微处理器、上位处理终端、基因芯片、温控模块和复合模块；

所述基因芯片包括检测探针，所述基因芯片形成有反应槽，所述温控模块包括温控探针，所述复合模块包括加样探针、加样驱动组件和加样箱；

所述电化学基因检测方法包括以下步骤：

s1、由所述加样箱向装置中加入反应体系和待测样本，所述加样驱动组件驱动所述反应体系和所述待测样本进入所述反应槽内；

s2、所述温控探针检测所述反应槽内的温度，并将其转换成参比电信号；所述检测探针对待测检测物杂交反应后的分子进行标记，实现基因检测，并通过获工作电信号；所述加样探针亦获取所述反应槽内的体系反应时的辅助电信号；

s3、所述温控探针将所述参比电信号输入至所述检测机构，所述检测探针将所述工作电信号输入至所述检测机构，所述加样探针将所述辅助电信号输入至所述检测机构；

s4、所述检测机构经处理将所述工作电信号、所述参比电信号和所述辅助电信号均转发至所述微处理器，所述微处理器将其处理后发送至所述上位处理终端；

s5、所述上位处理终端通过运行预设的基因检测程序，输出实时基因检测控制指令和温度控制指令至所述微处理器；

s6、所述微处理通过反应信号通路控制所述温控探针的加热部和冷却部、控制所述检测探针获取所述反应槽内的所述工作电信号，从而实现的对所述反应槽内的温度控制，完成对所述反应槽内的基因检测。

每一所述反应槽内的反应体系对应有一工作电信号、一参比电信号和一辅助电信号；所述微处理器将每一所述反应槽内的工作电信号、参比电信号和辅助电信号打包成一反应槽信号传输至所述上位处理终端；每一参比电信号还包括温度信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明提供的电化学基因检测装置，通过将检测探针和温控探针固定于反应槽内，能够实时检测反应槽内发生的反应体系的电化学变化，检测及时和精准；具体的，温控探针具有加热、冷却和测定的功能，且温控探针直接固定于铜层上，通过直接对铜层进行加热和冷却，从而对反应槽内的温度进行精准控制；还通过加样驱动组件，方便对调节加样探针对反应槽内件加样。

2、本发明通过设置加样驱动组件，形成流通路径，使得反应体系均匀加样至每一反应槽内，能够实现多个反应槽同步进行检测，提高检测通量。

3、本发明提供的电化学基因检测方法，该方法所设计的理论测量精度达到了10拷贝级别，可以快捷、方便、准确地检测出样品dna分子片段中的浓度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基因芯片的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的可选的加样驱动组件的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的可选的加样驱动组件的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的可选的加样驱动组件的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的可选的加样驱动组件的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的可选的加样驱动组件的结构示意图。

图7是图2和图3中致动器的动力输出端的立体示意图。

图8是本发明实施例提供的可选的输出端壁的俯视示意简图。

图9是本发明实施例提供的电化学基因装置的逻辑框架图。

图10是本发明实施例提供的电化学基因检测方法的控制方法流程图。

1基因芯片、10反应槽、100铜层、101辅助电极层、11检测探针、110工作电极层、

2温控模块、20温控探针、

3复合模块、30加样探针、300参比电极层、

31加样驱动组件、310泵体、3100容腔、3101被驱动端壁、3102输出端壁、3103振动环、3104圆柱形壁、3105衬底、

311致动器、312阻振物、313第一孔、314第二孔、315流通路径、

32加样箱、4基座、5检测机构、50恒电位电路、51电流-电压转换电路、52多档位放大电路、

6微处理器、7上位处理终端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

电化学基因检测装置

如图1，本发明提供的电化学基因检测装置，包括：

基因芯片1，其形成有反应槽10，反应槽10内壁敷设有一铜层100；基因芯片1还包括固定连接于铜层100上的检测探针11；

温控模块2，其包括布设于反应槽10内并控制反应槽10内的温度的温控探针20，温控探针20与铜层100连接；

复合模块3，其包括加样探针30和加样驱动组件31，加样探针30与加样驱动组件31的动力输出端传动连接，加样驱动组件31驱动加样探针30向反应槽10内加样；

进一步的，检测探针11表面涂覆的工作电极层110，加样探针30表面涂覆有参比电极层300，铜层100一处敷设有辅助电极层101。

具体的，检测探针11是间接绝热固定于铜层100上，温控探针20是直接固定于铜层上。

本发明提供的电化学基因检测装置，通过将检测探针和温控探针固定于反应槽内，能够实时检测反应槽内发生的反应体系的电化学变化，检测及时和精准；具体的，温控探针具有加热、冷却和测定的功能，且温控探针直接固定于铜层上，通过直接对铜层进行加热和冷却，从而对反应槽内的温度进行精准控制；还通过加样驱动组件，方便对调节加样探针对反应槽内件加样。

具体的，如图2-7，加样驱动组件31包括：

泵体310，该泵体310限定了用于容纳流体的一个容腔3100，容腔3100具有一个被驱动端壁3101和两个输出端壁3102；

致动器311，该致动器311与被驱动端壁3101传动连接以引起被驱动端壁3101的振荡运动，从而产生被驱动端壁3101和输出端壁3102沿各自大体上垂直于其表面的一个方向的位移振荡，并在被动驱动端壁3101和输出端壁3102的各自中心与其外围之间产生至少一个振动环3103(如图8)；

阻振物312，阻振物312与被驱动端壁3101的外围部分传动连接以减少这些部位的位移振荡而产生的阻尼，阻振物312包括一种柔性印刷电路材料；

第一孔313，第一孔313布设于靠近被驱动端壁3101的一个输出端壁3102具有的任一振动环3103上并连通泵体310；

第二孔314，第二孔314布设于远离被驱动端壁3101的一个输出端壁3102具有的任一振动环3013上并延伸至穿过泵体310；

其中，这些位移震荡引起了在泵体310的空腔3100内的流体的相应压力震荡，从而使得泵体310内的流体流动穿过第一孔313和第二孔314，以形成一流通路径315。

在图1中，泵体310整体成圆盘形，其包括圆柱形壁3104和衬底3105，圆柱形壁3104安装到一个衬底3105上。圆柱形壁3104的内表面、被驱动端壁3101、输出端壁3102和衬底3105形成空腔3100。圆柱形壁3104和衬底3105可以由任何合适的刚性材料(包括但不限于金属、陶瓷、玻璃或塑料(包括但不限于注塑成型塑料)形成。

在一个实施例中，阻振物312是围绕被驱动端壁3101外围形成一个环形形状。在另一个实施例中，阻振物312可以是延伸跨过了被驱动端壁3101的表面的较大部分的一个盘形隔离物。在一个实施例中，阻振物312是由一种柔性印刷电路材料形成，该柔性印刷电路材料包括一个电化学检测系统的多个传感器。在这样一个实施例中，该柔性印刷电路材料包括为阻振物312提供一个基础层的一种柔性聚合物薄膜。该聚合物可以一种聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚醚酰亚胺(pei)、或具有类似机械和电学特性的一种材料。该柔性电路材料可以包括由一种结合粘合剂形成的一个或多个层叠层。此外，一种金属箔(如铜箔)可以用于向柔性印刷电路材料提供一个或多个导电层。该导电层可以用于形成电路元件。例如，可以讲电路痕迹蚀刻到该导电层中，并且可以通过滚压(在有或无粘合剂的情况下)或通过电沉积将导电层施加到基础层上。在一个实施例中，阻振物312包括一个电化学检测系统的多个传感器元件，例如用于检测在穿过该泵的流体中离子或电荷的存在。

致动器311可以是具有伸缩驱动端的驱动器，如直线电机、气缸或油缸。被驱动端壁3101和输出端壁3102中均为压电材料形成，该压电材料可以包括响应于所施加的电信号展现出应变的任何电学活性材料，例如像一种电致伸缩或磁致伸缩材料。例如，在一个优选实施例中，被驱动端壁3101和输出端壁3102是由响应于所施加的电信号展现出应变的压电材料形成。

具体的，第一孔313和第二孔314可以位于空腔3100中的任何位置处，在该位置中致动器311产生一个压差，如以下更详细地描述，但图2中所示的加样驱动组件31的一个实施例包括大致位于泵体310的中心并且延伸穿过第二孔314。

具体的，复合模块3还包括加样箱32，流通路径316的一端连通加样箱32、另一端延伸至与加样探针30连通。更具体的，流通路径316是通过第一孔313与加样箱32连通的，并在连通出设置有阀门，便于打开或关断。

进一步参见图2-6，可以看出被驱动端壁3101或输出端壁3102的轴向位移振荡和空腔3100中相应压力振荡在空腔3100的整个表面上具有大体上相同的相对相位。

阻振物312可以为一种柔性膜，该柔性膜通过响应于如图3中外围位位移振荡处的位移所示的被驱动端壁3101的振动弯曲和拉伸而使其边缘能够自由地移动。

在操作中，在工作电极层110与参比电极层300之间施加固定的电势差。工作电极层110、参比电极层300和辅助电极层101经由导电路径被联接到一个微处理器上并且由此联接到电源和存储器(未示出)上，这些导电路径可以埋在形成了基因芯片1的该柔性印刷电路材料中。该电源向这些电极供应一个电势并且该微处理器和存储器发挥作用来测量这些电极处的电流。这些电流测量值可以被该微处理器和存储器储存和分析。当随着时间进行分析时，在工作电极处由电化学反应产生的所测电流将作为尖峰出现。在一个实施例中，该电源供应电力来驱动在工作电极层110的表面处的电化学反应。由工作电极层110处的该电化学反应所产生的电流被在辅助电极层101处沿相反方向流动的电流平衡掉。施加到工作电极层110处的电势是在一个已知电势的背景下测量的，该已知电势进而是从参比电极层300获得的。

在参比电极层300处测量的电流充当一个参考点。在工作电极层110的表面处测量到的电流是由目标分子的连接、但也可能由经过工作电极层110的其他流体的不希望的氧化作用产生。其他噪音源，例如工作电极层110材料本身，也可能造成所测电流的变化。可获得多种多样的工作电极用于电化学检测。最常见的工作电极材料利用了碳，例如包括玻璃碳、热解碳和多孔石墨。现在铂、银、镍、汞、金汞齐、以及多种合金等材料也常用作工作电极材料。

最佳的工作电极材料选择是依赖于许多因素，包括可用的施加电势范围、电极在气体氧化中的参与、以及电子转移反应的动力学。其他因素，例如与流体的兼容性和流体的组成，也具有影响。例如，碳糊电极不能用于包含大量有机改性剂的移动相，因为电极将溶解，除非使用聚合物粘合剂。

在这样一个实施例中，工作电极的电学特性的变化可以包括该工作电极的电阻的变化或该工作电极的电容的变化。

参比电极层300的作用是建立稳定的电势。这个电极充当了沿着电势轴的一个参考点或基准，通过该参考点或基准来判断工作电极层110的氧化或还原能力。

在一个实施例中，该电化学检测系统包括三个电极，其中包括一个工作电极层110、一个对电极或辅助电极层101以及一个参比电极层300，这些电极典型地是通过将一种大表面积的贵金属固定到多孔疏水膜上来制作的。在一个实施例中，这些电极与电解质相接触。为了使一个电化学检测器反复或连续地起作用，将电解质供应到这些电极以允许电流流动。

更具体的实施方式中，基因芯片1的制备方法包括：用甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物作为基因芯片的制作材质，使用激光刻蚀的方式刻蚀出所述反应槽；在反应槽内电镀铜层，并同时将所述检测探针绝热固定于所述电镀铜层上。具体的，工作电极层的表面键合有dna分子探针，作为检测目的基因并产生电信号的基团。

由此，本发明的一些实施方式还提供一种电化学基因检测装置，如图9，包括基座4、检测机构5、微处理器6和上位处理终端7；检测机构5、微处理器6和上位处理终端7均固定连接于基座4上；

检测机构5，用于根据杂交反应，采用电化学技术对分子进行标记，并通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号；

微处理器6控制检测机构5进行基因检测，接受检测机构的扫描数据，进行结果分析，并将分析结果传送至上位处理终端7，上位处理终端7通过发送控制指令实时调节微处理器；

检测机构5包括恒电位电路50、电流-电压转换电路51和多档位放大电路52；

检测探针11的输出端、温控探针20的输出端和加样探针230的输出端均与恒电位电路50的输入端连接，恒电位电路50的输出端与电流-电压转换电路51的输入端连接，电流-电压转换电路51的输出端与多档为放大电路52的输入端连接，微处理器6与多档位放大电路52的输出端连接并对信号进行处理。

具体的，每一基因芯片1上具有成矩阵分布的多个反应槽10，每一反应槽10对应设有一检测探针、温控探针和加样探针。每一检测探针对应的微处理器包括基因检测反馈元件。每一温度探针包括：一个温度控制元件和一个温度反馈元件。每一个温度控制元件分别对应于一个基因反馈元件，温度控制元件根据温度反馈元件对基因反馈元件的温度监控。

电化学基因检测方法

本发明的另一实施方面，如图10，本发明提供一种电化学基因检测方法，包括以下步骤：

s1、由所述加样箱向装置中加入反应体系和待测样本，所述加样驱动组件驱动所述反应体系和所述待测样本进入所述反应槽内；

s2、所述温控探针检测所述反应槽内的温度，并件其转换成参比电信号；所述检测探针对待测检测物杂交反应后的分子进行标记，实现基因检测，并通过获工作电信号；所述加样探针亦获取所述反应槽内的体系反应时的辅助电信号；

s3、所述温控探针将所述参比电信号输入至所述检测机构，所述检测探针将所述工作电信号输入至所述检测机构，所述加样探针将所述辅助电信号输入至所述检测机构；

s4、所述检测机构经处理将所述工作电信号、所述参比电信号和所述辅助电信号均转发至所述微处理器，所述微处理器将其处理后发送至所述上位处理终端；

s5、所述上位处理终端通过运行预设的基因检测程序，输出实时基因检测控制指令和温度控制指令至所述微处理器；

s6、所述微处理通过反应信号通路控制所述温控探针的加热部和冷却部、控制所述检测探针获取所述反应槽内的所述工作电信号，从而实现的对所述反应槽内的温度控制，完成对所述反应槽内的基因检测。

具体的，检测探针具有基因检测和电化学检测的功能，具体的，工作电极层表面键合的dna分子探针进行基因检测，通过工作电极层获得的电势，以及和参比电极层和辅助电极各自获取的电势来实现dna分子探针与待测样本中基因结合过程中产生的电势变化来实现。

工作电极层、参比电极层和辅助电极的输出接口，整合于一丝网印刷电路板上。具体的，恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路亦集成在该印刷电路板上。

优选地，所述第一处理模块包括：数据处理单元(即上位处理终端)和温度控制单元，所述数据处理单元用于对所述基因检测器进行控制和管理，并用于对外的通信和连接管理，所述温度控制单元用于控制芯片加热装置，实时调节电化学基因传感器的温度。

微处理器能同时对多个多个检测探针、多个温控探针和多个加样探针输出的电信号进行采集和处理。微处理器和上位处理终端间存在大量的指令和数据交换，为实现高速的数据通讯，采用fpga进行两种模块硬件连接。同时微处理器必需分析各个电极的扫描数据，每个电极的数据必需进行数据变换和分析。微处理器的事务管理由上位处理终端完成。

本发明的技术方案最多可以同时独立进行96采用电化学技术的电化学基因进行杂交检测，可对每个反应槽内的反应体系都能进行单独的温度控制，以满足不同杂交检测阶段和不同检测项目的温度要求，而且每个模块的温度控制必需准确稳定。为了达到这个要求，每个反应槽都形单独的闭环温度控制单元，系统包括基于arm9处理器的比较元件、基于pwm输出控制的控制元件、基于加热功率管的执行元件、基于高导热性能铜层的加热对象(即芯片加热装置)和基于高精度传感放大及adc的反馈元件，如图5所示；

基于arm9处理分析各个元件的检测项目，并通过该项目芯片协议和杂交阶段得到当前的各个模块的目标温度，同时通过温度反馈元件(包括高精度温度传感器、高精度放大、精密adc)得到铜层当前温度，经过比较计算后得到温度偏差和控制量，执行元件控制功率输出到加热管，对铜基片进行温度控制，使其得到准确稳定的温度。铜基片与插入检测模块的芯片充分接触，温度被传导到芯片上，为芯片杂交提供适合的温度环境。

温度控制算法采用基于arm9的比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid微处理器算法具有稳定性好、工作可靠、调整方便的优点，是工业控制的主要技术之一，用于本发明的杂交温度控制预期能达到很好的效果。被控对象铜层的结构、参数和随机的扰动不能完全掌握，得不到精确的数学模型，控制理论的其它算法难以采用，因此温度控制系统结构和参数必须依靠经验和研发阶段的调试来确定，应用pid控制技术最为方便，pid微处理器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。具有pid的稳定微处理器和算法，就能够提前使抑制温度误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

本实施例中，一具体应用如下：先将集成电化学检测基因芯片组装于底座上；再通过上位处理终端设置所需的试验程序，如调节所需实验温度(循环变性95℃—退火60℃—延伸72℃)，确保各反应槽内的pcr反应区域温度恒定；然后利用加样驱动组将100μlpcr反应液[含有10μl的10×扩增缓冲液(mg²⁺)，8μl的2.0mmol/l4种dntp混合物，2μl的10pmol/μl上游引物(5’cgtctggaaatgt3’)和10pmol/μl下游引物(5’ttagaccatttt3’)，10μ1的模板cdna，1μ1taqdna聚合酶(5u/μl)，0.8μgμl1bsa，20μmol/ldna电化学杂交指示剂(异鼠李素)和69μl双或三蒸水]在加样箱的反应进液口处进入反应槽内，pcr反应液在各个温度区[首先95℃解链(60s)，然后进行30循环变性95℃(30s)—退火60℃(30s)—延伸72℃(45s)，最后72c延伸(60s)]的时间和周期循环次30；最后利用电化学检测器检测pcr反应扩增过程中dna电化学杂交指示剂异鼠李素的变化量，间接反应pcr反应后扩增产物的量，从而实现pcr反应物的定量检测。

结果表明，用本发明所设计的理论测量精度达到了10拷贝级别，可以快捷、方便、准确地检测出样品dna分子片段中的浓度。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。