热循环反应组件及具有其的实时检测装置的制作方法

本发明涉及聚合酶链式反应技术领域，具体而言，涉及一种热循环反应组件及具有其的实时检测装置。

背景技术：

聚合酶链式反应(polymerasechainreaction简称为pcr)是一种用于放大扩增特定dna片段的分子生物学技术。利用该pcr技术，可以在体外由非常少量的dna通过热循环生成大量的dna。实时荧光定量核酸扩增检测系统(real-timequantitativepcrdetectingsystem简称为qpcr)是在普通pcr体系中加入荧光化学物质对每次热循环后产物的总量进行测定，其结果可以较快取得且数据较为稳定。qpcr装置包括针对pcr反应的热循环器和用于检测反应产物的荧光的荧光计。热循环器由热块、温控电路和散热器构成。其中，热块用于向包含有样品的反应管传导热量。荧光计包括发射激发光的光源、用于选择和传导荧光信号的光学组件以及测量荧光信号强度的光传感器。在qpcr装置中，每一次热循环结束后，在光源的激发下，通过光传感器对样品的荧光值进行测量，从而显示pcr的实时进展。通过实时检测样品的荧光强度，可以精确的反推出待测样品中的特定dna序列的初始浓度。

如图1所示，现有技术中的热循环器具体包括环状的加热块1和毛细管2，该加热块1在中部具有中空部分，其加热块1的内部被分割成两层，以使加热块1靠外侧的温度与加热块1靠内侧的温度不相同，毛细管2穿过加热块1中空部分并缠绕在该加热块1上，缠绕多圈以对毛细光传导不同的温度，从而能够使其进行热循环加热。

现有技术中利用该热循环器进行pcr反应时，前一个样品在毛细管2内的残留物会对新样品造成污染，导致其反应不准确。因此，在检测新样品前，需要对毛细管进行更换。现有技术中，在对毛细管2进行更换时，需要将每圈毛细管2依次抽出，并重新缠绕新的毛细管2，使得在对毛细管2进行更换时非常不便。

技术实现要素：

本发明提供一种热循环反应组件及具有其的实时检测装置，以解决现有技术中不便于对毛细管进行更换的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种热循环反应组件，热循环反应组件包括多个柱形加热组件，多个柱形加热组件间隔设置，至少两个柱形加热组件的加热温度不同；毛细管预制组件，毛细管预制组件设置在多个柱形加热组件上。

进一步地，毛细管预制组件包括第一段毛细管，第一段毛细管用于缠绕在多个柱形加热组件；第二段毛细管，第二段毛细管用于缠绕在其中一个柱形加热组件上，第一段毛细管与 第二段毛细管相互连通，第一段毛细管和第二段毛细管在多个柱形加热组件上分别缠绕有多层，相邻的两层毛细管之间相互固定在一起。

进一步地，柱形加热组件包括壳体，毛细管预制组件缠绕在壳体的外壁上；加热部，设置在壳体内部；温度控制器，与加热部电连接，温度控制器用于控制柱形加热组件的温度。

进一步地，热循环反应组件还包括推进机构，设置在毛细管预制组件的进口端。

进一步地，热循环反应组件还包括收集装置，设置在毛细管预制组件的出口端。

进一步地，热循环反应组件还包括底座组件，多个柱形加热组件固定设置在底座组件上。

进一步地，底座组件包括第一底座，具有多个间隔设置的第一固定孔，多个柱形加热组件的一端一一对应地设置在多个第一固定孔中；第二底座，具有多个间隔设置的第二固定孔，第二固定孔的间隔距离大于第一固定孔的间隔距离，多个柱形加热组件的另一端一一对应地设置在多个第二固定孔中。

进一步地，柱形加热组件包括第一柱形加热组件和第二柱形加热组件，第一柱形加热组件和第二柱形加热组件间隔设置，第一柱形加热组件的加热温度与第二柱形加热组件的加热温度不同，毛细管预制组件设置在第一柱形加热组件和第二柱形加热组件上。

根据本发明的另一方面，提供了一种实时检测装置，实时检测装置包括热循环反应组件，热循环反应组件为上述提供的热循环反应组件；发光部，用于向毛细管预制组件发出激发光；荧光检测部件，用于检测毛细管预制组件内样品经发光部照射所产生的荧光。

进一步地，发光部包括光源，用于向毛细管预制组件发出激发光；激发带通滤波器，设置在激发光的光路上，激发带通滤波器用于调节激发光的波长。

进一步地，荧光检测部件包括荧光会聚透镜，用于会聚毛细管预制组件内样品产生的荧光；检测传感器，设置在荧光会聚透镜会聚的荧光的光路上；带通滤波器，设置在荧光会聚透镜与检测传感器之间，带通滤波器用于进行波长选择，检测传感器用于检测经带通滤波器波长选择后的荧光。

进一步地，荧光检测部件包括荧光会聚透镜，用于会聚毛细管预制组件内样品产生的荧光；检测传感器，设置在荧光会聚透镜会聚的荧光的光路上；多组带通滤波器，可切换地设置在荧光会聚透镜和检测传感器之间，通过任意一个带通滤波器对荧光会聚透镜会聚的荧光进行波长选择，检测传感器用于检测经带通滤波器波长选择后的荧光。

进一步地，荧光检测部件还包括支架，多组带通滤波器设置在支架上；电机，电机与支架驱动连接，电机驱动支架转动以对多组带通滤波器进行切换。

应用本发明的技术方案，将毛细管预制组件设置在多个柱形加热组件上，能够在对毛细管预制组件进行替换时，将毛细管预制组件整体从柱形加热组件上取下，再将新的毛细管预制组件整体对应设置在柱形加热组件上即可完成更换，如此便于工作人员对毛细管预制组件进行更换，提高了检测效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术提供的热循环器的结构示意图；

图2示出了实施例一提供的热循环反应组件的结构示意图；

图3示出了图2中毛细管预制组件的结构示意图；

图4示出了实施例二提供的毛细管预制组件的结构示意图；

图5示出了图2中柱形加热组件以及底座的剖视图；

图6示出了柱形加热组件对毛细管预制组件加热的温度分布示意图；

图7示出了实施例三提供的实时检测装置的结构示意图；

图8示出了实施例四提供的实时检测装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、柱形加热组件；11、壳体；12、加热部；13、温度控制器；20、毛细管预制组件；21、第一段毛细管；22、第二段毛细管；30、推进机构；40、收集装置；51、第一底座；52、第二底座；100、热循环反应组件；60、发光部；61、光源；62、激发带通滤波器；70、荧光检测部件；71、荧光会聚透镜；72、检测传感器；73、带通滤波器；74、支架；75、电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2至图4所示，实施例一是一种热循环反应组件，该热循环反应组件包括：多个柱形加热组件10以及毛细管预制组件20。其中，多个柱形加热组件10间隔设置，并且这些柱形加热组件10的加热温度不相同。毛细管预制组件20设置在多个柱形加热组件10上。柱形加热组件10的数量以及温度可根据试验的不同而具体设置，在pcr反应中，变性阶段的温度在92℃至98℃之间，而在引物结合与dna延伸阶段，其所需温度在50℃至75℃之间。因此，在本实施例中，设置两个柱形加热组件10，其中一个柱形加热组件10的温度设置在95℃，另一个柱形加热组件10的温度设置在60℃，为便于对方案进行阐述，规定大直径的柱形加热组件10的温度设置在60℃，小直径的柱形加热组件10的温度设置在95℃。通过小直径柱形加热组件10对样品进行变性，通过大直径柱形加热组件10对样品进行退火和延伸。图6展示出了在实际加热过程中，毛细管预制组件20内样品的温度分布，a处温度为60℃，b处温度为60℃至95℃，c处温度为95℃，d处温度为95℃至60℃。

应用本发明的技术方案，将毛细管预制组件20设置在多个柱形加热组件10上，能够在对毛细管预制组件20进行替换时，将毛细管预制组件20整体从柱形加热组件10上取下，再将新的毛细管预制组件20整体对应设置在柱形加热组件10上即可完成更换，如此便于工作人员对毛细管预制组件20进行更换，提高了检测效率。并且，该缠绕方式便于将毛细管预制组件20制作成一体的环形结构，使得在重新将毛细管预制组件20设置在柱形加热组件10上时，将毛细管预制组件20整体套设在柱形加热组件10上即可。

具体地，毛细管预制组件20缠绕在两个柱形加热组件10之后，可通过粘合剂将毛细管预制组件20粘合成整体结构，也可通过加热的方式使毛细管外壁熔融或软化，以相互粘合。即可使毛细管预制组件20变成整体的环形结构，方便整体取出或安装，从而进一步节省安装时间，提高安装效率。

在本实施例中，将柱形加热组件10设置为圆柱形能够便于毛细管预制组件20的安装，且制作方便。根据需要，也可将该柱形加热组件10设置为棱柱形、截面为椭圆形的柱体等其它柱形结构。

可选地，两个柱形加热组件10的直径分别为10mm和20mm，两者的中心距为40mm，但两个柱形加热组件10的直径以及间隔大小并不限于此，其尺寸以及间隔大小与不同pcr反应所需的时间相关，其柱形加热组件10的直径一般设置在2mm至50mm之间。并且由于各个pcr反应所需的加热循环的次数不同，毛细管预制组件20在柱形加热组件10上缠绕的圈数也不同。因此，针对性地，将柱形加热组件10的长度设置在20mm至200mm之间。

图3和图4展示了两种不同的毛细管预制组件20的结构，其不同之处在于，图3中的毛细管预制组件20包括第一段毛细管21和第二段毛细管22。其中，第一段毛细管21依次绕过多个柱形加热组件10并缠绕在多个柱形加热组件10上，第二段毛细管22缠绕在其中一个柱形加热组件10上。并且，第一段毛细管21和第二段毛细管22在多个柱形加热组件10上分别缠绕有多层，相邻上下两层的毛细管之间通过上述粘和方法相互固定在一起。

在本实施例中，第二段毛细管22缠绕在小直径的柱形加热组件10上。由于在热激活性dna聚合酶中，通常加入了针对dna聚合酶反应位点的抗体、抑制剂或其它能够在常温下阻止聚合酶活性的物质。因此，在pcr反应开始前，通常会通过加热的方式来解除对dna聚合酶的抑制，使pcr反应可以正常进行。其中，为了获得足够的热启动温度，在本实施例中，将第二段毛细管22在小直径柱形加热组件10上缠绕10圈。并且其加热的温度一般在95℃，通过时间在1至10分钟。通过图3中示出的毛细管预制组件20结构，通过将第二段毛细管22缠绕在温度较高的柱形加热组件10上，即可解除对dna聚合酶的抑制，无需通过另外的加热装置单独对样品进行加热，如此便于pcr反应的进行，且减少了所需的反应装置的数量。

具体地，毛细管预制组件20的材料为聚四氟乙烯，但不限于聚四氟乙烯，可以是聚偏氟乙烯、全氟乙丙烯聚合物、聚丙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、熔融石英、硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃或其复合物、共聚物等。亦可以是由以上一种材料制成的毛细管内壁中覆盖有另一种以上材料制成。在本实施例中，该毛细管预制组件20的外径是0.6mm，内径是0.3mm， 但不限于此。根据pcr反应的流速、样品量以及导热速率，毛细管预制组件20的外径可以设置在0.2mm至2.0mm之间，毛细管预制组件20的内径可以设置在0.05mm至1.8mm之间。

如图5所示，提供了柱形加热组件10的剖视图，其中，该柱形加热组件10包括：壳体11、加热部12以及温度控制器13。其中，毛细管预制组件20缠绕在壳体11的外壁上，加热部12设置在壳体11内部，温度控制器13与加热部12电连接，通过温度控制器13能够控制柱形加热组件10的加热温度。可选地，该加热部12可以是加热芯，可由电阻丝构成，也可设置电热片、电热管、电热线、电路板、帕尔贴单元等。加热部12可以通过电流产生热辐射来对壳体11进行加热，也可通过热对流的方式，例如加热水或其他液体、气体、或者相变性导热对壳体11进行加热。并且，通过温度控制器13实时检测并调整加热部12产生的热量，能够准确控制对毛细管预制组件20提供的热量，保证pcr反应的正常进行。

其中，该热循环反应组件还包括推进机构30，推进机构30设置在毛细管预制组件20的进口端，通过推进机构30推动样品液体在毛细管预制组件20内移动。在本实施例中，将推进机构30设置在第二段毛细管22的端口，将推进机构30可设置为注射器泵。但不限于此，推进机构30可以是蠕动泵、空气压力泵、或通过压缩气体、电解液体产生气体的方式对液体产生推动，亦或者是利用空气加热体积膨胀等方式实现样品液体在毛细管预制组件20中的单方向或者双方向运动。在本实施例中，推进机构30的推动流速约为0.4ul/s，600s后可以填充至第一段毛细管21的第36圈，即可完成pcr反应。但反应样品的推动速度和推进时间不限于此。根据毛细管预制组件20的内径大小和对pcr反应的热循环数需求，推进机构30的推动流速可以在0.01ul/s到10ul/s之间变化，单个待测样品的推进时间通常在300s至1200s之间。

在本发明实施例一中，该热循环反应组件还包括收集装置40，收集装置40设置在毛细管预制组件20的出口端。在本实施例中，该收集装置40设置在第一段毛细管21的端口处，通过收集装置40收集反应后的反应液。其中，该收集装置40可设置为弹性的气球，也可以设置为其它体积恒定或可变的容器中，例如注射器、塑料瓶等。收集装置40中可填充空气、吸水材料(如海绵)、与水反应的物质(如生石灰、石膏、氯化钴等干燥剂)、dna吸附材料(如多孔的硅氧化物)等。

在本发明实施例一中，该热循环反应组件还包括底座组件，其中，多个柱形加热组件10固定设置在底座组件上。以避免在试验中柱形加热组件10产生晃动，影响试验进行。

可选地，该底座组件具体包括第一底座51和第二底座52，其中，第一底座51上具有多个间隔设置的第一固定孔，多个柱形加热组件10的一端一一对应地设置在多个第一固定孔中。第二底座52上对应也设置多个第二固定孔，多个柱形加热组件10的另一端一一对应地设置在多个第二固定孔中。具体地，第二固定孔的间隔距离大于第一固定孔的间隔距离，以使柱形加热组件与两个底座之间存在预紧力，进而能够使多个柱形加热组件10与第一底座51、第二底座52紧固连接。在安装该热循环反应组件时，先将多个柱形加热组件10的一端固定在第一底座51上，再将毛细管预制组件20套在多个柱形加热组件10上，然后将第二底座52固定设置在多个柱形加热组件10的另一端，由于第二固定孔的间隔距离大于第一固定孔的间 隔距离，多个柱形加热组件10会向两侧移动，进而能够撑开毛细管预制组件20，使毛细管预制组件20紧固在多个柱形加热组件10上。

在通过该热循环反应组件进行pcr反应时，如果样品体积较小，会无法充满毛细管预制组件20。此时可选取另一种与样品不互溶的惰性液体作为样品承载的介质，以辅助推动样品在毛细管中前进。在本实施例中可使用硅油作为样品承载的介质，但不限于使用硅油，亦可以是氟代烷烃，氟代醚，液体石蜡等。本实施例中使用了1ul的样品与400ul的硅油混合，样品与承载介质间隔通过，如此可保证pcr反应顺利完成。

如图7所示，本发明实施例三为一种实时检测装置，该实时检测装置包括：热循环反应组件100、发光部60以及荧光检测部件70。其中，热循环反应组件100为上述实施例提供的热循环反应组件100，发光部60用于向毛细管预制组件20发出激发光，荧光检测部件70用于检测毛细管预制组件20内样品经发光部60照射所产生的荧光。

通过该实时检测装置，能够对每层毛细管预制组件20内的样品同时进行检测，便于工作人员获取检测数据。且该装置结构简单、便于操作。相对于传统如图1所示的热循环器，在对其进行检测时，需要将发光部以及荧光检测部件的部分装置设置在中空部分，使得热循环器的中空部分必须满足发光部以及荧光检测部件尺寸的要求，无法使热循环器向小型化方向发展。而本实施例三提供的实时检测装置，只需将发光部60以及荧光检测部件70设置在热循环反应组件100的一侧即可，热循环反应组件100的尺寸根据pcr反应需要设置即可，如此能够简化热循环反应组件100的设计。

具体地，该发光部60包括光源61和激发带通滤波器62。其中，通过光源61向毛细管预制组件20发出激发光，激发带通滤波器62设置在激发光的光路上，通过激发带通滤波器62调节激发光发出的波长。可选地，光源61可以为卤素灯、氙灯等白光光源，也可为led灯、激光等单色或窄波长光源。

具体地，该荧光检测部件70包括：荧光会聚透镜71、检测传感器72以及带通滤波器73。其中，荧光会聚透镜71用于会聚毛细管预制组件20内样品产生的荧光，检测传感器72设置在荧光会聚透镜71会聚的荧光的光路上，带通滤波器73设置在荧光会聚透镜71与检测传感器72之间，带通滤波器73用于滤波，检测传感器72用于检测经带通滤波器73滤波后的荧光。通过检测传感器72，即可实时获取样品在通过毛细管的荧光强度，通过该荧光强度即可得到特定dna序列的初始浓度。

可选地，荧光会聚透镜71可以设置为非球面透镜或非球面透镜组，检测传感器72可以设置为面阵cmos传感器或面阵ccd传感器。带通滤波器73可以是吸收式的滤光片，也可是反射式的滤光片。

如图8所示，实施例四提供了一种实时检测装置，与实施例三的不同之处仅在于，该荧光检测部件70中包括了多组带通滤波器73，多组带通滤波器73可切换地设置在荧光会聚透镜71和检测传感器72之间，通过任意一个带通滤波器73对荧光会聚透镜71会聚的荧光进 行滤波，检测传感器72用于检测经带通滤波器73滤波后的荧光。如此可通过调节不同的带通滤波器73以获取不同波段的荧光，并对不同波段的荧光进行检测。

具体地，该荧光检测部件70还包括支架74和电机75，其中，多组带通滤波器73均设置在支架74上，电机75与支架74驱动连接，电机75驱动支架74转动以在需要时，对多组带通滤波器73进行切换。

通过本发明提供的实时检测装置，可将现有qpcr的反应时间由1到2小时缩短至5到20分钟，如此可极大缩短反应时间，提高分析速度。并且该装置结构简单、整体体积小，方便工作人员使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。