一种PCR的检测系统的制作方法

一种pcr的检测系统
技术领域
1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种pcr的检测系统。


背景技术：

2.基于pcr技术的分子诊断是医疗检测机构在诊断各种细菌、病毒、基因突变时常用的重要医疗工具之一。例如，当前席卷全球、患病人数超过5亿的新型冠状病毒的核酸检测排查，其主要检测方式就依赖于pcr技术，从而进行冠状病毒的判断。pcr是利用体外环境，通过扩增dna模板的方式以产生特定dna片段中的一种技术，其过程离不开一个需要循环调节扩增环境温度的过程。每个循环中，首先需要将pcr液体反应物加热至90℃以上进行变性，然后又将温度冷却至50℃至65℃之间进行退火，接着需要再一次升温到70℃-75℃以完成延伸，这些步骤不断循环，直至满足多核苷酸的扩增需要。pcr的效率和成功率与其温度切换的速度和控制的精准度有直接关联。
3.现有pcr设备中，以核酸检测常用的设备为例，通过导热架承载一定数量的带盖反应管，而液体反应物装放在反应管内；通过对导热架的升温实现对反应管的加热；在加热过程中，反应管被温度更高的导热架所包围。在温度控制过程中，需检测实时温度以便进行控制，然而基于现有技术，只能检测导热架的温度，而无法检测液体反应物的实际温度，甚至是液体反应物正对反应管部分的温度也无法测量；这一类现有设备通常只能依赖预设的经验数据，利用时间进行控温，这导致温度的控制波动大，与实际需求温度存在较大差异；同时，为了均匀加热和避免过度超温，其升温过程还需要进一步放缓。还有通过热空气进行升温的设备也一样，由于热空气的干扰，其对温度的测量始终是一个估算值，这导致温度的控制精度差，且空气升温速度慢。进一步，无论是高温的导热架还是热空气，都对周边设备造成了不必要的热残留，这种热残留除了干扰准确的测温外，还使得冷却的时间被大幅度延长。在对反应管冷却的过程中，为了稳定实现冷却，设备必须先对被额外加热的周边设备进行冷却，令整个加热环境内的温度同步下降，这使得冷却时间由于额外的热能量被延长。在实验室检测过程中pcr效率低的问题并不突显，但应用在临床，特别是病毒的疾控下，pcr的效率直接关系着防控的成败，因此提高pcr的效率非常重要。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种pcr的检测系统，用于解决如何提高pcr检测过程的有效性和效率的问题。
5.本实用新型采取的技术方案是，一种pcr的检测系统，包括：设有多个反应单元的反应装置；所述反应单元包括反应室和连通所述反应室的注入口和排出口，所述反应室至少有一个朝向所述反应装置同一侧的透光外露的采集面，以及避让所述采集面的热转换层；第一能量源，用于为反应单元的加热提供能量，包括使热转换层发热；冷却装置，用于对反应单元进行降温；测温装置，用于检测所述反应室内的温度；光学检测装置，用于检测反应单元中的光信号；控制器，与第一能量源、冷却装置、测温装置和光学检测装置电相连，控
制pcr的运行。
6.每个反应单元对应于一个pcr反应体系，反应装置中的多个反应单元能同时进行pcr；反应室用于提供足够空间使待测样品进行pcr扩增；注入口用于注入液体反应物；光学检测装置用于检测反应室内的荧光信号；控制器通过控制第一能量源、冷却装置和测温装置调节pcr的过程的温度，通过光学检测装置快速采集液体反应物的反应信息；第一能量源发出的能量在被热转换层吸收后能转化为热能；采集面至少能用于配合光学检测装置对反应室内进行检测。
7.每个反应单元的反应室都具有热转换层，在第一能量源的作用下，热转换层高效地将第一能量源发出的能量转化为热能，从而实现反应室的局部加热；而作用于其他部件时，对其他部件造成的发热量远低于热转换层，降低了对其他部件的热干扰，使得降温时无需为消除周边部件的热辐射而先对整体进行降温，提升了温度调节的速度。各个反应单元中的热转换层与反应室的尺寸匹配度高，发热集中，热传递路径短，有效减少热量散失，提升了温度调节速度。局部加热使得热转换层对反应室周边的热影响少，测温装置能在加热间断的过程中直接对反应室进行精准精确的测温，相比传统的环境测温能更精确获取pcr反应的实际温度，使得温度控制更精确，从而提高pcr效果和pcr效率。通过提高反应室的升温速度，降低整体散热所需的时间，使反应室满足实际温度的精确测量，从而提升pcr的反应效率和整体的检测速度。
8.所述反应单元还包括微流通道，所述反应室通过所述微流通道分别与所述注入口和所述排出口相连通；所述注入口和所述排出口上设有容池。
9.排出口至少用于排出反应室空气加速液体反应物进入反应室的速度；微流通道用于引导液体反应物的均匀流动；注入口容池至少为微流通道提供反应液流入缓冲空间。
10.微流通道能使液体反应物的流动更稳定，减少流动过程中的气泡产生；微流通道中注入口的连通口高于反应室的连通口，且该段流至反应室过程的微流通道短，能使注液过程中，液体反应物能在重力的加速作用下，在更短的路径上快速地进入反应室内，减少注液的时间；作为优选，所述输出口至所述反应室的微流通道长度比所述注入口至所述反应室的微流通道长度长；而微流通道中排出口的连通口高于反应室的连通口且该段微流通道长是为了当微流通道存有液体反应物时，液体反应物的存放在重力作用下更稳定，而且能容纳的液量更大，减少溢出的可能。
11.所述反应室包括相互平行且位置相对的透光板、导热板，以及连接所述透光板和所述导热板的侧板，所述采集面设置在透光板上；所述热转换层设置在导热板上。
12.液体反应物在透光板和导热板之间铺开，形成大的检测面，方便后续检测；另一方面，在反应室的限制下，铺开后的液体反应物厚度均匀变薄，从而能地实现整个反应室内的液体反应物大面积受热，被快速加热的同时更能使光信息更容易被采集。
13.所述导热板外壁上设有电磁辐射转热膜，所述热转换层为设置在所述导热板外壁上的电磁辐射转热膜；所述第一能量源为作用于导热板的电磁辐射装置。
14.电磁辐射转热膜能高效地将通过电磁辐射装置提供的能量转化为热能，透过导热板对反应室内的液体反应物进行加热；从而提高了发热的针对性，使得升温速度快，热影响范围小，保证了加热的效率和速度。电磁辐射转热膜位于反应室的外部，使得电磁辐射转热膜容易固定，添加的方式多样，成本低；而且在利用无接触式测温工具时，能实现测温、检测
和加热的同时进行。
15.所述导热板至少包括高分子材料和电磁辐射转热材料制成，在所述导热板内形成热转换层；所述导热板远离所述透光板的一面为外路面，进一步，所述导热板为电磁辐射转热材料复合而成；所述第一能量源为作用于导热板的电磁辐射装置。
16.电磁辐射装置能隔空释放能量，与导热板之间无需直接接触或连接线缆，使得位置设置更灵活，方便移动和局部性的区域供能，而且对其他部件产生的发热效果很低，即使产生发热也能在电磁辐射装置停止作用后快速降温，能量传输的指向性强。高分子材料使得电磁辐射能量能进入导热板内，并作用于导热板内部电磁辐射转热材料，将所述导热板变成热转换层，更快更高效地对反应室进行加热。
17.所述测温装置为红外测温仪，所述电磁辐射转热膜与所述导热板之间还设有朝向所述透明板的反光层。
18.反光层提供有朝向透明板一侧的反光面，反光面通过反射作用增大了光信号的输出，增强反应室中的光信息，使得较弱的或离光学检测装置较远的光信号依然能被强化和获取，从而清晰准确地捕抓荧光标记，提升采集的精度和灵敏度。红外测温仪能在采集面的配合下，直接测量反应室内液体反应物的温度，实时监测并准确获取反应室内的温度有助于提高温度控制的精准度，避免超温对pcr造成的不良影响。
19.所述光学检测装置设置在所述反应装置的上方且正对所述透光板；所述第一能量源设置在所述反应装置的下方且正对所述导热板；所述冷却装置设置在所述反应装置的一侧，所述第一能量源与所述导热板之间留有风道，所述冷却装置从侧面通过风道作用于所述反应室。
20.风道用于引导冷却风的流向；上方的光学检测装置、下方的第一能量源和一侧的冷却装置的组合在功能和位置上互不干扰且形成合理的分布，无需通过移动进行位置调节以配合功能的实施。风道能引导冷却风集中并快速地带走导热板上的热量，并同时加速第一能量源的散热。
21.所述微流通道上设有微流阀门，所述微流阀门包括：阀腔；连接通道，连通所述微流通道和所述阀腔；磁性封堵体，设置在所述阀腔内；第二能量源，作用于所述阀腔。
22.阀腔用于预存磁性封堵体，在微流通道上形成与外部磁性封堵体之间的分隔；连接通道能是具有一定长度的导管，又或者是阀腔与微流通道连通后形成的开口；在不直接接触磁性封堵体的前提下，利用外部作用使磁性封堵体发生熔化，从而满足通过连接通道进入微流通道的需求。微流阀门结构简单，用于控制阀开关功能的部件与用于封堵微流通道的部件能完全分离，使得微流阀门的尺寸能大幅度缩小。
23.所述磁性封堵体为包括电磁辐射转热材料、磁性材料粉末以及热熔体的三种材料复合形成，所述第二能量源为电磁辐射源，所述微流通道与所述微流阀门位置相对的一侧设有磁性驱动件。
24.电磁辐射发热材料粉末能吸收电磁辐射实现磁性封堵体的快速加热，相比传统的接触式加热，利用磁性封堵体内的电磁辐射发热材料粉末配合电磁辐射源的好处在于，相比于现有技术接触式加热，例如电阻加热，必须先将阀腔进行加热，再利用阀腔的热传递对磁性封堵体进行加热；而阀腔多为高分子材料，其导热性能低，以至于阀腔的耐受温度需要远高于磁性封堵体，而且温度控制需要精确控制，否则很容易损坏阀腔，这导致材料成本和
温度控制成本高；本技术电磁辐射源对阀腔及周边设备的温度影响小，而复合电磁辐射发热材料粉末后的磁性封堵体热转换后，自身发热速度快，热转换远高于周边设备，解决了阀腔对耐高温的需求；同时电磁辐射发热源多样，能在无接触下实现传递，使得第二能量源位置设计灵活，影响范围可控，还极大地缩短了触发的效率。
25.所述电磁辐射发热粉末为光热转换材料的粉末，所述磁性材料粉末为具有铁磁性材料的粉末；所述第一能量源和第二能量源为发射波长为200nm至3μm范围内的电磁辐射源；所述热熔体为蜡。
26.所述磁性材料包括但不限于cro2、铁氧体、fe3o4、fe2o3、铁、smco
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、smco5、ndfeb、磁粉及其组合。
27.所述热熔体为一种或多种蜡及其组合；或50℃-100℃范围内的聚合物。
28.所述第一能量源和第二能量源包括但不限于钨灯、卤素灯、led、led阵列、激光器及其组合中。
29.所述电磁辐射转热材料包括但不限于金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺、聚多巴胺及其组合。
30.磁性材料粉末受外部的磁吸作用下能隔着阀腔带动磁性封堵体，控制磁性封堵体的移动，从而实现微流阀门的远程控制。
31.所述反光层包括但不限于铂膜、金膜、银膜、铜膜、铝膜、金属反光层。
32.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：较于整个检测系统而言，反应室具有相对独立的热转换层，能实现反应室的局部加热，提高了升温控制；进一步地，采用需要转化才能明显发热的能量，也降低了对其他部件的热干扰，缩短降温时间。反应室受热集中，升温过程能有效减少热量散失，提升了温度控制准确性和升降温速度。且加热和测温互不干扰，能准确测量反应室内部温度，使得温度控制更精确。通过提高反应室的升温速度、降低整体散热所需的时间，显著提升pcr效率，也使反应室满足实际温度的精确测量，整体提升pcr的反应效率和整体的检测速度。
附图说明
33.图1为本实用新型的位置配合示意图。
34.图2为本实用新型中光学检测装置的工作示意图。
35.图3为本实用新型中反应装置的俯视图。
36.图4为本实用新型中反应室的侧面示意图。附图标记说明：反应装置001，反应单元100，反应室110，透光板111，导热板112，采集面114，注入口120，排出口130，微流通道140，容池150，微流阀门160磁性驱动件180，第一能量源002，热转换层200，冷却装置003，光学检测装置005。
具体实施方式
37.本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
38.实施例1
39.本实施例是一种pcr的检测系统，包括：设有多个反应单元100的反应装置001；所述反应单元100包括反应室110和连通所述反应室的注入口120和排出口130，所述反应室110至少有一个朝向所述反应装置001同一侧的透光外露的采集面114，以及避让所述采集面114的热转换层200；第一能量源002，用于为反应室110的加热提供能量，包括使热转换层发热；冷却装置003，用于对反应室110进行降温；测温装置，用于检测反应室110内的温度；光学检测装置005，用于检测反应单元100中的光信号；控制器，与第一能量源002、冷却装置003、测温装置和光学检测装置005电相连，控制pcr的运行。
40.反应单元100还包括排出口130，反应室110通过微流通道140分别与注入口120和排出口130相连通；微流通道140倾斜设置且连通注入口120或排出口130的一端高于连通反应室110的一端；输出口至反应室110的微流通道140长度比注入口120至反应室110的微流通道140长度长；注入口120和排气口上设有容池150。反应室110至少包括相互平行，位置相对且透光的透光板111、导热板112，以及连接透光板111和导热板112的侧板，采集面114设置在透光板111上。
41.导热板112远离透光板111的一面为外露面，导热板112为透明高分子材料复合电磁辐射转热材料制成；第一能量源002为作用于导热板112的电磁辐射装置。电磁辐射装置能发射波长为200nm至3μm范围内的电磁辐射；电磁辐射转热材料能是一定数量的包含在导热板112内部的电磁转热材料粉末，具体是感光材料粉末，能与导热板112形成一体。具体地，电磁辐射装置能是钨灯、卤素灯、led、激光器及其组合；感光材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭粉末、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺和聚多巴胺及其组合等；当采用led阵列时，电磁辐射发热材料粉末能是均匀分布的炭粉末。
42.测温装置为红外测温仪，导热板112上设有朝向透光板111的反光面。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。
43.微流通道140上设有微流阀门160，微流阀门160包括：阀腔；连接通道，连通微流通道和所述阀腔；磁性封堵体，设置在阀腔内；第二能量源，作用于阀腔。磁性封堵体为电磁辐射转热材料粉末、磁性材料粉末、热熔体复合形成，第二能量源为电磁辐射源，微流通道140与所述微流阀门位置相对的一侧设有磁性驱动件180。电磁辐射转热粉末为光热转换材料的粉末，磁性材料粉末为具有铁磁性材料的粉末；第一能量源002和第二能量源为发射波长为200nm至3μm范围内的电磁辐射源；热熔体为蜡。
44.实施例2
45.本实施例是一种pcr的检测系统，包括：设有多个反应单元100的反应装置001；所述反应单元100包括反应室110和连通所述反应室的注入口120和排出口130，所述反应室110至少有一个朝向所述反应装置001同一侧的透光外露的采集面114，以及避让所述采集面114的热转换层200；第一能量源002，用于为反应室110的加热提供能量，包括使热转换层200发热；冷却装置003，用于对反应室110进行降温；测温装置，用于测量反应室110内的温
度；光学检测装置005，用于检测反应单元100的光信号；控制器，与第一能量源002、冷却装置003、测温装置和光学检测装置005电相连，控制pcr的运行。
46.每个反应单元100针对一个液体反应物，反应装置001中的多个反应单元100能同时进行pcr；反应室110用于提供足够空间使待测样品进行pcr扩增；注入口120用于注入液体反应物；光学检测装置005用于检测反应室110内的荧光信号；控制器通过控制第一能量源002、冷却装置003和测温装置调节pcr的过程的温度，通过光学检测装置005快速采集液体反应物的反应信息；第一能量源002发出的能量在被热转换层200吸收后能转化为热能；采集面114至少能用于配合光学检测装置005对反应室110内进行检测。反应装置001能是一次性用品，包括平板状的基体；多个反应单元100在反应装置001上整齐排列，其注入口120位于同一侧，反应室110位于另一侧；反应室110为基体内的一个空腔；反应室110的上表面和下表面外露；采集面114设置在上表面上，热转换层200与下表面相连。
47.光学检测装置005设置在反应室110的正上方，至少覆盖所有的反应室110的上表面；光学检测装置005包括激发装置，激发装置包括激发光源，激励滤光片，二向色滤光片，发射滤光片，光学透镜和数码相机，激发光源为同轴平行光源，能产生特定波长辐射，引导并激发反应复合物中的荧光探针，激发光源能是光电倍增管、光电二极管、cmos或ccd。温度检测装置能是热电偶、热敏电阻的接触式温度传感器、红外温度传感器等，能通过穿透采集面114或紧贴反应室110表面的方式进行测温。反应单元100还包括排出口130，反应室110通过微流通道140分别与注入口120和排出口130相连通；微流通道140倾斜设置且连通注入口120或排出口130的一端高于连通反应室110的一端；输出口至反应室110的微流通道140长度比注入口120至反应室110的微流通道140长度长；注入口120和排气口上设有容池150。
48.排出口130至少用于排出空气加速液体反应物进入反应室110的速度；微流通道140用于引导液体反应物的均匀流动；注入口侧容池150可用于预存进入注入口120的液体反应物。微流通道140包括注入段，连通注入口120和反应室110上部；排出段，连通排出口130与反应室110下部；注入口120与注入段位于反应单元100的一侧，排出段与排出口130位于反应单元100的另一侧；反应室110设置在注入口120与排出口130之间。容池150设置在注入口120和排出口130的上方，能是漏斗形，又或者是底面为梯形的棱柱，又或者是中空的圆柱。
49.反应室110至少包括相互平行、位置相对且透光的透光板111、导热板112，以及连接透光板111和导热板112的侧板，采集面114设置在透光板111上。反应室110、微流通道140为基体内部的镂空结构；反应室110为柱体，透光板111和导热板112分别对应柱体的上底面和下底面，反应室110的容积为10μl至30μl，透光板111和导热板112之间的距离为0.05mm至2mm；透光板111和导热板112的厚度为50μm至500μm，透光板111为高分子透明板。导热板112远离透光板111的一面为外露面，热转换层200为设置在外露面上的电磁辐射转热膜；第一能量源002为作用于的电磁辐射装置。
50.电磁辐射装置能发射波长为200nm至3μm范围内的电磁辐射；电磁辐射转热膜能是感光材料制得或含有感光材料的膜，能通过附着、沉积、涂抹、复合等方式从外部紧贴反应室110。具体地，电磁辐射装置能是钨灯、卤素灯、led、激光器及其组合；当采用led阵列时，电磁辐射转热膜能是石墨烯薄膜，感光材料包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、涂料、炭粉末、石墨、碳纳米管、石墨烯、聚酰亚胺、聚吡咯、聚苯胺和聚多巴胺及其组合等。测温装置为红
外测温仪，导热板112上设有朝向透光板111的反光面。
51.导热板112为透明的高分子板，反光面能设置在电磁辐射转热膜靠近导热板112的一面；又或者是在导热板112靠近电磁辐射转热膜的一面；反光面能是铝膜、铂膜和金膜形成。红外测温仪能为短波红外测温仪。光学检测装置005设置在反应装置001的上方且正对透光板111；第一能量源002设置在反应装置001的下方且正对导热板112；冷却装置003为风机且设置在反应装置001的一侧，第一能量源002与导热板112之间留有风道，冷却装置003从侧面通过风道作用于反应室110。
52.风道用于引导冷却风的流向；光学检测装置005至少覆盖反应装置001上的所有的透光板111；第一能量源002通过调节，将能量集中覆盖所有的导热板112，且覆盖范围与导热板112的区域一致。冷却装置003设置在导热板112靠近反应装置001边缘的一侧。微流通道140上设有微流阀门160，微流阀门包括：阀腔；连接通道，连通微流通道140和阀腔；磁性封堵体，设置在阀腔内，受热熔化前尺寸大于连接通道；磁性封堵体受热熔化后通过连接通道进入微流通道140且阻断磁性封堵体两侧的连通。
53.阀腔用于预存磁性封堵体，在微流通道140上形成与外部磁性封堵体之间的分隔；连接通道能是具有一定长度的导管，又或者是阀腔与微流通道140连通后形成的开口；外部作用指直接作用于磁性封堵体的光、声、磁、热等使磁性封堵体熔化。具体地，磁性封堵体能是各种蜡，或熔点温度在50℃-100℃范围内的聚合物。
54.阀腔能是透明材料制成的容器。磁性封堵体由蜡复合电磁辐射转热材料粉末和磁性粉末制成，粉末的颗粒尽可能细，粉末颗粒在蜡中分布均匀。还设有作用于阀腔的第二能量源。磁性材料粉末能带动磁性封堵体移动；第二能量源能使混有电磁辐射转热材料粉末的磁性封堵体快速熔化的同时，对周围设备例如阀腔的影响少。第二能量源能是激光加热装置或红外加热装置或光源。
55.微流通道140与微流阀门160位置相对的一侧外设有驱动磁性件的磁性驱动件180，磁性驱动件180具体能是磁条。磁性材料粉末能是具有铁磁性的材料制成，能是铁磁颗粒和磁性颗粒中的至少一种，包括但不限于cro2粉末、铁氧体粉末、fe3o4粉末、fe2o3粉末、铁粉末、smco17磁粉、smco5磁粉和ndfeb磁粉。电磁辐射转热材料粉末能由感光材料制成。具体地，磁性材料粉末为均匀分布的铁氧体颗粒；电磁辐射转热材料粉末为均匀分布的碳粉末；热熔体为石蜡。
56.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。