一种基于纳米金加热的数字PCR芯片及检测装置

一种基于纳米金加热的数字pcr芯片及检测装置
技术领域
1.本实用新型涉及数字式聚合酶链式反应技术领域，具体涉及一种基于纳米金加热的数字pcr芯片及检测装置。


背景技术：

2.数字聚合酶链式反应（digital polymerase chain reaction，dpcr）是新一代核酸分子绝对定量检测技术，它将样本溶液分散到数万个反应单元中，使每个反应单元中含有一个或不含有目标核酸分子。之后，每个单元可以作为单独的反应体系对目标分子进行扩增并产生荧光信号，通过对每个单元的荧光信号进行统计即可实现目标核酸分子的准确定量检测。由于dpcr技术灵敏度高、特异性强、准确性好，可广泛应用于临床诊断、环境微生物检测等多个领域。
3.dpcr扩增过程主要由高温条件下核酸的变性-低温条件下核酸的退火-及延伸三个步骤构成，反应单元通过在高温区和低温区循环往复加热即可实现核酸信号的放大。因此，dpcr过程中实现对温度的精准、快速控制尤为重要。现有的检测方法通常采用pcr扩增仪完成核酸扩增，然而目前市场上pcr仪器控温时多使用加热模块、风扇散热模块、精密控温模块等部件，使得升降温时需要较长时间，制约了检测速度，且pcr仪器体积大、便携性差。因此，实用新型一种检测高效、温控精度高且便于携带的pcr检测装置十分重要。
4.纳米金具有良好的光热特性，在特定激光照射下产生光热效应，温度可在较短的时间内迅速升高，为pcr热循环提供了温度保障。因此，有必要提出的一种基于纳米金加热的数字pcr芯片，以实现对核酸的快速、高效和便携检测。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，有必要提供一种基于纳米金加热的数字pcr芯片及检测装置。
6.本实用新型第一方面提供一种基于纳米金加热的数字pcr芯片，包括由上基板和下基板组成的芯片本体，所述上基板设置有利用微流道依次连通的液滴生成单元、温度循环单元和荧光检测单元；
7.所述下基板用于芯片本体的密闭封装；
8.所述液滴生成单元，用于液滴的生成，设置用于样液进入的进液口和用于液滴流出的液滴出口；所述液滴出口连通所述温度循环单元的蛇形流道入口；
9.所述温度循环单元，包括高低两个温区和蛇形流道；
10.所述高低两个温区为在所述上基板上上下排列设置两个温区槽，并在两个温区槽中内嵌不同浓度的纳米金形成；其中，高浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成高温区，低浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成低温区；
11.所述蛇形流道，由多个设置在所述上基板底面并上下排列的u型流道组成；其中，上部的u型流道内嵌于高温区的温区槽，下部的u型流道内嵌于低温区的温区槽，且流道底壁敞开设置，位于两个温区的u型流道按照一高一低的温度间隔依次连通进行温度循环，且
位于高温区的第一个u型流道的入口作为温度循环单元的蛇形流道入口，位于低温区的最后一个u型流道的出口作为温度循环单元的蛇形流道出口；
12.所述荧光检测单元，包括设置在所述上基板顶面的出样口，以及设置在所述上基板底面，用于进行荧光统计的液滴阵列存储腔；所述液滴阵列存储腔的入口连通所述温度循环单元的蛇形流道出口，所述液滴阵列存储腔的出口连通所述出样口。
13.基于上述，所述上基板和所述下基板均为采用硅质材料制成的基板。
14.基于上述，高浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成高温区的温度为85-98℃，低浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成低温区的温度为50-72℃。
15.基于上述，温度循环的次数为20-40次。
16.本实用新型第二方面提供一种基于纳米金加热的数字pcr检测装置，包括所述的基于纳米金加热的数字pcr芯片、激光灯、储液池、废液池、负压泵；
17.所述激光灯设置在数字pcr芯片的两个温区上方，用以提供照射光线；
18.数字pcr芯片的液滴生成单元的进液口连通所述储液池；
19.数字pcr芯片的荧光检测单元的出样口连通所述废液池，所述废液池连通所述负压泵。
20.基于上述，所述储液池包括水相储液池和油相储液池；
21.数字pcr芯片的液滴生成单元包括设置在所述上基板顶面并作为进液口的第一进样口和第二进样口，设置在所述上基板底面的第一微流道和第二微流道；
22.所述第一微流道和所述第二微流道相交，且相互连通形成十字型结构；所述第一微流道的两端与所述第一进样口连通，所述第二微流道的一端与所述第二进样口连通，所述第二微流道的另一端作为所述液滴出口；
23.所述水相储液池连通所述第二进样口，所述油相储液池连通所述第一进样口。
24.本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说：
25.1、本实用新型通过设置只需激光照射即可实现温控的温度循环单元，将纳米金光热效应与生物芯片相结合，温控精度高，为pcr热循环提供了温度保障，解决了传统pcr装置升降温时需要较长时间，从而制约检测速度的问题；
26.2、本实用新型的温度循环单元通过设置蛇形流道，再结合纳米金光热效应，充分发挥二者的优势，实现检测所需的多次温度循环。
附图说明
27.图1是本实用新型数字pcr芯片的整体结构示意图。
28.图2是本实用新型数字pcr芯片的俯视图。
29.图3是本实用新型数字pcr芯片的蛇形流道剖面图。
30.图4是图2的b-b剖面示意图。
31.图5是本实用新型数字pcr检测装置的结构示意图。
32.图中：纳米金a；上基板1；下基板2；液滴生成单元3；温度循环单元4；荧光检测单元5；第一进样口6；第二进样口7；第一微流道8；第二微流道9；激光灯10；高温区11；低温区12；高温区的第一个u型流道13；低温区的第一个u型流道14；低温区的最后一个u型流道15；出样口16；液滴阵列存储腔17；废液池18；负压泵19；水相储液池20；油相储液池21。
具体实施方式
33.为了使本实用新型的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
34.实施例1
35.如图1-4所示，本实施例提供一种基于纳米金加热的数字pcr芯片，包括由上基板1和下基板2组成的芯片本体，所述上基板1设置有利用微流道依次连通的液滴生成单元3、温度循环单元4和荧光检测单元5；所述下基板2用于芯片本体的密闭封装。具体的，所述上基板1和所述下基板2的尺寸均为90mm
×
40mm
×
5mm，均采用硅质材料（pdms聚合物）制成。
36.所述液滴生成单元3，用于液滴的生成，设置用于样液进入的进液口和用于液滴流出的液滴出口；所述液滴出口连通所述温度循环单元4的蛇形流道入口；
37.具体的，所述液滴生成单元3包括设置在所述上基板1顶面并作为进液口的第一进样口6和第二进样口7，设置在所述上基板1底面的第一微流道8和第二微流道9；所述第一微流道8和所述第二微流道9相交，且相互连通形成十字型结构；所述第一微流道8的两端与所述第一进样口连通，所述第二微流道9的一端与所述第二进样口7连通，所述第二微流道9的另一端作为所述液滴出口；
38.进一步地，第一进样口6和第二进样口7的内径均为5mm，所述第一微流道8和所述第二微流道9的宽度和深度均为150μm。
39.所述温度循环单元4，包括高低两个温区和蛇形流道；所述高低两个温区为在所述上基板1上上下排列设置两个温区槽，并在两个温区槽中内嵌不同浓度的纳米金a形成；其中，高浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成高温区11，低浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成低温区12；优选地，高浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成高温区11的温度为85-98℃，低浓度纳米金所在的温区槽在有激光照射时形成低温区12的温度为50-72℃；
40.所述蛇形流道，由多个设置在所述上基板底面并上下排列的u型流道组成；其中，上部的u型流道内嵌于高温区的温区槽，下部的u型流道内嵌于低温区的温区槽，且流道底壁敞开设置，位于两个温区的u型流道按照一高一低的温度间隔依次连通进行温度循环，且位于高温区的第一个u型流道13的入口作为温度循环单元的蛇形流道入口，位于低温区的最后一个u型流道15的出口作为温度循环单元的蛇形流道出口；
41.具体的，第二微流道9的出口与高温区的第一个u型流道13的入口连通，液滴在高温区域进行加热，u型流道13的出口与低温区的第一个u型流道14的入口连通，液滴在低温区域进行加热后即完成一次完整的温度循环。u型流道14的出口与高温区的第二个u型流道的入口连通，随后液滴进入高温区域继续进行加热反应，直至液滴从低温区的最后一个u型流道15的出口流出。液滴在多个高温区域和低温区域的u型流道中交替循环加热即可完成若干次温度循环，温度循环的优选次数为20-40次。本实施例中的蛇形流道的u型流道的宽度和深度均为150μm。
42.所述荧光检测单元5，包括设置在所述上基板1顶面的出样口16，以及设置在所述上基板1底面，用于进行荧光统计的液滴阵列存储腔17；所述液滴阵列存储腔17的入口连通所述温度循环单元的蛇形流道出口，所述液滴阵列存储腔17的出口连通所述出样口16。具
体的，所述出样口16的内径为5mm，所述液滴阵列存储腔17的尺寸为15mm
×
15mm
×
150μm，使得可以容纳液滴的单层排布。
43.实施例2
44.如图5所示，本实施例提供一种基于纳米金加热的数字pcr检测装置，包括实施例1所述的基于纳米金加热的数字pcr芯片、激光灯10、水相储液池20、油相储液池21、废液池18、负压泵19；所述激光灯10设置在数字pcr芯片的两个温区上方，用以提供照射光线；数字pcr芯片的液滴生成单元3的第一进样口6连通所述油相储液池21，数字pcr芯片的液滴生成单元3第二进样口7连通所述水相储液池20；数字pcr芯片的荧光检测单元5的出样口16连通所述废液池18，所述废液池18连通所述负压泵19。
45.本实施例中，在负压泵19的作用下，水相储液池20和油相储液池21中的反应体系与油相进入液滴生成单元3生成液滴，液滴在进入温度循环单元4完成若干次温度循环之后，进入荧光检测单元5进行荧光统计，最后收集入废液池18。
46.实施例3
47.本实施例以agv2的定量检测说明基于纳米金加热的数字pcr检测装置的具体应用。
48.（1）下载agv2的vp2基因保守序列，并对探针引物组进行设计，其中agv2特异性引物及序列如下：引物名称为agv2-f，序列是gacgatggaggagtcactggtt；
49.（2）反应体系由以下成份组成：数字pcr专用酶ddpcr supermix for probe 10μl，浓度为600nmol/l上下游引物各1μl，对应浓度为150nmol/l的探针1μl，模板2μl，最后加ddh2o补足20μl。油相采用氟化油；
50.（3）反应体系与油相分别从第一进样口6和第二进样口7进入液滴生成单元3，利用流动聚焦技术在液滴生成单元3的十字型结构处形成液滴。打开负压泵19，负压泵19提供负压使液滴能够流入数字pcr芯片内完成反应。打开激光灯10，在光线的照射下纳米金产生光热效应形成高低温区。液滴进入温度循环单元4中的蛇形流道，在蛇形流道中经过若干次温度循环之后，液滴从蛇形流道的出口流入到液滴阵列存储腔17的入口，到达荧光检测单元5使用488nm激发光照射检测反应结果，统计阳性小室的数目。利用泊松分布原理即可计算出待检测目标初始模板的分子数目。