专利名称：压电基因诊断实时定量分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于体外基因诊断的检测仪器。
背景技术：
绝大多数疾病的发生发展都与患者遗传背景或者其改变有关，基因诊断是指运用基因分析对疾病做出诊断的方法。基因诊断的对象首先是病原生物的侵入，直接检测病原生物的遗传物质可以大大提高诊断的敏感性和特异性，而且在无法得到商业化抗体时，基因诊断就成为检测病原微生物感染，尤其是病毒感染的唯一手段；其次是先天遗传性疾患，一些发病原因确定的遗传性疾患和其它病因尚不清楚的疾病都可能与某个或某些基因的持有或改变有关；再者是后天基因突变引起的疾病，例如肿瘤的发生可以初步认为是由于个别细胞基因如抑癌基因或癌基因发生突变而引起的细胞无限增殖；其它如DNA指纹、个体识别、亲子关系识别、法医物证等。基因诊断不仅对临床诊断，而且对疾病的病因和发病机理的研究、为病人检测疗效，分析愈后，客观正确地评价人体的健康状况都具有重要的意义。基因诊断技术的应用，使许多疑难病的诊断变得简便、精确，避免了临床上有些病症靠经验指导治疗的盲目性，达到了最早、最有效、最经济的治疗目的。
实时荧光定量PCR技术于1996年提出，它具有特异性更强、有效解决PCR污染问题、自动化程度高等特点，目前已得到广泛应用。美国AppliedBiosystems公司1999年公开的“DNA/RNA Real-Time Quantitative PCR-Rev.A&B”报告，介绍了实时荧光定量PCR技术的原理和特点。所谓实时荧光定量PCR技术，是指在PCR反应体系中加入荧光探针，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
另外，近年出现的基因压电基因诊断芯片技术也可望应用于基因诊断。基因压电基因诊断芯片技术是指将大量基因探针分子(基因探针阵列)固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，实现对基因的准确、快速、大信息量的检测。基因压电基因诊断芯片技术解决了传统核酸印迹杂交技术操作繁杂、自动化程度低、操作序列数量少、检测效率低等不足。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的基因诊断应用。《生物工程进展》1999，Vol.19(No.4)45-51发表的“基因压电基因诊断芯片技术及应用研究进展”文章，综述了国内外对基因压电基因诊断芯片技术在加工制备、功能和应用方面的主要研究成果。现有基因压电基因诊断芯片技术一方面基因压电基因诊断芯片的制备主要是采用固相原位合成结合照相平板印刷的技术在玻璃片等载体上合成、固定探针分子阵列；另一方面基因压电基因诊断芯片的检测主要是利用荧光素等标记靶基因，借助激光共聚焦显微扫描技术或电荷藕合器件摄像技术对压电基因诊断芯片上杂交靶基因的荧光信号进行检测和分析。
上述实时荧光定量PCR和基因压电基因诊断芯片技术，一方面，均是采用荧光检测，需要大型复杂、精密昂贵的检测设备，同时需要较长时间(3-4小时)，即需在多次(15次以上)扩增循环后，或完成杂交反应后进行检测，而且影响分析结果准确性的因素较多，难以控制把握，易产生假阳性结果，并且需对靶基因或探针进行荧光标记，增加了消耗试剂成本；另一方面，一次分析过程包括多步操作，尤其是包括样品预处理、靶基因获取和标记等，操作繁琐，整个分析系统难以集成化、自动化和小型化。这些缺陷是目前推广普及基因诊断技术的难以逾越的障碍。
实用新型内容鉴于此，本实用新型的目的是针对现有基因诊断技术存在的音问题，提供一种准确灵敏、快速高效、自动简便、成本低廉的压电基因诊断实时定量分析仪。
为达上述目的，本实用新型基于多重PCR技术同时扩增多种靶基因技术，和基因压电基因诊断芯片与压电传感器阵列技术相结合的压电基因诊断芯片技术，将样品处理、进样检测、结果分析等基因诊断分析的各个模块集成于一个系统，采用微机和自动程序控制进行基因诊断定量分析和动态显示各环节信息，构建成压电基因诊断实时定量分析仪。
本实用新型的压电基因诊断实时定量分析仪(参见附图1、2)，包含壳体(10)，壳体上的控制面板、显示器，壳体中的电源(20)及其相联接的电路、微型计算机的主板模块(60)、分析软件，其特征在于壳体中有与电路和主板模块相联接的能一次提取至少一个临床DNA样品的样品制备模块(30)，与样品制备模块相接的选择并输送样品的定位液流模块，与定位液流模块相接的扩增并检测靶基因的压电基因诊断芯片检测模块(50)，该压电基因诊断芯片检测模块有微体积流通型检测池(52)和封装在其中的由压电基因传感器阵列构成的压电基因诊断芯片(51)且有在检测池上的半导体加热与制冷器件及其相联接的温度控制器(53)。
上述的样品制备模块(30)有2-100个、容积为0.2-2cm3的盛装溶液的微孔的微孔板(31)，有由加热与制冷器件及其相联接的温度传感器构成的温度控制器(32)。
上述的定位液流模块有由驱动机驱动的机械臂(41)及其相连的吸针(42)、蠕动泵(43)、压电基因诊断芯片检测模块(50)、废液储存瓶(47)依次连通，压电基因诊断芯片检测模块的进口和出口分别有液位传感器(44、45)。
使用本实用新型的压电基因诊断实时定量分析仪(参见附图)，首先，根据临床诊断对象，选择相应的压电基因诊断检测模块和基因诊断试剂，将压电基因诊断芯片检测模块置入压电基因诊断实时定量分析仪中，将配备好的样品溶液和标准溶液加入基因诊断试剂的试管置入样品制备模块。然后，通过分析软件设置标准溶液浓度、样品序列及其待检靶基因组、以及样品制备、定位液流和压电基因诊断芯片检测模块的参数。最后，由程序控制自动实施并动态显示样品制备、定位液流和压电基因诊断芯片检测模块的状态，以及压电基因诊断芯片的检测信号(频率变化)，当频率变化达到设定的频变域值时，停止循环，压电基因诊断芯片检测模块保持在变性阶段，同时开始吸取清洗溶液，压电基因诊断芯片各位点频率指示各位点恢复检测前频率后，排空检测池溶液，测定下一个样品。完成所有样品测定后，进入数据分析界面，给出各靶基因的标准曲线及其线性参数(斜率、截距和相关系数)，以及各样品中各待测靶基因的浓度。
本实用新型与已有基因诊断仪比较，具有如下的优点和效果。
首先，本实用新型采用压电传感器与基因压电基因诊断芯片技术结合的压电基因诊断芯片，一是具有压电传感器高灵敏、实时监测探针-靶基因杂交反应的独特优势，实现在压电基因诊断芯片上同时进行杂交反应与信号检测两个步骤，在此基础上建立了新型的基因诊断实时定量分析技术，动态反映跟踪杂交反应情况，消除了影响分析结果准确性的因素，更为简便快捷、灵敏可靠；同时又具有基因压电基因诊断芯片大信息量、高效率的优势，可一次同时对多个靶基因进行检测。
其次，本实用新型采用压电基因诊断芯片还具有下列特点①通过探针杂交确定靶基因，因探针的序列具有特异性，故避免了假阳性，结果更加可靠；②通过杂交分析实验结果，只需扩增至pg数量级，与通常PCR用荧光检测基因需扩增至50-100ng数量级相比，大大减少了循环次数，缩短了检测时间，同时还大大减少了试剂如Taq酶的用量，节省了检测的消耗费用；③所用探针和靶基因都不需标记，也不另加标记物，既降低了试剂费用，又无污染；④压电基因诊断芯片的检测即频率测量精度高而相关电路简单，价廉且易于小型化。
再者，本实用新型构建的压电基因诊断实时定量分析仪，将包括样品制备、基因扩增和检测、数据分析的整个分析过程集成化，操作简便，自动高速，可在一个系统短时间内完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作；全分析过程的集成化同时使分析体系与外界严密隔离，有效避免了污染，对外界环境无须严格的洁净要求。
本实用新型适于临床疾病诊断及分子机理的研究、监测流行病和传染病扩散、监测有害微生物的发生和扩散等，具有广泛的应用前景。
下面，再用实施例及其附图对本实用新型作进一步地说明。
图1是本实用新型的一种压电基因诊断实时定量分析仪的结构示意图。
图2是图1的结构原理图。
图3是使用图1进行基因诊断分析时压电基因诊断检测模块的温度循环图。
图4是使用图1进行基因诊断分析时压电基因诊断芯片一个位点与图3对应的频率变化-时间关系图。
图5是使用图1进行基因诊断分析时对同一靶基因浓度多次测定的频率变化-循环次数关系图。
图6是本实用新型压电基因诊断实时定量分析法的一种靶基因的标准曲线图。
具体实施方式
本实用新型的一种压电基因诊断实时定量分析仪，如附图1、2所示。由壳体10、电源20、样品制备模块30、定位液流模块、压电基因诊断芯片检测模块50、电路及主板模块60、以及压电基因诊断实时定量分析仪软件等构成。
上述壳体10，和壳体中的电源20，采用通常分析仪器的壳体和电源结构。壳体提供内装结构和外观造型，使仪器内部各模块间紧凑且无干扰，外型美观。壳体面上有与微机相连的控制面板11和显示器12，控制面板上有通常的数字键、上下左右键以及确认和消除键，显示器为通常分析仪器的显示器。电源向各模块提供工作电源。
上述样品制备模块30，实现多个样品的同时制备，即一次完成多个临床样品的DNA提取，由微孔板31和温度控制器32构成。上述的微孔板31用热导性良好的金属材料，如金、银、铜、铝等，制成矩形或圆形板，板上开制有多个微孔，微孔体积为0.2-2cm3，微孔数为2-100，微孔的数量和体积，以及由此而定的板的大小，视实际应用的需要而定。上述的温度控制器32由用半导体制成的加热与制冷器件和温度传感器构成，与主板及电路模块60中相应电路相连，受相应子程序控制，上述温度控制的精度为±0.1℃以下，加热和制冷速度在1.5℃/sec以上，恒温时每分钟的波动小于±0.1℃。
上述定位液流模块，实现自动选择进样，选定吸取待测溶液并送入检测池，由机械臂41、吸针42、蠕动泵43、液位传感器44、45、连接胶管46构成。上述的机械臂41，包含X、Y二坐标数控联动及Z坐标驱动机械结构，与主板及电路模块60中相应电路相连，受相应子程序控制。上述的吸针42，用耐热、耐化学腐蚀的材料，如不锈钢、聚四氟乙烯等制成，固定在机械臂41上。上述的蠕动泵43，采用通常蠕动泵的壳体和结构，与主板及电路模块60中的相应电路相连，受相应子程序控制。上述的液位传感器44、45采用光电式液体位置传感器，分别安置在压电基因诊断芯片检测池52的前后，与电路及主板模块60中相应电路相连。上述的连接胶管46，采用耐热、耐热、耐化学腐蚀的弹性材料，如聚四氟乙烯等制成，与吸针42和检测池52相连，通向废液储存瓶47。
上述压电基因诊断芯片检测模块50，实现靶基因的扩增和检测，由压电基因诊断芯片51、微体积流通型检测池52、温度控制器53构成。上述的压电基因诊断芯片51，由压电基因传感器阵列构成，上述压电基因诊断芯片封装于微体积流通型检测池52中，与电路及主板模块60中的压电基因诊断芯片检测电路相连。上述的微体积流通型检测池52，由检测池52和安装在检测池上的半导体加热与制冷器件和温度传感器53构成，与电路及主板模块60的中温度检测与控制电路相连。上述压电基因诊断芯片检测电路频率测量的精度为1Hz以下、每分钟的波动小于±1Hz，上述温度测量的精度为±0.1℃以下，加热和制冷速度在1.5℃/sec以上，恒温时每分钟的波动小于±0.1℃。
上述电路及主板模块60，为各模块提供工作电路及接口电路，以及微机功能，由上述各模块的电路和微机主板构成，微机主板采用奔腾II以上，有良好的稳定性和可扩展性，如华硕2000年标准主板P3V133。各模块电路通过接口与微机主板相连。
上述压电基因诊断实时定量分析软件，实现系统总控以及数据分析。分析软件由总控界面以及数据分析界面构成。上述的总控界面由与上述各模块子程序通信、进行系统总控、系统初始化与检测模式设置、各模块功能显示、检测数据调用和动态曲线显示等子程序构成。上述的数据分析界面给出标准曲线及其线性参数(斜率、截距和相关系数)，和靶基因浓度。
使用本实用新型进行基因诊断实时定量分析的工作过程如下首先，在洁净的、通常的试管如Ependoff管中，加入10-100μL准备好的标准溶液系列和样品溶液。标准溶液系列为两种或两种以上包括空白(靶基因浓度为0)和已知浓度待检靶基因组的溶液，如靶基因浓度为0、0.1×10-5mol/L的两个标准溶液，或0、0.1×10-5、1×10-5mol/L的三个标准溶液，或0、0.1×10-5、0.5×10-5、1×10-5mol/L的四个标准溶液等。在上述各溶液试管中加入含引物、Taq-DNA多聚酶、三磷酸脱氧核苷的基因诊断试剂，使待检靶基因与相应的引物、Taq-DNA多聚酶、三磷酸脱氧核苷的样品与压电基因诊断芯片接触，随后，分别放入样品制备模块的微孔板的各微孔中。然后，通过总控界面和控制面板输入而设置标准溶液浓度、样品序列及其待检靶基因组、样品制备的温度与时间、以及温度循环的温度与时间等参数。
然后，由微机主板的程序控制下实施并动态显示下列步骤①由温度控制器控制，加热样品制备模块而预制样品，即加热温度85-99℃，并保持时间10-100秒。
②机械臂将吸针运动至预定的微孔板中的一个样品试管内，开启蠕动泵吸取样品并注入检测池，当液位传感器指示检测池充满样品后，停止吸取、停止注入。
③按进行杂交-延伸-变性的温度循环，温度循环的温度和时间为中变性阶段85-99℃、10-60秒，杂交阶段30-70℃、10-60秒，延伸阶段65-80℃、10-60秒，如附图3所示。在温度循环的同时在显示器上实时显示压电基因诊断芯片各与预定待检靶基因组对应的位点频率变化-时间曲线，如附图4所示，并根据各位点在第一个杂交阶段的频率变化确定该位点的频变域值，如10-100Hz，当各位点频率变化达到或超过设定的频变域值时，停止温度循环，并确定各位点达到频变域值时的循环次数。
④将检测池加热并保持在变性温度，同时由吸针开始吸取清洗溶液清洗检测池，待压电基因诊断芯片各位点频率指示各位点恢复检测前频率后，排空检测池溶液并送至废液储存瓶。
重复第②～④步操作，测定其余样品。
⑤完成所有溶液的检测后，通过数据分析界面，程序处理数据，由标准溶液系列的结果得出各靶基因检测循环次数-靶基因浓度对数的标准曲线，如附图6所示，再根据样品靶基因检测的循环次数得出样品靶基因的浓度。
如前所述，本实用新型仅需较少的循环次数，通常少于10次，就可达到靶基因检出所需的频率变化，如附图5所示，对同一浓度靶基因的溶液，多次测定频率变化与温度循环次数的关系，结果表明，达到频变域值的循环次数有极好的重现性，但此后随温度循环次数的增加，不同测定下的频率变化相差越大。因此，与实时荧光定量PCR技术循环次数通常在15次以上相比，本实用新型基因定量分析具有更高的准确性和重现性，且时间更短的优点。
权利要求1.压电基因诊断实时定量分析仪，包含壳体(10)，壳体上的控制面板、显示器，壳体中的电源(20)及其相联接的电路、微型计算机的主板模块(60)、分析软件，其特征在于壳体中有与电路和主板模块相联接的能一次提取至少一个临床DNA样品的样品制备模块(30)，与样品制备模块相接的选择并输送样品的定位液流模块，与定位液流模块相接的扩增并检测靶基因的压电基因诊断芯片检测模块(50)，该压电基因诊断芯片检测模块有微体积流通型检测池(52)和封装在其中的由压电基因传感器阵列构成的压电基因诊断芯片(51)且有在检测池上的半导体加热与制冷器件及其相联接的温度控制器(53)。
2.根据权利要求1所述的压电基因诊断实时定量分析仪，其特征在于所说的样品制备模块(30)有2-100个、容积为0.2-2cm3的盛装溶液的微孔的微孔板(31)，有由加热与制冷器件及其相联接的温度传感器构成的温度控制器(32)。
3.根据权利要求1或2所述的压电基因诊断实时定量分析仪，其特征在于所说的定位液流模块有由驱动机驱动的机械臂(41)及其相连的吸针(42)、蠕动泵(43)、压电基因诊断芯片检测模块(50)、废液储存瓶(47)依次连通，压电基因诊断芯片检测模块的进口和出口分别有液位传感器(44、45)。
专利摘要本实用新型的压电基因诊断实时定量分析仪属于基因诊断的仪器。旨在解决已有技术准确性灵敏性差、效率低、难于实现自动化的问题。包含壳体、控制面板、显示器、电源及其相联接的电路、微型计算机的主板模块(60)、分析软件,有能一次提取至少一个临床DNA样品的样品制备模块(30),选择并输送样品的定位液流模块,扩增并检测靶基因的有检测池(52)、压电基因诊断芯片(51)、加热与制冷器件及其温度控制器(53)的压电基因诊断芯片检测模块(50)。适于临床疾病诊断及分子机理的研究、监测流行病和传染病扩散、监测有害微生物的发生和扩散等。
文档编号G01N33/53GK2483723SQ01206779
公开日2002年3月27日 申请日期2001年7月10日 优先权日2001年7月10日
发明者莫志宏, 吴中福, 靳萍, 田学隆, 郭刚 申请人:重庆大学