用于聚合酶鏈式反應的芯片、實時檢測裝置和系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種聚合酶鏈式反應（PCR)的忍片及實時檢測裝置，具體設及一種基 于電化學的生物忍片和對忍片的微弱電流檢測的裝置。
【背景技術】
[0002]聚合酶鏈式反應（PolymeraseChainReaction,簡稱PCR)，是體外酶促合成特異DNA片段的一種方法，由高溫變性、低溫退火（復性）及適溫延伸等反應組成一個周期，循環 進行，使目的DNA得W迅速擴增，具有特異性強、靈敏度高、操作簡便、省時等特點。它不僅 可用于基因分離、克隆和核酸序列分析等基礎研究，還可用于病原體檢測、產前診斷、腫瘤 基因檢測、療效評估、食品安全檢測、食品轉基因檢測等醫療、食品、衛生領域。
[0003] 實時巧光定量PCR(如antitativeReal-timePCR)，在PCR擴增過程中，通過添加 巧光物質，對PCR進程進行實時檢測，有效地解決了傳統定量只能終點檢測的局限，實現了 每一輪循環均檢測一次巧光信號的強度，并記錄在電腦軟件之中，通過對每個樣品Ct值的 計算，根據標準曲線獲得定量結果。實時巧光定量PCR所使用的巧光物質可分為兩種：巧光 探針和巧光染料，前者包括Taqman巧光探針、分子信標等，后者主要為SYBR巧光染料。巧 光定量PCR儀由基本PCR部分、巧光檢測部分和上位計算機部分等組成，其中巧光檢測部分 包括激勵光源、光電倍增管、信號采集與處理等部分，因此設計復雜、機體龐大、成本較高， 難W基層推廣使用。
[0004] 電化學忍片為PCR檢測提供了一種有效方法，無需使用特定光源，不必進行光電 轉化倍增等步驟，因此簡單易行，易于實現儀器小型化和便攜化。電化學忍片研究已開展多 年，但目前大部分電化學忍片都是在PCR擴增完成之后，將擴增產物加入到忍片中，根據陰 陽性樣本給出的不同電信號進行判斷，一方面操作繁瑣，不能實現實時監測，另一方面PCR 產物的開蓋操作大大增加了污染的可能性。因此電化學忍片雖然具備一系列優點，但尚未 實現大規模使用。

【發明內容】

[000引為了克服目前巧光定量PCR儀結構復雜、電化學忍片難W實現實時監測的缺點， 本發明提出了一種新的聚合酶鏈式反應的忍片及其實時檢測裝置和系統。本發明的忍 片采用多層結構，提高了操作的便捷性，保證了反應的一致性，在微型的忍片上完成PCR溫 控、微流控和微弱信號的采集測量，在確保使用便捷的基礎上，完成了生物傳感器類忍片的 靈敏測量。
[0006] 本發明采用如下技術方案：
[0007] -種PCR忍片，包括調溫基底和依次層疊在調溫基底上的電化學基板、反應池板、 進出液孔板、注射接頭板和熱蓋，W及對電化學基板與其上各部件的相對位置進行固定的 限位器，其中：熱蓋對忍片的頂層加熱；熱蓋下的注射接頭板上設有多個試劑注射接頭；與 試劑注射接頭的位置相對應，在進出液孔板上開有試劑的進液孔和出液孔；每組進液孔和 出液孔對應一個設于反應池板上的反應池；電化學基板具有反應面和電路連接點，反應面 朝上，并設置有與反應池對應的PCR反應區域；調溫基底對電化學基板的溫度進行調節控 審Ij;限位器上設置與外部電氣連接的引出接口。
[0008] 所述熱蓋設有加熱板和溫度傳感器，其中加熱板可W采用加熱薄膜，或者其他加 熱器件，例如帕爾貼，通過PID溫度調節使熱蓋的溫度維持恒定。
[0009] 調溫基底包括升降溫板和溫度傳感器，通過PID溫度調節使基底的溫度控制在設 定的溫度，實現對忍片底部的溫度可控的加熱。調溫基底可利用忍片工藝，基于帕爾貼等類 似原理集成在忍片底部。
[0010] 同時，本發明提供了一種對上述PCR忍片進行實時檢測的裝置，包括：恒壓源模 塊、溫控模塊、微流控模塊、信號采集模塊和MCU，其中恒壓源模塊為PCR忍片提供恒電位； 溫控模塊調節控制PCR忍片的反應溫度；微流控模塊通過導管連接PCR忍片，實現PCR反應 樣品溶液的加載、抽取和混合；信號采集模塊采集PCR反應樣品的電信號，并傳遞給MCU;恒 壓源模塊、溫控模塊、微流控模塊、信號采集模塊分別連接MCU，由MCU對各模塊進行實時控 制。
[0011] PCR忍片實時檢測裝置與PCR忍片連接，通過MCU對各個模塊的控制完成該裝置對 PCR忍片的電壓控制、溫度控制、微流控制和信號采集，實現對PCR擴增的實時電化學檢測。 恒壓源模塊連接PCR忍片的電化學基板；溫控模塊連接PCR忍片的調溫基底和熱蓋；微流 控模塊通過導管與PCR忍片中的試劑注射接頭對接；信號采集模塊則連接電化學基板；各 模塊分別連接MCU，而MCU連接上位機（PC機），由上位機對整個裝置進行控制操作，并實現 數據的顯示和存儲。PCR忍片、實時檢測裝置和上位機構成了一個用于PCR反應和實時電化 學檢測的系統。
[0012] 優選的，上述PCR忍片實時檢測裝置中的恒壓源模塊包括DA波形發生電路、增益 偏置電路、阻抗匹配電路和功率放大電路，MCU給出指定命令控制DA波形發生電路產生指 定的電壓波形，并將電壓波形傳給增益偏置電路，實現電位的增益調節和偏置調節；接著經 過阻抗匹配電路實現電壓的阻抗匹配，再由功率放大電路實現電壓的功率放大；功率放大 電路連接PCR忍片，為PCR忍片提供恒電位。
[0013] 進一步的，上述PCR忍片實時檢測裝置中的信號采集模塊包括I-V轉化電路、儀表 放大電路、阻抗匹配電路和AD采集電路，PCR忍片的電信號傳遞給I-V轉化電路，將電流信 號轉變為電壓信號，再傳遞給儀表放大電路，實現信號的放大；接著進入阻抗匹配電路，實 現輸出信號的阻抗匹配；阻抗匹配電路與AD采集電路連接，完成信號的采集處理；由信號 采集電路將信號傳輸給MCU。
[0014] 為降低外部電路的干擾，需要對信號采集模塊、恒壓源模塊、MCU和PCR忍片區域 進行電路屏蔽和降噪處理，MCU通過隔離電路連接上位PC機。
[0015] 本發明將電化學忍片與溫控系統、微流控系統、微弱電信號檢測系統結合在一起， 實現PCR擴增的實時電化學檢測，不設及光源及光電轉化，在反應過程中實時監控，無需開 蓋W免造成污染。本發明的PCR忍片及其實時檢測裝置小巧，便于攜帶，易于在基層推廣使 用。
【附圖說明】
[0016] 圖I為本發明PCR忍片的整體結構圖。
[0017] 圖2為本發明PCR忍片的分體結構圖。
[0018] 圖3為PCR忍片實時檢測裝置與PCR忍片和上位機的整體框架的連接方式圖。
[0019] 圖4為PCR忍片實時檢測裝置的恒壓源模塊和信號采集模塊電路與上位機和PCR 忍片的連接電路框圖。
[0020] 圖中：1-熱蓋，2-注射接頭板，3-進出液孔板，4-反應池板，5-限位器，6-電化 學基板，7-調溫基底，8-PC機，9-PCR忍片實時檢測裝置，IO-PCR忍片，11-電路隔離區域， 13-恒壓源模塊，13-信號采集模塊。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步詳細闡述。
[0022] 實施例1
[002引本實施例中，如圖1和2所示為本發明所述PCR忍片的結構示意圖，包括：熱蓋1、 注射接頭板2、進出液孔板3、反應池板4、限位器5、電化學基板6和調溫基底7,其中：熱蓋 1完成對忍片的頂層加熱；熱蓋1下是注射接頭板2,注射接頭板2上設有多個試劑注射接 頭，與外部的實時檢測裝置的微流控模塊對接；與試劑注射接頭的位置相對應，在進出液孔 板3上開有試劑的進液孔和出液孔；每組進液孔和出液孔對應一個設于反應池板4上的反 應池；電化學基板6具有反應面和電路連接點，反應面上設置與反應池對應的PCR反應區 域，電路連接點是電化學基板6的外部接口；調溫基底7位于電化學基板6下，對電化學基 板6的溫度進行調節控制；限位器5用于固定PCR忍片的各個部件，并設置PCR忍片與外部 電氣連接的引出接口。
[0024]PCR忍片的組裝參見圖2,在調溫基底7上依次層疊電化學基板6 (反應面向上）、 反應池板4、進出液孔板3、注射接頭板2 ;利用限位器5對上述部件的相對位置進行限定 后，將熱蓋1附在忍片的頂層并固定，完成對忍片的組裝。
[00巧]熱蓋1設有加熱板和溫度傳感器，通過PID溫度調節使熱蓋1的溫度維持恒定。其 中加熱板可W采用加熱薄膜，或者其他加熱器件，例如帕爾貼。
[0026] 調溫基底7包括升降溫板和溫度傳感器，通過PID溫度調節使基底的溫度控制在 設定的溫度，實現對忍片底部的溫度可控的加熱。調溫基底是利用忍片工藝，基于帕爾貼等 類似原理集成在忍片底部。
[0027] 如圖3所示，上述PCR忍片10與PCR忍片實時檢測裝置9連接，實現PCR擴增的 實時電化學檢測。