一种基于低熔点金属液滴的PCR反应装置及其实施方法

摘要

本发明提供了一种基于低熔点金属液滴的PCR反应装置及其实施方法。所述的金属液滴作为一个微电阻器通过加电产生焦耳热向PCR反应提供热量，金属液滴的冷却降温可通过主动冷却方式或其周围空气自然对流来实现，金属液滴的温度可采用微热电偶直接测量或者测金属液滴电阻间接测量，PCR反应试剂样本液滴靠表面张力作用粘附在一个微型容器中，该微型容器倒扣在金属液滴中央，保持反应试剂液滴时刻处于金属液滴之中，金属液滴通过一个温度控制模块调节焦耳电流和冷却装置完成PCR温度循环变化。利用本发明的低熔点金属液滴作为PCR反应载体可大大缩短PCR反应的时间，有效防止试剂样本在PCR过程中因蒸发而损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PCR方法，特别涉及一种利用低熔点金属液滴 作为PCR反应载体兼加热器的方法。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是一种体外扩增DNA基因片段的技术， 该技术通过高温变性、低温退火以及中温延伸三步反应组成一个循 环周期，将某特异性DNA片段呈指数形式在短期内迅速递增。PCR 技术可广泛应用于疾病诊断、生化分析、法医鉴定等领域。常规的 实现PCR技术的微流控方法有微腔聚合酶链式反应和连续流聚合酶 链式反应。

微腔聚合酶链式反应是通过微加工方法在硅片等基底表面加工 出微腔或微腔阵列作为PCR试剂样本反应器，PCR试剂样本静置于 微腔内，通过外界提供的加热、冷却措施实现PCR循环，达到DNA 基因片段扩增。由于PCR试剂样本是在微腔内静置反应，在PCR 循环过程中系统无需额外的泵送、阀门来控制、调节试剂样本，而 仅需外界提供精密的加热、冷却单元及温度控制系统即可实现稳定 的PCR循环反应温度。

连续流聚合酶链式反应则恰恰相反，温度区域处于静态，试剂 样本处于流动状态分别循环流经高温区域、低温区域和中温区域实 现PCR温度循环。该方式节省了前者由于系统热惯性而引起的温度 变化的时间。在该PCR方式中，PCR试剂样本在连续的微流道内依 次流过实现PCR循环反应的三个温区，试剂样本的连续流动由泵、 阀系统控制和调节，三个反应温区由独立的加热单元、温度控制系 统实现，如Peltier热电片。

常规的PCR方法在技术实现上虽然比较简单，PCR循环反应也 比较稳定，但仍存在不足。一方面，温度控制系统往往是从某一个 方向进行加热和冷却，试剂样本往往不能做到完全均匀加热。在微 流控芯片上进行PCR温度控制时，试剂样本往往是存放于PDMS或 者玻璃等传热性质较差、热容较大的芯片材料中，因此温度没法进 行快速准确的控制。这样无疑会增加功耗、降低试剂样本扩散反应 速度、降低系统温度响应速度、增加PCR循环时间。另一方面，PCR 试剂样本进行PCR时，在反应过程中会产生扩散、蒸发损耗，试剂 样本利用率降低。

因此在微缩设计PCR系统时，核心是降低系统热质，加快温升 温降速度，使得PCR循环反应时间缩短、功耗降低、PCR样本试剂 损耗减少、且系统易于操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低熔点金属液滴在PCR反应载体或 加热器中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种基于低熔点金属液滴的PCR反 应装置及其实施方法。

本发明提供了低熔点金属液滴在PCR反应载体或加热器中的应 用。

所述的液态金属液滴优先选择具有良好生物相容性的液态金属 镓或其合金的液滴。

所述的液态金属镓合金优先选择镓铟或镓铟锡合金。

所述液态金属液滴的应用体积为纳升级别。

本发明提供了一种PCR反应装置，该装置包括由室温下为液态 的金属液滴(1)构成的PCR反应载体或反应器。

本发明提供的PCR反应装置，还包括温度检测模块，其为与金 属液滴(1)连接的热电偶(2)或电阻测量装置(2)，所述热电偶 测量金属液滴的温度并转化为相应温度的电信号；所述电阻测量装 置将金属液滴的电阻值转化为相应温度的电信号；以及温度控制模 块(3)，根据所述电信号以及PCR反应程序通过调节通过金属液滴 (1)的电流控制金属液滴的温度。

所述温度控制模块(3)在温度控制过程中，通过自然对流冷却 或使用额外的冷却装置(8)来实现金属液滴冷却降温。

本发明提供的PCR反应装置，还包括微型容器(5)，所述微型 容器(5)用于盛装PCR反应液(7)，且当其盛装PCR反应液(7) 并倒置于金属液滴(1)中时PCR反应液不外溢。

本发明提供的PCR反应装置，还包括用于盛装金属液滴的芯片 (6)。

所述微型容器(5)和芯片(6)由高导热率的材料制成，且微型 容器(5)上端点焊或胶粘的支架采用具有高热绝缘性的材料制成。

优选地，微型容器是金属微型容器。

优选地，芯片是金属芯片。

本发明提供一种PCR反应装置，金属液滴作为一个微电阻器串 联在电路中，使金属液滴与一个热电偶或电阻测定装置连接并保持良 好接触，并与一个温度控制模块连接；通过热电偶直接测量金属液滴 (1)温度，或者通过电阻测定装置测量金属液滴(1)的电阻值而间 接得出金属液滴的温度；热电偶或电阻测量装置(2)将测量到的温 度反馈到温度控制模块中，通过金属液滴的电流由包含温度反馈电路 的温度控制模块控制，该温度控制模块通过温度反馈电路得到金属液 滴的温度，从而及时对电流进行调整来进行对金属液滴温度的智能控 制，通过该温度控制模块完成金属液滴的PCR温度上升过程。

该装置还包括主动冷却装置(8)，其为布置在芯片(6)凹腔正 下方的风扇或半导体制冷片；所述风扇强制芯片下表面对流散热，通 过芯片导热作用实现金属液滴的温降；所述半导体制冷片冷端与芯片 下表面紧密接触。

该装置中，主动冷却装置(8)由温度控制模块进行智能控制， 通过该温度控制模块完成金属液滴的PCR温度下降过程。

本发明提供一种PCR反应装置，由如下组件组成：作为PCR 反应载体的金属液滴(1)、与金属液滴(1)保持接触的热电偶(2) 或电阻测定装置(2)、包含温度反馈电路的温度控制模块(3)、电 源(4)、倒置于金属液滴(1)中的微型容器(5)、金属液滴(1) 静置于芯片(6)上的凹腔内、强制芯片下表面散热的冷却装置(8)， 所述微型容器(5)可用于盛装PCR试剂样本。

在该装置中，金属液滴(1)作为一个微电阻器串联在电路中， 使金属液滴(1)与一个热电偶(2)连接并保持良好接触，并与一个 包含温度反馈电路的温度控制模块3连接；通过热电偶(2)直接测 量金属液滴(1)温度；通过冷却装置(8)实现PCR反应装置主动 冷却降温；通过金属液滴(1)的电流由包含温度反馈电路的温度控 制模块(3)控制，该温度控制模块(3)通过温度反馈电路得到金属 液滴(1)的温度，从而及时对电流进行调整和冷却装置(8)来进行 对金属液滴(1)温度的智能控制，温度控制模块(3)通过测得的温 度信号调节电流和冷却装置(8)，进一步可控制金属液滴(1)产生 的焦耳热和冷却降温来进行温度控制，因此可以通过该温度控制模块 (3)完成金属液滴(1)的PCR温度变化循环。

需要进行PCR反应温度循环的试剂样本利用表面张力的粘附作 用附着在微型容器中，为防止试剂样本流出金属液滴，微型容器被 倒置于金属液滴之中。

由于液态金属的电阻随其温度的变化而变化，可以通过同时检测 通过液态金属的电流和两端所加的电压得到其电阻的变化从而得知 液态金属微滴的温度，因此，可以用一个电阻测量装置代替热电偶， 从而从直接测定金属液滴的温度变为通过测量其电阻而来间接检测 液态金属微滴的温度，从而省去系统中的热电偶，将系统进一步简化。

液态金属的加热部分也可以由外加的加热器进行，如Peltier热 电片、电阻加热块、恒温热水等，其冷却部分也可采用其它的冷却 方式实现，如恒温冷却(冻)水等，而液态金属仅仅起到PCR反应 载体的作用以及阻止样本的蒸发。

优选地，本发明的热电偶、电阻测量装置、微型储液容器、芯 片凹腔等结构均是微型的，应用体积上与液态金属液滴同数量级， 均为纳升级别，从而可更好地实现本发明的目的。

本发明提供低熔点金属液滴在PCR反应载体或加热器中的应 用：PCR反应的试剂样本处于金属液滴内部，利用金属液滴作为PCR 反应载体或反应器，所述金属液滴静置于芯片上一个凹腔内，通过 加电，使金属液滴产生焦耳热，从而向PCR反应提供热量，所述金 属液滴由主动冷却装置或其周围空气自然对流来实现冷却降温，所 述的金属液滴室温下为液态，金属液滴体积在纳升级别。

上述应用中所述的主动冷却装置，其为布置在芯片6凹腔正下方 的风扇或半导体制冷片；所述风扇强制芯片下表面对流散热，通过芯 片导热作用实现金属液滴的温降；所述半导体制冷片冷端与芯片下表 面紧密接触。

主动冷却装置8由温度控制模块进行智能控制，通过该温度控制 模块完成金属液滴的PCR温度下降过程。

优选地，上述PCR反应的试剂样本被容纳在一个内凹的微型容 器内，该微型容器被倒扣在金属液滴之中，从而使试剂样本保持在金 属液滴内部，金属液滴静置于芯片上的微型储液容器内。

本发明提供的利用低熔点金属液滴作为PCR反应载体兼加热器 的方法：金属液滴1作为一个微电阻器串联在电路中，使金属液滴与 一个热电偶1或电阻测定装置2连接并保持良好接触，并与一个温度 控制模块连接；通过冷却装置8的主动冷却或空气自然对流实现金属 液滴温降；通过热电偶直接测量金属液滴1温度，或者通过电阻测定 装置测量金属液滴的电阻值而间接得出金属液滴的温度；热电偶或电 阻测量装置将测量到的温度反馈到温度控制模块中，通过金属液滴的 电流由包含温度反馈电路的温度控制模块控制，该温度控制模块通过 温度反馈电路得到金属液滴的温度，从而及时对电流和冷却装置(8) 进行调整来进行对金属液滴温度的智能控制，通过该温度控制模块完 成金属液滴的PCR温度变化循环。

在该方法中，通过对金属液滴加电，使金属液滴产生焦耳热，从 而向PCR反应提供热量。所述金属液滴室温下为液态，金属液滴体 积在纳升级别，并可将该金属液滴静置于一个微腔内，从而可防止金 属液滴流动；PCR反应的试剂样本处于金属液滴内部，为防止试剂样 本溢出液态金属，用一个内凹的微型容器倒扣在金属液滴内，试剂样 本被限定在微型容器之中；可采用微型热电偶直接测量或者通过测量 金属液滴的电阻值间接测量金属液滴温度；并且，金属液滴的温度升 降可通过一个温度反馈电路，根据所测得的液态金属温度控制焦耳电 流来进行智能温度控制；金属液滴的温降是依靠冷却装置主动冷却或 其周围空气自然对流冷却而实现的。优选地，该金属液滴是液态金属 镓及其合金液滴。该金属液滴体积应在纳升级别。所述的微型容器优 先选择金属微型容器。

由于液态金属具有流动性，本发明优选将金属液滴静置在芯片上 的一个凹腔内，金属液滴的大小和操控可由移液器完成。PCR试剂样 本靠表面张力作用粘附在一端开口的微储液器内，微储液器垂直倒置 固定在金属液滴之中，由于PCR试剂样本密度低于液态金属，可以 保持PCR试剂样本液面与金属液滴液面的紧密接触，以利于传热， 同时也可以使PCR试剂样本不易从储液器中溢出。液态金属的加热 部分也可以由外加的加热器进行，其冷却部分也可由其它冷却方式实 现，而液态金属仅仅起到PCR反应的载体的作用以及阻止样本的蒸 发。

本发明利用液态金属优异金属导热性能以及极小的热容创造 PCR均匀的温度环境以及快速的温度响应性能。同时液态金属的导 电性能可以用来作为温度控制的加热器(焦耳热)以及温度检测的 电阻温度传感器。可以真正做到集微腔、微加热器和微温度传感器 于一体的紧凑型PCR扩增微系统。并且，本发明的方法通过将试剂 样本微滴包裹于一滴液体金属微滴之中，使液态金属微滴通过接触 加热片或者直接通电释放焦耳热对包裹于其中的试剂样本进行加 热。由于液态金属良好的导热性，液态金属内部可以视为一个温度 均匀的微腔，十分适合PCR。另外由于液态金属具有较小的热容， 液滴的温度变化可以十分迅速，可大大缩短PCR反应的时间，可在 2分钟内完成10个PCR温度循环。本发明的金属液滴选择镓铟或镓 铟锡合金，合金熔点由其组成成分质量配比决定，可通过调配合金 组成成分质量配比来获得所需温度的液态合金，特定配比的合金熔 点可达10℃以下。而且所述液态金属镓及其合金液滴温度升至上千 度不会蒸发或气化，可以有效防止试剂样本在PCR过程中蒸发，非 常适合PCR反应的温度范围(40℃～100℃)。因而，本发明的方法 具有快速、灵敏、稳定性高等诸多优点。

附图说明

附图1为本发明提供的基于低熔点金属液滴的PCR方法原理示 意图。其中：1.金属液滴；2.热电偶(或者是金属液滴1的电阻测 量系统)；3.温度控制模块(含温度反馈电路)；4.电源；5.倒置 微型容器(内置PCR试剂样本)。

附图2为本发明提供的金属液滴与PCR试剂样本液滴布局示意 图；其中：1.金属液滴；5.倒置微型容器(内置PCR试剂样本)； 6.芯片；7.PCR试剂样本(反应液)；8.冷却装置。

具体实施方式

以下实施方式进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发 明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、 步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，以下实施方式中所用的技术手段为本领域技术 人员所熟知的常规手段。

实施例1

如图1所示，金属液滴1作为一个微电阻加热器连接于电源4 的供电电路中。微型热电偶2与金属液滴1保持良好接触，对金属 液滴1的温度进行实时测量并反馈到温度控制模块3中，温度控制 模块3含有温度反馈部分，通过测得的温度信号调节电流从而控制 金属液滴1的焦耳热来进行温度控制。热电偶2也可以用一个电路 通过测量金属液滴1的电阻值变化来间接测量金属液滴1的温度。 需要进行PCR反应温度循环的试剂样本7利用表面张力的粘附作用 附着在微型容器5中，为防止试剂样本流出金属液滴1，微容器被倒 置于金属液滴1之中。

如图2所示，金属液滴1静置在芯片6上的凹腔内，金属液滴1 的大小和操控由微量移液器完成，芯片6应该由高导热率的材料制 作，以保证PCR试剂样本能被冷却装置8迅速冷却，其凹腔通过精 密微机械加工制作而成。PCR试剂样本液滴7被装载在一个微型容 器5内，微型容器5被倒扣在金属液滴1内。微型容器5应该由高 导热率的材料通过精密微机械加工制作而成，以保证PCR试剂样本 能被金属液滴1迅速加热或者冷却。微型容器5上端点焊或胶黏的 细长支架可采用热绝缘性能较好的材料通过精密微加工来得到。金 属液滴的温降可采用主动冷却装置8来实现，其可为风扇强制对流 冷却或半导体制冷片冷端导热，也可采用金属液滴周围空气自然对 流来实现。