CN207537455U

CN207537455U - 一种快速核酸扩增***

Info

Publication number: CN207537455U
Application number: CN201721483492.XU
Authority: CN
Inventors: 彭年才; 李明; 苗保刚; 李政; 田春; 李红东; 孙瑶
Original assignee: Xi'an Tianlong Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Xi'an Tianlong Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2027-11-08

Abstract

本实用新型提供一种快速核酸扩增***，通过旋转方式使反应耗材中的核酸扩增反应溶液在不同温区间转移实现核酸快速扩增，克服了现有核酸扩增***或耗时长或反应耗材难以实现的技术问题。本实用新型***包括一种圆盘形或扇形的反应耗材、温度控制组件和旋转支撑组件。反应耗材上设置有靠近边缘的PCR反应区域，温度控制组件包括两组或多组圆周排布的PCR温区控制单元，对反应耗材上PCR反应区域的温度进行控制。反应耗材放置在旋转支撑组件的支撑部件上，PCR反应区域由旋转电机控制在不同的温区控制单元之间转移实现快速核酸扩增。

Description

一种快速核酸扩增***

技术领域

本实用新型涉及分子生物学和分子诊断领域，具体涉及一种快速实现核酸扩增的***。

背景技术

核酸检测是分子生物学的基本实验方法。分子诊断是应用分子生物学方法检测患者体内或体液中外源性或自身遗传物质“核酸”及其表达水平而做出诊断的技术，是当代医学发展的重要前沿领域之一。分子诊断的基础是对于目标核酸的检测分析，分子诊断技术主要包括实时荧光定量PCR、荧光原位杂交(FISH)、基因测序和基因芯片等。分子诊断技术基本上都包括三个步骤：核酸提取纯化，核酸扩增和检测。核酸扩增是把目标核酸或靶基因进行体外放大的过程，目前已发展了包括聚合酶链式反应(PCR)、环介导等温扩增反应(LAMP)、滚环扩增反应(RCA)、连接扩增反应(LCR)和重组酶聚合酶扩增(RPA)等。PCR是最常用的核酸体外扩增的方法，它是实时荧光定量PCR、基因测序和基因芯片等分子诊断的必要环节。

分子生物学研究和临床分子诊断中最常用的基因扩增仪和实时荧光定量PCR大都是基于多孔PCR板或PCR管等反应耗材，通过半导体器件控制金属温块的升降温实现PCR变性、退火和延伸的热循环过程。但是这类方法所需时间很长，包含逆转录和预变性的PCR过程一般在1.5到3个小时；通过新材料、新工艺的改进，这类方法可以将时间缩短到1个小时之内。Roche公司的LightCycler 2.0和Qiagen公司的Rotor-Gene Q使用离心式空气加热的热学***，其变温速率非常快速，温度均匀性很好，这类方法控制将包含逆转录和预变性的PCR过程缩短至1.5小时以内，其中LightCycler使用毛细管玻璃作为反应耗材，所需时间仅为0.5-1小时。但是这类方法的控温准确度和精度不太好。第三类实现PCR扩增的方法是PCR反应体系在固定温区之间转移，PCR技术发明的时候就是采用这种方法将PCR管在三个温度的水浴锅间转移。现有的一些***将PCR反应腔在金属浴或水浴、油浴的不同温区之间转移，或者通过微流控技术将PCR反应溶液在不同温区之间流动。这种方法不存在升降温的过程，包含逆转录和预变性的PCR过程甚至有可能缩短到15分钟之内。但是这种方法实现起来存在很多问题，一是反应耗材设计困难，机械转移与温区充分接触要求反应耗材有一定的强度，同时要求导热性能好；二是反应耗材在多温区之间的转移需要复杂的机械运动控制，仪器的通量、自动化程度和尺寸很难兼顾，所以目前还没有基于温区转移方式的快速核酸扩增***得到临床应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种快速核酸扩增***，使反应耗材中的核酸扩增反应溶液在不同温区间转移实现核酸快速扩增，以克服现有核酸扩增***或耗时或难以实现的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种快速核酸扩增***，包括反应耗材及温度控制组件，所述反应耗材上设置有PCR反应区域，其特殊之处在于：

所述PCR反应区域设置在反应耗材靠近边缘的区域；

所述温度控制组件包括两组或多组圆周排布的PCR温区控制单元，PCR温区控制单元对反应耗材上PCR反应区域的温度进行控制，不同PCR温区控制单元控制的温度可以相同，也可以不同；所述核酸扩增***还包括旋转支撑组件，所述旋转支撑组件包括支撑部件及旋转电机；所述支撑部件水平设置，用于支撑固定反应耗材；所述旋转电机用于控制支撑部件的旋转，所述支撑部件上固定的反应耗材的PCR反应区域在两组或多组圆周排布的PCR温区控制单元之间通过旋转变换温区，实现快速核酸扩增。

进一步地，所述支撑部件为转盘；所述反应耗材为一个圆盘形反应耗材或多个扇形反应耗材，多个扇形反应耗材在支撑部件上圆周排布。

在一些实施方案中，圆盘形反应耗材包括一个或多个圆周均布的PCR单元，每个PCR单元包括一个可以封闭的加样口和一个PCR反应区域，加样口和PCR反应区域通过流道连通，每个PCR反应区域包含一个或多个圆周均布的PCR反应腔；PCR反应腔均设置在反应耗材最外圈的圆周上。

在一些实施方案中，所述圆盘形反应耗材的PCR单元还包括一个PCR预混腔或与多个PCR反应腔一一对应的多个PCR预混腔，PCR预混腔与加样口和PCR反应腔通过流道连通。

在一些实施方案中，扇形反应耗材具有一个可以封闭的加样口及一个与加样口连接的PCR反应区域，每个PCR反应区域包含一个或多个圆周分布的PCR反应腔；PCR反应腔设置在反应耗材的最外圈的圆周上。

在一些实施方案中，所述扇形反应耗材的加样口与多个PCR反应腔之间设置有一个PCR预混腔或与多个PCR反应腔一一对应的多个PCR预混腔，加样口、PCR预混腔及PCR反应腔之间相连通。

在一些实施方案中，所述PCR温区控制单元可以是一个温控模块，该模块的前端有缺口，在缺口处区域由恒温气流形成一个局部空气加热区，可以给旋转嵌进入其中的PCR反应区域中的各个PCR反应腔提供PCR反应所需的一个温度。

在一些实施方案中，所述PCR温区控制单元也可以是包括两个相对安装在反应耗材上部和下部的温控模块，两个温控模块控制的温度相同。这两个温控模块由驱动结构驱动夹紧PCR反应区域，给PCR反应区域中的各个PCR反应腔提供PCR反应所需的一个温度。

在一些实施方案中，所述PCR温区控制单元中包含控制退火延伸的温控模块，温控模块的上部或下部，或上部温控模块，或下部温控模块设置有荧光检测单元，当PCR反应区域旋转到该温控模块时，荧光检测单元进行实时荧光检测，实现核酸定量检测功能。

在一些实施方案中，所述转盘上具有夹紧机构或固定卡槽，可以将圆盘形或扇形的反应耗材夹紧固定在转盘上进行旋转定位或者高速离心。

在一些实施方案中，所述旋转电机安装有编码盘，可对反应耗材的绝对位置和转速进行负反馈控制。所述转速控制，其速度曲线可以是三角波、锯齿波、正弦波或者抛物线等，转速曲线的频率和幅值可以动态调节，进而实现反应盒中不同腔体内不同体积液体的快速高效混合。

在一些实施方案中，所述旋转电机可以驱动反应耗材进行高速单向旋转，其转速可达2000～10000转/分钟。在合适的转速下可以驱动样本、模板、试剂或扩增反应溶液等液体从反应耗材距离中心近的腔体流向距离中心远的腔体。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：

1、本实用新型公开的快速核酸扩增***，提供了一种圆盘形或扇形的反应耗材，核酸扩增反应溶液最终都进入分布在耗材外周的PCR反应腔中，并由***控制在PCR温区控制单元之间快速转移实现快速核酸扩增。由于不存在升降温的过程，所以理论上包含逆转录和预变性的PCR过程甚至有可能缩短到15分钟之内完成。

2、本实用新型的圆盘形或扇形的反应耗材设计可以使核酸扩增反应溶液平铺，更有利于核酸扩增反应溶液的温度转换。

3、本实用新型的快速核酸扩增***，通过反应耗材圆周方向的转动，从而进行不同温区之间的切换，与现有的反应耗材温区切换方式相比，具有速度快、噪音低、定位准确和重复性好等特点；另外还可以实现离心式流体驱动和反应溶液混匀功能，提高***集成度。

4、本实用新型的快速核酸扩增***，PCR温区控制单元局部空气浴的温控方式与背景技术中的水浴、油浴和金属浴的温控方式相比，具有热交换效率高、热平衡速度快、非接触、均匀性好、无污染、无损耗等特点，可以减小PCR扩增过程中的非特异性。

5、本实用新型反应耗材设计灵活，既能实现一个样本的多重检测，也能实现多个样本的多重检测，而且具有试剂预混功能，适用范围更广。

附图说明

图1表示本实用新型实施例一圆盘形反应耗材的平面示意图；

图2表示本实用新型实施例一快速核酸扩增***的示意图；

图3表示本实用新型实施例一快速核酸扩增***的俯视图；

图4表示本实用新型实施例二扇形反应耗材的平面示意图；

图5表示本实用新型实施例二快速核酸扩增***的示意图；

图6表示本实用新型实施例二快速核酸扩增***的俯视图；

图7与图8分别表示本实用新型实施例三快速核酸扩增***的温控模块切换的示意图；

图9表示本实用新型第二种圆盘形反应耗材实施例的平面示意图；

图10表示本实用新型第三种圆盘形反应耗材实施例的平面示意图；

图11示本实用新型第二种扇形反应耗材实施例的平面示意图。

其中附图标记为：21、31、41、51、61、71-反应耗材；22、32、52、62、72-转轴卡槽；23、33、53、63、73-PCR单元；24、34、54、64、74-加样口；25、35、65、75-PCR预混腔；26、36、56、66、76-PCR反应腔；27、37、67、77-PCR反应区域；28、38、58、68-加样流道；29、39、69、79-分液流道；210、310-转盘；211、311-旋转电机；212、312-PCR温区控制单元；12a₁-第一PCR温区控制单元上温控模块；12a₂-第一PCR温区控制单元下温控模块；12b₁-第二PCR温区控制单元上温控模块；12b₂-第二PCR温区控制单元下温控模块；213、313-旋转固定轴；314、414-光纤探头。

具体实施方式

实施例一：

以下将结合图1、图2、图3，对本实用新型的一个具体实施方案进行说明，本实施例中所示的快速核酸扩增***可以加载一个圆盘形反应耗材，并采用局部空气浴的方式，同时实现多个核酸样本的快速扩增。

如图1所示，本实施例中的圆盘形反应耗材21包括一个转轴卡槽22和六个PCR单元23，每个PCR单元23包括一个加样口24，一个预封装有干粉试剂的PCR预混腔25以及三个PCR反应腔26，三个PCR反应腔26构成了一个PCR反应区域27；加样口24通过加样流道28与PCR预混腔25相连通；PCR预混腔25通过分液流道29与三个PCR反应腔26相连通。

如图2、图3所示，本实施例中的旋转扩增装置包括一个转盘210，一个旋转电机11和六个PCR温区控制单元212(图2中为方便说明,其中两个PCR温区控制单元未显示)。转盘210上设置有旋转固定轴213，用于加载、固定反应耗材21。旋转电机211与转盘210相连，可以带动转盘210及所加载的反应耗材21旋转或高速离心以驱动反应耗材21中的液体流动。六个PCR温区控制单元212的前端设有缺口,反应耗材21上的六个PCR反应区域27可以嵌入该缺口。同时，六个PCR温区控制单元212通过该缺口提供恒温气流形成一个局部空气浴，其中，三个PCR温区控制单元212提供同一温度(较高温度),另外三个PCR温区控制单元212提供同一温度(较低温度)，高低温PCR温区控制单元212交替分布以形成PCR反应所需的不同温区,PCR温区控制单元212可以采用加热丝或加热膜。

本实施例的核酸扩增过程为：六个相同或不同的液体核酸样本从加样口24添加到反应耗材21中，所添加的样本经加样流道28流入PCR预混腔25，随后加样口24将被密封，反应耗材21将变为封闭的***。将封闭后的反应耗材21加载到旋转扩增装置的转盘210上，具体操作为将反应耗材通过其转轴卡槽22固定在转盘的旋转固定轴213上。反应耗材21加载完毕后，旋转电机211带动反应耗材21往复旋转，使从加样口加入的核酸样本流入PCR预混腔25与PCR预混腔25中的PCR干粉试剂充分混匀，随后旋转电机211带动反应耗材21高速离心旋转，使PCR预混腔25中的混合溶液通过分液流道29进入三个PCR反应腔26，旋转扩增装置控制六个PCR温区控制单元212运动到与反应耗材21的六个PCR反应区域27相对应的位置，使每个PCR反应区域27均嵌入与其相对的PCR温区控制单元212的前端缺口。最后，旋转电机211带动反应耗材21在三组高低温PCR温区控制单元212之间往复旋转，提供PCR反应所需的不同温度，以实现核酸样本的快速扩增。

实施例二：

以下将结合图4、图5、图6，对本实用新型的一个具体实施方案进行说明，本实施列中所示的快速核酸扩增***可以加载六个扇形反应耗材，并采用局部空气浴的方式，同时实现多个核酸样本的快速扩增。

如图4所示，本实施例中的扇形反应耗材31包括两个转轴卡槽32和一个PCR单元33，PCR单元33包括一个加样口34，一个预封装有干粉试剂的PCR预混腔35以及三个PCR反应腔36，三个PCR反应腔36构成了一个PCR反应区域37；加样口34通过加样流道38与PCR预混腔35相连通,PCR预混腔35通过分液流道39与PCR反应腔36相连通。

如图5、图6所示，本实施例中的旋转扩增装置包括一个转盘310，一个旋转电机311和六个PCR温区控制单元312(图5中为方便说明,其中两个PCR温区控制单元未显示)。转盘310上设置有十二个旋转固定轴313，两个旋转固定轴313为一组，用于加载、固定一个反应耗材31。旋转电机311与转盘310相连，可以带动转盘310及所加载的反应耗材31旋转或高速离心以驱动反应耗材31中的液体流动。六个PCR温区控制单元312的前端设有缺口,反应耗材31上的PCR反应区域37可以嵌入该缺口。同时，六个PCR温区控制单元312通过该缺口提供恒温气流形成一个局部空气浴，其中，三个PCR温区控制单元312提供同一温度(较高温度),另外三个PCR温区控制单元312提供同一温度(较低温度)，高低温PCR温区控制单元312交替分布以形成PCR反应所需的不同温区，PCR温区控制单元312可以采用加热丝或加热膜。同时，三个低温PCR温区控制单元312上安装有三个光纤探头314，用于对PCR反应进行多路荧光检测。

本实施例的核酸扩增过程为：液体核酸样本从加样口34添加到反应耗材31中，所添加的样本经加样流道38流入PCR预混腔35，随后加样口34将被密封，反应耗材31将变为封闭的***。之后将六个添加了相同或不同核酸样本并且封闭后的反应耗材31加载到旋转扩增装置的转盘310上，具体操作为将六个反应耗材31分别通过其各自的两个转轴卡槽32固定在转盘的六组旋转固定轴312上。六个反应耗材31加载完毕后，旋转电机311带动六个反应耗材31往复旋转，使PCR预混腔35中的核酸样本与PCR干粉试剂充分混匀，随后旋转电机311带动六个反应耗材31高速离心旋转，使PCR预混腔35中的混合溶液通过分液流道39进入三个PCR反应腔36。旋转扩增装置控制六个PCR温区控制单元312运动到与六个反应耗材31的PCR反应区域37相对应的位置，使每个PCR反应区域37均嵌入与其相对的PCR温区控制单元312的前端缺口。最后，旋转电机311带动反应耗材31在三组高温PCR温区控制单元312之间往复旋转，提供PCR反应所需的不同温度，以实现核酸快速扩增；每当PCR反应区域37嵌入三个低温PCR温区控制单元312的前端缺口时，低温PCR温区控制单元312上的三个光纤探头314能够对PCR反应进行多路荧光检测，实现核酸荧光检测。

实施例三：

以下将结合图7、图8，对本实用新型旋转扩增装置的一个具体实施方案进行说明，本实施列中所示的快速核酸扩增***采用温控模块的方式，实现单个或多个核酸样本的快速扩增。

如图7-8所示，本实施例中的旋转扩增装置包括一个转盘(图未示)，一个旋转电机411和两个PCR温区控制单元：第一PCR温区控制单元包括上温控模块12a₁和下温控模块12a₂，第二PCR温区控制单元包括上温控模块12b₁和下温控模块12b₂，两组上下温控模块相对安装在反应耗材上部和下部，控制相同的温度。两组温控模块可以由驱动结构驱动夹紧PCR反应区域，给PCR反应区域中的各个PCR反应腔提供PCR反应所需的一个温度；同时，第二PCR温区控制单元的上温控模块12b₁安装有五个光纤探头414，用于对PCR反应进行多路荧光检测。

本实施例的具体实施方式为：将反应耗材41加载到旋转扩增装置后，旋转电机411带动反应耗材41往复旋转完成PCR预混腔内的样本与封装干粉试剂的混匀；混匀后，旋转电机411带动反应耗材41在第一PCR温区控制单元、第二PCR温区控制单元之间来回快速移动，以进行PCR扩增，第一PCR温区控制单元、第二PCR温区控制单元可以采用加热丝或加热膜。如图7所示，当反应耗材41的PCR反应区域在旋转电机411的带动下移动至第一PCR温区控制单元时，第一PCR温区控制单元的上温控模块12a₁、下温控模块12a₂由驱动结构驱动夹紧PCR反应区域并进行温度控制；如图8所示，当反应耗材41的PCR反应区域在旋转电机411的带动下移动至第二PCR温区控制单元时，第二PCR温区控制单元的上温控模块12b₁、下温控模块12b₂由驱动结构驱动夹紧PCR反应区域并进行温度控制，以此种方式提供PCR反应所需的不同温度，实现核酸快速扩增；每当第二PCR温区控制单元的上温控模块12b₁、下温控模块12b₂夹紧PCR反应区域进行温度控制时，上温控模块12b₁上的五个光纤探头414能够对PCR反应进行多路荧光检测，实现核酸荧光检测。

其它实施例

图9表示本实用新型第二种圆盘形反应耗材实施例的平面示意图。该实施例中，圆盘形反应耗材51包括一个转轴卡槽52和六个PCR单元53，每个PCR单元53包括一个加样口54和一个PCR反应腔56；加样口54通过加样流道58与PCR反应腔56相连通。该圆盘形反应耗材可以添加六种相同或不同的已配备好的PCR反应液进行核酸的快速扩增。

图10表示本实用新型第三种圆盘形反应耗材实施例的平面示意图。该实施例中，圆盘形反应耗材61包括一个转轴卡槽62和四个PCR单元63，每个PCR单元63包括一个加样口64、三个预封装有相同或不同干粉试剂的PCR预混腔65和三个PCR反应腔66，三个PCR反应腔66构成了一个PCR反应区域67。加样口64通过加样流道68与三个PCR预混腔65相连通，三个PCR预混腔65通过三条流道69与三个PCR反应腔66相连通。该圆盘形反应耗材的四个PCR单元63可以添加四个相同或不同的核酸样本，每一个PCR单元63的三个PCR反应腔66可以进行三个相同或不同的PCR扩增反应。

图11表示本实用新型第二种扇形反应耗材实施例的平面示意图。该实施例中，扇形反应耗材71包括两个转轴卡槽72和一个PCR单元73。PCR单元73包括一个加样口74、三个预封装有相同或不同PCR干粉试剂的PCR预混腔75和三个PCR反应腔76，三个PCR反应腔76构成了一个PCR反应区域77。加样口74通过加样流道78与三个PCR预混腔75相连通，三个PCR预混腔75通过三条流道79与三个PCR反应腔76相连通。旋转扩增装置中可以加载四个扇形反应耗材71，每个扇形反应耗材71可以添加一种核酸样本，每种核酸样本可以进行三个相同或不同的PCR扩增反应。

本实用新型实施例一、实施例二、实施例三及图10、图11中的加样口所加的核酸样本可以是经提取、纯化的核酸样本，也可以是原始核酸样本，当核酸样本为原始核酸样本时，可以通过对反应耗材与预混腔之间流道的结构设计，以使核酸样本在流入预混腔时已经是纯化的核酸样本。

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所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims

1.一种快速核酸扩增***，包括反应耗材及温度控制组件，所述反应耗材上设置有PCR反应区域，其特征在于：

所述PCR反应区域设置在反应耗材靠近边缘的区域；

所述温度控制组件包括两组或多组圆周排布的PCR温区控制单元，PCR温区控制单元对反应耗材上PCR反应区域的温度进行控制；

所述核酸扩增***还包括旋转支撑组件，所述旋转支撑组件包括支撑部件及旋转电机；所述支撑部件水平设置，用于支撑及固定反应耗材；所述旋转电机用于控制支撑部件的旋转，所述支撑部件上固定的反应耗材的一个或多个PCR反应区域在两组或多组圆周排布的PCR温区控制单元之间通过旋转方式变换温区，实现核酸扩增。

2.根据权利要求1所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述支撑部件为转盘；所述反应耗材为一个圆盘形反应耗材或多个扇形反应耗材，多个扇形反应耗材在支撑部件上圆周排布。

3.根据权利要求2所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述圆盘形反应耗材包括一个或多个圆周均布的PCR单元，每个PCR单元包括一个可以封闭的加样口和一个PCR反应区域，加样口和PCR反应区域通过流道连通；

每个PCR反应区域包含一个或多个圆周均布的PCR反应腔。

4.根据权利要求3所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述圆盘形反应耗材的每个PCR单元还包括一个PCR预混腔或与多个PCR反应腔一一对应的多个PCR预混腔，PCR预混腔与加样口和PCR反应腔通过流道连通。

5.根据权利要求2所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述扇形反应耗材包括一个可以封闭的加样口及一个与加样口连接的PCR反应区域，所述PCR反应区域包括一个或多个圆周分布的PCR反应腔。

6.根据权利要求5所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述扇形反应耗材的加样口与多个PCR反应腔之间设置有一个PCR预混腔或与多个PCR反应腔一一对应的多个PCR预混腔，加样口、PCR预混腔及PCR反应腔之间相连通。

7.根据权利要求1至6任一所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述PCR温区控制单元为一个单独的温控模块或两个相对安装在反应耗材上部和下部的上温控模块和下温控模块，

单独的温控模块的前端设置有缺口，所述缺口处区域为温控模块的空气加热区，反应耗材的PCR反应腔所在的圆周区域嵌入多个温控模块的缺口处；

上温控模块和下温控模块控制的温度相同；两个温控模块由驱动结构驱动夹紧PCR反应区域，给PCR反应区域中的各个PCR反应腔提供PCR反应所需的一个温度。

8.根据权利要求7所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述PCR温区控制单元中包含控制退火延伸的温控模块，温控模块的上部或下部，或上部温控模块，或下部温控模块设置有荧光检测单元。

9.根据权利要求2所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述转盘上具有夹紧机构或固定卡槽，用于将圆盘形或扇形反应耗材夹紧固定在转盘上。

10.根据权利要求1所述的快速核酸扩增***，其特征在于：

所述旋转电机安装有编码盘，所述编码盘对反应耗材的绝对位置和转速进行负反馈控制，速度曲线是三角波、锯齿波、正弦波或者抛物线。