一种数字PCR装置、制备方法、设备及介质与流程

一种数字pcr装置、制备方法、设备及介质
技术领域
1.本发明涉及聚合酶链式反应技术领域，尤其是一种数字pcr装置、制备方法、设备及介质。


背景技术：

2.聚合酶链反应(pcr)是一种用于放大扩增特定的dna片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊dna复制，pcr的最大特点是能将微量的dna大幅增加，随着科技的发展，pcr技术越来越多地被运用到考古、刑侦及其他生物科学技术领域。
3.现有的数字pcr仪的液滴生成、pcr扩增、荧光检测三个步骤多由三台独立的仪器完成，样本在三台设备间的转移需要人工进行操作。液滴生成器主要由气压泵构成，为液滴生成提供动力，通过液滴生成芯片生成油包水液滴；pcr扩增装置通过tec(半导体制冷器)来实现升降温温度循环，其需配合外围的电源、控制电路、散热器等，整体设备体积较大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种数字pcr装置、制备方法、设备及介质，以实现对数字pcr装置的一体化并提高装置的流通量。
5.一方面，本发明提供了一种数字pcr装置，包括注射模块、连接管道、光刻液滴芯片、热拉伸毛细管、恒温热源、导温模块、检验镜头和废液容器，所述液滴生成模块的输出端连接所述连接管道的输入端，所述连接管道的输出端连接所述光刻液滴芯片的输入端，所述光刻液滴芯片的输出端连接热拉伸毛细管的输入端，所述热拉伸毛细管缠绕在所述导温模块的表面，所述导温模块放置在所述恒温热源上，所述热拉伸毛细管的输出端连接所述废液容器的输入端，所述检验镜头对准所述热拉伸毛细管的输出端；
6.其中，所述注射模块，用于注射水相和油相进入所述连接管道；
7.所述连接管道，用于传输所述水相和所述油相至所述光刻液滴芯片；
8.所述光刻液滴芯片，用于通过光刻法制备的微流道根据所述水相和所述油相制备液滴；
9.所述恒温热源，用于为所述导温模块提供温度；
10.所述导温模块，用于根据所述恒温热源在表面形成不同的温度区；
11.所述拉伸毛细管，用于引导液滴在所述导温模块表面不同的温度区流动进行高低温循环处理，完成pcr扩增；
12.所述检验镜头，用于对pcr扩增后的液滴进行荧光检测；
13.所述废液容器，用于收集废弃的油相和液滴。
14.可选地，所述注射模块包括步进电机、多注射同步推板、水相注射器、油相注射器和固定挡板，其中，所述多注射器同步推板的一端连接所述步进机，另一端连接所述水相注射器和所述油相注射器，所述水相注射器和所述油相注射器平行放置，所述水相注射器和所述油相注射器的另一端与所述固定挡板连接。
15.可选地，所述光刻液滴芯片通过光刻法制备的微流道，根据所述水相和所述油相制备得到直径为0.12mm液滴。
16.可选地，所述导温模块包括但不限于pdms模块，所述pdms模块的高度为11mm，当所述恒温热源的温度为95℃时，所述pdms模块的下表面温度为95℃，上表面温度为65℃。
17.另一方面，本发明实施例还公开了一种数字pcr装置的制备方法，包括：
18.将水相注射器和油相注射器平行放置，通过多注射器同步推板和固定挡板固定所述水相注射器和所述油相注射器，并将步进电机与多注射器同步推板连接，得到注射模块；
19.通过光刻法制备得到光刻液滴芯片；
20.通过热拉伸成型技术对毛细管进行拉伸得到热拉伸毛细管；
21.将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，并将所述导温模块放置在恒温热源上；
22.通过连接管道连接所述光刻滴液芯片和所述注射模块，通过所述热拉伸毛细管连接所述光刻液滴芯片和废液容器，并将检测镜头对准热拉伸毛细管的输出端，完成对数字pcr装置的制备。
23.可选地，所述通过光刻法制备得到光刻液滴芯片，包括：
24.获取可形成液滴的微流道图案；
25.根据所述图案将光刻胶涂在硅片上，制备得到微流道为0.1mm的硅基微流道模具；
26.将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按第一比例的质量进行混合，搅拌均匀后抽出空气并浇铸在所述硅基微流道模具上，在烘箱中烤制后完成倒模，得到微流道模型；
27.通过等离子清洗机对所述微流道模型和玻璃进行表面处理，将所述微流道模型和所述玻璃贴在一起并通过烘箱进行烤制，完成对光刻液滴芯片的制备。
28.可选地，所述通过热拉伸成型技术对毛细管进行拉伸得到热拉伸毛细管，包括：
29.对毛细管进行加热处理，待温度稳定后拉伸得到内径小于液滴直径的热拉伸毛细管，其中，所述毛细管包括但不限定于铁氟龙毛细管。
30.可选地，所述将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，并将所述导温模块放置在恒温热源上，包括：
31.将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，其中，所述导温模块包括但不限定于pdms模块；
32.将所述导温模块放置在恒温热源上，当所述恒温热源进行加热时，沿着所述导温模块的垂直方向形成温度梯度，所述导温模块的上表面温度为65℃，下表面为95℃。
33.另一方面，本发明实施例还公开了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
34.所述存储器用于存储程序；
35.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
36.另一方面，本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
37.另一方面，本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
38.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明一种数字pcr装置，包括注射模块、连接管道、光刻液滴芯片、热拉伸毛细管、恒温热源、导温模块、检验镜头和废液容器；通过使用光刻法制备的光刻液滴芯片生成微液滴，提高了系统的流通量；通过使用热拉伸成型技术拉伸得到的热拉伸毛细管，使管道内一次只能通过单个微液滴，使微液滴减少聚集现象，提高了系统的流动速度；通过导温模块在加热时形成温度梯度，能够完成核酸扩增并减少了系统的使用成本；通过检验镜头对单个液滴进行检测，能够提高系统的检测精度。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例的一种数字pcr装置结构图；
41.图2为本发明实施例的一种数字pcr装置制备方法流程图。
具体实施方式
42.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
43.本发明实施例提供了一种数字pcr装置，包括注射模块、连接管道、光刻液滴芯片、热拉伸毛细管、恒温热源、导温模块、检验镜头和废液容器，所述液滴生成模块的输出端连接所述连接管道的输入端，所述连接管道的输出端连接所述光刻液滴芯片的输入端，所述光刻液滴芯片的输出端连接热拉伸毛细管的输入端，所述热拉伸毛细管缠绕在所述导温模块的表面，所述导温模块放置在所述恒温热源上，所述热拉伸毛细管的输出端连接所述废液容器的输入端，所述检验镜头对准所述热拉伸毛细管的输出端；
44.其中，所述注射模块，用于注射水相和油相进入所述连接管道；
45.所述连接管道，用于传输所述水相和所述油相至所述光刻液滴芯片；
46.所述光刻液滴芯片，用于通过光刻法制备的微流道根据所述水相和所述油相制备液滴；
47.所述恒温热源，用于为所述导温模块提供温度；
48.所述导温模块，用于根据所述恒温热源在表面形成不同的温度区；
49.所述热拉伸毛细管，用于引导液滴在所述导温模块表面不同的温度区流动进行高低温循环处理，完成pcr扩增；
50.所述检验镜头，用于对pcr扩增后的液滴进行荧光检测；
51.所述废液容器，用于收集废弃的油相和液滴。
52.参照图1，图1中步进电机1、多注射器同步推板2、注射器3、固定挡板6组成注射模块，连接管道7连接注射模块和光刻液滴芯片8，使用光刻法制备的光刻液滴芯片中有芯片通道9，通过芯片通道将水相4和油相5混合制备得到直径为0.12mm微液滴，微液滴进入通过
热拉伸成型技术得到的热拉伸毛细管10，热拉伸毛细管10的内径略小于微液滴直径，因此液滴可以单独分散在热拉伸毛细管中；热拉伸毛细管10缠绕在导温模块13的表面，将导温模块13放置在恒温热源12上进行加热。此时微液滴为油包水液滴11通过在热拉伸毛细管10流动经过导温模块13形成的垂直梯度温度区，完成pcr扩增，得到pcr扩增液滴14。最后在热拉伸毛细管10的末端通过检测镜头15对每个流经的pcr扩增液滴14进行荧光检测，不需要大面积的检测，实现高通量液滴检测的同时提升荧光检测的精确度，最后使用废液容器16收集废弃液滴。
53.进一步作为优选的实施方式，所述注射模块包括步进电机、多注射同步推板、水相注射器、油相注射器和固定挡板，其中，所述多注射器同步推板的一端连接所述步进机，另一端连接所述水相注射器和所述油相注射器，所述水相注射器和所述油相注射器平行放置，所述水相注射器和所述油相注射器的另一端与所述固定挡板连接。
54.参照图1，步进电机1用于推动多注射器同步推板2进一步压缩注射器3进行注射，注射器3包括水相注射器和油相注射器，注射器3中的水相注射器和油相注射器平行放置于多注射器同步推板2和固定挡板6中，水相注射器中放置有水相4，油相注射器中放置有油相5，通过步进电机1可以对多注射器同步推板2进行推拉操作，现对水相4和油相5的注射，将水相4和油相5通过连接管道7注射到光刻液滴芯片8中。
55.进一步作为优选的实施方式，所述光刻液滴芯片通过光刻法制备的微流道，根据所述水相和所述油相制备得到直径为0.12mm液滴。
56.参照图1，使用光刻法制备横截面为宽为0.1mm、高为0.08mm的微流道，即芯片通道9，将水相4和油相5混合制备得到直径为0.12mm微液滴。
57.进一步作为优选的实施方式，所述导温模块包括但不限于pdms模块，所述pdms模块的高度为11mm，当所述恒温热源的温度为95℃时，所述pdms模块的下表面温度为95℃，上表面温度为65℃。
58.参照图1，导温模块13在本发明实施例中使用热传导系数为0.25的pdms模块，pdms模块的长度为60mm，宽度为20mm，高度为11mm，当恒温热源12的温度为95℃时，pdms模块的下表面为95℃，上表面为65℃，此时在导温模块13的垂直方向上形成温度梯度，液滴通过在缠绕于导温模块13表面的热拉伸毛细管10内流动，完成高低温循环过程，完成核酸扩增。
59.结合附图2，本发明实施例提供一种数字pcr装置的制备方法，包括：
60.s1、将水相注射器和油相注射器平行放置，通过多注射器同步推板和固定挡板固定所述水相注射器和所述油相注射器，并将步进电机与多注射器同步推板连接，得到注射模块；
61.s2、通过光刻法制备得到光刻液滴芯片；
62.s3、通过热拉伸成型技术对毛细管进行拉伸得到热拉伸毛细管；
63.s4、将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，并将所述导温模块放置在恒温热源上；
64.s5、通过连接管道连接所述光刻滴液芯片和所述注射模块，通过所述热拉伸毛细管连接所述光刻液滴芯片和废液容器，并将检测镜头对准热拉伸毛细管的输出端，完成对数字pcr装置的制备。
65.进一步作为优选的实施方式，上述步骤s2中，所述通过光刻法制备得到光刻液滴
芯片，包括：
66.获取可形成液滴的微流道图案；
67.根据所述图案将光刻胶涂在硅片上，制备得到微流道为0.1mm的硅基微流道模具；
68.将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按第一比例的质量进行混合，搅拌均匀后抽出空气并浇铸在所述硅基微流道模具上，在烘箱中烤制后完成倒模，得到微流道模型；
69.通过等离子清洗机对所述微流道模型和玻璃进行表面处理，将所述微流道模型和所述玻璃贴在一起并通过烘箱进行烤制，完成对光刻液滴芯片的制备。
70.其中，设计可形成液滴的微流道图案，根据图案使用光刻胶涂在硅片上，依次经过匀胶、前烘、光刻、后烘、显影和定影工序制备得到微流道为0.1mm硅基微流道模具。将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按第一比例，即质量比10:1混合，搅拌均匀后抽真空15分钟排出气泡，然后浇铸在硅基微流道模具上，在70℃烘箱中烘烤30分钟再将具有微流道图案的pdms剥离模具完成倒模，得到微流道模型。将微流道模型与玻璃一起放入等离子清洗机中进行表面处理45秒，然后将二者贴合，微流道处于微流道模型与玻璃基底交界面上，放入70℃烘箱中烘烤30分钟即可完成对光刻液滴芯片的制备。使用本方法制备得到的光刻液滴芯片中的微流道可以使水相和油相在十字交汇处生成纳升甚至皮升级别的微液滴，大大提高了液滴流通量。
71.进一步作为优选的实施方式，上述步骤s3中，所述通过热拉伸成型技术对毛细管进行拉伸得到热拉伸毛细管，包括：
72.对毛细管进行加热处理，待温度稳定后拉伸得到内径小于液滴直径的热拉伸毛细管，其中，所述毛细管包括但不限定于铁氟龙毛细管。
73.其中，本发明实施例中使用铁氟龙毛细管，现有铁氟龙毛细管的最小内径为0.3mm，因此基于该管道生成的液滴尺寸较大，相同剂量的pcr试剂生成的液滴数量较少，不能真正实现液滴的高通量。通过热拉伸成型工艺，将铁氟龙毛细管拉伸后，得到内径小于0.12mm的热拉伸毛细管，与液滴尺寸相近，因此液滴可以单独分散在管道中，最后在热拉伸毛细管的末端对每个流经的液滴进行荧光检测，不需要大面积的检测，实现高通量液滴检测的同时提升荧光检测的精确度。
74.进一步作为优选的实施方式，所述将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，并将所述导温模块放置在恒温热源上，包括：
75.将所述热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，其中，所述导温模块包括但不限定于pdms模块；
76.将所述导温模块放置在恒温热源上，当所述恒温热源进行加热时，沿着所述导温模块的垂直方向形成温度梯度，所述导温模块的上表面温度为65℃，下表面为95℃。
77.其中，在现有的数字pcr装置中采用一个温度为95℃的加热板和一个温度为65℃的加热板实现对液滴pcr扩增，在本发明实施例中使用一个加热板即恒温热源，在恒温热源上放置导温模块，导温模块使用热传导系数为0.25的pdms模块，当恒温热源为95℃时，沿着导温模块的垂直方向形成温度梯度，导温模块的上表面温度为65℃，下表面为95℃。热拉伸毛细管缠绕在导温模块的表面，液滴在毛细管内流动时即可完成高低温循环过程，完成pcr扩增。
78.与图2的方法相对应，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储
器；所述存储器用于存储程序；所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
79.与图2的方法相对应，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
80.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图2所示的方法。
81.在现有技术方案中，数字pcr装置大部份需要多台独立的仪器进行检测，检测流程自动化程度较低。在一些数字pcr装置的液滴生成组件中液滴生成及运输管道通常使用材料表面疏水的铁氟龙管，但市面上现有的铁氟龙管内径最小为0.3mm。因此基于该管道生成的液滴尺寸较大，相同剂量的pcr试剂生成的液滴数量较少，不能真正实现液滴的高通量。生成的液滴在微流控管道中流动时，由于管道尺寸远大于液滴尺寸，故液滴会聚集在一起，后续进行荧光检测时无法准确提取单个液滴轮廓，进而影响绝对的定量检测。同时现有的温度循环组件使用两个加热板，温度循环组件的结构复杂并且占用体积较大。
82.综上所述，本发明实施例具有以下优点：
83.(1)本发明实施例通过光刻法制备光刻液滴芯片，能够生成小尺寸的微液滴，提高系统的流通量；
84.(2)本发明实施例通过热拉伸成型技术制备得到的热拉伸毛细管，能够使微液滴在管道内流动时减少因聚集现象造成的流速减慢和难以提取液滴轮廓，提高了系统的流通量和检测精度。
85.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
86.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
87.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个
人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
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only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
88.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
89.计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
90.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
91.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
92.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
93.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。