[发明专利]一种在微流控芯片内进行核酸扩增的装置

说明书

技术领域

本发明属于核酸扩增技术领域，涉及一种核酸扩增装置，尤其是涉及一种在微流控芯片内进行核酸扩增的装置及其方法。

背景技术

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)在体外酶促合成特异DNA片段，是现代核酸分析的重要手段之一(Saiki RK，Scharf S，Faloona F，Mullis KB，Horn GT，Erlich HA，Arnheim N Science 1985，230：1350)。由高温变性、低温退火及适温延伸等步骤组成一个循环，在一个循环内能将目标核酸分子的数目增加近一倍，整个聚合酶链式反应所包含的20～40个循环能将有限的核酸分子扩增10⁹倍。具有操作简便、灵敏度高、特异性强、产率高、重现性好、易于自动化等优势。一个循环过程主要由以下三个基本步骤构成：①模板DNA的变性：将反应溶液加热至93～98℃，溶液中的双链DNA模板在热作用下，氢键断裂而形成单链DNA；②模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55～70℃左右，引物与单链DNA的互补序列配对结合；③引物的延伸：在60～75℃下，DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶等的作用下，以dNTP作为反应原料，靶序列作为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA单链互补的半保留复制链。在一个循环过程完成后，每个目标核酸分子由一条DNA双链扩增成为两条DNA双链。

在PCR扩增过程中，温度的控制至关重要。PCR扩增仪是目前广泛使用的扩增设备，通过微机控制温控模块的温度，从而实现试管中的PCR反应溶液的升温和降温。现有PCR扩增仪存在着如下缺点：温控模块热容量大、升温降温速度慢；采用导热性较差的塑料管作为反应容器，反应溶液的温度变化滞后于温控模块；设定温度或模块温度并不能代表反应溶液的实际温度，温度控制精度较差，扩增效率较低，通常一个循环需几分钟到十几分钟，完成全部的扩增过程需要数个小时的时间。

微流控芯片是利用各种微加工技术在芯片材料(如玻璃、PDMS或PMMA等其他材料)上加工出具有各种功能的微结构，实现反应、分离、检测等功能，最大限度地把实验室的功能集成到便携的芯片上。自20世纪90年代初Manz和Widmer等(ManzA，GraberN，Widemer H M.Sens.Acturators，B，1990，B1：244)首次提出以来，微流控芯片技术得到了快速发展，已经从单纯的化学分析扩展到各个领域，包括核酸分析、蛋白质分析和细胞分析等。微流控芯片的通道及各种结构均在微米级别，具有比表面积大、导热快、传质迅速等优点，在微流控芯片上进行PCR扩增，能够有效降低热容量、缩短扩增所需时间、降低样品和试剂消耗(Zhang CS，Xing D.Nucleic Acids Res.2007，35：4223)。到目前为止，有关在微流控芯片上进行PCR扩增反应已有许多报道，主要采用以下两种方式：

1.在微流控芯片上加工一个PCR反应腔，将PCR反应溶液加入到反应腔内，通过在芯片底部集成加热部件或外置的加热装置进行温度控制，反应溶液在反应腔内实现静止式的三温区循环，完成扩增过程(Lagally E T，Medintz I，Mathies RA.Anal.Chem.2001，73：565；Ohashi T，Kuyama H，Hanafusa N，Togawa Y.Biomed.Microdevice，2007，9：695；路卡·布塞 张建平 中国专利 专利公开号：CN101680013A)。

2.利用三个集成或外置的加热装置，分别控制微流控芯片的不同区域处于三种不同的温度下，微流控芯片的微通道分别经过这三个不同的温度区域，这样PCR反应溶液在微通道内依次循环流经3个不同温区，在流动过程中完成扩增过程(Kopp M U，de Mello A J，Manz A.Science.1998，280：1046；Mohr S，Zhang YH，Macaskill A，Day PJR，Barber RW，Goddard NJ，Emerson DR，Fielden PR.Microfluid.Nanofluid，2007，3：611；中国实用新型专利公告号CN2767454)。但目前已报道的这两种方式仍有一定的不足，采用第1种方式仍需要反复进行升温和降温过程，需要一定的时间完成温度变化，而且温度的重现性较差，精确控温对温度控制系统有较高的要求；采用第2种方式反应溶液要流经完整的微通道，容易被吸附到微通道内壁上而导致干扰和交叉污染。