[发明专利]一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种单微通道PCR扩增系统，属于生物学、分析化学及医学检测领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统。

背景技术

随着载人航天技术日趋成熟，其任务周期也随之逐渐延长，对航天员健康保障的要求也会越来越高。航天器中处于非监控状态的微生物对航天员的健康构成了严重威胁。在长期航天飞行中，微生物菌群增长及菌株变异会影响仪器设备的性能及工作环境条件，对航天器及其仪器设备的正常运行产生危害。为了预防空间飞行中感染性疾病的发生、传播，必须严密监控航天器中的微生物，因此急需一种空间在轨生物危害实时自动报警系统，该系统的核心是微生物核酸荧光检测微系统。由于空间在轨要求设备具有全自动和微体积、小重量的技术特点。其中PCR扩增技术正是检测系统的反应核心技术之一，一个合理的PCR扩增系统不仅增加了设备的便携性、实用性，而且提高了PCR扩增效率。因此简化微流控荧光PCR工作系统是实现空间在轨生物危害实时自动报警系统要求的关键。

聚合酶链式反应（PCR）是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术,其原理类似于天然DNA的复制，是体外酶促反应选择性地合成特异性DNA的一种方法。反应步骤是人工合成一对寡核苷酸引物与特异扩增DNA片段两条链的两端序列分别互补，由高温(在摄氏96度左右)热变性、低温(在摄氏55度左右)复性和适温(在摄氏72度左右)延伸组成一个周期循环进行，使DNA片段得以迅速扩增。在合适条件下，这种循环不断重复,前一个循环的产物DNA可作为后一个循环的模板DNA参与DNA的合成，使产物DNA的量按2ⁿ方式扩增。从理论上讲经过三十多次的循环反应,DNA扩增倍数为10⁶～10⁹。PCR技术的实用性，使得其应用广泛，多用于医学应用来检测细菌、病毒类疾病；诊断遗传疾病；诊断肿瘤；应用于法医物证学。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，并且体积能够做的很小，完全可以移植到生物微型器件上，具有很高的抗干扰能力。

目前有很多种PCR扩增反应仪器。但是这些仪器都过于庞大不易携带并且都受到重力限制，无法适应空间作业要求。现在传统的PCR扩增反应仪器都是利用机械推动原理来完成PCR扩增反应，应用单片机对步进电机的控制操作实现PCR试剂的移动，但是其中控制电路中利用的芯片存在自身的延时误差，这样PCR扩增反应是一个40次循环的反复过程，其中由于每一个循环都存在一部分不可避免误差，导致40次反复循环后严重影响了扩增结果。因此对于微型系统结构造成的误差损失更为明显。而且如果为提高电路控制芯片的质量减少客观误差的同时，却提高了设备的成本并且效果并不明显。此外由于电路的本身体积限制，降低了系统的集成性，不能后续为检测与采集系统增添外设。

对于非传统的PCR扩增反应仪器主要是利用温区的移动控制的方式来完成对于定点的PCR试剂的反应控制。但是其中温度控制中的升温速度和降温速度不易控制，并且如果升温过快会降低PCR试剂中的生物活性甚至使样品细菌致死。此外温度控制循环很慢，从高温区不能迅速降到低温区，导致最后的生物曲线不明显。所以温度控制电路过于庞大不易移植到整体生物微型仪器当中。

因此运用压电陶瓷鼓动的方式来输送PCR试剂移动，不仅可以减少相应的芯片误差，而且对于微型系统结构中，温区固定，大大提高了对PCR试剂的控制能力。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于压电陶瓷鼓动输送式的单微通道PCR扩增系统，主要用于微型载体上的PCR扩增反应和在无重力环境内的PCR扩增反应的实时荧光检测装置与集成生物芯片的后续搭建，目的由单微通道循环PCR扩增反应模块和两种分别适用于常规体积和微型体检的动力模块组成，适合在空间在轨失重环境里进行自动工作，达到功能集成、结构缩微、重量轻体积小全自动检测的目标。