一种空间应用双轴离心驱动的双温区PCR微流控芯片

一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片
技术领域
1.本发明涉及技术领域，具体涉及一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片。

背景技术：

2.qpcr实时荧光定量聚合酶扩增技术是生命科学研究中进行基因分析技术的重要工具。随着我国空间站建成并开始运营，空间生命科学研究将在空间站大量开展，前期大量空间实验采用“空间采样-低温存储下行-地面分析”的方式，下行资源紧张实验效率低，可在微重力环境下开展qpcr实验系统具有降低上下行资源，提升实验效率的重要意义。
3.微重力环境扩增无法直接采用地面实验室常用的qpcr设备，国际空间站wetlab-2系统的qpcr实验报道中即提到，管内产生的气泡在正常1g条件下会从管检测窗口中升起，而在微重力条件下，气泡会在热循环过程中形成、保留并在管光学窗口中膨胀，从而在所得扩增曲线中产生噪音。在文章microgravity validation of a novel system for rna isolation and multiplex quantitative real time pcr analysis of gene expression on the international space station.plos one 12(9):e0183480和文章spaceflight validation of one-step gene sampling tool for genetic analysis on the international space station,acta astronautica,volume 198,2022,pages225-232中，虽然针对wetlab-2系统进行了管盖的优化，提升了密封性，一定程度上减少了气泡的产生，但在2022的空间站试验中依然有报道气泡对结果的不良影响，影响了在轨试验的成功率和效率。可以看出在微重力环境下解决扩增过程中的气泡问题是qpcr空间设备研制的最关键需求。
4.并且，传统qpcr设备采用单个金属热台进行94℃-60℃-72℃三步法或94℃-60℃两步法变温，采用恒定温区驱动液体流动的方式也可实现变温。液体驱动方式十分多样，例如公开号为cn110872555a的发明专利公开了离心往复驱动的技术方案、公开号为cn110872557a的发明专利公开了芯片固定转动温区的技术方案、公开号为cn113574161a和cn103614294b的发明专利公开了气压往复驱动技术方案、公开号为cn110452803a的技术方案公开了外接泵驱动技术方案。虽然目前已有上述专利案例给出了技术方案，但均是针对地面应用，应用于空间实验应用还存在问题。上述所提芯片固定转动温区的方式，与wetlab-2一样均为液体静止的方式，即无法避免气泡影响；离心往复驱动与气压往复驱动的方法，在实际液路中均存在气体与液体交界，失去重力后气液界面的存在稳定性不足，也难以在空间环境应用；外接泵驱动的方式由于其液路接口与流路连接，耗材更换不便、接头插拔易污染等操作细节给空间宇航员操作带来极大的不便利。
5.目前尚未有一种技术方案能够设计出qpcr空间设备，使得其在微重力环境下既能解决扩增过程中的气泡问题，又能实现低功耗优化。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，能够通过离心在微重力条件下提供模拟重力，排除qpcr过程中产生的气泡问题，同时采用固定温区驱动液体的变温方式，大大降低扩增过程中的功耗需求。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，沿芯片中心处划分相互垂直的x轴和y轴，x轴和y轴将芯片划分为四个相同区域，分别为第一象限～第四象限区域；每个区域均包含相同结构的管路系统。
8.管路系统包括扩增体系缓存通道，第一毛细阀，扩增体系定量池，废液池，第二毛细阀，干粉预置通道，扩增池，石蜡油进样口。
9.其中第一象限和第四象限区域的扩增体系缓存通道的末端均开口，分别设为进样口和排气口；进样口孔插入常规移液头进行注样。
10.扩增体系缓存通道通过第一毛细阀连接至扩增体系定量池；扩增体系缓存通道与第一毛细阀连接方向不与x轴平行。
11.扩增体系定量池侧边设一通道连通废液池，液体多于扩增体系容量后即流入废液池；扩增体系定量池另一侧通过第二毛细阀连通干粉预置通道；第二毛细阀方向垂直于y轴。
12.干粉预置通道通入扩增池，扩增池总容积大于扩增体系定量池容积的2倍；扩增池的方向延长线与x轴以及原点构成一个锐角；扩增池分为低温恒温区和高温恒温区；其中低温恒温区设定温度在50-70℃之间，高温恒温区设定温度在90-100℃之间。
13.石蜡油进样口与扩增池连接位置位于扩增池中间。
14.进一步地，4个扩增体系缓存通道总容量大于4个扩增体系定量池的总体积。
15.进一步地，扩增体系定量池连通废液池的一侧设置一尖角用于隔离扩增体系定量池和废液池，以尖角的顶点为起点，沿与x轴平行方向，构成区域虚线下面范围容量与扩增体系容量相差不超过5％。
16.有益效果：
17.1.本发明提供了一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，通过离心在微重力条件下提供模拟重力，排除qpcr过程中产生的气泡问题；采用离心力模拟重力，当提供到与地面重力近似时(1g左右)，扩增池中产生的气泡会如地面时一样浮至油层上方从而降低气泡对扩增过程的影响，获得良好的扩增结果。同时采用固定温区驱动液体的变温方式，大大降低扩增过程中的功耗需求，双轴离心方式相较于现有气动、单轴离心、外接泵驱动等方式，具有驱动稳定、耗材独立无需外部接口等应用优势。
18.2.本发明提供了一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其采用多轴离心，使用过程中可在芯片上轮流产生多个方向的离心力，驱动芯片内液体在不同区域流动；
19.3.本发明提供了一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其设计方式无需外接管路，加样后反应过程芯片全封闭，为独立耗材形式，操作简单，无接头污染问题。
附图说明
20.图1为芯片结构示意图；
21.图2为低温及高温恒温区示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
23.本发明提供了一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，芯片整体可以为圆形如图1所示，其他形状亦可。沿芯片中心处划分相互垂直的x轴和y轴，x轴和y轴将芯片划分为四个相同区域，分别为第一象限～第四象限区域；每个区域均包含相同结构的管路系统。
24.管路系统包括扩增体系缓存通道3，第一毛细阀4，扩增体系定量池5，废液池6，第二毛细阀7，干粉预置通道8，扩增池9，石蜡油进样口10；其中第一象限和第四象限区域的扩增体系缓存通道3的末端均开口，分别设为进样口1和排气口2；进样口1孔插入常规移液头进行注样。
25.扩增体系缓存通道3通过第一毛细阀4连接至扩增体系定量池5；扩增体系缓存通道3与第一毛细阀4连接方向不与x轴平行。
26.扩增体系定量池5侧边设一通道连通废液池6，液体多于扩增体系容量后即流入废液池6；扩增体系定量池5另一侧通过第二毛细阀7连通干粉预置通道8；第二毛细阀7方向垂直于y轴。
27.干粉预置通道8通入扩增池9，扩增池9总容积大于扩增体系定量池5容积的2倍；扩增池9的方向延长线与x轴以及原点构成一个锐角；扩增池9分为低温恒温区9-1和高温恒温区9-2；其中低温恒温区9-1设定温度在50-70℃之间，高温恒温区9-2设定温度在90-100℃之间；本发明实施例中，低温恒温区9-1和高温恒温区9-2通过设置控温的铜块实现控温。
28.石蜡油进样口10与扩增池9连接位置位于扩增池9中间。
29.本发明实施例中，4个扩增体系缓存通道3总容量大于4个扩增体系定量池5的总体积。
30.本发明实施例中，扩增体系定量池5连通废液池6的一侧设置一尖角5-1用于隔离扩增体系定量池5和废液池6，以尖角5-1的顶点为起点，沿与x轴平行方向，构成区域虚线下面范围容量与扩增体系容量相等。
31.本发明实施例提供的一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其工作流程包括如下步骤：
32.步骤1：在芯片键合前将引物预置到芯片中干粉预置通道8的位置上，键合后通过石蜡油进样口10加注。
33.步骤2：使用满足规格形状需求的移液工具从进样口1加入核酸样本，使核酸样本注满扩增体系缓存通道3。
34.步骤3：以x轴作为旋转轴进行旋转，在离心力的作用下，扩增体系缓存通道3内的扩增体系通过第一毛细阀4进入到扩增体系定量池5，然后溢出的多余扩增体系进入到废液池6；当扩增体系缓存通道3中核酸样本均进入5以后进入步骤4。
35.步骤4：以y轴作为旋转轴进行旋转，在离心力的作用下，扩增体系定量池5中的核
酸样本通过第二毛细阀7进入干粉预置通道8，溶解预置引物干粉后继续进入扩增池9，并停留在扩增池9的高温恒温区9-2。
36.步骤5：核酸样本在高温恒温区9-2停留到时间后，以x轴作为旋转轴进行旋转，在离心力作用下，移动低温恒温区9-1，并保持旋转；扩增体系在低温恒温区9-1停留到时间后，以y轴作为旋转轴进行旋转，在离心力作用下移动到高温恒温区9-2，并保持旋转，循环往复直至实验结束。
37.本发明中，毛细阀可替代为其余微流控芯片常用阀门如软材质构成的压力阀、石蜡阀等。
38.本发明实施例中毛细阀参数及转速为其中一种可行的组合举例，可设计不同毛细阀参数及配套转速；
39.本发明实施例中引物也可不预置在芯片内部，直接装载在体系内部进行4个相同的平行扩增。
40.双轴离心不限于本发明实施例中的x轴及y轴，更变为x轴及z轴或其余不同角度任意双轴组合方式均可。
41.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其特征在于，沿芯片中心处划分相互垂直的x轴和y轴，x轴和y轴将所述芯片划分为四个相同区域，分别为第一象限～第四象限区域；每个区域均包含相同结构的管路系统：所述管路系统包括扩增体系缓存通道(3)，第一毛细阀(4)，扩增体系定量池(5)，废液池(6)，第二毛细阀(7)，干粉预置通道(8)，扩增池(9)，石蜡油进样口(10)；其中第一象限和第四象限区域的扩增体系缓存通道(3)的末端均开口，分别设为进样口(1)和排气口(2)；进样口(1)孔插入常规移液头进行注样；所述扩增体系缓存通道(3)通过第一毛细阀(4)连接至扩增体系定量池(5)；扩增体系缓存通道(3)与第一毛细阀(4)连接方向不与x轴平行；所述扩增体系定量池(5)侧边设一通道连通所述废液池(6)，液体多于扩增体系容量后即流入废液池(6)；所述扩增体系定量池(5)另一侧通过第二毛细阀(7)连通所述干粉预置通道(8)；第二毛细阀(7)方向垂直于y轴；所述干粉预置通道(8)通入所述扩增池(9)，所述扩增池(9)总容积大于扩增体系定量池(5)容积的2倍；扩增池(9)的方向延长线与x轴以及原点构成一个锐角；扩增池(9)分为低温恒温区(9-1)和高温恒温区(9-2)；其中低温恒温区(9-1)设定温度在50-70℃之间，高温恒温区(9-2)设定温度在90-100℃之间；石蜡油进样口(10)与扩增池(9)连接位置位于扩增池(9)中间。2.如权利要求1所述的一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其特征在于，4个扩增体系缓存通道(3)总容量大于4个扩增体系定量池(5)的总体积。3.如权利要求1所述的一种空间应用双轴离心驱动的双温区pcr微流控芯片，其特征在于，扩增体系定量池(5)连通所述废液池(6)的一侧设置一尖角(5-1)用于隔离扩增体系定量池(5)和废液池(6)，以尖角(5-1)的顶点为起点，沿与x轴平行方向，构成区域虚线下面范围容量与扩增体系容量相差不超过5％。

技术总结

本发明公开了一种空间应用双轴离心驱动的双温区PCR微流控芯片，能够通过离心在微重力条件下提供模拟重力，排除qPCR过程中产生的气泡问题，同时采用固定温区驱动液体的变温方式，降低了扩增过程中的功耗需求。沿芯片中心处划分相互垂直的X、Y轴，划分四区域；每区域包含相同结构的管路系统。每个区域管路系统如下：扩增体系缓存通道通过第一毛细阀连接至扩增体系定量池；扩增体系定量池侧边设一通道连通废液池，液体多于扩增体系容量后即流入废液池；扩增体系定量池另一侧通过第二毛细阀连通干粉预置通道；干粉预置通道通入扩增池；扩增池的方向延长线与x轴以及原点构成一个锐角；扩增池分为低温和高温恒温区。石蜡油进样口位于扩增池中间。于扩增池中间。于扩增池中间。