本发明是关于光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，属于生物检测技术领域。
背景技术：
核酸扩增是20世纪先进的生物医学分析技术，可以在120分钟内将特定序列核酸片段放大到109拷贝数，实现高灵敏的分子诊断。核酸扩增技术主要包括变温扩增与等温扩增两大类。
变温扩增以pcr(polymerasechainreaction)为代表，是最早的核酸扩增技术，通过正反两条特异引物完全匹配启动核酸扩增反应，每个循环扩增周期大约90秒钟，包括变性、退火和延伸三个阶段。变性需要在94℃高温下持续15秒钟，退火是在60℃低温下持续30秒钟，延伸是通过酶的作用在72℃下以引物为核酸合成起点沿模板方向延伸45秒钟。pcr扩增就是由几十个扩增周期不断循环来实现。在变温扩增方法中，每个扩增周期只有在延伸阶段才进行核酸合成扩增，变性和退火阶段只是在为核酸扩增做准备，因此，变温扩增的有效时间不到全部时间的50％。
为了提高核酸扩增效率，人们发明了等温扩增技术，如walkergt在1992年报道的链置换扩增(stranddisplacementamplification，sda)技术、liud在1996年报道的滚环扩增(rollingcircleamplification，rca)技术、tsugunorinotomi在2000年报道的环介导等温扩增(loop-mediatedisothermalamplification，lamp)技术、lutzsascha在报道的重组酶聚合酶扩增(recombinasepolymeraseamplification，rpa)等。等温扩增全程保持在固定温度下，无需高温变性和低温退火，扩增速度非常快，在短时间内可以将靶核酸复制到109～1010个拷贝。等温扩增的时间利用率达到100％，具有更高的核酸扩增效率。
不论是变温扩增还是等温扩增技术，目前均主要采用荧光标记的方法进行实时检测，荧光检测需要加入荧光标记物，荧光标记物的加入会影响生物反应活性，产生荧光衰减淬灭不稳定等问题。而且一些生物反应中的试剂会和荧光标记物发生反应，无法采用荧光标记的方法进行检测。荧光检测中载体是96或384孔板的tube管，每个指标分析都需要25μl的反应体积的试剂，对于样本量比较少的生物反应并不适用。荧光检测实际灵敏度在103个核酸拷贝以上，其仪器价格昂贵、样品试剂消耗量大且检测成本高，不利于进行多指标联合的低成本精准医学分析检测应用。另外，也有少量核酸扩增仪器采用浊度测量方法进行检测，但其检测灵敏度不高，检测结果不如荧光检测仪准确，只能用于对实验精度要求不高的场合，例如终点定性分析。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，其采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，检测未被荧光标记的待测物，很好地解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。
为实现上述目的，本发明提供了光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，包括：依次连接的一个或多个白光光源、一根或多根第一光纤传感器、一个或多个检测光路、一个或多个微流控芯片、一个多路pid温度控制系统、一个can总线多轴运动控制系统、一根或多根第二光纤传感器和光谱采集处理显示模块；所述白光光源，用于产生白光；所述第一光纤传感器连接所述白光光源和所述检测光路；所述检测光路，用于将所述白光光源产生的白光传输至所述微流控芯片，并将经过所述微流控芯片的光信号传输至所述光谱采集处理显示模块；所述微流控芯片，用于进行生物化学反应，所述微流控芯片中的待测样品未经过荧光标记，所述微流控芯片还连接有温度控制器，所述多路pid温度控制系统用于调控所述微流控芯片的温度,所述多路pid温度控制系统与can总线多轴运动控制系统连接；所述第二光纤传感器用于将所述微流控芯片的光信号传输中所述光谱采集处理显示模块；所述光谱采集处理显示模块，包括用于接受所述第二光纤传感器传输的光信号的光纤扫描器；所述光谱采集处理显示模块对所述光信号进行解析，并生成可视化的所述生物化学反应实时动态变化信号曲线。
进一步，所述检测光路对所述微流控芯片反应单元内放置的痕量样本，进行白光干涉高光谱非标记实时检测，并将检测结果实时发送到所述光谱采集处理显示模块；所述光纤扫描器通过旋转或平移的扫描方式，控制多根所述光纤传感器，将多个所述检测光路接收的白光干涉高光谱信号，逐一传输给所述光谱采集处理显示模块，实现光纤传感多张微流控芯片核酸扩增的高通量非标记原位实时并行检测。
进一步，所述微流控芯片设置于一恒温密闭腔体内，所述恒温密闭腔体中设有加热器、温度传感器和温度控制器；所述加热器设置在所述微流控芯片的上下表面，采用亚毫米薄层空气浴流动加热的方式对所述微流控芯片进行加热，所述温度控制器用于控制所述微流控芯片温度，通过所述can总线多轴运动控制系统控制恒温密闭腔体的开/合，便于装/卸所述微流控芯片。
进一步，所述微流控芯片的中心与第一电机轴连接，所述can总线多轴运动控制系统控制所述第一电机旋转，带动所述微流控芯片旋转，保证所述恒温密闭腔体内温度均匀，实现对所述微流控芯片上所述流体切换控制单元的驱动，满足样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增的分步控制需要。
进一步，所述微流控芯片包括依次连接的储液单元、微流体切换控制单元、进样口、核酸提取单元、扩增反应腔体单元、缓冲调节单元和废液储存单元，所述储液单元、微流体切换控制单元、反应腔体单元和废液储存单元通过微流通道连接。
进一步，所述扩增反应腔体单元底部固定有硅基二氧化硅层微芯片，所述硅基二氧化硅层微芯片上修饰有核酸或蛋白分子的抓手探针，所述抓手探针能将溶液中核酸扩增产物特异性地连接到微芯片表面，或让核酸扩增产物在微芯片表面随时间变化不断特异性地延伸形成长链；或者，所述扩增反应腔体单元底部设置有低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物，加热后所述特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，所述核酸扩增产物与荧光分子结合，对微流控芯片中的扩增反应过程进行动态表征。
进一步，所述检测系统包括若干检测模式，所述检测模式之间设置有多路白光/荧光切换控制系统，用于进行所述检测模式切换，所述检测模式的一种为白光干涉高光谱非标记原位检测模式，所述检测光路包括依次连接的与所述白光光源连接的接口、聚光镜、分束镜、反射镜和物镜，所述白光经所述接口进入所述检测光路，经聚光镜和分束镜透射、反射镜反射和物镜后到达所述微流控芯片；经过所述微流控芯片产生的反射光信号经物镜、反射镜反射、分束镜反射和成像透镜透射后，经过光快门到达所述光谱采集处理显示模块；或者，所述检测光路可以将多根所述第二光纤传感器排成线阵，直接耦合进入面阵光谱探测器，通过多路所述白光/荧光切换控制系统，控制所述检测光路的光快门，实现对所述微流控芯片进行白光干涉高光谱非标记原位检测。
进一步，所述检测模式的另一种为荧光检测模式，通过多路所述白光/荧光切换控制系统，设置第一滤波片在所述聚光镜与所述分束镜之间，以及设置第二滤波片在所述分束镜与所述成像透镜之间。
进一步，多路所述白光/荧光切换控制系统包括第二电机或电磁铁，所述第二电机或电磁铁用于控制所述第一滤波片、第二滤波片和光快门的位置和状态，从而实现白光干涉高光谱检测、荧光检测和拉曼光谱检测之间的切换；或者，通过将多根所述第二光纤传感器排列成面阵，直接耦合进入面阵ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器，也可以通过一透镜或透镜组，将多根所述第二光纤传感器所排列成的面阵，成像到面阵ccd探测器或光电倍增管上，实现对所述微流控芯片荧光信号或拉曼光谱的检测。
本发明还公开了一种光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测方法，包括如下步骤：s1、根据待检测核酸的特异性，将所述核酸检测用抓手探针分别固定在微流控芯片的反应通道底部的硅基二氧化硅层微芯片上s2、依次分步将待分析的原始样品、反应试剂从进样口注入微流控芯片相应的微流通道，然后放入上述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统中；s3、通过所述can总线多轴运动控制系统打开恒温密闭腔体，所述微流控芯片安装在第一电机的输出轴上，关闭所述恒温密闭腔体；在所述恒温密闭腔体内，所述第一电机带动所述微流控芯片旋转，驱动微流控芯片上所述流体切换控制单元，完成样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增等一系列生化反应的流体控制过程；s4、通过检测光路对所述微流控芯片中核酸扩增过程的产物进行检测，并将检测结果实时发送到光谱数据采集处理显示模块，所述光谱数据采集处理显示模块对所述微流控芯片反射光与入射光干涉的高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增非标记原位测量实时动态变化信号曲线；s5、通过第二电机或电磁铁控制第一滤波片、第二滤波片和光快门的位置和状态，切换检测模式到荧光检测模式和拉曼光谱检测模式进行测量；s6、光谱采集处理显示模块，包括白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，用于对白光干涉高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增实时动态变化信号曲线；所述白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，对白光干涉高光谱信号进行特定波长荧光或拉曼光谱提取解码，形成可视化的核酸扩增荧光信号或拉曼光谱的实时动态变化曲线。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本文采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，既可以检测被荧光标记的待测物也可以检测未被荧光标记的待测物，既保证了荧光检测的精确性，又能很好地解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。2、本文采用光纤传感器传输光信号，通过光快门切换各检测光路的光信号，采用同一个光谱采集处理显示模块，实现了对多张全集成微流控芯片的高通量检测，可以满足每天几十到二百份样本的高通量核酸扩增检测的实际应用需要。3、本文采用的微流控芯片，不仅可以实现全封闭环境下完成样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增等一系列生化反应过程，还可以实现一次进样多个核酸分析指标联合并行检测鉴定，单指标检测的样品-试剂混合反应体系≤1.0μl，检测灵敏度达到10个核酸分子拷贝以内，并且采用亚毫米薄层空气浴流动加热方式对微流控芯片进行加热，加热速度快且温度场均匀，保证微流控芯片上多个反应通道之间的温度具有良好的一致性。4、本文中装置包括白光干涉高光谱模式、荧光测量模式和拉曼光谱模式，各个模式之间可以相互切换，满足不同的检测应用需要。5、本文的微流控芯片，兼容机械裂解、高压电脉冲裂解、化学试剂裂解等多种核酸提取方法，适合原始样品、进行一定前处理后的中间样品、以及分离提纯后的核酸/蛋白样品等多种样品形式，可以满足科研、临床医疗、食品安全、卫生防疫等领域的低成本精准医学分子诊断实际应用需要。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中微流控芯片实时检测装置的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中微流控芯片的结构示意图：(a)为微流控芯片的盖片的结构示意图；(b)为微流控芯片的底座的结构示意图；(c)为微流体切换控制单元的结构示意图；(d)为硅基二氧化硅层微芯片的结构示意图；
图3中(a)是本发明中白光干涉原理示意图；(b)是微流控芯片的高光谱数字信号谱图；(c)是微流控芯片的动态变化信号曲线；
图4是本发明的一个实施例中低熔点琼脂糖凝胶包埋特异扩增引物加热释放的荧光插入检测方法的步骤示意图。
附图标记
1-白光光源；2-检测光路；21-接口；22-聚光镜；23-分束镜；24-反射镜；25-物镜；26-成像透镜；27-光快门；28-第一滤波片；29-第二滤波片；3-微流控芯片；31-储液单元；32-微流体切换控制单元；33-进样口；34-反应腔体单元；341-核酸提取单元；342-扩增反应腔体单元；343-缓冲调节单元；35-废液储存单元；36-微流道；37-多路pid温度控制系统；38-加热器；39-硅基二氧化硅层微芯片；391-抓手探针；392-扩增产物；4-光谱采集处理显示模块；41-光纤扫描器；42-光电转换器；43-显示器；51-第一光纤传感器；52-第二光纤传感器；6-can总线多轴运动控制系统；7-第一电机；8-多路白光/荧光切换控制系统。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了光纤传感微流控芯片3核酸扩增原位实时检测系统，如图1所示，包括：依次连接的白光光源1、检测光路2、微流控芯片3、光谱采集处理显示模块4、多路pid温度控制系统37、can总线多轴运动控制系统6、多路白光/荧光切换控制系统8；白光光源1，用于产生实验用白光；检测光路2，用于将白光光源1产生的白光传输至微流控芯片3，并将经过微流控芯片3的光信号传输至光谱采集处理显示模块4；微流控芯片3，用于进行生物化学反应；光谱采集处理显示模块4，用于采集经过微流控芯片3的光信号，对光信号进行解析，并生成可视化的生物化学反应实时动态变化信号曲线；所述can总线多轴运动控制系统用于对每一所述微流控芯片的运动情况进行驱动控制，所述多路pid温度控制系统用于对每一所述微流控芯片所处的温度进行调节控制；所述多路白光/荧光切换控制系统8通过电磁铁伸缩或电机步进，控制所述检测光路2中激发滤色片28、发射滤色片29、光快门27的位置，实现白光干涉高光谱非标记原位测量、激发光诱导发射荧光测量、拉曼光谱检测的自动切换。本装置采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，既可以检测被荧光标记的待测物也可以检测未被荧光标记的待测物，既保证了荧光检测的精确性，又能很好地解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。
其中，白光光源1可以是一个或多个。当微流控芯片3为多个时，可以只采用一个白光光源1，该白光光源1通过第一光纤传感器51连接各检测光路2。也可以是每个检测光路2都设有对应的白光光源1，白光光源1直接连接在检测光路2上。白光光源1可以是白光led灯、卤钨灯或其它光源等。
本实施例中装置存在三种模式，即白光干涉高光谱模式、荧光测量模式和拉曼光谱模式。各模式之间通过多路白光/荧光切换控制系统8切换，该模式切换模块通过对检测光路2中的光学元件以及其位置进行调节实现三种模式之间的转换。其具体过程如下：
当处于白光干涉高光谱模式时，检测光路2包括依次连接的与白光光源1连接的接口21、聚光镜22、分束镜23、反射镜24和物镜25，白光经接口21进入检测光路2，经聚光镜22聚光、分束镜23透射、反射镜24反射和物镜25后到达微流控芯片3；经过微流控芯片3产生的反射光与入射光干涉的高光谱信号经物镜25、反射镜24反射、分束镜23反射和成像透镜26透射后，经过光快门27到达光谱采集处理显示模块4。或者，检测光路2可以将多根第二光纤传感器52排成线阵，直接耦合进入面阵光谱探测器42，通过多路白光/荧光切换控制系统8，控制检测光路2的光快门，实现对微流控芯片3进行白光干涉高光谱非标记原位检测。
当处于荧光检测模式时，检测光路2在白光干涉高光模式的检测光路2的基础上，还包括设置在透光镜与分束镜23之间的第一滤波片28以及设置在分束镜23与成像透镜26之间的第二滤波片29。
当处于拉曼检测模式时，检测光路2与处于荧光检测模式的检测光路2相同，所不同的是第一滤波片28和第二滤波片29的波长范围与荧光检测模式不同。此外，检测时间以及光谱采集处理显示模块4中对数据的处理也与荧光检测模式不同。
本实施例中装置还包括一个或多个第一光纤传感器51、第二光纤传感器52。其中第一光纤传感器51用于将白光光源1发出的白光导入检测光路2中。第二光纤传感器52用于将检测光路2中产生的光信号传输给光谱采集处理显示模块4。光谱采集处理显示模块4中包括一个多光纤扫描器41，该光纤扫描器41通过旋转或平移的扫描方式，对一个或多个检测光路2中的光信号进行采集，并将采集到的光信号传输至光电转换器42中，通过光谱采集处理显示模块包含的白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件对光信号进行解析，并通过光谱采集处理显示模块4的显示器43进行可视化显示。其中光电转换器42可以是ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器；或者，通过将多根第二光纤传感器排列成面阵，直接耦合进入面阵ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器，也可以通过一透镜或透镜组，将多根第二光纤传感器所排列成的面阵，成像到面阵ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器上，实现对所述微流控芯片荧光信号或拉曼光谱的检测。
对于多个检测光路2的情况，可以将第二光纤传感器52排成阵列。此处的整列可以是一维阵列，即只有一横排或一纵列。该第二光纤传感器52阵列可以直接耦合进入面阵光谱探测器，也可以在第二传感器上设置光快门27，通过光快门27选择接收哪个检测光路2的光信号，即确定是否接受特定检测光路2的光信号。
其中，模式切换模块包括多路白光/荧光切换控制系统8、光快门27以及上文中的第一滤波器28、第二滤波器29的位置，以及光快门27的开关状态、控制第一滤波器和第二滤波器的波长范围的第二电机或者电磁铁。其中电机和电磁铁都优选为多个。本文中的多个是指两个或两个以上。第二电机或者电磁铁通过控制光快门27、第一滤波器和第二滤波器实现装置的各个模块之间的相互切换。
如图2(a)-图2(d)所示，微流控芯片3由盖片(图2(a)所示)和底座(图2(b)所示)封装而成。微流控芯片3包括依次连接的储液单元31、微流体切换控制单元32、进样口33、24个反应腔体单元342、24个缓冲腔体单元343和废液储存单元35，储液单元31、微流体切换控制单元32、反应腔体单元342、缓冲腔体单元343和废液储存单元35通过微流通道36连接。微流控芯片3进样口33采用硅橡胶结构，通过微流通道36与各原始样品或反应试剂的储液单元31相连，适合针头类或其它可以刺穿橡胶的进样器加样，完成加样拔出针头后既自动封口，可以进行多次加样重复操作。微流控芯片3的中心与第一电机7轴连接，通过can总线多轴运动控制系统6，驱动控制第一电机7驱动微流控芯片3转动，以实现微流体切换，另外通过can总线多轴运动控制系统6控制电机转速能够对微流控芯片3中液体进行离心。因为通常的生化实验都需要多次对样品进行离心，若单独设置离心装置不仅操作复杂、成本高，而且容易造成样品浪费和污染。本实施例中将离心单元与微流体切换控制单元32结合，设计合理，简化了实验过程。如图2(c)所示，通过第一电机7的离心驱动,实现对微流控芯片3中流体切换控制单元的分步控制，使微流控芯片3内部的液体在封闭环境下,按照生化反应流程进行分步定向流动。本实施例中微流控芯片3兼容血、痰、唾液、大小便以及组织细胞等原始样品，或进行一定前处理后的中间样品，或分离提纯后的核酸/蛋白样品等多种样品形式，适用范围广，可操作性强。
本实施例中的微流控芯片3设置于一恒温密闭腔体内。该恒温密闭腔体内设有依次连接的加热器38、温度传感器和多路pid温度控制系统37。其中多路pid温度控制系统37，用于对微流控芯片3温度进行调节控制。其中加热器38包括一个以上的加热膜，该加热膜与温度传感器一一对应。但也可以只设置一个对恒温密闭腔体进行检测的温度传感器。加热膜采用上下两片结构，通过金属热交换层形成恒温密闭腔体，外面包裹保温隔热材料。该加热膜在微流控芯片3上下表面，形成亚毫米空气层，对该微流控芯片3进行快速、均匀、立体加热。can总线多轴运动控制系统6控制恒温密闭腔体的开/合，以装/卸微流控芯片3。can总线多轴运动控制系统6控制第一电机7旋转，从而带动流控芯片旋转，进一步保证了恒温密闭腔体内温度均匀。
本实施例中的微流控芯片3实时检测装置能够用于核酸扩增反应，当用于核酸扩增反应时，反应腔体单元34包括核酸提取单元341、扩增反应腔体单元342和缓冲调节单元343。本实施例中的微流控芯片3的核酸提取单元341兼容机械裂解、高压电脉冲裂解、化学试剂裂解等多种核酸提取方法。
如图2(d)所示，扩增反应腔体单元342底部固定有硅基二氧化硅层微芯片39，硅基二氧化硅层微芯片39上修饰有核酸或蛋白分子的抓手探针391，抓手探针391能将溶液中核酸扩增产物392特异性地连接到微芯片表面，或让核酸扩增产物392在微芯片表面随时间变化不断特异性地延伸形成长链。其中二氧化硅层微芯片的形状优选为方形或圆形。
图3所示，图3(a)是白光干涉原理图。在单晶si片上真空镀膜几百纳米的sio2层，sio2层上修饰固定有抓手探针391，白光照射sio2层，从抓手探针391上的反射光为rl1，从抓手探针391结合扩增产物392上的反射光为rl2。采集sio2层的入射光、反射光rl1和rl2叠加的白光干涉高光谱信号，并将其传输给谱数据采集处理显示模块，并生成如图3(b)所示的高光谱数字信号，sio2层对应的干涉曲线、391对应的干涉曲线和392对应的干涉曲线。最后通过白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件进行实时解析，形成如图3(c)所示的可视化的核酸扩增非标记原位检测实时动态变化信号曲线(positivesample和negativesample)。
在另一实施例中核酸扩增还可以通过低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物，加热后所述特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，通过核酸扩增产物与荧光分子结合，对微流控芯片中的扩增反应过程进行动态表征。其具体过程如图4(a)-图4(d)所示。如图4(a)、图4(b)所示，在微流控芯片3的扩增反应腔体单元342底部，设置低熔点琼脂糖凝胶，通过低熔点琼脂糖凝胶包埋特异扩增引物，加热后特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，核酸扩增产物与荧光分子结合对微流控芯片3中的扩增反应过程进行表征。如图4(c)所示，加入样品与试剂后，放入检测光路2中，通过离心操作，自动将样品、试剂混合，均匀分配到24个扩增反应腔体单元342中。随后，将微流控芯片3加热到40℃以上，低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物被加热释放出来。如图4(d)所示，再将微流控芯片3加热到60℃以上，上一步中被释放的特异扩增引物将按照核酸扩增原理，在聚合酶的作用下连续不断地进行特异核酸片段复制，并同步结合荧光标记分子，在激发光诱导下产生荧光。最后，通过光谱采集处理显示模块4进行实时解码，形成可视化的核酸扩增实时荧光信号检测的信号动态变化曲线。
虽然本实施例是以核酸扩增反应为例进行说明的，但本领域技术人员应当理解，本实施例中装置也能够用于其他需要进行光学检测的生化实验，尤其是过程比较复杂的实验。
下面以核酸扩增反应为例，说明本实施例中装置的包括以下步骤：
s1、根据待检测核酸的特异性，将所述核酸检测用抓手探针分别固定在微流控芯片的反应通道底部的硅基二氧化硅层微芯片上；
s2、依次分步将待分析的原始样品、反应试剂从进样口注入微流控芯片相应的微流通道，然后放入权利要求1-9所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统中；
s3、通过所述can总线多轴运动控制系统打开恒温密闭腔体，所述微流控芯片安装在第一电机的输出轴上，关闭所述恒温密闭腔体；在所述恒温密闭腔体内，所述第一电机带动所述微流控芯片旋转，驱动微流控芯片上所述流体切换控制单元，完成样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增的流体控制过程；
s4、通过检测光路对所述微流控芯片中核酸扩增过程的产物进行检测，并将检测结果实时发送到光谱数据采集处理显示模块，所述光谱数据采集处理显示模块对所述微流控芯片反射光与入射光干涉的高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增非标记原位测量实时动态变化信号曲线；
s5、通过第二电机或电磁铁控制第一滤波片、第二滤波片和光快门的位置和状态，切换检测模式到荧光检测模式和拉曼光谱检测模式进行测量；
s6、光谱采集处理显示模块，包括白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，用于对白光干涉高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增实时动态变化信号曲线；所述白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，对白光干涉高光谱信号进行特定波长荧光或拉曼光谱提取解码，形成可视化的核酸扩增荧光信号或拉曼光谱的实时动态变化曲线。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如各部件的外观尺寸、固定方式、引线方式和组装后的几何结构，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
技术特征：
1.光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，包括：依次连接的一个或多个白光光源、一根或多根第一光纤传感器、一个或多个检测光路、一个或多个微流控芯片、一个多路pid温度控制系统、一个can总线多轴运动控制系统、一根或多根第二光纤传感器和光谱采集处理显示模块；
所述白光光源，用于产生白光；
所述第一光纤传感器连接所述白光光源和所述检测光路；
所述检测光路，用于将所述白光光源产生的白光传输至所述微流控芯片，并将经过所述微流控芯片的光信号传输至所述光谱采集处理显示模块；
所述微流控芯片，用于进行生物化学反应，所述微流控芯片中的待测样品未经过荧光标记，所述微流控芯片还连接有温度控制器，所述多路pid温度控制系统用于调控所述微流控芯片的温度,所述多路pid温度控制系统与can总线多轴运动控制系统连接；
所述第二光纤传感器用于将所述微流控芯片的光信号传输中所述光谱采集处理显示模块；
所述光谱采集处理显示模块，包括用于接受所述第二光纤传感器传输的光信号的光纤扫描器；所述光谱采集处理显示模块对所述光信号进行解析，并生成可视化的所述生物化学反应实时动态变化信号曲线。
2.如权利要求1所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述检测光路对所述微流控芯片反应单元内放置的痕量样本，进行白光干涉高光谱非标记实时检测，并将检测结果实时发送到所述光谱采集处理显示模块；所述光纤扫描器通过旋转或平移的扫描方式，控制多根所述光纤传感器，将多个所述检测光路接收的白光干涉高光谱信号，逐一传输给所述光谱采集处理显示模块，实现光纤传感多张微流控芯片核酸扩增的高通量非标记原位实时并行检测。
3.如权利要求1或2所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片设置于一恒温密闭腔体内，所述恒温密闭腔体中设有加热器、温度传感器和温度控制器；所述加热器设置在所述微流控芯片的上下表面，采用亚毫米薄层空气浴流动加热的方式对所述微流控芯片进行加热，所述温度控制器用于控制所述微流控芯片温度，通过所述can总线多轴运动控制系统控制恒温密闭腔体的开/合，便于装/卸所述微流控芯片。
4.如权利要求3所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片的中心与第一电机轴连接，所述can总线多轴运动控制系统控制所述第一电机旋转，带动所述微流控芯片旋转，保证所述恒温密闭腔体内温度均匀，实现对所述微流控芯片上所述流体切换控制单元的驱动，满足样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增的分步控制需要。
5.如权利要求1或2所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述微流控芯片包括依次连接的储液单元、微流体切换控制单元、进样口、核酸提取单元、扩增反应腔体单元、缓冲调节单元和废液储存单元，所述储液单元、微流体切换控制单元、反应腔体单元和废液储存单元通过微流通道连接。
6.如权利要求5所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述扩增反应腔体单元底部固定有硅基二氧化硅层微芯片，所述硅基二氧化硅层微芯片上修饰有核酸或蛋白分子的抓手探针，所述抓手探针能将溶液中核酸扩增产物特异性地连接到微芯片表面，或让核酸扩增产物在微芯片表面随时间变化不断特异性地延伸形成长链；
或者，所述扩增反应腔体单元底部设置有低熔点琼脂糖凝胶包埋的特异扩增引物，加热后所述特异扩增引物被释放出来，进行核酸扩增，产生核酸扩增产物，所述核酸扩增产物与荧光分子结合，对微流控芯片中的扩增反应过程进行动态表征。
7.如权利要求1或2所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述检测系统包括若干检测模式，所述检测模式之间设置有多路白光/荧光切换控制系统，用于进行所述检测模式切换，所述检测模式的一种为白光干涉高光谱非标记原位检测模式，所述检测光路包括依次连接的与所述白光光源连接的接口、聚光镜、分束镜、反射镜和物镜，所述白光经所述接口进入所述检测光路，经聚光镜和分束镜透射、反射镜反射和物镜后到达所述微流控芯片；经过所述微流控芯片产生的反射光信号经物镜、反射镜反射、分束镜反射和成像透镜透射后，经过光快门到达所述光谱采集处理显示模块；
或者，所述检测光路可以将多根所述第二光纤传感器排成线阵，直接耦合进入面阵光谱探测器，通过多路所述白光/荧光切换控制系统，控制所述检测光路的光快门，实现对所述微流控芯片进行白光干涉高光谱非标记原位检测。
8.如权利要求7所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，所述检测模式的另一种为荧光检测模式，通过多路所述白光/荧光切换控制系统，设置第一滤波片在所述聚光镜与所述分束镜之间，以及设置第二滤波片在所述分束镜与所述成像透镜之间。
9.如权利要求8所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统，其特征在于，多路所述白光/荧光切换控制系统包括第二电机或电磁铁，所述第二电机或电磁铁用于控制所述第一滤波片、第二滤波片和光快门的位置和状态，从而实现白光干涉高光谱检测、荧光检测和拉曼光谱检测之间的切换；
或者，通过将多根所述第二光纤传感器排列成面阵，直接耦合进入面阵ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器，也可以通过一透镜或透镜组，将多根第二光纤传感器所排列成的面阵，成像到面阵ccd探测器或光电倍增管或其它光电探测器上，实现对所述微流控芯片荧光信号或拉曼光谱的检测。
10.一种光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1、根据待检测核酸的特异性，将所述核酸检测用抓手探针分别固定在微流控芯片的反应通道底部的硅基二氧化硅层微芯片上；
s2、依次分步将待分析的原始样品、反应试剂从进样口注入微流控芯片相应的微流通道，然后放入权利要求1-9所述的光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统中；
s3、通过所述can总线多轴运动控制系统打开恒温密闭腔体，所述微流控芯片安装在第一电机的输出轴上，关闭所述恒温密闭腔体；在所述恒温密闭腔体内，所述第一电机带动所述微流控芯片旋转，驱动微流控芯片上所述流体切换控制单元，完成样品制备、核酸或蛋白样品分离提纯、核酸扩增等一系列生化反应的流体控制过程；
s4、通过检测光路对所述微流控芯片中核酸扩增过程的产物进行检测，并将检测结果实时发送到光谱数据采集处理显示模块，所述光谱数据采集处理显示模块对所述微流控芯片反射光与入射光干涉的高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增非标记原位测量实时动态变化信号曲线；
s5、通过第二电机或电磁铁控制第一滤波片、第二滤波片和光快门的位置和状态，切换检测模式到荧光检测模式和拉曼光谱检测模式进行测量；
s6、光谱采集处理显示模块，包括白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，用于对白光干涉高光谱信号进行实时解码，形成可视化的核酸扩增实时动态变化信号曲线；所述白光干涉核酸扩增非标记原位实时检测解析算法软件，对白光干涉高光谱信号进行特定波长荧光或拉曼光谱提取解码，形成可视化的核酸扩增荧光信号或拉曼光谱的实时动态变化曲线。
技术总结
本发明涉及光纤传感微流控芯片核酸扩增原位实时检测系统和方法，包括：依次连接的白光光源、检测光路、微流控芯片和光谱采集处理显示模块；检测光路，用于将白光光源产生的白光传输至微流控芯片，并将经过微流控芯片的光信号传输至光谱采集处理显示模块；微流控芯片，用于进行生物化学反应；光谱采集处理显示模块，用于采集经过微流控芯片的光信号，对光信号进行解析，并生成可视化的生物化学反应实时动态变化信号曲线。本装置采用白光干涉高光谱方法检测核酸扩增信息，既可以检测被荧光标记的待测物也可以检测未被荧光标记的待测物，解决了荧光标记检测方法存在影响生物反应活性，以及荧光衰减淬灭不稳定等问题。
技术研发人员：黄国亮;靳翔宇;符荣鑫;单晓晖;杜文丽
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：.11.14
技术公布日：.02.28
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