主题:【第十三届原创】一种聚合酶链反应分析仪(PCR仪) 检测设备的设计方案

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摘要聚合酶链反应分析仪(PCR仪)广泛用于疾控、出入境检测、药监、生物制药企业、医疗机构、专业基因检测和分子生物实验室等。应用于司法鉴定、临床诊断、基因研究、疾病控制等领域。其控温性能直接影响到检测结果的可靠性。而常用的铂电阻温度计、热电偶温度传感器因尺寸问题不适用于聚合酶链反应分析仪(PCR仪)控温性能的校准,所以在检测、校准过程中必须使用专用的检测设备,而此类设备大多依赖进口,价格昂贵,未能普遍应用,使得聚合酶链反应分析仪(PCR仪)实验的数据、结果的可靠性不能得到有效保证。本文依据聚合酶链反应分析仪(PCR仪)的检测、校准项目,结合国家相关计量校准规范,提出一种用于聚合酶链反应分析仪(PCR仪)温度性能校准的专用检测设备。

关键词:聚合酶链反应分析仪、温度、校准、检测设备


一、绪论

1、聚合酶链反应分析仪(PCR仪)

1.1聚合酶链反应分析仪(PCR仪)的基本原理




        图1  基因扩增原理图

    聚合酶链反应分析仪(以下简称PCR仪)就是聚合酶链反应过程中的控温设备,能在变性温度、复性温度、延伸温度之间准确进行温度调整、控制。


1.2 PCR仪的分类

1.2.1按功能分类

    a)普通定性PCR仪

    仅具备温度控制功能,自动调节温度至不同温度点,完成聚合酶链反应的变性、退火及延伸过程,可自动进行聚合酶链反应,完成基因扩增。

    b)荧光定量PCR仪

    荧光定量PCR仪是在普通PCR仪的基础上增加一个荧光信号采集系统和计算机分析处理系统的PCR仪,称作荧光定量PCR仪。其PCR扩增原理和普通PCR仪扩增原理相同,只是PCR扩增时加入的引物是利用同位素、荧光素等进行标记,使用引物和荧光探针同时与模板特异性结合扩增。扩增的结果通过荧光信号采集系统实时采集信号连接输送到计算机分析处理系统得出量化的实时结果输出。荧光定量PCR仪有单通道、双通道和多通道。当只用一种荧光探针标记的时候,选用单通道,有多荧光标记的时候用多通道。单通道也可以检测多荧光的标记的目的基因表达产物,因为一次只能检测一种目的基因的扩增量,需多次扩增才能检测完不同目的基因片段的量。



1.2.2按孔数分类

    目前常见的PCR仪按试验孔数分主要包括:48孔、96孔、384孔。


1.3、PCR仪的检测校准

1.3.1 PCR仪的检测校准依据和主要校准项目

    目前,PCR仪的校准可执行JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》。主要检测项目包括:

    a)温度示值误差;

    b)温度均匀度(孔间温差);

    c)平均升温速率;

    d)平均降温速率;

    e)样本示值误差;

    f)样本线性。


    其中温度示值误差、温度均匀度、平均升温速率、平均降温速率需使用专用温度测量设备进行校准。因考虑到聚合酶链反应过程中,反映酶在温度较高的条件下会发生活性下降甚至失活,对试验结果造成影响的问题,在校准过程中还应加入温度过冲项目的校准。所以用于校准聚合酶链反应分析仪温度性能的检测设备需具备校准:温度示值误差、温度均匀度(孔间温差)、平均升温速率、平均降温速率和温度过冲的功能。


1.3.2 PCR仪检测仪的功能和技术要求

    依据JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》的要求,用于校准PCR仪的校准设备,其温度测量性能需满足:

    a)测温范围:(0~120)℃;

    b)温度测量结果的不确定度:U≤0.1℃(k=2);

    c)可同时测量多个孔的温度。


    同时为方便平均升温速率、平均降温速率和温度过冲项目的校准,还应具备自动计时、最高温度点自动记录、检测数据定时记录等功能。


1.4、PCR仪检测仪的发展现状
    PCR仪由于实验室应用的特点,其样品槽较小,温度测量中常用的铂电阻温度计、热电偶传感器因尺寸问题,一般不适用于PCR仪温度性能的检测、校准,要实现PCR仪温度性能的检测、校准必须使用专用的检测设备。目前用于PCR仪温度计量性能检测的设备主要分为有线式检测和无线式检测,其中:


    a)有线检测。有线检测的准确度较高,基本满足量传溯源的要求,但因连接线影响PCR仪温度环境的密闭性,使用过程中经常出现因控温环境不密闭,造成检测、校准结果不能真实反应仪器实际控温性能的问题,并且不适用于必须在密闭条件下使用的PCR仪的校准,不具备自动检测和记录功能。

    b)无线检测。无线检测设备随能实现自动检测、自动记录检测结果,一次实验可完成多个参数的检测、校准,但目前多依赖于进口,而且准确度较低,不能满足量传溯源的要求。同时此类无线检测设备多为PCR仪生产企业针对本公司仪器开发的专用检测设备,主要用于对本公司产品的质量控制,对其他品牌的PCR仪不具备广泛适用性。

    我国第一台PCR仪温场检测仪由成都市计量检定测试院于2013年引进。目前,已有50余家计量检测机构配置了此类设备,开展PCR仪的温度校准工作。但大多计量检测机构配的设备均为PCR仪生产厂家开发的仅适用于本公司产品的检测设备,不能适用于多种品牌、不同型号的PCR仪的校准,而且准确度相对较低,不能满足JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》对标准器的要求。由于进口设备,价格昂贵(售价数十万元),不仅一般PCR仪使用机构难以配置,而且专业计量检测机构也极少配置,检测、校准能力严重不足。即便具备PCR仪检测、校准能力的计量检测机构也因检测设备购置成本较高,在开展此项检测、校准工作中也会收取较高的检测费用,致使目前PCR仪的定期溯源率相对较低。


1.5、发展趋势
    随着JJF 1527-2015 《聚合酶链反应分析仪校准规范》的发布,各实验室对PCR仪温度计量性能校准的需求日渐增强,同时对校准系统的适用性、准确性和规范性要求越来越高,市场亟需一套适用广泛,满足现行国家计量校准规范,满足计量溯源体系的,售价在大多数检测机构承受范围内的专用校准系统。


二、技术路线和技术方案
    依据国家校准规范JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》规定,PCR仪温场检测设备至少需要15个精密温度传感器,同时完成PCR仪温度计量性能的校准,测温范围:(0~120)℃,温度测量不确定度U≤0.1℃(k=2)。因此温度采集器选用微小尺寸的高精度耐腐蚀同时具备线性的铂电阻PT1000作为传感器,探头按照PP标准反应管尺寸设计,PT1000涂导热胶后封于探头内。将温度传感器、信号放大采集、数据处理,数据存储集成到一个电路板产品上,非常有效的缩短传感器信号的距离,系统的抗干扰性和准确的提高,同时实现集成化小型化。

    参照PCR仪温度控制标准程序,温度采集器将用恒温槽分段标定30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点,其它温度通过线性换色,可以满足测温范围(0~120)℃,显示分辨率0.01℃,温度测量误差≤0.2℃,通过定期校准,进行修正后,可实现30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点的测量结果的不确定度U≤0.1℃(k=2)。

    为了实现小型化集成化和无线连接等智能化,PCR仪温场检测设备设计包括温度采集器,无线信号接收器,电脑软件,手机软件;温度采集器功能包括温度传感器,信号放大采集,单片机数据采集和处理,蓝牙无线收发,锂电池充放电管理,USB数据通信等功能,系统复杂功能强大,物理尺寸很小方便工作人员使用;无线信号接收器通过USB插入电脑,用于无线连接温度采集器,实现动态实时数据交互,完成校准工作;电脑软件用于控制和数据接收工作,公司完成数据分析和报告;手机软件用于移动监控和数据下载。


三、技术创新点
    3.1、设计开发的PCR仪温场检测设备,在满足我国JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》的基础上,实现集成化、小型化,并采用无线连接,适用性较强;



  图2 采用无线传输方式的PCR仪温度校准系统

    3.2、设计选用微小尺寸的高精度铂电阻RTD传感器,并将温度传感器、信号放大采集、数据存储集成到一个电路板产品上,系统的抗干扰性和准确度提高,同时实现小型化。温度传感器分布符合JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》对温度传感器的分布要求,各温度传感器间距、尺寸与市场主流PCR仪相匹配,可直接替代PCR仪专用孔板嵌入PCR仪进行测量。



    图3 PCR仪温度校准系统温度传感器的分布


图4  JJF1527-2015规定的温度传感器布点要求

    3.3、PCR仪温度校准系统包括温度采集器,无线信号接收器,电脑软件,手机软件;温度采集器集成了温度传感器,信号放大采集,单片机数据计算,蓝牙无线收发,锂电池充放电管理,USB通信等功能;
    3.4、本系统可采用恒温槽和标准温度计对实际校准点,30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点进行温度分段标定,提高测量准确度;


    3.5系统的温度采集采用锂电池供电方便产品的无线连接移动工作通过电池采用直流电压供电提高了温度信号采集的稳定性,隔离了工频电源的干扰;通过USB接口给温度采集器的锂电池进行充电

    3.6、本系统的温度采集器设计数据存储芯片,电池供电工作自动进行温度采集存储,校准工作完成后,连接电脑读出数据分析报告,可实现多台机器同时校准工作;

    3.7系统的温度采集器设计USB数据接口无线蓝牙;可通过USB或者无线蓝牙温度采集器进行监控数据读取


四、产品功能
    4.1、具有无线连接功能,可以使用USB无线接收器进行工作,也可以用手机APP进行操作工作;

    4.2、采用高精度铂电阻RTD传感器,测温范围(0~120)℃,分辨率0.01℃,温度测量误差≤0.2℃,通过校准,进行修正后,可实现测量结果的不确定度U≤0.1℃(k=2);

    4.3、温度采集器设计了锂电池,通过USB充电;

    4.4、温度采集器设计了数据存储芯片,用电池供电工作自动进行温度采集存储,校准工作完成后,再连接电脑读取数据,自动完成数据处理,生成校准报告。并根据采集得到的数据自动生成热成像图,通过热成像图直观体现PCR仪各加温孔内温度的偏移情况,为试验人员提供参考,避免使用温度明显偏移温度设定点的加温孔进行试验。同时可实现多台仪器同时校准,集中读取校准数据;




      图5  PCR温场检测系统依据检测数据自动生成热成像图

    4.5、温度采集器设计了无线蓝牙;电脑可通过USB或者无线蓝牙对温度采集器进行监控和数据读取。


五、技术指标

    5.1、集成化小型化。温度传感器,检测探头,信号放大采集,数据计算,数据存储,无线蓝牙连接,USB通信接口,锂电池供电及充放电控制;实现以上功能产品,并且设计可以放入PCR仪(基因扩增仪)的物理尺寸。



  图6 直接以PCR温场检测仪代替孔板放入PCR仪


    5.2、实现无线接收器,可以无线连接温度采集器,发送控制命令,或者将温度数据通过USB转发给电脑。

    5.3、实现电脑软件,用于人机控制,对PCR仪校准过程中的数据动态监控,数据分析和数据报告的输出。

    5.4、实现手机软件,用于移动状态监控和数据监控。

    5.5、适用于48孔、96孔PCR仪的检测、校准,温度采集共15个通道,分辨率0.01℃,测量误差≤0.2℃。

    5.6、温度采集15个通道,每个通道温度数据10sps,即每秒实现采集10个温度数据。预估整个校准工作25分钟需要产生:10sps * (25 * 60)seconds * 15channel = 225000个温度数据。数据存储选择4Mbit闪存芯片。

    5.7、PCR仪温度校准系统的温度采集器工作电流估算30mA,峰值电流估算50mA,电池工作有效时间设计2小时,选择输出3.7V的锂电池容量大于100mAh。

    5.8、USB数据读取闪存芯片中的温度数据,不超过30秒。无线蓝牙传输温度数据,不低于每秒150(10sps*15channel)个温度数据。


六、市场分析
    目前,我国在用PCR仪约300万台,并逐年递增。主要分布于疾控、出入境检测、药监、生物制药企业、医疗机构、专业基因检测和分子生物实验室等。应用于司法鉴定、临床诊断、基因研究、疾病控制等领域,特别是在病毒性传染病筛查过程中发挥着至关重要的作用。由于目前专用的PCR仪温场检测设备价格昂贵,全国仅50余家计量检测机构具备检测能力,无法满足每年PCR仪的检测需求。而此套检测设备的开发成功,在技术性能满足JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》,达到国外同类产品技术水平的条件下,产品价格预计可降低50%,为中小型计量检测机构购置PCR仪温场检测设备开展校准工作提供了可能,同时也可用于PCR仪使用机构定期核查PCR仪温度性能,合理选用反应试剂,提高检测可靠性。


结束语

    PCR仪专用检测仪是以实现PCR仪的计量校准为目的开发的专用检测设备,解决了长期以来此类设备依赖进口的问题,有助于PCR仪量值溯源体系的建立和完善,通过定期校准的方式保证PCR仪检测结果的可靠性。能够为我国基因研究、食品安全检测、医学诊断等领域提供必要的技术保障。



注:此套检测设备已于2020年实现技术成果转化,并开始小规模生产。
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这个是否相当于很多分光光度计在并行工作吧。
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原文由 刘彦刚(pxsjlslyg) 发表:
这个是否相当于很多分光光度计在并行工作吧。
对于普通PCR相当于很多个恒温槽在运行