Портативний мікропристрій для плр

Реферат: Винахід належить до портативного мікропристрою ПЛР, який складається з мікросхеми ПЛР з низькотемпературної кераміки, що містить підігрівач, реакційну камеру для завантаження зразка. Також вона містить елемент управління підігрівачем для регулювання роботи підігрівача на базі вхідного сигналу, отриманого з температурного датчика. Також він має оптичну систему, до складу якої входить оптичне волокно для виявлення флуоресцентного сигналу від зразка і UA 100388 C2 (12) UA 100388 C2 принаймні один комунікаційний інтерфейс для обміну інформацією з іншим пристроєм (пристроями). UA 100388 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки, до якої належить винахід Цей винахід стосується портативної системи для ПЛР, що працює в режимі реального часу, з одноразовою мікросхемою ПЛР, яку виготовлено з багатошарової кераміки при низьких температурах (LTCC). Цей винахід надалі описує метод контролю та моніторингу роботи мікропристроя ПЛР та апаратури, що використовується для проведення ПЛР. Передумови створення винаходу За останні п'ять років надзвичайно розширилась науково-дослідна робота в сфері розробки клінічних діагностичних систем на основі технологій «лабораторія на мікросхемі». На такі системи покладаються великі надії в області клінічної діагностики. Вони споживають пробний матеріал та реагенти лише в надзвичайно малих об'ємах. Окремі маленькі мікросхеми можуть бути недорогими й одноразовими. Часовий проміжок між відбором зразків і отриманням результатів має тенденцію бути дуже коротким. Мікросхеми найбільш досконалих дизайнів можуть виконувати всі аналітичні функції - відбір зразків, попередня обробка зразків; етапи сепарації, розчинення та змішування; хімічні реакції; та детектування в єдиній інтегрованій мікрорідинній схемі. Системи на основі «лабораторій на мікросхемі» дають можливість розробникам створювати невеликі за розміром, портативні, зносостійкі, дешеві та прості у застосуванні діагностичні пристрої, які мають високий рівень продуктивності та універсальності. Мікрорідина - рідина, яка протікає в мікроканалі, що дозволяє спроектувати аналітичні пристрої та формати таким чином, що вони не мали б можливості функціонувати в більшому масштабі. Технології «Лабораторія на мікросхемі» намагаються імітувати лабораторні процедури, які би проводилися на зразку в межах Мікротехнологічної структури. Найбільш успішними є пристрої, які працюють на рідинних зразках. На цих пристроях було продемонстровано велику кількість процедур хімічної обробки, очистки та хімічної реакції. Для виготовлення пристроїв, які виконують повну процедуру хімічного вимірювання, було продемонстровано певну ступінь монолітної інтеграції хімічних процесів. Такі пристрої базуються винятково на лабораторних процедурах аналізу і тому мають можливість акумулювати більш комплексні матриці зразка у порівнянні з традиційним хімічним розпізнаванням. Останні досягнення в молекулярній та клітинній біології було зроблено значною мірою внаслідок розвитку стрімких і ефективних аналітичних технік. Завдяки мініатюризації та мультиплексуванню такі техніки, як генний чип чи біочип, дають можливість охарактеризувати всі геноми в одній експериментальній установці. ПЛР (Полімеразна ланцюгова реакція) - це метод молекулярної біології для збільшення молекул ядерної кислоти in-vivo (в організмі). Техніка ПЛР стрімко витісняє інші тривалі в часі та менш точні техніки, які використовуються для ідентифікації біологічних видів і патогенних мікроорганізмів в зразках криміналістичного матеріалу, зразках, взятих з оточуючого середовища, клінічних та промислових зразках. Серед біотехнологій техніка ПЛР стала найголовнішим аналітичним кроком в лабораторіях природничих наук для великої кількості випадків молекулярної та клінічної діагностики. Важливі розробки, зроблені в сфері технології ПЛР такі, як проведення ПЛР в режимі реального часу, призвели до процесів стрімкого протікання реакцій в порівнянні з традиційними методами. Впродовж декількох останніх років технологія мікро-обробки розширилась до процесу мініатюризації системи хімічного реагування та аналізу, такої як аналіз ПЛР з метою подальшого скорочення часу, необхідного для аналізу, та зменшення об'єму реагентів, що використовуються. У більшості ПЛР, наявних на сьогодні, неможливі миттєві температурні зміни з причин теплоємності зразка, контейнера, датчика циклів, а також тривалого часу ампліфікації, що становить від 2 до 6 годин. Протягом проміжків часу, коли відбувається перехід температури зразка від однієї до іншої, трапляються зовнішні небажані реакції, під час яких споживаються важливі реагенти, і створюються небажані інтерферуючі суміші. Низькотемпературна кераміка використовується в пакувальних напівпровідникових пристроях. Така система дозволяє інтегрувати електричну та структурну функцію. Послідовність виготовлення шар за шаром в процесі створення низькотемпературної кераміки дає можливість легко формувати тривимірні структури з інтегрованими електричними елементами. До того ж, у порівнянні з обробкою силікону, обробка цієї кераміки обходиться дешевше. Мікросхема, що виготовляється на керамічній підкладці такій, як низькотемпературна кераміка дає можливість інтегрувати механічні та електричні елементи в простий і дешевий спосіб. Використання портативної обчислювальної платформи такої, як ПЦА забезпечує систему достатньою обчислювальною потужністю з метою контролю електроніки та забезпечення інтенсивного і водночас простого інтерфейсу користувача для виводу даних. Така платформа також робить всю систему модульною, а відтак дає можливість користувачу легко модернізувати систему з мінімальними затратами з боку користувача. 1 UA 100388 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цілі винаходу Основна мета цього винаходу полягає в розробці портативного мікропристрою для проведення ПЛР. Ще однією метою цього винаходу є розробка методу для здійснення моніторингу й контролю за роботою портативного мікропристрою ПЛР. Викладення суті винаходу Цей винахід відповідно представляє портативний мікропристрій ПЛР, який складається з: мікросхеми ПРЛ, виготовленої з низькотемпературної кераміки, що має підігрівач, реакційної камери для завантаження зразка, елемента управління підігрівачем для регулювання роботи підігрівача в залежності від вхідного сигналу, отриманого з температурного датчика, оптичної системи детектування для виявлення флуоресцентного сигналу зі зразка, та принаймні одного комунікаційного інтерфейсу для взаємодії з іншим пристроєм (пристроями); також представлено метод для здійснення моніторингу та контролю за роботою портативного мікропристрою ПЛР; згаданий метод має такі етапи: встановлення зв'язку між портативним мікропристроєм ПЛР за допомогою комунікаційного інтерфейсу, ініціювання процесу теплового циклічного впливу на підставі значень температурного профілю, одержаних з іншого пристрою, з метою контролю мікросхеми ПРЛ з низькотемпературної кераміки, та направлення оптичного сигналу, виявленого оптичною системою, до іншого пристрою. Короткий опис супровідних зображень Тепер цей винахід буде описано з посиланням на супровідні зображення: Рисунок 1 демонструє схему зображення мікропристрою ПЛР з низькотемпературної кераміки відповідно до цього винаходу. Рисунок 2 демонструє ортогональну проекцію зображення мікросхеми ПРЛ з низькотемпературної кераміки. Рисунок 3 демонструє профіль зображення мікросхеми ПРЛ з низькотемпературної кераміки. Рисунок 4 демонструє пошаровий дизайн зображення мікросхеми ПРЛ з низькотемпературної кераміки. Рисунок 5 демонструє модель виконаного дизайну реакційної камери мікросхеми. Рисунок 6 демонструє розгалужену систему оптичного детектування з використанням розгалуженого оптичного волокна. Рисунок 7 демонструє блок-схему схеми, за допомогою якої здійснюється контроль роботи підігрівача та температурного датчика. Рисунок 8 демонструє процес плавлення фрагменту ДНК лямбди-636 на мікросхемі з використанням інтегрованого підігрівача/терморезистора, що керується за допомогою портативного пристрою. Рисунок 9 демонструє процес ПРЛ-ампліфікації фрагменту ДНК лямбди-311 на мікросхемі, (а) Флуоресцентний сигнал, отриманий з мікросхеми в режимі реального часу; (b) Зображення желеподібної структури, що підтверджує результат ампліфікації. Рисунок 10 демонструє зображення желеподібної структури ампліфікації обробленої крові та плазми для рибосомної одиниці 16S сальмонели шляхом ПЛР. Рисунок 11 демонструє зображення желеподібної структури ампліфікації крові для рибосомної одиниці 16S сальмонели шляхом прямої ПЛР. Рисунок 12 демонструє зображення желеподібної структури ампліфікації плазми рибосомної одиниці 16S сальмонели шляхом прямої ПЛР. Рисунок 13 демонструє процес ампліфікації гена сальмонели шляхом ПЛР з використанням мікросхеми, (а) флуоресцентний сигнал, отриманий з мікросхеми в режимі реального часу; (b) зображення желеподібної структури, що підтверджує результат ампліфікації. Рисунок 14 демонструє час, що витрачається на процес ампліфікації ДНК вірусу гепатиту В з використанням мікросхеми, виготовленої з низькотемпературної кераміки. Рисунок 15 демонструє загальний вигляд прикладної програми Personal Digital Assistant (PDA- Персональний Цифровий Асистент - ПЦА), що взаємодіє з портативним пристроєм. Рисунок 16 демонструє криву плавлення для похідної величини флуоресцентного сигналу, отриманого під час плавлення ДНК лямбди-311, що відбулося шляхом використанням мікросхеми з низькотемпературної кераміки. Рисунок 17 демонструє блок-схему програми циклічного температурного впливу, що працює в межах ПЦА. Рисунок 18 демонструє флуоресцентний сигнал ампліфікованого ДНК вірусу гепатиту В, що отримано в режимі реального часу з використанням мікросхеми. 2 UA 100388 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Рисунок 19 демонструє систему оптичного детектування, яка використовує світлорозділювач. Рисунок 20 демонструє комбіновану систему оптичного детектування. Детальний опис винаходу Цей винахід стосується портативного мікропристрою ПЛР, що складається з: a) Мікросхема ПЛР з низькотемпературної кераміки, який складається з підігрівача, реакційної камери для завантаження зразка, b) Елемент управління підігрівачем для регулювання роботи підігрівача в залежності від вхідного сигналу, отриманого з температурного датчика, c) Система оптичного детектування для виявлення флуоресцентного сигналу зі зразка, та d) Принаймні, одного комунікаційного інтерфейсу для взаємодії з іншими пристроями. В одному виконанні цього винаходу забезпечується, принаймні, один шар провідника між підігрівачем і реакційної камерою. В одному виконанні цього винаходу реакційна камера оточена провідниковими кільцями. В одному виконанні цього винаходу провідникові кільця з'єднані з шаром провідника за допомогою клем. В одному виконанні цього винаходу провідник виготовлено з відбірного матеріалу, до складу якого входять золото, срібло, платина і паладій чи сплави цих металів. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик розміщено з зовнішнього боку мікросхеми з метою вимірювання температури мікросхеми. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик вбудовано, принаймні, в один шар мікросхеми. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик є терморезистором. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик приєднано як одне плече мостової схеми. В одному виконанні цього винаходу вихідний сигнал мостової схеми підсилюється перед його подачею до елемента управління підігрівачем з метою регулювання підігрівача. В одному виконанні цього винаходу мікросхема має прозорий ізоляційний ковпак, що призначений для закривання реакційної камери. В одному виконанні цього винаходу мікросхема є одноразовою. В одному виконанні цього винаходу система оптичного детектування відібрана з групи, до складу якої входять система оптичного детектування зі світлорозділювачем, комбінована система оптичного детектування і розгалужена система оптичного детектування. В одному виконанні цього винаходу оптична система складається з джерела світла і фотодетектора для виявлення флуоресцентного сигналу зі зразка. В одному виконанні цього винаходу синхронний підсилювач підсилює виявлений сигнал. В одному виконанні цього винаходу в розгалуженій оптичній системі використовується розгалужене оптичне волокно з джерелом світла, що розміщується на одному розгалуженому кінці (605а), та фотодетектором, розміщеним на іншому розгалуженому кінці (605а) оптичного волокна. В одному виконанні цього винаходу спільний кінець (605b) розгалуженого оптичного волокна вказує на зразок. В одному виконанні цього винаходу в комбінованій оптичній системі детектування використовується оптичне волокно для направлення світла на зразок. В одному виконанні цього винаходу в комбінованій оптичній системі детектування використовуються лінзи для фокусування випущеного променя зі зразка. В одному виконанні цього винаходу комунікаційний інтерфейс відібрано з групи, до складу якої входять послідовний порт, USB, Блутус чи їх поєднання. В одному виконанні цього винаходу інший пристрій здійснює збір даних щодо температури мікросхеми та щодо підсиленого сигналу з портативного пристрою. В одному виконанні цього винаходу інший пристрій зібрано з групи, до складу якої входить смартфон, ПЦА та пристрій з програмним управлінням. Цей винахід також стосується методу моніторингу та контролю роботи портативного мікропристрою ПЛР, згаданий метод складається з таких етапів: a) Встановлення взаємодії між портативним мікропристроєм ПЛР та іншим пристроєм за допомогою комунікаційного інтерфейсу, b) Ініціювання процесу циклічного температурного впливу в залежності від значень температурного профілю, отриманих з іншого пристрою, з метою управління мікросхемою ПЛР з низькотемпературної кераміки, та c) Направлення оптичного сигналу, виявленого оптичною системою, до іншого пристрою. 3 UA 100388 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Одне виконання цього винаходу передбачає подачу користувачем значень температурного профілю в інший пристрій за допомогою інтерфейсу користувача. В одному виконанні цього винаходу передбачається створення, модифікація та видалення значень температурного профілю за допомогою інтерфейсу користувача. В одному виконанні цього винаходу іншим пристроєм передбачається здійснення процесу ідентифікації користувача. В одному виконанні цього винаходу інший пристрій зберігає велику кількість значень температурного профілю. В одному виконанні цього винаходу значення температурного профілю передбачає встановлену величину і кількість циклів. В одному виконанні цього винаходу передбачається підтримання роботи мікросхеми при температурі та протягом періоду часу, що визначений встановленою величиною. В одному виконанні цього винаходу передбачається приведення температури мікросхеми ПЛР до кімнатної температури шляхом зупинення процесу циклічного температурного впливу. В одному виконанні цього винаходу передбачається підтримання постійної температури мікросхеми ПЛР протягом періоду тимчасового припинення процесу циклічного температурного впливу. В одному виконанні цього винаходу передбачається взаємодія з іншим пристроєм за допомогою використання мобільного стеку для профілю послідовного порту Блутус. В одному виконанні цього винаходу передбачається побудова графіку на дисплеї іншого пристрою за термальними та оптичними даними. Інший пристрій (101) - це пристрій, який може взаємодіяти з портативним пристроєм за допомогою будь-якого стандартного комунікаційного інтерфейсу (107), на приклад, проводового послідовного порту (послідовний порт RS232, USB) чи безпроводового (Блутус, що виконує профіль послідовного порту), тощо. Мікросхема ПЛР з низькотемпературної кераміки - це мікросхема для ПЛР, виготовлена з шарів низькотемпературної кераміки. Ця мікросхема може легко прикріплюватися чи зніматися з портативного пристрою. Температурний профіль має значення температури та часу, що є установленими величинами, а також передбачає рахунок кількості циклів з метою здійснення процесу циклічного температурного впливу. Полімеразна Ланцюгова Реакція (ПЛР) - це техніка, відкрита для синтезу дублікатів специфічного фрагменту ДНК з еталону. Оригінальний процес ПЛР ґрунтується на термостійкому полімеразному ферменті ДНК з термофільної бактерії (Taq), що може синтезувати додатковий молекулярний ланцюжок в молекулярний ланцюжок заданої ДНК в суміші, яка містить чотири основи ДНК і два фрагменти праймера ДНК, що фланкують ДНКмішені. Суміш підігрівається для роз'єднання молекулярних ланцюжків двійної спіралі ДНК, яка має ДНК-мішень, а потім - охолоджується для того, щоб праймери мали можливість знайти та зв'язатися з додатковими послідовностями основ ДНК на окремих молекулярних ланцюжках, а полімераза Термофільної бактерії могла розширити праймери в нові додаткові молекулярні ланцюжки. Повторення циклів підігріву та охолодження збільшує ДНК-мішень в геометричній прогресії, оскільки кожний новий подвійний молекулярний ланцюжок розділяється для того, щоб стати двома матрицями для подальшого синтезу. Типовий температурний профіль для полімеразної ланцюгової реакції є таким: 1. Денатурація при температурі 93°С протягом 15-30 секунд 2. Ренатурація праймеру при температурі 55°С протягом 15-30 секунд 3. Збільшення праймерів при температурі 72°С протягом 30 - 60 секунд В якості прикладу, в першому етапі розчин підігрівається до температури 90-95°С таким чином, що матриця з подвійного молекулярного ланцюжка плавиться ("денатурується") для того, щоб сформувати два окремих молекулярних ланцюжка. В наступному етапі вона охолоджується до температури 50-55°С для того, щоб короткі спеціально синтезовані фрагменти ДНК ("праймери") з'єдналися з відповідною додатковою секцією матриці ("ренатурація"). Остаточно розчин підігрівається до температури 72°С, коли особливий фермент ("полімераза ДНК") збільшує праймери шляхом приєднання додаткових основ з розчину. В такий спосіб два ідентичні молекулярні ланцюги синтезуються з одного подвійного молекулярного ланцюга. Для того, щоб отримати продукти, довжина яких більша, ніж декілька сотень основ, етап розширення праймеру має бути збільшено приблизно на 60 с/к основ. Вказані вище дані є типовими часовими даними для приладів; насправді, етапи денатурації та ренатурації відбуваються майже миттєво, але температурні показники заводських приладів, за звичай, 4 UA 100388 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 становлять менше, ніж 1°С /с, у разі якщо металеві блоки чи вода використовуються для теплової рівноваги, а зразки зберігаються в пластикових мікроцентрифужних пробірках. Шляхом механічної мікрообробки термічно ізольованих ПЛР-камер малої маси; можливо налагодити масовий випуск більш швидкого, більш енергозберігаючого та більш специфічного приладу для проведення ПЛР. До того ж, факт швидких переходів від однієї температури до іншої гарантує те, що на зразок витрачається мінімальна кількість часу при небажаних проміжних температурах для того, щоб збільшена ДНК мала оптимальну точність та чистоту. Низькотемпературна кераміка - це сучасна версія технології товстої плівки, що використовується в упаковуванні електронних компонентів для автомобільної, оборонної, космічної та телекомунікаційної промисловості. Це прозорий керамічний матеріал на основі оксиду алюмінію, що є хімічно інертним, біологічно сумісним, теплостійким (>600°С), має низьку теплопровідність (