ОДНОРАЗОВЫЙ ЧИП ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПЦР АНАЛИЗА
ONE-TIME CHIP FOR PCR ANALYSIS

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области исследований в охране окружающей среды, медицине, микробиологии. Данное изобретение может быть применено для анализа воздуха на наличие в нем биопатогенов, для защиты человека или животных от вредного воздействия бактерий, вирусов, генетических векторов и объектов нанотехнологий.
Уровень техники.
Из уровня техники известен Чип ПЦР, включающий в себя: нагревательный блок ПЦР и реакционный блок ПЦР в форме пластины, связанный с упомянутым нагревательным блоком ПЦР с возможностью проведения теплообмена с нагревательным блоком ПЦР и оснащенный одним и более реакционными каналами, проходящими через части, соответствующие верхним сторонам расположенных на нагревательном блоке ПЦР нагревателей в их продольном направлении, причем каждый реакционный канал имеет вход и выход, выполненные на обоих его концах (RU 2618859 C2 11.05.17).
Также из уровня техники известен чип для ПЦР, который содержит опорную пленку, подложку, приклеенную к реакционной пленке пленки, образец адгезива на реакционной пленке и пленку покрытия. На реакционной пленке имеется канал потока пробы, проходящий к каждому  входному отверстию, и выпускной канал. Канал потока образца соединен и включает части зоны реакции образца, расположенные напротив указанного впускного и выпускного отверстий. (WO2014035124 A1 06.03.2014).
Наиболее близким по является одноразовый чип ПЦР раскрытый в заявке US 20060057629 A1 опубликованной 16.03.2006. Согласно указанной заявки одноразовый чип ПЦР имеет реакционные камеры. При этом каждая реакционная камера сообщается с каналами, через которые осуществляется заправка чипа реагентами и пробой. Указанные каналы выполнены с возможностью герметизации.
Однако известные ранее чипы ПЦР имеют низкую производительность, в виду того что  не способны одновременно определять большое количество мишеней в пробе и имеют низкую скорость амплификации, отсутствует возможность выявлений 10 копий плазмиды на реакцию, а также  работу с детекцией по конечной точке, кроме того чипы не соответствуют необходимым условиям по теплопередаче, пропусканию флуоресценции, инертности к компонентам реакционной смеси, и не обеспечивают полное исключение контаминацию продуктами реакции.
Осуществление изобретения.
В связи с тем, что современном мире требуется быстрота реакции при обнаружении биопатогенов воздухе или других образцах исследования, возникла необходимость разработки чипа ПЦР с возможностью   одновременного определения большого числа мишеней в пробе - 6 реакционных ячеек до 36 мишеней. Так, в качестве емкости для проведения ПЦР в приборе используется одноразовый полимерный чип, содержащий реакционные ячейки в количестве 6 шт.  Каждая реакционная ячейка содержит в своем составе: реакционную камеру; расширительную камеру, связанную с реакционной камерой; заправочный и выходной каналы; при этом каждый канал содержит герметизирующие клапаны, перекрывающие заправочный и выходной каналы в чипе, которые представлены толкателем и эластичным герметизирующим элементом.
Так чип содержит элементы, обеспечивающие однозначное позиционирование в рабочем положении на термоциклере.  При этом корпус и толкатель клапана чипа выполнены из полимерных материалов.  Эластичный герметизирующий элемент выполнен из силикона.
Задачей настоящего изобретения является возможность проведения ПЦР в реальном времени на уровне современных приборов аналогичного назначения вплоть до 10 копий плазмиды на реакцию, обеспечение работы с детекцией по конечной точке, кроме того соответствие необходимым условиям по теплопередаче, пропусканию флуоресценции, инертности к компонентам реакционной смеси, а также полное исключение контаминацию продуктами реакции.
Техническим результатом изобретения является возможность проведения ПЦР в реальном времени на уровне современных приборов аналогичного назначения вплоть до 10 копий плазмиды на реакцию, обеспечения работы с детекцией по конечной точке, кроме того соответствие необходимым условиям по теплопередаче, пропусканию флуоресценции, инертности к компонентам реакционной смеси, а также полное исключение контаминацию продуктами реакции.
Раскрытие изобретения.
Указанный технический результат реализуется за счет следующих конструктивных особенностей. Одноразовый чип ПЦР представляет собой пластину, которая имеет корпус. В корпусе чипа ПЦР расположены реакционные ячейки в количестве 6 шт.  Корпус выполнен из полимерного материала. При этом каждая реакционная ячейка содержит:
- реакционную камеру;
- расширительную камеру, связанную с реакционной камерой;
- заправочное отверстие и выходное отверстие на лицевой поверхности чипа;
- заправочный и выходной каналы;
- герметизирующий клапан, расположенный в каждом канале, и включающий толкатель и эластичный герметизирующий элемент.
Реакционная камера имеет объемом 50 мкл.  Расширительная  камера, связана с реакционной камерой и выполнена таким образом, чтобы исключалось заполнение реакционной камеры при заправке чипа. Нижнее  заправочное отверстие и верхнее выходное отверстие расположены на лицевой поверхности чипа. Указанные отверстия связаны с соответствующими каналами: заправочным и выходном, которые располагаются в толще корпуса. При этом каждый канал содержит герметизирующий клапан, включающий толкатель и эластичный герметизирующий элемент, перекрывающие заправочный и выходной каналы в чипе, путем прижатия к торцу канала в реакционную камеру эластичного элемента.
Таким образом, конструктивные элементы одноразового чипа ПЦР обеспечивают однозначное его позиционирование в рабочем положении на термоциклере.  При этом корпус чипа и толкателей клапанов выполнены из полимерных материалов, например, из поликарбоната или циклические полиолефины COC/COP. Эластичные герметизирующие элементы выполнены из силикона.
В рабочем положении чип своей задней поверхностью прижат к термоциклеру. Во время заправки смесь пробы и реагентов поступает в нижнее заправочное отверстие. Во время заполнения ячейки чипа через выходное отверстие выходит вытесненный воздух и излишки жидкости. При этом жидкость проходит через герметизирующее устройство однократно, после чего срабатывает клапан.  После осуществления заправки происходит герметизация чипа, путем встречного движения толкателей клапанов.
Рабочее положение чипа вертикальное.
Принцип работы. В каждую камеру чипа заправляется смесь пробы с реагентами, содержащими флуоресцентные метки в 6 спектральных каналах. Чип располагается на поверхности термоциклера, построенного на основе элементов Пелтье. Обратная сторона элементов Пелтье имеет термический контакт с жидкостным теплообменником, подключенным к тепловому контуру. Считывание флуоресцентного сигнала осуществляется оптической головкой. Эта головка состоит из 6 идентичных по устройству каналов, каждый из которых включает оптическую систему возбуждения и считывания флуоресценции. Система возбуждения состоит из излучающего светодиода, коллиматора, узкополосного светофильтра и объектива, с помощью которого освещается реакционная камера чипа. Для считывания флуоресцентного сигнала используется аналогичная оптическая схема, с тем отличием, что вместо светодиода используется регистрирующий фотодиод. Вся оптическая головка находится на каретке линейного привода и способна совершать движения вдоль камер чипа, последовательно считывая флуоресценцию из каждой реакционной камеры каждым из спектральных каналов.
Общий вид ПЦР блока показан на рис. 2. Перед началом работы ПЦР-чипы загружаются в специальный пенал, далее процесс загрузки и выгрузки чипов выполняется автоматически. Цикл работы блока ПЦР предусматривает выполнение следующих последовательных шагов: перемещение чипа из пенала в рабочую зону; фиксация чипа модулями заполнения, обеспечивающая герметичное соединение с каналами чипа,  заполнение камер чипа реагентами, герметизация рабочих камер, прижим чипа плоскостью прозрачного окна с усилием 30 кгс (для исключения возможной деформации чипа в процессе термоциклирования), перемещение рабочих плоскостей модулей заполнения в исходную позицию, осуществление требуемого количества измеряемых циклов, отвод прижима и перемещение отработанного чипа в приемный лоток, возврат механизма перемещения чипа в исходную позицию.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
Фигура 1 - общий вид чипа ПЦР, где 1 - корпус чипа; 2 - реакционная камера; 3 -расширительная камера; 4 – нижнее заправочные отверстия; 5 – верхнее выходное отверстие; 6 - эластичный герметизирующий элемент; 7 - толкатель клапана; 8 – заправочный канал; 9 – выходной канал.
Фиг. 2: расположение чипа ПЦР в рабочем состоянии в блоке ПЦР: 10 – чип ПЦР; 11- светодиод; 12 – коллиматор; 13 – плата регистрации сигнала; 14 – светофильтр; 15 – канал возбуждения; 16 – объектив; 17 – термоциклер; 18 - канал детекции флуоресценции; 19 - линейный привод; 20 - фотодиод; 21 - датчик положения.
Таким образом,  за счет того, что чип ПЦР,  представлен пластинкой, имеющей корпус из полимерного инертного материала, в котором имеются реакционные ячейки, имеющиереакционную камеру;  расширительную камеру, связанную с реакционной камерой; заправочное отверстие и выходное отверстие на лицевой поверхности чипа; заправочный и выходной каналы; герметизирующий клапан, расположенный в каждом канале, и включающий толкатель и эластичный герметизирующий элемент, что позволяет провести ПЦР в режиме реального времени на уровне современных приборов аналогичного назначения вплоть до 10 копий плазмиды на реакцию, обеспечить работу с детекцией по конечной точке, кроме того чип ПЦР соответствует необходимым условиям по теплопередаче, пропусканию флуоресценции, инертности к компонентам реакционной смеси, а также позволяет полностью исключить контаминацию продуктами реакции.
Одноразовый чип ПЦР может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу изобретения  на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения  и критерию «полнота раскрытия» для изобретения.