[发明专利]量子等离子体共振能量转移和超快光子PCR

说明书

公开了一种使用量子等离子体共振能量转移的快速且精确的分子诊断芯片，以用于执行超快聚合酶链反应(PCR)。该芯片包括功能分级的微流体结构，该微流体结构能够使用自供电的毛细管泵送来接收和输送样本，并且能够执行芯片上分离和目标病原体裂解。该芯片可以包括光阱，用以选择性地捕捉和富集样本的各种组分，诸如无细胞的脱氧核糖核酸(cfDNA)和外泌体。在一些情况下，处理设备可以接收诊断芯片，在诊断芯片内引发PCR，并且可选地从诊断芯片内的样本中检测诊断数据。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月1日递交的名称为“QUANTUM PLASMONIC RESONANTENERGY TRANSFER AND ULTRAFAST PHOTONIC PCR(量子等离子体共振能量转移和超快光子PCR)”的美国临时申请号62/580,372的权益，其全部内容通过引用并入于此。

技术领域

本公开总体上涉及医学或科学诊断装备，并且更具体地涉及聚合酶链反应装备。

背景技术

聚合酶链反应(PCR)是一种基本工具，可应用于许多行业，尤其诸如医疗保健和医药、兽医、农业、食品和法医。PCR能够扩增脱氧核糖核酸(DNA)，这为检测和分析DNA(诸如通过荧光标记)提供了基础。因此，PCR是许多研究(例如，药物基因组学中的新药的发明)和诊断领域(例如，诊断患者的个性化医疗保健或跟踪病原体在流行病学中的传播)的重要工具。通常，PCR通常依靠重复的热循环来融化或变性DNA，然后通过使用DNA聚合酶(诸如Taq聚合酶)复制DNA。

当前的PCR技术涉及繁琐且费力的样本准备步骤，诸如DNA提取、纯化和定量，这可能花费数小时才能完成(例如，在一些情况下为1-3小时)。此外，商业PCR设备使用具有高功耗的大型加热元件，诸如需要300-600瓦交流电才能起作用的台式系统。

当前的PCR技术使用热循环装备来控制DNA样本的温度。在热循环过程中，样本管、样本井或其他腔常常包含量级为数十或数百微升或更多的DNA样本(例如血液或其他材料，有时带有载液)。然后，热循环装备被用来对样本管、样本井或其他腔施加热量和/或冷却，其然后通过将热量传导通过样本管、样本井或其他腔的壁来引发DNA样本的加热或冷却。与当前PCR技术相关联的装备可能会是昂贵的、大型的、笨重的，并且在操作期间可能会消耗大量功率。样本器皿可能会相对较大，约几十微升级别。此外，用于扩增DNA的整个处理时间通常约为50-60分钟或更长。薄膜加热器可以被用来尝试和控制基于静态微流体的PCR系统的温度，但是这种加热器需要复杂的制造过程来将薄膜加热器和电阻温度检测传感器集成到芯片上。此外，当前的基于微流体的PCR系统仍然依赖于标准的样本提取、分离和准备技术，这可能是麻烦的、费时的且昂贵的。

在使用当前技术对样本执行PCR之前，可能有必要准备样本。各种样本准备技术可能需要诸如离心机之类的机械与装备，以及许多的步骤和繁琐的程序。例如，来自患者的血液样本可能需要在各种收集、裂解、洗涤和洗脱步骤之间在离心机上经历多个循环。在一些情况下，可以使用其他样本准备技术。

当前的PCR技术还可能需要使用许多消耗品，诸如样本室、转移室和装备(例如，微量移液器吸头或擦拭材料)，以及其他多用途或一次性消耗品，这可能导致每次测试费用高昂。

发明内容

术语实施例和类似术语旨在广义地指代本公开和以下权利要求的所有主题。应当理解，包含这些术语的陈述不应限制本文所描述的主题或限制以下权利要求的含义或范围。本文所涵盖的本公开的实施例由以下权利要求书而非本发明内容来限定。本发明内容是本公开的各个方面的高级概述，并且介绍了一些概念，这些概念在下面的详细描述部分中进一步描述。本发明内容并不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在被单独用于确定所要求保护的主题的范围。通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每个权利要求，应当理解本主题。