CN101974421B - 一种带精密温度补偿的变温金属模块及温度补偿方法 - Google Patents

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本发明涉及一种带精密温度补偿的变温金属模块及温度补偿方法，在所述的变温金属模块上设置有样品孔，包括温度补偿加热器，所述的温度补偿加热器的设置数量小于或等于所述样品孔的设置数量，所述的温度补偿加热器与控制电路相连接，所述的每个温度补偿加热器单独设置在样品孔周围。本发明用于基因扩增仪及全自动医用PCR分析系统，可以将变温金属模块的温度均匀性从常规技术的±0.3℃提高到±0.05℃。

Description

一种带精密温度补偿的变温金属模块及温度补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种带精密温度补偿的装置及方法，用于基因扩增仪及全自动医用PCR分析系统。
背景技术：
基因扩增(PCR)仪的工作原理是通过变性--退火--延伸三个基本反应步骤完成类似于DNA的天然复制过程，重复循环上述过程，1～2小时就能将待测目标基因扩增放大几百万倍，从而实现基因的定性检测。
全自动医用PCR分析系统的工作原理是在PCR反应系统中加入一个荧光标记探针，激发的荧光信号值与所扩增的目标基因数量成正比，通过对试管内荧光值的实时监测，来实现模板的定量检测。相比普通PCR检测，荧光定量PCR检测除了能定量检测以外，还具有更高的特异性与灵敏度。
但无论是基因扩增(PCR)仪还是全自动医用PCR分析系统，都需要经历变性--退火--延伸三个基本反应步骤，而这三个步骤的执行过程中必须严格地精确控制样本的温度，否则研究结果将产生偏差，甚至导致检测失败。
目前主流的上述仪器的温控系统主要由变温金属模块3、半导体制冷器2、散热器1组成，见附图1。一个变温金属模块3底下可安装一个或多个半导体制冷器2，半导体制冷器2对变温金属模块3提供加热和冷却，变温金属模块3的上表面有多个样品孔6，用于放置样本试管。可见，变温金属模块3的温度均匀性直接影响到每个样本检测的实际温度，从而影响其检测的精确性及重复性；
造成变温金属模块温度不均匀的因素很多，主要因素如下：
1、变温金属模块与周围环境的温差会造成模块四周热量流失，导致模块边上(特别是角上)的样品孔温度偏低；
2、半导体制冷器每个区域的功率也存在一定的不均匀性；
3、半导体制冷器四周封的密封胶也会带走一些热量；
4、散热器不同区域的温度差异，也会造成变温金属模块温度的不均匀；
可见，变温金属模块温度不均匀性是不规则的，上述因素的影响可相互叠加，也可相互抵消。现有的相关改进技术中，通过在变温金属模块的侧面或底面四周加电热膜来弥补模块四周的热损失，但由于模块的每个样品孔所散失的热量是不均匀的。因此，该方法只能做到粗略的温度补偿，而无法对每个样品孔进行精密的温度补偿。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术之不足，提供一种带精密温度补偿的变温金属模块及温度补偿方法，其根据每个样品孔的实测温度与设定温度的偏差值，分别对每个样品孔提供单独的温度补偿，可以非常方便地提高变温金属模块的温度均匀性。
根据本发明提供的一种带精密温度补偿的变温金属模块，在所述的变温金属模块上设置有样品孔，包括温度补偿加热器，所述的温度补偿加热器的设置数量小于或等于所述样品孔的设置数量，所述的温度补偿加热器与控制电路相连接，所述的每个温度补偿加热器单独设置在样品孔周围。样品孔的数量多于或等于温度补偿加热器的数量，是因为，在变温金属模块出厂前或校准时，要对其进行检测，对于样品孔温度与设定温度之间的温差在接受范围内的，则对该样品孔不设置温度补偿加热器，对于设置温度补偿加热器的样品孔，是一个温度补偿加热器对应一个样品孔，控制电路控制温度补偿加热器，在需要时，通电使得温度补偿加热器对单个样品孔单独进行加热，由于只对需要的样品孔进行单独温度补偿，所以，温度补偿更加精密，从而达到温度补偿的目的。
按照本发明提供的一种带精密温度补偿的变温金属模块，还具有如下附属技术特征：
所述的控制电路对每个温度补偿器进行单独控制。
所述的温度补偿加热器是电阻加热器或电热膜，也可是其他适用于单独加热的装置。
所述的温度补偿加热器通过导线或柔性电路板与所述的控制电路相连接。
本发明还提供一种变温金属模块的温度补偿方法，在所述的变温金属模块上设置有样品孔，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，从控制电路板的存储器中读取每个温度补偿加热器的温度补偿功率值计算公式的参数；
第二步，根据变温金属模块的设定温度T，以及第一步所得的参数，按计算公式计算每个温度补偿加热器的实际功率补偿值；
第三步，根据所计算出的实际功率补偿值，通过控制电路控制每个温度补偿加热器的补偿功率，使得每个温度补偿加热器对相应的样品孔进行温度补偿；
第四步，在工作状态下，重复第二步至第三步；
还包括如下技术特征：
所述的第二步中的计算每个温度补偿加热器的实际功率补偿值的公式为：PWM_Ti＝(PWM_T2i-PWM_T1i)×T/a+b PWM_T1i-c PWM_T2i；
其中，1≤i≤样品孔的数量，a、b、c是常数，
PWM_T1i、PWM_T2i是第i个温度补偿加热器分别在设定温度T1、T2情况下的实际温度补偿功率值。
温度补偿加热器计算公式的参数PWM_T1i、PWM_T2i根据如下步骤进行设置：
第一步，在每个样品孔周围设置温度补偿加热器；
第二步，在常用的温度范围内，设定第一控温点T1，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值；
第三步，通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第一控温点T1，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_T1i；
第四步，在常用的温度范围内，设定第二控温点T2，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值；
第五步，通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第二控温点T2，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_T2i；
第六步，将参数PWM_T1i、PWM_T2i保存到控制电路的存储器中；
第七步，设定一个数值范围，对于参数PWM_T1i、PWM_T2i均小于该数值范围的样品孔，则认为其实测温度与设定温度足够接近，可选择不附加温度补偿加热器。
按照本发明提供的带精密温度补偿的变温金属模块及温度补偿方法，为基因扩增仪及全自动医用PCR分析系统提供一种可以逐点进行温度补偿的变温金属模块及方法，提高变温金属模块的温度均匀性，从而提高仪器检测的精确性与重复性，可非常方便地将变温金属模块的温度均匀性从常规技术的±0.3℃提高到±0.05℃。
附图说明：
图1为现有技术中基因扩增仪温控系统的结构简图；
图2为安装有按本发明提供的变温金属模块的基因扩增仪温控系统的结构示意图；
图3是图2中标示A的局部放大示意图；
图4为安装有按本发明提供的另一种变温金属模块的基因扩增仪温控系统的结构示意图；
图5是图4中标示为A的局部放大示意图；
图6为按本发明提供的变温金属模块的温度补偿器的初始参数设置流程图；
图7为按本发明提供的温度补偿方法流程图。
具体实施方式：
参见图2、图3、图6和图7，在出厂前，需要对每个样品孔进行检测，以确定哪些样品孔需要进行单独温度补偿，以及温度补偿功率的范围，具体为：在每个样品孔周围设置温度补偿加热器5，在常用的温度范围内，设定第一控温点为60℃，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值；通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第一控温点60℃，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_60i；在常用的温度范围内，设定第二控温点90℃，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值；通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第二控温点90℃，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_90i；将参数PWM_60i、PWM_90i保存到控制电路的存储器中；设定一个数值范围，比如是3％，对于参数PWM_60i、PWM_90i均小于该数值范围的样品孔，则认为其实测温度与设定温度足够接近，可选择不附加温度补偿加热器，否则，则设置温度补偿加热器。
在实际使用过程中，首先从控制电路板的存储器中读取每个温度补偿加热器5的温度补偿功率值计算公式的参数；第二步，根据变温金属模块的设定温度T，以及第一步所得的参数，按计算公式计算每个温度补偿加热器的实际功率补偿值；第三步，根据所计算出的实际功率补偿值，通过控制电路控制每个温度补偿加热器的补偿功率，使得每个温度补偿加热器对相应的样品孔进行温度补偿；根据需要，在工作状态下，重复上述第二步及之后的步骤；其中：计算每个温度补偿加热器的实际功率补偿值的公式为：
PWM_Ti＝(PWM_90i-PWM_60i)×T/a+b PWM_60i-c PWM_90i；
其中，1≤i≤样品孔的数量，a、b、c是常数，
PWM_60i、PWM_90i是第i个温度补偿加热器分别在设定温度60℃、90℃情况下的实际温度补偿功率值。
本实施例中，每个样品孔都设置温度补偿加热器5，变温金属模块3底下可安装一个或多个半导体制冷器2，半导体制冷器2对变温金属模块3提供加热和冷却，变温金属模块3的上表面有多个样品孔6，半导体制冷器2设置在散热器1上，温度补偿加热器5采用电阻加热器，先将温度补偿加热器5焊接在超薄的柔性电路板4上，再将柔性电路板4制成环形结构，固定在变温金属模块3每个样品孔6凸起的柱子侧面，固定方式可以是套、胶或粘，每个柔性电路板4引出两根导线，与控制电路(图中未示出)相连接，对温度补偿加热器5进行控制，根据需要供电，以对连接有温度补偿器5的样品孔进行加热，本方案中，由于变温金属模块3的每个样品孔6有一个凸起的圆柱形结构，相互之间彼此隔离，因此每个温度补偿加热器5进行温度补偿时，不会对周围的样品孔6温度产生影响，可以很方便地使每个样品孔6的温度补偿达到非常高的精度。
参见图4、图5、图6和图7，设置变温金属模块3底下可安装一个或多个半导体制冷器2，半导体制冷器2对变温金属模块3提供加热和冷却，变温金属模块3的上表面有多个样品孔6，半导体制冷器2设置在散热器1上，其中，温度补偿加热器5采用电阻加热器，设置在样品孔6的边上，将所有的温度补偿加热器5直接焊接在一张超薄的柔性电路板4上，柔性电路板4上的电路相当于温度补偿加热器5的电源线引出回路，即每个温度补偿加热器5的两根电源线都制作在柔性电路板4上，这样，就可以避免多根电源引出导线导致的线路会乱的情况，由柔性电路板4与控制电路连接实现控制功能，再将柔性电路板4固定在变温金属模块3的上表面，固定方式可以是胶或粘，每个温度补偿加热器5的供电导线通过柔性电路板4一起引出，此方案中，结构与安装工艺比较简单，本实施例中，每个样品孔的周围都设置了温度补偿加热器，也可以根据需要，只对其中的部分样品孔单独设置温度补偿加热器。本实施例的其它设置与上述实施例1相同。
上述实施例只为说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关领域的普通技术人员，在此基础上，还可以做出多种变更和改进方案，而不脱离本发明的精神和保护范围。本发明权利要求书中，希望已经包含了符合本发明实质和范围的所有这些变更和改进方案。

Claims (1)

1.一种变温金属模块的温度补偿方法，在所述的变温金属模块上设置有样品孔，其特征在于：包括如下步骤： 
第一步，从控制电路板的存储器中读取每个温度补偿加热器的温度补偿功率值计算公式的参数； 
第二步，根据变温金属模块的设定温度T，以及第一步所得的参数，按计算公式计算每个温度补偿加热器的实际功率补偿值，所述的计算公式为：PWM_Ti＝(PWM_T2i-PWM_T1i)×T/a＋b PWM_T1i-c PWM_T2i； 
其中，1≤i≤样品孔的数量，a、b、c是常数， 
P1WM_T1i、PWM_T2i是第i个温度补偿加热器分别在设定温度T1、T2情况下的实际温度补偿功率值； 
第三步，根据所计算出的实际功率补偿值，通过控制电路控制每个温度补偿加热器的补偿功率，使得每个温度补偿加热器对相应的样品孔进行温度补偿； 
第四步，在工作状态下，重复第二步至第三步；
其中第二步骤中，温度补偿加热器计算公式的参数PWM_T1i、PWM_T2i根据如下步骤进行设置： 
(1)在每个样品孔周围设置温度补偿加热器； 
(2)在常用的温度范围内，设定第一控温点T1，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值； 
(3)通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第一控温点T1，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_T1i； 
(4)在常用的温度范围内，设定第二控温点T2，将变温金属模块控制到该温度点，通过温度传感器测量每一个样品孔的实际温度值； 
(5)通过控制电路来调节每个温度补偿加热器的实际补偿功率值，使每个样品孔的实际温度值尽量接近第二控温点T2，记录此时每个温度补偿加热器的实际温度补偿功率值PWM_T2i； 
(6)将参数PWM_T1i、PWM_T2i保存到控制电路的存储器中； 
(7)设定一个数值范围，对于参数PWM_T1i、PWM_T2i均小于该数值范围的样品孔，则认为其实测温度与设定温度足够接近，可不附加温度补偿加热器。 
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