CN102010904B - 实时荧光定量pcr仪荧光信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置，其中，丝杠一端通过导轨上安装的轴承与传动装置固定连接，滑块与导轨形成滑动配合且与丝杠安装在一起，滑块与第二步进电机固定连接；在光路模块壳体内，光源发射的光线依次经二相色分光镜、平面镜、透镜、出光孔射入到被检样品中，被检样品中荧光基团被激发产生荧光经由出光孔、透镜、平面镜、二相色分光镜、滤镜轮射入到光电倍增管接收端；第二步进电机输出轴与光路模块壳体固定；第一细分驱动器和第二细分驱动器的脉冲信号输入端和方向信号输入端与控制器相应输出端连接，第一细分驱动器输出端与传动装置连接；第二细分驱动器输出端与第二步进电机连接。本发明结构紧凑、光路系统简单可靠。

Description

实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置

技术领域

本发明涉及生物学及医学的检测，具体涉及一种实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置。

背景技术

实时荧光定量PCR技术能实现对DNA模板的定量分析，对分子生物学研究和医学研究等具有重要意义。实时荧光定量PCR仪的荧光检测装置是实时荧光定量PCR仪的核心之一，传统的荧光检测装置机械结构庞大，光路复杂、价格昂贵，使得实时荧光定量PCR仪普及率低，仅有少数有实力的大公司、大企业和国家大型或重点试验单位购买，影响了该领域科研和实际运用的开展。目前实时荧光定量PCR仪多采用单片机实现运动控制，但单片机处理速度慢，功能少，不能设计友好的人机界面，更重要的是其存储空间比较小，不能运行较大的程序。实时荧光定量PCR仪除了荧光检测装置，还包括温度控制装置，复杂的系统必然造成实时荧光定量PCR仪的软件和算法也变得复杂，使用单片机来实现运动控制，将会使实时荧光定量PCR仪的整体功能和性能受到很大限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单的实时荧光定量PCR仪的荧光检测装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：该实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置包括机架、第一细分驱动器、导轨、滑块、第二步进电机、丝杠、第二细分驱动器、控制器、传动装置和光路模块；所述导轨固定于机架上，导轨的一端安装有轴承，所述丝杠的一端通过导轨上安装的所述轴承与传动装置固定连接，所述滑块安装于导轨上，所述滑块与导轨形成滑动配合，滑块与丝杠安装在一起，所述滑块与第二步进电机固定连接；所述光路模块包括设有出光孔的壳体，所述壳体内固定有透镜、平面镜、光源、二相色分光镜、光电倍增管和滤镜轮，光源发射的光线射入到二相色分光镜上，光线经二相色分光镜反射后入射到平面镜上，光线经平面镜反射后射向透镜，经过透镜的透射光沿竖直向下方向经过所述出光孔射入被检样品中，被检样品中的荧光基团被激发产生的荧光经由所述出光孔射向透镜并透射到平面镜上，荧光经平面镜反射后射入到二相色分光镜，经过二相色分光镜的透射荧光射向滤镜轮，经过滤镜轮的滤光片的透射荧光射入到光电倍增管的接收端；第二步进电机的输出轴与光路模块的壳体固定连接；第一细分驱动器的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器的相应输出端连接，第一细分驱动器的输出端与传动装置连接；第二细分驱动器的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器的相应输出端连接，第二细分驱动器的输出端与第二步进电机连接。

进一步地，本发明所述光源发射的光线是以45°射入到二相色分光镜上，光线经二相色分光镜反射后是以45°入射到平面镜。

进一步地，本发明所述传动装置包括第一步进电机和同步带轮，第一步进电机与导轨固定连接，第一步进电机的输出轴与同步带轮的主动轮连接，所述丝杠的一端通过所述轴承与同步带轮的从动轮连接，所述第一细分驱动器的输出端与第一步进电机连接。

进一步地，本发明所述控制器为基于ARM和CPLD的控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在本发明中，滑块安装于导轨上且与丝杠固定，滑块与导轨形成滑动配合，滑块和导轨都采用对称结构，且二者接触面非常光滑。这种结构简单，滑块与导轨之间的摩擦力小，滑块的定位精度高、并可实现快速移动，从而提高光路模块的检测效率和精度。

2)在本发明中，滑块与第二步进电机固定连接，第二步进电机的输出轴与光路模块的壳体固定连接。这一结构简单、高效，能有效避免干涉，可使本发明检测装置结构紧凑、精巧，保证测量精度。

3)本发明中的控制器可为基于ARM和CPLD的控制器，它是以ARM为控制核心，CPLD作为控制信号输出扩展板。控制器是本发明检测装置的控制核心，在机械结构确定的情况下，决定了本发明检测装置的定位精度。基于ARM和CPLD的控制器具有处理速度快、实时性好、可靠性高、通用性好、人机界面友好和开放性好等优点，保证了荧光检测装置具有高的定位精度和完善的功能。

4)本发明中光路模块由设有出光孔的壳体以及固定于壳体内的透镜、平面镜、光源、二相色分光镜、光电倍增管和滤镜轮等构成。在此结构中，激发光和荧光共用同一透镜15、平面镜16和二向色分光镜18，由此降低镜片用量，并使得光路系统简单可靠，成本降低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明中实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置的示意图。

图2是本发明中的光路模块示意图。

图3是本发明中控制器的控制示意图。

图4是本发明控制器中的ARM和CPLD的连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置包括机架1、第一细分驱动器2、导轨5、滑块6、第二步进电机7、丝杠8、第二细分驱动器9、控制器13、传动装置和光路模块。其中，导轨5固定安装在机架1上，导轨5的一端安装有轴承，丝杠8的一端通过导轨5上安装的轴承与传动装置固定连接；滑块6安装于导轨5上，滑块6与导轨5形成滑动配合；滑块6与丝杠8安装在一起；滑块6与第二步进电机7固定连接。

第二步进电机7的输出轴与光路模块的壳体10固定连接。如图2所示，壳体10内固定有透镜15、平面镜16、光源17、二相色分光镜18、光电倍增管19和滤镜轮20。光源17发射的光线射入到二相色分光镜18上，光线经二相色分光镜18反射后入射到平面镜16上，光线经平面镜16反射后射向透镜15，经过透镜15的透射光沿竖直向下方向经过出光孔11射入被检样品中，被检样品中的荧光基团被激发产生的荧光经由出光孔11射向透镜15并透射到平面镜16上，荧光经平面镜16反射后射入到二相色分光镜18，经过二相色分光镜18的透射荧光射向滤镜轮20，经过滤镜轮20的滤光片的透射荧光射入到光电倍增管19的接收端。

光源17发射的光线应能够激发被检样品中的荧光基团产生荧光。本发明中，光源17可采用卤素灯、激光或大功率发光二极管光源等。作为本发明的一种优选实施方式，光源17发射的光线以45°射入到二相色分光镜18上，光线经二相色分光镜18反射后以45°入射到平面镜16。本发明光路模块中当光源17发出的激发光与二向色分光镜18表面成45度角时，能在其表面发射反射而不能透过分光镜；被激发的荧光能透过二向色分光镜而不发生反射，实现激发光和荧光的充分分离，避免激发光对检测的干扰。激发光和荧光共用相同的透镜15、平面镜16和二向色分光镜18，降低镜片用量，使得光路系统简单可靠，降低成本。

第一细分驱动器2的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器13的相应输出端连接，第一细分驱动器2的输出端与传动装置连接；第二细分驱动器9的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器13的相应输出端连接，第二细分驱动器9的输出端与第二步进电机7连接。

作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，传动装置包括第一步进电机4和同步带轮3，第一步进电机4与导轨5固定连接，第一步进电机4的输出轴与同步带轮3的主动轮连接，丝杠8的一端通过导轨5上安装的轴承与同步带轮3的从动轮连接，第一细分驱动器2的输出端与第一步进电机4连接。这种传动装置采用带传动实现丝杠8的转动，结构简单、传动平稳、价格低廉并能缓冲吸振。本发明也可采用齿轮传动作为传动装置。

在图1所示的实施方式中，第一细分驱动器2的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器13的第一路PWM信号输出端和第一路方向信号输出端连接，第一细分驱动器2的输出端与第一步进电机4连接；第二细分驱动器9的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器13的第二路PWM信号输出端和第二路方向信号输出端连接，第二细分驱动器9的输出端与第二步进电机7连接。

由于本发明中滑块6安装于导轨5上，二者形成滑动配合，滑块6和导轨5均采用对称结构，且滑块6和导轨5之间的接触面光滑，所以滑块6在导轨5上滑动时摩擦力小，并可实现快速移动，保证了光路模块的检测效率和精度。此外，导轨5的两端装有限位开关，控制滑块6的行程，防止程序失控或操作失误时滑块6的行程超出范围。

本发明中，由于滑块6与丝杠8安装在一起，丝杠8将第一步进电机4的旋转运动转化为滑块6的直线运动，进而使光路模块实现直线运动。其中，丝杠8优选采用具有较高精度的滚珠丝杠，此时，滑块6与滚珠丝杠的螺母固定安装在一起。另一方面，固定于滑块6上的第二步进电机7直接驱动光路模块实现旋转运动。所以，第一步进电机4控制着光路模块的直线运动，而第二步进电机7控制着光路模块的转动。光路模块通过直线运动和旋转运动相结合完成对被检对象12的检测。这一结构控制简单，能有效避免干涉，可使本发明检测装置结构紧凑、精巧，保证测量精度。

本发明中第一步进电机4和第二步进电机7可采用雷赛科技公司型号为57HS22的步进电机，也可采用雷赛科技、上海四宏电机有限公司等其他公司提供的驱动能力相当的步进电机。第一细分驱动器2和第二细分驱动器9可采用雷赛科技型号为M542的细分驱动器，也可采用雷赛科技、上海四宏电机有限公司等其他公司提供的细分比高的细分驱动器。风扇14主要用来给荧光检测装置降温，风扇14可选用日本NMB风扇，型号为3612KL-04W-B66。被检对象12为可完成基因扩增功能的模块或成型的普通基因扩增仪，在进行基因扩增反应的试液中必须加入荧光基团。

如图3所示，在采用基于ARM和CPLD的控制器中，ARM为控制核心，CPLD为控制信号输出扩展板，CPLD直接接到ARM的存储总线上，这种结构的实时性好，可靠性高。采用液晶显示器LCD和触摸屏作为人机交互装置，采用NANDFLASH和SDRAM作为存储器件。移植了实时嵌入式操作系统Windows CE，轻松实现友好的人机界面，也可移植Linux、μC/OS-Ⅱ等其他嵌入式操作系统。基于ARM和CPLD的控制器其控制软件完成了运动控制系统的插补运算和位置控制等核心任务，而硬件系统ARM和CPLD仅提供标准化的通用接口。用户可在特定的嵌入式操作系统平台上利用开放的控制软件内核，开发所需的各种功能，具有较高的通用性和开放性。

ARM可采用三星公司的型号S3C2410的ARM9处理器，或者其它型号的ARM9、ARM10系列处理器，CPLD可采用ALTERA公司FLEX6000系列型号为EPF6016的芯片，或ALTERA公司FLEX6000系列的其他CPLD芯片。

如图4所示，ARM和CPLD之间的连接为：CPLD直接接到ARM的存储总线上，即将ARM和CPLD的24位数据总线、8位地址总线、片选信号线、读写控制信号线和中断信号线分别连接。S3C2410可以通过存储器指令访问EPF6016，提高通讯效率。工作时，CPLD不断产生中断信号，ARM接收到中断信号后即向CPLD传送运动指令，CPLD根据指令进行信号输出，从而保证运动的连续性和平稳性。ARM和CPLD之间也可采用CAN总线方式连接。

液晶显示器的CLK、LCDVR0、LCDVF1、LCDVF2引脚分别与ARM处理器的VCLK、VLINE、VFRAME、VM引脚连接，液晶显示器的数据引脚和ARM处理器的数据引脚连接。

NANDFLASH可使用三星公司型号为K9F1208的32M NANDFLASH。K9F1208的时钟引脚、锁存引脚、读写控制引脚和输入输出引脚分别和ARM处理器的对应引脚相连。将开发好的荧光检测装置的运动控制程序保存在NANDFLASH中。本发明也可使用三星、东芝等公司的其他NANDFLASH芯片。

SDRAM可使用三星公司生产的型号为MT48LC4M32B2的16M SDRAM。ARM处理器的地址总线、数据总线和控制总线分别与SDRAM的相应总线相连。也可采用三星、东芝等公司的其他SDRAM芯片。保存在NANDFLASH中的程序在存储器SDRAM中执行。

使用本发明检测装置时，给控制器13、第一细分驱动器2和第二细分驱动器7上电，打开保存在控制器13中NANDFLASH里的检测程序，设定检测参数，即可开始检测。本发明检测装置工作过程如下：进行检测时，第一步进电机7通过同步带传动驱动丝杠8旋转，从而带动丝杠8上的滑块6在导轨5上做直线运动，固定在滑块6上的第二步进电机7也随之做直线运动，另一方面，第二步进电机7的输出轴直接带动光路模块旋转。光路模块在第一步进电机4和第二步进电机7的驱动下通过直线运动与旋转运动相结合完成平面内一定范围内的检测。在运动控制过程中，CPLD不断向ARM发送中断信号，ARM接收到中断信号后向CPLD传送运动指令，并读取CPLD监测限位开关状态信息，CPLD根据接收到运动指令发出PWM信号和方向信号来控制第一步进电机4和第二步进电机7的运动。

综上，本发明具有如下特点：

1)机械结构：通过丝杠8将第一步进电机4的旋转运动转化为滑块6的直线运动，进而使光路模块实现直线运动。同时，固定于滑块6上的第二步进电机7直接驱动光路模块实现旋转运动。光路模块通过直线运动和旋转运动相结合完成对被检对象12的检测。相比于以往采用二维水平运动实现检测的结构，这一结构控制简单，能有效避免干涉，使本发明检测装置结构紧凑、精巧。

2)光路模块：合理利用二向色分光镜18的特点，使激发光和荧光共用同一个透镜15、平面镜16和二向色分光镜18，由此降低镜片用量，并使得光路系统简单可靠，降低成本。

3)运动控制：控制器是荧光检测装置的控制核心，在机械结构确定的情况下，决定了检测装置的定位精度，基于ARM和CPLD的控制器具有处理速度快，实时性好、可靠性高、通用性好、人机界面友好和开放性好等优点，保证了荧光检测装置具有高的定位精度和完善的功能。克服了以往荧光检测装置采用单片机处理速度慢，功能少，通用性及开发性差等缺点。

通过这三方面的保证，成功实现了一种结构简单、检测高效、性能完善的实时荧光定量PCR仪的荧光检测装置。

Claims (4)

1.一种实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置，其特征是：包括机架(1)、第一细分驱动器(2)、导轨(5)、滑块(6)、第二步进电机(7)、丝杠(8)、第二细分驱动器(9)、控制器(13)、传动装置和光路模块；所述导轨(5)固定于机架(1)上，导轨(5)的一端安装有轴承，所述丝杠(8)的一端通过导轨(5)上安装的所述轴承与传动装置固定连接，所述滑块(6)安装于导轨(5)上，所述滑块(6)与导轨(5)形成滑动配合，滑块(6)与丝杠(8)安装在一起，所述滑块(6)与第二步进电机(7)固定连接；所述光路模块包括设有出光孔(11)的壳体(10)，所述壳体(10)内固定有透镜(15)、平面镜(16)、光源(17)、二相色分光镜(18)、光电倍增管(19)和滤镜轮(20)，光源(17)发射的光线射入到二相色分光镜(18)上，光线经二相色分光镜(18)反射后入射到平面镜(16)上，光线经平面镜(16)反射后射向透镜(15)，经过透镜(15)的透射光沿竖直向下方向经过所述出光孔(11)射入被检样品中，被检样品中的荧光基团被激发产生的荧光经由所述出光孔(11)射向透镜(15)并透射到平面镜(16)上，荧光经平面镜(16)反射后射入到二相色分光镜(18)，经过二相色分光镜(18)的透射荧光射向滤镜轮(20)，经过滤镜轮(20)的滤光片的透射荧光射入到光电倍增管(19)的接收端；第二步进电机(7)的输出轴与光路模块的壳体(10)固定连接；第一细分驱动器(2)的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器(13)的相应输出端连接，第一细分驱动器(2)的输出端与传动装置连接；第二细分驱动器(9)的脉冲信号输入端和方向信号输入端分别与控制器(13)的相应输出端连接，第二细分驱动器(9)的输出端与第二步进电机(7)连接。

2.根据权利要求1所述的实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置，其特征在于：所述光源(17)发射的光线是以45°射入到二相色分光镜(18)上，光线经二相色分光镜(18)反射后是以45°入射到平面镜(16)。

3.根据权利要求1或2所述的实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置，其特征在于：所述传动装置包括第一步进电机(4)和同步带轮(3)，第一步进电机(4)与导轨(5)固定连接，第一步进电机(4)的输出轴与同步带轮(3)的主动轮连接，所述丝杠(8)的一端通过导轨(5)上安装的所述轴承与同步带轮(3)的从动轮连接，所述第一细分驱动器(2)的输出端与第一步进电机(4)连接。

4.根据权利要求1或2所述的实时荧光定量PCR仪荧光信号检测装置，其特征在于：所述控制器(13)为基于ARM和CPLD的控制器。

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