CN102176125A

CN102176125A - 一种聚合酶链式反应的通用智能控制装置

Info

Publication number: CN102176125A
Application number: CN2011100417834A
Authority: CN
Inventors: 孔令学; 周德亮; 廖晓志; d.苏格玛
Original assignee: WUHAN NEWORLD BIOTECHNOLOGY CO Ltd
Current assignee: WUHAN NEWORLD BIOTECHNOLOGY CO Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明具体涉及一种多温度控制和多通道运动控制的聚合酶链式反应（PCR）通用智能控制装置，包括主控制模块、电源模块、温度驱动模块、温度检测模块、数据输入输出接口、运动控制模块。通过系统总线和通用接口，将装置的各个部分连接成为一体，能在较大范围内对数据进行分析、传递，并进行温度、时间与其它相关参数数据的控制和传输，用户可根据不同的实际情况选定接口模块，实现对一个或多个DNA目标同时进行智能聚合酶链式反应（PCR）控制。本发明能够有效提高聚合酶链式反应（PCR）的效率，并且使用简便，操作简单，速度快，温度和时间控制精确，携带方便，成本较低，装置操作者无需培训或者只需简单培训均可操作。

Description

一种聚合酶链式反应的通用智能控制装置

技术领域

本发明具体涉及一种多温度控制和多通道运动控制的聚合酶链式反应（PCR）通用智能控制装置。

背景技术

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction），简称PCR技术，是1983年发展起来的一种选择性体外扩增脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）片段的方法。所述的扩增方法摹拟天然的DNA复制和修复的程序和在天然生化程序中常见的蛋白表达。PCR技术已渗透到分子生物学的各处领域，在分子克隆、遗传病的基因诊断、法医学等方面得到了广泛应用。

PCR主要由高温变性、低温退火和适温延伸3个阶段不同时间的反复热循环构成。其中：高温变性(通常约95℃)时，DNA双链受热变性裂解为2条单链DNA模板；在低温退火(通常50～60℃)时，2条人工合成的寡核苷酸引物与互补的单链DNA模板结合，形成部分双链；适温延伸即在Taq酶的合适温度(通常72℃)下，引物沿模板方向延伸，合成完整的DNA新链。

这样,每增加1个热循环,DNA含量即增加1倍。PCR产物以2ⁿ的指数形式迅速扩增,经过25～30个循环后,可使基因扩增10⁹倍以上。

自动控制装置可以在没有人直接参与的情况下，使机器、设备的工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。有利于将操作者从复杂、危险、繁琐的人工控制环境中解放出来并大大提高控制效率。

由聚合酶链式反应（PCR）控制装置组成的PCR仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。广泛应用在生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域中，作为基因扩增分析的首选仪器设备。

现有的聚合酶链式反应（PCR）控制装置多种多样，呈现五花八门，至今还有很多的问题需要解决：DNA目标单一，操作复杂，适用范围很窄，温度或者时间控制不稳定，操作人员必须训练有素，需要昂贵的实验室设备支持等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的全自动、可同时对多个DNA目标进行聚合酶链式反应（PCR）的通用控制装置。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种聚合酶链式反应的通用智能控制装置，其特征在于，包括主控制模块、电源模块、温度驱动模块、温度检测模块、数据输入输出接口、运动控制模块；

所述主控制模块以微控制器为核心构成，用于负责装置的参数数据信息处理、数据存储和分析、控制协调其它各模块的运行；

所述电源模块为装置的各个模块提供工作电源；

所述温度驱动模块，包括至少一套加热装置，每套加热装置包括三个处于不同物理位置的加热器，该加热器分别对应提供DNA聚合酶链式反应所需的变性温度、退火温度和延伸温度；所述温度驱动模块在所述主控制模块的控制下，为不同DNA聚合酶链式反应，提供不同的所需变性温度、退火温度和延伸温度；

所述温度检测模块，连接所述温度驱动模块和主控制模块，用于实时采样合酶链式反应（PCR）的环境温度，并将采样数据送到主控制模块；

所述运动控制模块，连接所述主控制模块，用于控制驱动承载DNA样本的样本室在三种不同温度的加热器之间进行轮换运动，实现DNA目标在变性温度、退火温度和延伸温度这三种不同聚合酶链式反应（PCR）温度环境的定时轮换改变；

所述数据输入输出接口包括各种标准通信接口，用于所述主控制模块与外部设备的输入输出。例如，包括智能聚合酶链式反应（PCR）的不同温度、时间，运动及速度与其它相关参数数据的设置和显示，以及提供相关参数数据在各种固定及移动存储媒介传递的接口，包括各种标准通信接口。

优选的，所述运动控制模块包括运动控制驱动器和运动控制器；所述运动控制驱动器实现对运动控制器的驱动，所述主控制模块对所述运动控制驱动器进行精确的定时控制，完成DNA目标在变性温度、退火温度和延伸温度这三种不同聚合酶链式反应（PCR）温度环境的定时轮换改变。

所述运动控制驱动器从晶体管、场效应管或继电器中选择，所述运动控制器包括电磁铁或电机。

本发明提出一种可满足不同应用场合的、能适应不同环境功能的智能聚合酶链式反应（PCR）通用控制装置。通过系统总线和通用接口，将装置的各个部分连接成为一体，适用于聚合酶链式反应（PCR）的通用控制。该装置能在较大范围内对数据进行分析、传递，并进行温度、时间与其它相关参数数据的控制和传输，用户可根据不同的实际情况选定接口模块，实现对一个或多个DNA目标同时进行智能聚合酶链式反应（PCR）控制。本发明能够有效提高聚合酶链式反应（PCR）的效率，并且使用简便，操作简单，速度快，温度和时间控制精确，携带方便，成本较低，装置操作者无需培训或者只需简单培训均可操作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图l为本发明的通用控制装置结构示意图。

图2为本发明的一个设计实施例的主控制模块的示意图。

图3为本发明的一个设计实施例的电源模块的示意图。

图4为本发明的一个设计实施例的温度驱动模块与微控制单元的连接示意图。

图5为本发明的一个设计实施例的温度检测模块与微控制单元的连接示意图。

图6为本发明的一个设计实施例的运动控制模块与微控制单元的连接示意图。

图7为本发明的一个设计实施例的数据输入输出接口与微控制单元的连接示意图。

图8为本发明的一个设计实施例的控制流程示意图。

具体实施方式

参阅图1所示，本发明的通用控制装置结构包括一主控制模块1、一电源模块2、一温度驱动模块3、一温度检测模块4、一运动控制模块5和一数据输入输出接口（6）。主控制模块1用于负责装置的控制信息处理、数据存储分析、协调其余各模块运作。电源模块2为装置的各个模块提供工作电源。温度驱动模块3针对DNA目标的数量不同，可以由一路或者多路组成，用于提供聚合酶链式反应（PCR）所需的变性温度、退火温度和延伸温度的不同温度环境。温度检测模块4也针对DNA目标的数量不同，可以由一路或者多路组成，用于实时监控聚合酶链式反应（PCR）的环境温度。运动控制模块5用于实现DNA目标在变性温度、退火温度和延伸温度这三种不同聚合酶链式反应（PCR）温度环境的定时轮换改变。数据输入输出接口6用于智能聚合酶链式反应（PCR）的不同温度、时间、运动及速度与其它相关参数数据的设置和显示，以及提供相关参数数据在各种固定及移动存储媒介传递的接口。

参阅图2所示，在本发明的一个设计实施例中，主控制模块1包括微控制单元101、时钟源电路102、复位电路103、编程调试接口104、主控辅助电路105、电源接口106、可扩展接口107和其它模块接口108。

在本发明的一个设计实施例中，微控制单元101是由DSP构成的，当然也可从ARM等其它微控制器中选出。

在本发明的一个设计实施例中，时钟源电路102是由晶振为主体的电路构成的，用于给微控制单元101提供时钟信号。

在本发明的一个设计实施例中，复位电路103是由轻触开关为主体的电路构成的，用于提供电路的复位信号。

在本发明的一个设计实施例中，编程调试接口104是由JTAG接口为主体的电路构成的，用于针对微控制单元101的编程和调试。

在本发明的一个设计实施例中，主控辅助电路105是由电阻为主体的启动模式电路构成的，启动模式电路用设置微控制单元101的启动模式，当然主控辅助电路105也可包括其它辅助性质的电路。

在本发明的一个设计实施例中，电源接口106是由接插件和印刷电路板导线为主体的电路构成的，用于连接电源模块2，提供工作电源。

在本发明的一个设计实施例中，可扩展接口107是用于装置满足不同环境、不同功能要求，是为其它模块预留的接口。

在本发明的一个设计实施例中，其它模块接口108用于连接温度驱动模块3、温度检测模块4、运动控制模块5和数据输入输出接口6。

参阅图3所示，在本发明的一个设计实施例中，电源模块2包括电源输入接口201、电源转换单元202和电源输出接口203。

在本发明的一个设计实施例中，电源输入接口201用于连接市电，当然也可从电池、太阳能、风能等其它电力能源及其组合中选出对应接口。

在本发明的一个设计实施例中，电源转换单元202是从开关电源、变压器、电压转换芯片等电路元器件及其组合中选出的。

在本发明的一个设计实施例中，电源输出接口203输出1.9V、2.5V、3.3V、±5V、±12V、±15V、±24V等电压，用于电力供应。

参阅图4所示，在本发明的一个设计实施例中，温度驱动模块3包括加热器驱动器301和加热器302。针对DNA目标的数量不同，可以由一路或者多路组成。微控制单元101基于温度实时检测结果来控制加热器驱动器301，完成温度驱动控制功能。控制方法从PID控制、开关控制、模糊控制、自适应控制等方法及其组合之中选择。

在本发明的一个设计实施例中，加热器驱动器301从晶体管、场效应管或继电器中选择，完成对较高功率的加热器302的驱动。加热器302由陶瓷加热片构成，也可包括和适用其他加热方式，如红外，激光等。

参阅图5所示，在本发明的一个设计实施例中，温度检测模块4包括温度传感器401、温度信号检测放大转换电路402。针对DNA目标的数量不同，可以由一路或者多路组成。温度传感器401是可以测量温度的任意传感器，可以从热电阻、热电偶和集成温度传感器及其组合中选出。

温度信号检测放大转换电路402由普通放大器、桥式放大器、仪表放大器、减法器、AD转换器、电压跟随器、恒流源等电路有选择的组合构成，用于将实时检测的温度信号有效的传递给微控制单元101。微控制单元101接收温度信号数据，进行数据的分析计算。

参阅图6所示，在本发明的一个设计实施例中，运动控制模块5包括运动控制驱动器501和运动控制器502。微控制单元101使用其内置的定时器，对运动控制驱动器501进行精确的定时控制，用于完成DNA目标在变性温度、退火温度和延伸温度这三种不同聚合酶链式反应（PCR）温度环境的定时轮换改变。运动控制驱动器501从晶体管、场效应管或继电器中选择，完成对较高功率的运动控制器502的驱动。

在本发明的一个设计实施例中，运动控制器502由电磁铁或电机构成。

参阅图7所示，在本发明的一个设计实施例中，数据输入输出接口6包括USB通信接口601、SD卡通信接口602、显示接口603、输入接口604和其它设备接口605。

在本发明的一个设计实施例中，USB通信接口601用于USB数据通信或用于USB电源连接。

在本发明的一个设计实施例中，SD卡通信接口602用于SD卡数据通信。

在本发明的一个设计实施例中，显示接口603用于连接液晶显示屏，完成参数数据的显示。

在本发明的一个设计实施例中，输入接口604用于连接触摸屏或键盘，进行参数数据的输入设置。

在本发明的一个设计实施例中，其它设备接口605是用于装置满足不同环境、不同功能要求，为了与其它设备通信预留的接口，包括任意标准通信接口，例如蓝牙、串口等及其组合。

参阅图8所示，本发明的一个设计实施例的控制流程如下步骤所示：

1、将DNA目标样本放入样本室，将样本室放入DNA聚合酶链式反应仪器的相应位置。

2、将仪器连接电源，打开电源开关；此时，仪器自动初始化端口、定时器、中断、AD寄存器及其它标志位；显示器显示参数初始值。

3、利用触摸屏等输入设备设置PCR的温度、时间等参数。

4、利用触摸屏等输入设备，点击“开始”按钮，运行仪器。运行过程中，可以通过“暂停”按钮暂停仪器，亦可以通过“停止”按钮停止仪器，然后从头运行。

本过程包括：温度驱动、温度检测、运动控制模块开始运行，其中，温度驱动、温度检测模块用于提供PCR所需的三个不同的温度环境，运动控制模块用于控制样本室在三种不同温度环境中进行轮换运动。同时，显示器显示实时参数值，包括时间、温度及其它参数。当达到参数设定终止值时，仪器自动停止工作。

6、利用数据输入输出接口，存储、输出相关的参数数据。

7、将样本室从仪器取出。

8、关闭电源开关，断开仪器电源连接。

当然，本发明还可有其他多种设计实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种聚合酶链式反应的通用智能控制装置，其特征在于，包括主控制模块、电源模块、温度驱动模块、温度检测模块、数据输入输出接口、运动控制模块；

所述电源模块为装置的各个模块提供工作电源；

所述数据输入输出接口包括各种标准通信接口，用于所述主控制模块与外部设备的输入输出。

2.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应的通用智能控制装置，其特征在于，所述运动控制模块包括运动控制驱动器和运动控制器；所述运动控制驱动器实现对运动控制器的驱动，所述主控制模块对所述运动控制驱动器进行精确的定时控制，完成DNA目标在变性温度、退火温度和延伸温度这三种不同聚合酶链式反应（PCR）温度环境的定时轮换改变。

3.根据权利要求2所述的聚合酶链式反应的通用智能控制装置，其特征在于，所述运动控制驱动器从晶体管、场效应管或继电器中选择，所述运动控制器包括电磁铁或电机。