CN102517205B - 一种基于dna扩增的热传递检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DNA扩增的热传递检测装置，包括DNA反应室、光纤数据处理模块、热控制处理模块和主处理器，所述DNA反应室为一个密闭空间，在所述DNA反应室内设有DNA扩增模块，在所述DNA扩增模块的上部设置有反应孔，反应孔内设有布拉格传感探头，所述布拉格传感探头与光纤芯相连接，光纤芯连接一个解调模块，所述解调模块与所述光纤数据处理模块相连接，所述光纤数据处理模块通过信号线连接一个比较器，所述比较器通过信号线与所述主处理器相连接。本发明采用光纤布拉格光栅和铂电阻传感器分别检测，集中处理，构建数据控制模型，模拟DNA整个扩增过程，揭示对DNA样本的影响因素，为揭示DNA内部反应的客观规律提供依据。

Description

一种基于DNA扩增的热传递检测装置

技术领域

本发明属于生物检测技术领域，具体涉及一种基于DNA扩增的热传递检测装置。

背景技术

DNA基因扩增的一个基本循环过程由变性--退火--延伸三个反应阶段构成，经历过几十个基本循环过程后，就能使待扩增的基因放大百万倍。在三个基本反应阶段中，DNA变性阶段的温度一般在93℃-95℃，双链DNA模板在本阶段的热作用下，氢键断裂后形成单链DNA；退火阶段的温度一般在42℃-55℃，在本阶段系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；延伸阶段的温度一般在70℃-75℃，在本阶段在酶作用下合成与DNA模板互补的DNA链。

将DNA聚合酶引入PCR的步骤是：DNA反应液放在试管中，装有反应液的试管放在反应室的PCR模块各孔中，基因扩增过程由控制程序自动完成。到目前为止，国内外学者在控制程序上主要利用自动控制技术对PCR模块的温度变化进行控制，Stephanie J.Culler课题组利用PCR设备分析了基因的内在结构表达，但多数研究成果集中在改进PCR技术和提高PCR设备的某些指标。E.T.Lagally早在2001年采用提高升降温速率的方法对DNA扩增过程进行了研究，Grover J.和Juncosa R.D于2008年对常规PCR设备的升降速率进行了研究，T.M.H.Lee等采用数字化控制方式提高了PCR的反应控制精度。在PCR的临床应用中，一个普遍存在的问题是：位于模块各孔试管中的DNA反应液的状态随反应阶段的不同而发生变化，在这个过程中，DNA的化学键不断断裂或生成，伴随着的吸、放热状态也不同，如何分析这些状态变化规律，对提高DNA扩增质量和对放在模块各孔中试管反应液的温度变化进行精确控制有直接影响，现有技术装置操作复杂，不能灵活地根据需要进行准确检测，应用在实际工程中有一定的局限性。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提出了一种基于DNA扩增的热传递检测装置，所述装置利用光纤布拉格光栅传感器及其分布特性模型，利用此特性对DNA反应液的数据规律进行采集和分析，分析DNA扩增的热传递规律。

本发明的技术方案为：一种基于DNA扩增的热传递检测装置，包括DNA反应室、光纤数据处理模块、热控制处理模块、散热空间和主处理器，所述DNA反应室为一个密闭空间，所述散热空间位于所述DNA反应室的下部，并与DNA反应室隔离，在所述DNA反应室内设有DNA扩增模块，在所述DNA扩增模块的上部设置有反应孔，反应孔内设有布拉格传感探头，所述布拉格传感探头与光纤芯相连接，光纤芯连接一个解调模块，所述解调模块与所述光纤数据处理模块相连接，所述光纤数据处理模块通过信号线连接一个比较器，在所述DNA扩增模块的底部设有传感单元和加热单元，在所述加热单元内设有半导体加热芯片，在所述半导体加热芯片的下方设有一个阻热带，在所述传感单元内设有铂电阻传感器，所述铂电阻传感器通过信号线与一个模数转换器相连接，所述模数转换器位于散热空间内，模数转换器通过一个硬件接口单元与所述热控制处理模块相连接，所述热控制处理模块通过信号线与所述比较器相连接，所述比较器通过信号线与所述主处理器相连接。

所述半导体加热芯片通过控制线与一个热控制器相连接，所述热控制器位于散热空间内，热控制器通过所述硬件接口单元与所述热控制处理模块相连接。

在散热空间内设有散热装置。

本发明具有如下有益效果

1)本发明采用光纤布拉格光栅和铂电阻传感器分别检测，集中处理，构建数据控制模型，模拟DNA整个扩增过程，揭示对DNA样本的影响因素，为揭示DNA内部反应的客观规律提供依据。

2)本发明建立光纤布拉格光栅随温度变化的分布特性，揭示DNA扩增阶段的吸放热规律，揭示DNA内部反应的客观规律，提供一整套光纤布拉格光栅随温度变化的理论技术基础数据。

3)本发明建立了建立DNA扩增过程切实可行的数据采集方式。

4)本发明揭示了DNA的反应规律，将有利于PCR设备的开发，市场前景和社会效益巨大。

附图说明

附图是本发明的框架结构示意图。

图中，1、反应孔；2、布拉格传感探头；3、光纤芯；4、DNA反应室；5、解调模块；6、光纤数据处理模块；7、比较器；8、主处理器；9、热控制处理模块；10、硬件接口单元；11、热控制器；12、半导体加热芯片；13、铂电阻传感器；14、散热空间；15、模数转换器。

具体实施方式

本发明包括DNA反应室4、光纤数据处理模块6、热控制处理模块9、散热空间14和主处理器8，所述DNA反应室4为一个密闭空间，所述散热空间14位于所述DNA反应室4的下部，并与DNA反应室4隔离，在所述DNA反应室4内设有DNA扩增模块，在所述DNA扩增模块的上部设置有若干个反应孔1，通常为96个孔，反应孔1内装有DNA反应液，在某些反应孔1内设有布拉格传感探头2，布拉格传感探头2的数量依据具体的检测方案确定，在设置有布拉格传感探头2的反应孔1内可以装有DNA反应液，所述布拉格传感探头2与光纤芯3相连接，光纤芯3连接一个解调模块5，所述解调模块5与所述光纤数据处理模块6相连接，所述光纤数据处理模块6通过信号线连接一个比较器7，在所述DNA扩增模块的底部设有传感单元和加热单元，在所述加热单元内设有半导体加热芯片12，在所述半导体加热芯片12的下方设有一个阻热带，在所述传感单元内设有铂电阻传感器13，所述铂电阻传感器13通过信号线与一个模转换器15相连接，所述模数转换器15位于散热空间14内，模数转换器15通过一个硬件接口单元10与所述热控制处理模块9相连接，所述热控制处理模块9通过信号线与所述比较器7相连接，所述比较器7通过信号线与所述主处理器8相连接。所述半导体加热芯片12通过控制线与一个热控制器11相连接，所述热控制器11位于散热空间14内，热控制器11通过所述硬件接口单元10与所述热控制处理模块9相连接。在散热空间14内设有散热装置。

利用所述光纤布拉格光栅传感器检测温度时，根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为

λ_B＝2n_effΛ        (1)

式中n_eff为导模的有效折射率，Λ为光栅的周期。由(1)式可以看出，中心反射波长与有效折射率和光栅周期有关；

当光栅受到温度的变化影响时，其有效折射率和光栅周期会随之变化，从而反射波长也会发生变化，关系式为：

Δλ_B＝2Δn_effΛ+2n_effΔΛ

把上式代入公式(1)得到

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}---\left(2\right)$

由热膨胀效应引起的光栅周期变化式和热光系数引起有效折射率变化式分别为：

ΔΛ＝α·Λ·ΔT

Δn_eff＝ξ·n_eff·ΔT

其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。

把上述两式代入公式(2)可得：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}=k_T\·\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_B=k_T\·{\mathrm{\λ}}_B\·\mathrm{\ΔT}\end{array}$

令α_T＝k_T·λ_B，则上式可以写为：

Δλ_B＝α_T·ΔT            (3)

通常光纤的中心反射波长λ_B＝1200nm，温度灵敏度系数k_T＝7.5x10^-6/C，因此，α_T是温度的函数。公式(3)对某温度是线性关系，但当温度变化较大时，上述的线性公式表现出非线性特征。因此适合在外部包裹温度灵敏度系数较大的聚合材料，如，k_T＝87x10^-6/C，此时，α_T＝9.88，即，对于每度的空间分辨率在0-9.88之间。

本发明采用96孔的常规模块单元，数据控制单元分三路布置传感器组，每路设置四个铂电阻传感器13，用于进行试验控制数据采集单元，可以在条件许可的情况下，在模块上部的反应孔空隙中与铂电阻传感器13的对应位置布置12个反应室内的铂电阻传感器13，简称反应室传感器，用于采集模块温度的均一和均衡性，建立起来的数据采集单元用于对实验系统进行数据分析，并做为布拉格光栅数据采集系统的辅助基础数据。

假设铂电阻传感器13为A_ij(i＝1-3，j＝1-4)，反应室传感器为W_ij(i＝1-3，j＝1-4)，

其中，A_ij(i＝1-3，j＝1，2)和W_ij(i＝1-3，j＝1-4)均为模拟量，设模拟量转为数据量(十进制温度值)的函数为G，通过实验和耦合计算后可得：在任一时刻t，其铂电阻传感器获得的温度数据为：

$\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=\\ W_{\mathrm{ij}}\left(t\right)[1+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(1+\sqrt{1+{({W^2}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)-{A^2}_{\mathrm{ij}}\left(t\right))}^2})/\sqrt{1+({W^2}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)+{A^2}_{\mathrm{ij}}\left(t\right))})W_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\right)/4]---\left(4\right)\end{array}$

其中，i＝1-3，j＝1-4，上式表示的是自动控制系统加载的某个测试点的实际温度值。

在任一时刻t，光纤的λ_B值是不断变化的，依据测量的DNA样本的DNA反应液的数据，依据(3)式可得：

Δλ_B(t)＝α_T·Δ(t)      (5)

从(5)式可知，在t时刻局部区间(Δt)内的DNA反应液的温度变化量ΔT能够依据布拉格光栅的解调设备通过计算Δλ_B(t)而求出，而在任一t时刻温度值可以由模块温度的三路传感器联合计算。

于是，在任一时刻t₀，其自动控制系统加载的实际温度数据可由(4)式计算得出， $T_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right)=$

$W_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right)[1+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(1+\sqrt{1+{({W^2}_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right)-{A^2}_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right))}^2})/\sqrt{1+({W^2}_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right)+{A^2}_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right))})W_{\mathrm{ij}}\left(t_0\right))/4]$

其中，i＝1-3，j＝1-4。从上面的分析可知，到t0时刻为止的局部区间内，其反应室内的相对应的测试点的实际温度的变化量可由(5)式计算得出：

ΔT(t₀)|_ij＝Δλ_B(t₀)/α_T(α_T≠0)

经过(4)式和(5)式的比较，可以精确计算出在任一t₀时刻，DNA反应室内反应液的精确温度变化值Δη_ij|t₀，即，

Δη_ij|t₀＝|ΔT(t₀)|_ij-T_ij(t₀)|    (6)

从(6)式可以推算出DNA反应液在反应过程中的吸热和放热的具体规律，并可以依据上述公式精确模拟出DNA生物反应特性，进而建立DNA反应的数据模型，依据取得的数据T_ij(t)，通过与ΔT的对比即可确定DNA反应阶段和吸放热状态。

Claims (3)

1.一种基于DNA扩增的热传递检测装置，其特征是：包括DNA反应室、光纤数据处理模块、热控制处理模块、散热空间和主处理器，所述DNA反应室为一个密闭空间，所述散热空间位于所述DNA反应室的下部，并与DNA反应室隔离，在所述DNA反应室内设有DNA扩增模块，在所述DNA扩增模块的上部设置有反应孔，反应孔内设有布拉格传感探头，所述布拉格传感探头与光纤芯相连接，光纤芯连接一个解调模块，所述解调模块与所述光纤数据处理模块相连接，所述光纤数据处理模块通过信号线连接一个比较器，在所述DNA扩增模块的底部设有传感单元和加热单元，在所述加热单元内设有半导体加热芯片，在所述半导体加热芯片的下方设有一个阻热带，在所述传感单元内设有铂电阻传感器，所述铂电阻传感器通过信号线与一个模数转换器相连接，所述模数转换器位于散热空间内，模数转换器通过一个硬件接口单元与所述热控制处理模块相连接，所述热控制处理模块通过信号线与所述比较器相连接，所述比较器通过信号线与所述主处理器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于DNA扩增的热传递检测装置，其特征是：所述半导体加热芯片通过控制线与一个热控制器相连接，所述热控制器位于散热空间内，热控制器通过所述硬件接口单元与所述热控制处理模块相连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于DNA扩增的热传递检测装置，其特征是：在散热空间内设有散热装置。