CN103205362B

CN103205362B - 一种高温控精度的pcr仪

Info

Publication number: CN103205362B
Application number: CN201210012865.0A
Authority: CN
Inventors: 周爱国; 张金梅; 潘宾; 洪佳
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN103205362A

Abstract

本发明涉及一种高温控精度的PCR仪，包括控制电路、操作键盘以及从下至上依次设置的风扇、散热器、热电制冷器、带有传感器的基座和热盖，所述的散热器和基座分别紧贴热电制冷器的底部和顶部，基座上设有用于放置试管的反应槽，所述的控制电路分别与操作键盘、风扇、热电制冷器、传感器连接，所述的PCR仪还包括与控制电路连接的负载信息传递模块，该负载信息传递模块对传感器温度信息进行处理，得到试管内的试剂温度信息与传感器温度信息之间的对应关系信息，并将该对应关系信息发送至控制电路，对风扇和热电制冷器进行控制。与现有技术相比，本发明增加一个负载信息传递模块，从而可根据加热负载自动对加热温度进行高精度调节。

Description

一种高温控精度的PCR仪

技术领域

本发明涉及一种PCR仪，尤其是涉及一种高温控精度的PCR仪。

背景技术

PCR仪是一种完成DNA体外扩增的仪器，在生物学上具有极其重要的作用。随着其应用越来越广泛，对PCR仪的温度控制精度提出了更高的要求。目前提高温度控制精度主要有以下几种方法：一是对传感器进行实时标定，二是改善温度控制算法。由于PCR仪是多孔式加热仪器，而在实际应用中并不是每次都全部装满，会根据实际需求加热不同数量的试剂，由此会产生不同的加热负载，进而改变热循环系统的热阻热容。如果忽略加热负载的变化将导致试剂温度曲线偏离理想设定温度曲线，使得PCR反应失败。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可根据加热负载自动对加热温度进行高精度调节的PCR仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高温控精度的PCR仪，包括控制电路、操作键盘以及从下至上依次设置的风扇、散热器、热电制冷器、带有传感器的基座和热盖，所述的散热器和基座分别紧贴热电制冷器的底部和顶部，基座上设有用于放置试管的反应槽，所述的控制电路分别与操作键盘、风扇、热电制冷器、传感器连接，所述的PCR仪还包括与控制电路连接的负载信息传递模块，该负载信息传递模块对传感器温度信息进行处理，得到试管内的试剂温度信息与传感器温度信息之间的对应关系信息，并将该对应关系信息发送至控制电路，对风扇和热电制冷器进行控制。

负载信息传递模块中信息处理的过程为：首先根据热学物理量与电学物理量之间的对应关系获得传感器与试剂之间热传递的等效电路，然后根据等效电路获得传感器温度信息与试剂温度信息之间的传递函数。

所述的热学物理量与电学物理量之间的对应关系具体如下表所示：

热、电物理量的对应关系表

所述的等效电路包括电压源、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述的电压源的正极连接第三电阻，负极接地，所述的第三电阻、第二电阻和第一电阻依次连接，所述的第一电容的一端和第二电容的一端分别接在第一电阻的两端，第一电容的另一端和第二电容的另一端均接地；

其中，电压源的电压对应热盖的温度，试剂与热盖之间空气的热阻对应第三电阻，试剂的热阻对应第二电阻，试管热阻、试管与基座之间的接触热阻以及基座热阻之和对应第一电阻，试剂的热容对应第一电容，基座的热容对应第二电容，试剂温度对应第三电阻和第二电阻公共点的电压，传感器温度对应第一电阻和第二电容公共点的电压。

所述的传递函数为：

U_{o} (s) = \frac{1 / R_{2}}{[(R_{1} + 1) C_{1} s + 1] (C_{2} s + 1)} \cdot U_{i} (s) + F (s) \cdot \frac{1}{R_{3}},

其中，U_o(s)为第一电阻和第二电容公共点的电压，U_i(s)为第三电阻和第二电阻公共点的电压，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，C₁为第一电容，C₂为第二电容，F(s)为热盖温度。

与现有技术相比，本发明了增加一个负载信息传递模块，该负载信息模块通过将热学信息等效到电学模型中，来确定不同负载情况下传感器温度信息与试管中的试剂温度信息之间的对应关系，然后将该对应关系的信息发送给控制电路来，从而控制风扇、热电制冷器等对试剂温度进行高精度的调节。

附图说明

图1为本发明PCR仪中整个热循环系统的等效电路模型；

图2为本发明传感器与试剂之间热传递的等效电路模型；

图3为图2对应电学器件的等效电路图；

图4为图3的信号流图；

图5为本发明的负载信息传递模块在Matlab中建立的传递函数模型；

图6为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图6所示，一种高温控精度的PCR仪，包括热盖1、带传感器3的基座2、热电制冷器4、散热器5、风扇6、控制电路7、操作键盘8以及负载信息传递模块9。风扇6、散热器5、热电制冷器4、带有传感器3的基座2和热盖1从下至上依次设置，散热器5和基座2分别紧贴热电制冷器4的底部和顶部，基座2上设有用于放置试管的反应槽。通过热电制冷器4使得空反应槽的温度上升、下降，从而使DNA样品完成PCR反应。加热时，热电制冷器4将散热器5的热量传递到基座2的反应槽；制冷时，热电制冷器吸收反应槽端的热量传递到散热器5。为提高热电制冷器4的制冷效果，除了选用合适的散热器5外还需要通过风扇6提高散热性能。为避免试管中的DNA样本因高温蒸发掉，反应槽上方为恒温104℃的热盖1，热电制冷器4与基座2的反应槽和散热器5之间用导热硅胶连接。由于基座2的反应槽不是每次都全部装满，会根据实际需求加热不同数量的试管，由此会产生不同的加热负载，进而改变热循环系统的热阻热容。控制电路7与传感器3、热电制冷器4、负载信息传递模块9以及风扇6连接，用于从传感器3获取温度信息，发送至负载信息传递模块9进行处理后，通过该处理结果控制风扇6和热电制冷器4，对试剂的温度进行高精度的调节。

负载信息传递模块中具体的处理过程为：

步骤1：根据热、电传递规律的相似性，建立了PCR仪中整个热循环系统的等效电路模型，如图1所示。其中热学物理量和电学物理量的对应关系如热、电物理量的对应关系表所示，T_cover＝104℃为热盖温度，Θ_air为试剂与热盖之间空气的热阻，Θ_liquid为测试试剂的热阻，C_liquid为试剂热容，Θ_tube为试管热阻，Θ_contact为试管与基座之间的接触热阻，Θ_base为基座热阻，C_base为基座热容，Θ_glue为导热硅胶热阻，C_ceram为热电制冷器控制端陶瓷片的热容，Rc和Ru为热电制冷器的附加热阻，α_m为热电制冷器塞贝克系数，Rm为热电制冷器电阻，Θ_m为热电制冷器热阻，C_TEC为热电制冷器热容，Θ_sink为散热器热阻，C_sink为散热器热容，T_amb为环境温度。

步骤2：由图1的等效电路模型得到如图2所示的传感器与试剂之间热传递的等效电路模型，并由图2以及热、电物理量的对应关系表获得对应电学器件的等效电路图。在求传感器温度与试剂温度之间的传递关系时，将传感器温度作为输入U_i(s)，试剂温度作为输出U_o(s)，由于传感器是安装在基座靠近底部的位置，所以传感器测量的温度为导热硅胶温度。为简化计算，将合并部分电阻，其中：C₁＝C_liquid，C₂＝C_base，R₁＝Θ_tube+Θ_contact+Θ_base，R₂＝Θ_liquid，R₃＝Θ_air。

步骤3：根据电路图得到其信号流图，然后由梅逊公式可求得传递函数，梅逊公式为式中，T为从源节点至任何节点的传输；P_k为第k条前向通道的传输；Δ为信号流图的特征式，是信号流图所表示的方程组的系数行列式，其表达式为Δ＝1-∑L₁+∑L₂-∑L₃+…(-1)^m∑L_m。式中，∑L₁为所有不同回环的传输之和；∑L₂为任何两个互不接触回环传输的乘积之和；∑L₃为任何三个互不接触回环传输的乘积之和；∑L_m任何m个互不接触回环传输的乘积之和；Δ_k为余因子，即第k条前向通道的余因子，即对于信号流图的特征式Δ，将于第k条前向通道接触的回环传输代以零值，余下的Δ即为Δ_k。依据梅逊公式以及控制原理基本理论，可知：

U_{o} (s) = \frac{1 / R_{2}}{[(R_{1} + 1) C_{1} s + 1] (C_{2} s + 1)} \cdot U_{i} (s) + F (s) \cdot \frac{1}{R_{3}} .

上述传递函数，可以通过MATLAB中的SIMULINK模块来进行验证，其传递函数模型如图5所示，该模型以传感器温度作为输入。

步骤4：根据传热学基本理论计算出不同负载情况时的热阻、热容，代入上式，即可得基座传感器温度与试剂温度之间的对应关系。

步骤5：在前面建立的对应关系基础上，下一步就是将这种对应关系告诉控制电路中的单片机，进而控制风扇、热电制冷器等对试剂温度进行高精度的调节。关于如何将这种对应关系告诉单片机有两种策略。一种就是，将试剂与热盖之间空气的热阻Θ_air、测试试剂的热阻Θ_liquid、试剂热容C_liquid、试管热阻Θ_tube和试管与基座之间的接触热阻Θ_contact这几个值作为单片机的参数输入，每一种负载情况分别对应一组数值；另一种就是，将负载情况分为几个梯度等级，每一种梯度等级对应一个传递函数。这两种方法各有优缺点，第一种方法更精确，但是比较繁琐，第二种方法简单易行，但存在一定的误差。两种方法的选择可根据实际需要选择。

本发明与现有的PCR仪相比，增加一个负载信息传递模块，该负载信息模块通过将热学信息等效到电学模型中，来确定不同负载情况下传感器温度信息与试管中的试剂温度信息之间的对应关系，然后将该对应关系的信息发送给控制电路来，从而控制风扇、热电制冷器等对试剂温度进行高精度的调节。实验结果表明，现有PCR仪在多负载下的试剂温度曲线与少负载下试剂温度曲线比较，存在明显的滞后性，而本发明在多负载下试剂温度曲线与少负载下试剂温度曲线吻合性很好。

Claims

1.一种高温控精度的PCR仪，包括控制电路、操作键盘以及从下至上依次设置的风扇、散热器、热电制冷器、热盖和带有传感器的基座，所述的散热器和基座分别紧贴热电制冷器的底部和顶部，基座上设有用于放置试管的反应槽，所述的控制电路分别与操作键盘、风扇、热电制冷器、传感器连接，其特征在于，所述的PCR仪还包括与控制电路连接的负载信息传递模块，该负载信息传递模块对传感器温度信息进行处理，得到试管内的试剂温度信息与传感器温度信息之间的对应关系信息，并将该对应关系信息发送至控制电路，对风扇和热电制冷器进行控制；

负载信息传递模块中信息处理的过程为：首先根据热学物理量与电学物理量之间的对应关系获得传感器与试剂之间热传递的等效电路，然后根据等效电路获得传感器温度信息与试剂温度信息之间的传递函数；

所述的热学物理量与电学物理量之间的对应关系为：热流对应电流，热阻对应电阻，温度对应电压，热容对应电容，绝对零度对应接地；

其中，电压源的电压对应热盖的温度，试剂与热盖之间空气的热阻对应第三电阻，试剂的热阻对应第二电阻，试管热阻、试管与基座之间的接触热阻以及基座热阻之和对应第一电阻，试剂的热容对应第一电容，基座的热容对应第二电容，试剂温度对应第三电阻和第二电阻公共点的电压，传感器温度对应第一电阻和第二电容公共点的电压；

所述的传递函数为：

U_{o} (s) = \frac{1 / R_{2}}{[(R_{1} + 1) C_{1} s + 1] (C_{2} s + 1)} \cdot U_{i} (s) + F (s) \cdot \frac{1}{R_{3}}

，其中，U_o(s)为第一电阻和第二电容公共点的电压，U_i(s)为第三电阻和第二电阻公共点的电压，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，C₁为第一电容，C₂为第二电容，F(s)为热盖温度。