CN103215184A - 一种小型化空间实验用微型基因扩增装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化空间实验用微型基因扩增装置，属于空间生物试验技术领域，装置包括承载机构、电路系统、电源、两组扩增生物芯片、指示灯和电源开关，待扩增的生物样品通过加注孔加注至扩增生物芯片，经紫外固封后，电路系统、电源和两组扩增生物芯片装配固封在承载机构内部，承载机构上的电源开关控制扩增任务的执行；同时，根据飞行任务需要可以与外部通用计算机或专用设备经由RS232接口与电路系统相连，通过上位机软件设置任务参数；本发明在空间环境和地面环境下能独立完成基因扩增试验，装置体积小、功耗低，可自主控制实验进程并显示工作状态，能够承受空间搭载的恶劣条件等特点。

Description

一种小型化空间实验用微型基因扩增装置

技术领域

发明涉及一种空间实验用微型基因扩增装置，属于空间生物试验技术领域。

背景技术

基因的聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)技术自20世纪80年代初发明以来，已迅速发展成为生物科学研究和基因诊断领域最重要的新技术之一。随着空间生物领域的发展，迫切需要通过一种应用于空间搭载实验的新型扩增装置，研究航天环境（辐射和微重力）下基因的聚合酶链式反应过程中的错义突变情况，为阐明空间环境对生物体的繁殖、发育、以及航天员健康可能造成的影响提供重要基础理论依据。

目前实验室广泛使用的基因扩增仪，主要采用国际上通用的半导体温控系统，成本较高且不易实现。且上述基因扩增仪体积大，功耗高，适用于大剂量样品的扩增，很难应用于微量样品的扩增情况。此外，空间搭载实验环境对搭载装置的相关指标有严格的控制标准，针对基因扩增装置需要具备自主供电，自主运行，低功耗，重量和体积符合搭载主体设计要求，通过宇航级力学试验、电磁兼容试验等环境试验的设计要点。

为了研究航天环境中辐射和微重力等因素对基因扩增过程中的错义突变情况的影响，要求扩增装置能够满足一些灵活的试验方案。例如为了研究基因开始扩增反应前在航天环境中所处时间的长短对其的影响，就需要装置能在设定的时间段先后完成两组基因的扩增试验，并实时记录温度和系统工作状态等数据，以供后期对比分析。

此外，考虑到搭载环境对搭载设备的功耗、体积和重量等指标的严格要求，需要开发一种能够高效、快速地扩增微量样品下各种长度DNA片段的扩增装置。并且在实验设计阶段，可以通过多次试验的途径，方便快捷的修正并最终确定相关样品合适的扩增参数。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型化空间实验用微型基因扩增装置，实现了基因扩增装置的小型化，并在空间及同等环境下自主控制实验流程。

本发明的小型化空间实验用微型基因扩增装置包括承载机构、电路系统、电源、两组扩增生物芯片、指示灯和电源开关，其中，承载机构包括矩形金属盒体和软包，金属盒体采用整体壁板密闭式结构，电源固定安装在金属盒体的后端面上，金属盒体前端面的上半部分安装电源开关和指示灯，前端面的下半部分开口，金属盒体开口处两侧的内壁上对称加工有两组水平方向的凸形滑轨，两组凸形导轨分别位于金属盒体内中部的水平面和底部的水平面上，电路系统由一块印制电路板实现，其上包括单片机、存储器、信号变换电路、温度开关、电源管理模块和通讯接口，电路系统固定安装在印制电路板托板上，印制电路板托板的两相对边上设有与金属盒体凸形导轨配合的凹形滑槽，电路系统通过印制电路板托板水平插装在承载机构的中部。两组扩增生物芯片通过扩增生物芯片托板同样以印制电路板托板的形式水平插装在金属盒体的底部，固定螺钉穿过金属盒体的表面将印制电路板托板和扩增生物芯片托板进行固定，最后由前面板将金属盒体前端面的下半部分开口封闭，电源、电路系统和扩增生物芯片与承载机构形成整体固定连接；软包将金属盒体整体包覆，软包采用宇航级帆布制作，软包外由扎带纵横包扎固定，以实现装置整体在空间舱内的搭载。

电源开关控制电源的通断，工作状态指示灯以不同的颜色和闪烁方式指示系统所处于的工作阶段；电源采用宇航级银锌电池供电，扩增生物芯片由温度传感器、反应腔室和加热片组成，扩增生物芯片采用多层叠加法制作，通过该方法制成芯片每层结构，再经层层叠加构成反应腔室，反应腔室附着于加热片上，并在反应腔室的测温区埋入温度传感器；

电路系统主控单元选用MSP430单片机，其上自带ADC采样模块、两个计数定时器、看门狗、flash和串口通信UART等辅助模块，电路系统专门配备大容量存储器NAND Flash用于实现对整个试验过程的数据记录。

电路系统内部与其他部件之间的连接关系：电源与电路系统的电源管理模块连接，电源输出的单一电平经过电路系统的电源管理模块处理得到多种电平，分别为电路系统的各个模块和扩增生物芯片的加热片供电；单片机通过温度开关与扩增生物芯片的加热片连接，单片机通过温度开关控制扩增生物芯片加热片的加热状态，进而实现扩增生物芯片反应腔室的升温和降温；温度传感器通过信号变换电路与单片机的ADC采样模块连接，温度传感器的阻值通过电路系统中的信号变换电路转换为电压信号，单片机的ADC采样模块获取该电压信号，并转换为实际的温度值；存储器NAND Flash与单片机连接，用于存储试验过程中采集到的温度值、温控开关工作状态及系统实时时间等数据，实现对整个试验过程的数据记录，试验完成后可读取存储器中的数据，并通过单片机的UART接口上传至计算机做进一步的显示和分析。

工作原理和流程：

本发明为微量基因的扩增反应提供适宜的反应场所和温度循环条件，可快捷方便的进行相关参数修改，并对反应过程中的相关数据进行实时监控和存储。本发明的工作流程主要有以下几个步骤：将待扩增的生物样品加注至本发明的扩增生物芯片中并固封；完成装置的整体硬件连接，对电路系统的单片机烧写控制程序，完成参数配置；根据试验需要将承载机构固封和安装，打开装置的电源开关，等待试验完成后即可取出扩增样品做进一步分析，并读取存储器中的试验数据进行分析。

其中，单片机的控制流程如下：

1、打开装置开关对电路系统上电后，单片机首先对系统时钟及各个功能模块进行初始化和系统状态自检，状态正常时指示灯显示绿色，否则为红色；单片机随后进入主循环“while(1)；”，等待响应定时器、UART及看门狗模块触发的中断；

2、单片机根据初始化过程中对定时器相关寄存器的配置模式定期响应其中断，每秒响应一次Timer B中断；在Timer B中断中，具体实现系统实时时钟（RTC）秒，分及小时的实时更新，以供单片机判断装置所处工作阶段，保证反应过程中对温度循环时间的精确控制；

3、若需要通过上位机软件对相关试验参数进行重新配置，程序响应UART中断，将接收到的参数更新并回传至上位机，以验证各参数是否正确更新；

4、当单片机定期响应Timer A中断后，使能ADC采样模块采样的中断，单片机随即对外部电路输入的温度信号进行采样并响应ADC采样模块中断；在ADC采样模块中断中，单片机根据温度传感器的测温公式，将采集到的数字信号计算转化为温度值；随后单片机将根据RTC和经过滤波处理后的温度值与相关试验参数比较的结果，判断系统所处的工作阶段，并控制指示灯和温度开关做出相应的变化；此外，单片机会将温度信息写入片外存储器NandFlash进行存储或者通过串口发送至上位机进行实时显示，同时将单片机的状态信息存入片内flash模块中；如果单片机（根据设定的反应流程）判断扩增反应已经完成，装置将进入低功耗模式，否则程序退出Timer A中断重新回到主循环，等待响应新的中断；

5、如果装置在长时间的扩增反应过程中发生了死机的情况，单片机自带的看门狗模块将会触发中断并引发系统复位；单片机复位后，单片机将从片内flash中读取之前实时存储的状态信息，恢复到死机前所处的工作状态。

在地面常规试验中，可以利用计算机端的上位机软件通过UART接口对系统进行相关试验参数的配置和试验进程的控制，并将相关试验数据直接上传至上位机软件进行实时监控和保存，为前期的试验分析和参数修正提供快捷直观的解决手段。

有益效果：

1、本发明的电路系统以及两组扩增生物芯片通过托板水平插装在金属盒体的内部，并由螺钉穿过金属盒体的表面将托板进行固定，其固定形式能充分利用金属盒体内部空间，并实现对电路系统和扩增生物芯片与金属盒体的高强度连接，确保在恶劣的空间环境下试验过程能够稳定的进行。

2、本发明从结构上将电源、扩增生物芯片和电路系统与金属盒体形成可靠的机械式固定连接，其结构设计和稳定性符合空间搭载环境的相关要求；此外，电路系统的元器件选取以及密闭式的金属承载机构符合搭载环境对本发明的力学性能和电磁兼容性能的相关要求。

3、本发明电路系统的单片机内部资源丰富，控制精度高，功耗低，其12位ADC采样模块可直接获取温度传感器的信息，省去了额外的采样电路，具有更快的温控反馈速度，同时减小了电路系统的体积并降低制造成本；测温方式采用测温电桥加放大电路对温度信号进行转换和调理，使电路能很好的实现对测温电路的调零、调满及放大系数的调节。

4、本发明的扩增生物芯片采用多层叠加法制作而成，可根据具体实验方案快速设计并制作完成；芯片具有良好的热均匀性，升温和降温迅速可靠；

5、本发明采用宇航级银锌电池供电，电池体积小，重量轻，容量和工作性都能满足长期搭载环境的要求，实现了装置整体的小型化和自主化，且对外无任何电气接口，能够灵活简便地适应多种搭载环境。

6、本发明试验及操作的综合成本低、物理尺寸合适；扩增装置的自动化程度高，同时具有大容量数据存储和数据上传的功能；可通过上位机软件实现实验参数的快捷设定，实时监控试验过程中的温度状况并保存相关数据至计算机。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的硬件组成结构示意图；

图3为本发明的硬件组成打开前面板结构示意图；

图4为本发明的控制流程图。

其中：1-金属盒体、2-指示灯、3-电源开关、4-电源、5-前面板、6-印制电路板托板、7-扩增生物芯片托板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供的一种小型化空间实验用微型基因扩增装置包括承载机构101、指示灯102和电源开关103、电源104、电路系统105、两组扩增生物芯片106。其中，承载机构包括矩形金属盒体和软包，如附图2和3所示，金属盒体1采用整体壁板密闭式结构，电源4固定安装在金属盒体1内部的后端面上，金属盒体1前端面的上半部分安装指示灯2和电源开关3，前端面的下半部分开口。金属盒体前面板5开口处两侧的内壁上对称加工有两组水平方向的凸形导轨，两组凸形导轨分别位于金属盒体内中部的水平面和底部的水平面上。电路系统105由一块印制电路板实现，其上包括单片机、存储器、信号变换电路、温度开关、电源管理模块和通讯接口，电路系统固定安装在印制电路板托板6上，印制电路板托板6的两相对边上设有与金属盒体1凸形导轨配合的凹形滑槽，电路系统通过印制电路板托板6水平插装在承载机构的中部。两组扩增生物芯片通过扩增生物芯片托板7同样以印制电路板托板6的形式水平插装在金属盒体1的底部，固定螺钉穿过金属盒体1的表面将印制电路板托板6和扩增生物芯片托板7进行固定，最后由前面板5将金属盒体1前端面的下半部分开口封闭，电源4、电路系统6和扩增生物芯片7与金属盒体1形成整体固定连接。软包将金属盒体1整体包覆，软包采用宇航级帆布制作，软包外由四条20mm扎带纵横包扎固定，金属盒体1的尺寸为150mm×150mm×160mm，承载机构总重量不超过600克，抗冲击能力1500G。

电源开关控制电源的通断，工作状态指示灯以不同的颜色和闪烁方式指示系统所处于的工作阶段；电源采用宇航级低压直流电源银锌电池供电，额定工作电压为5V，额定功率3W，额定电流1A。

扩增生物芯片由温度传感器、反应腔室和加热片组成，具体的制作流程为：将NOA81光胶注入由围堰和基底围成的固定形状的凹槽内，设计有通道的掩膜覆盖在光胶上表面，在紫外光照射下将通道形状影印到光胶中；将围堰、基底和掩膜去除，利用有机溶剂冲洗掉未固化的光胶，即可得到有通道形状的光胶层；重复以上操作制作不同通道层；利用光刻的方法将光胶层黏贴到一起后固定到热制片上，并在测温区域埋入测温电阻Pt1000。最后，生物扩增芯片经过高温老化后即可使用。扩增生物芯片上的通道即最终的扩增反应腔室，其数量和体积可根据实际试验需求进行设计。

电路系统主控单元选用MSP430单片机，其上自带ADC采样模块、两个计数定时器、看门狗、flash和串口通信UART等辅助模块，电路系统专门配备大容量存储器NAND Flash用于实现对整个加热循环过程的数据记录。

电路系统内部与其他部件之间的连接关系：电源与电路系统的电源管理模块连接，电源输出的单一电平经过电路系统的电源管理模块处理得到多种电平，分别为电路系统的各个模块和扩增生物芯片的加热片供电；单片机通过温度开关与扩增生物芯片的加热片连接，单片机通过温度开关控制扩增生物芯片加热片的加热状态，进而实现扩增生物芯片反应腔室的升温和降温；温度传感器通过信号变换电路与单片机的ADC采样模块连接，温度传感器的阻值通过电路系统中的信号变换电路转换为电压信号，为了实现测温电路的线性化和更高的精度及灵敏度，采用测温电桥加放大电路对温度信号进行转换和调理。单片机的ADC采样模块获取经过信号变换电路调理放大后的电压信号，并转换为实际的温度值；存储器NAND Flash与单片机连接，存储器用于存储试验过程中采集到的温度值、温控开关工作状态及系统实时时间等数据，实现对整个试验过程的数据记录，试验完成后可读取存储器中的数据，并通过单片机的UART接口上传至计算机做进一步的显示和分析。本发明为微量基因的扩增反应提供适宜的反应场所和温度循环条件，可快捷方便的进行相关参数修改，并对反应过程中的相关数据进行实时监控和存储。本发明的工作流程主要有以下几个步骤：将待扩增的生物样品加注至本发明的扩增生物芯片中并固封；完成装置的整体硬件连接，对电路系统的单片机烧写控制程序，完成参数配置；根据试验需要将承载机构固封和安装，打开装置的电源开关，等待试验完成后即可取出扩增样品做进一步分析，并读取存储器中的试验数据进行分析。

其中，单片机的控制流程如附图4所示：

1、打开装置开关对电路系统上电后，单片机首先对系统时钟及各个功能模块进行初始化和系统状态自检，状态正常时指示灯显示绿色，否则为红色；单片机随后进入主循环“while(1)；”，等待响应定时器、UART及看门狗模块触发的中断；

2、单片机根据初始化过程中对定时器相关寄存器的配置模式定期响应其中断，每秒响应一次Timer B中断；在Timer B中断中，具体实现系统实时时钟（RTC）秒，分及小时的实时更新，以供单片机判断装置所处工作阶段，保证反应过程中对温度循环时间的精确控制；

3、若需要通过上位机软件对相关试验参数进行重新配置，程序响应UART中断，将接收到的参数更新并回传至上位机，以验证各参数是否正确更新；

4、当单片机定期响应Timer A中断后，使能ADC采样模块采样的中断，单片机随即对外部电路输入的温度信号进行采样并响应ADC采样模块中断；在ADC采样模块中断中，单片机根据温度传感器的测温公式，将采集到的数字信号计算转化为温度值；单片机将根据RTC和经过滤波处理后的温度值与相关试验参数比较的结果，判断系统所处的工作阶段，并控制指示灯和温度开关做出相应的变化；此外，单片机会将温度信息写入片外存储器Nand Flash进行存储或者通过串口发送至上位机进行实时显示，同时将单片机的状态信息存入片内flash模块中；如果单片机（根据设定的流程）判断扩增反应已经完成，装置将进入低功耗模式，否则程序退出Timer A中断重新回到主循环，等待响应新的中断；

5、如果装置在长时间的扩增反应过程中发生了死机的情况，单片机自带的看门狗模块将会触发中断并引发系统复位；单片机复位后，单片机将从片内flash中读取之前实时存储的状态信息，恢复到死机前所处的工作状态。

在地面常规试验中，可以利用计算机端的上位机软件通过UART接口对系统进行相关试验参数的配置和试验进程的控制，并将相关试验数据上传至上位机软件进行实时监控和保存，为前期的试验分析和参数修正提供快捷直观的解决手段。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种小型化空间实验用微型基因扩增装置，其特征在于，包括：承载机构、电路系统、电源、两组扩增生物芯片、指示灯和电源开关，其中，承载机构包括矩形金属盒体和软包，金属盒体采用整体壁板密闭式结构，电源固定安装在金属盒体的后端面上，金属盒体前端面的上半部分安装电源开关和指示灯，前端面的下半部分开口，金属盒体开口处两侧的内壁上对称加工有两组水平方向的凸形滑轨，两组凸形导轨分别位于金属盒体内中部的水平面和底部的水平面上，电路系统由一块印制电路板实现，其上包括单片机、存储器、信号变换电路、温度开关、电源管理模块和通讯接口，电路系统固定安装在印制电路板托板上，印制电路板托板的两相对边上设有与金属盒体凸形导轨配合的凹形滑槽，电路系统通过印制电路板托板水平插装在承载机构的中部。两组扩增生物芯片通过扩增生物芯片托板同样以印制电路板托板的形式水平插装在金属盒体的底部，固定螺钉穿过金属盒体的表面将印制电路板托板和扩增生物芯片托板进行固定，最后由前面板将金属盒体前端面的下半部分开口封闭，电源、电路系统和扩增生物芯片与承载机构形成整体固定连接；软包将金属盒体整体包覆，软包采用宇航级帆布制作，软包外由扎带纵横包扎固定，以实现装置整体在空间舱内的搭载。

2.如权利要求1所述的小型化空间实验用微型基因扩增装置，其特征在于，所述电路系统选用MSP430单片机，其上自带ADC采样模块、两个计数定时器、看门狗、flash和串口通信UART，电路系统配备大容量存储器NAND Flash。

3.如权利要求1或2所述的小型化空间实验用微型基因扩增装置，其特征在于，所述电路系统内部与其他部件之间的连接关系为：电源与电路系统的电源管理模块连接，电源输出的单一电平经过电路系统的电源管理模块处理得到多种电平，分别为电路系统的各个模块和扩增生物芯片的加热片供电；单片机通过温度开关与扩增生物芯片的加热片连接，单片机通过温度开关控制扩增生物芯片加热片的加热状态，进而实现扩增生物芯片反应腔室的升温和降温；温度传感器通过信号变换电路与单片机的ADC采样模块连接，温度传感器的阻值通过电路系统中的信号变换电路转换为电压信号，单片机的ADC采样模块获取该电压信号，并转换为实际的温度值；存储器NAND Flash与单片机连接，用于存储试验过程中采集到的温度值、温控开关工作状态及系统实时时间等数据，实现对整个试验过程的数据记录，试验完成后可读取存储器中的数据，并通过单片机的UART接口上传至计算机做进一步的显示和分析。

4.如权利要求3所述的小型化空间实验用微型基因扩增装置，其特征在于，所述单片机的控制流程如下：

（1）、打开装置开关对电路系统上电后，单片机首先对系统时钟及各个功能模块进行初始化和系统状态自检，状态正常时指示灯显示绿色，否则为红色；单片机随后进入主循环“while(1)；”，等待响应定时器、UART及看门狗模块触发的中断；

（2）、单片机根据初始化过程中对定时器相关寄存器的配置模式定期响应其中断，每秒响应一次Timer B中断；在Timer B中断中，具体实现系统实时时钟（RTC）秒，分及小时的实时更新，以供单片机判断装置所处工作阶段，保证反应过程中对温度循环时间的精确控制；

（3）、若需要通过上位机软件对相关试验参数进行重新配置，程序响应UART中断，将接收到的参数更新并回传至上位机，以验证各参数是否正确更新；

（4）、当单片机定期响应Timer A中断后，使能ADC采样模块采样的中断，单片机随即对外部电路输入的温度信号进行采样并响应ADC采样模块中断；在ADC采样模块中断中，单片机根据温度传感器的测温公式，将采集到的数字信号计算转化为温度值；随后单片机将根据RTC和经过滤波处理后的温度值与相关试验参数比较的结果，判断系统所处的工作阶段，并控制指示灯和温度开关做出相应的变化；此外，单片机会将温度信息写入片外存储器Nand Flash进行存储或者通过串口发送至上位机进行实时显示，同时将单片机的状态信息存入片内flash模块中；如果单片机根据设定的反应流程判断扩增反应已经完成，装置将进入低功耗模式，否则程序退出Timer A中断重新回到主循环，等待响应新的中断；

（5）、如果装置在长时间的扩增反应过程中发生了死机的情况，单片机自带的看门狗模块将会触发中断并引发系统复位；单片机复位后，单片机将从片内flash中读取之前实时存储的状态信息，恢复到死机前所处的工作状态。

Images