CN104120077B - 一种实时荧光dna扩增仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时荧光DNA扩增仪,它由加热致冷模块、样品管基座、测量转盘组件、外壳组件、铂热电阻和控制器组成。用于在生物体外扩增特定的DNA片段,同时利用荧光信号的变化,实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物的量变化,用以进行定量分析。
Description
技术领域:
本发明涉及一种实时荧光DNA扩增仪,它由加热致冷模块、样品管基座、测量转盘组件、外壳组件、铂热电阻和控制器组成。用于在生物体外扩增特定的DNA片段,同时利用荧光信号的变化,实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物的量变化,用以进行定量分析。
现有技术:
随着科技发展,人们在体外实验中发现,DNA在高温时可以发生变性解链,当温度降低后又可以复性成为双链。因此,配合生物学手段通过温度变化控制DNA的变性和复性,并且多次重复“变性解链-退火-合成延伸”的循环就能以几何级数大量扩增特定的基因。DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。在PCR技术的发展过程中,热稳定DNA聚合酶的发现以及温度循环的自动化大大简化了PCR扩增程序。荧光定量PCR扩增技术是在PCR反应体系中加入荧光基团,随着PCR反应的循环其荧光信号强度的积累,可以实时监测整个PCR进程。
目前,PCR扩增仪有两种方案,一种是三容器机械手循环方案,该方案设计的PCR扩增仪设置三个精确可调的恒温器,使样品盘在微电脑控制的机械手作用下完成PCR反应。另一种是单容器温度循环方案。该类方案在整个反应过程中,样品在样品槽中位置不变,而通过控制样品槽温度的升降,完成PCR扩增反应。近年来又发展有梯度PCR扩增仪和原位PCR扩增仪等,它们原理相似,但由于精确的温度控制是决定PCR反应能否成功的关键,因此在仪器结构、加热致冷方式和荧光检测方式等方面各不相同,以适合各种应用。PCR扩增仪的应用在感染性、遗传性疾病及恶性肿瘤的分子诊断和研究、亲子鉴定、克隆基因等方面。
发明内容:
多数PCR扩增仪(即DNA扩增仪)扩增结束后不进行检测,其扩增反应的终点产物的检测是由其它设备进行,荧光PCR扩增仪包含实时荧光PCR扩增仪和普通荧光PCR扩增仪,后者是在扩增结束后由该扩增仪进行检测。实时荧光PCR扩增仪是在扩增时进行检测,它需要解决检测方式和检测速度问题。目前荧光PCR扩增仪是采用超低温CCD成像,该系统一次对多点成像,但检测灵敏度低精确度差,还有的采用光学系统逐个扫描样品并检测,但其扫描系统复杂造价昂贵且检测速度慢,因此对于大多数少量样品的精确扩增实时检测是不经济的。本发明介绍一种实时荧光DNA扩增仪,其特征是它由加热致冷模块、样品管基座、测量转盘组件、外壳组件、铂热电阻和控制器组成。其中外壳组件由上盖、外壳、下散热窗组成。加热致冷模块由半导体致冷片、散热器和电风扇组成,半导体致冷片冷面紧贴并固定于样品管基座上,散热器紧贴在半导体致冷片热面,半导体致冷片加热、致冷功率可变,用于对样品管基座加热、致冷。各半导体致冷片可接成串并联方式以适合其功率和供电电压需求,半导体致冷片通过改变供电电流大小实现改变加热致冷功率,并通过变换半导体致冷片的接线端改变加热、致冷方式。样品管基座由加热盖和基座组成,基座材料可采用铝合金其外圆圈沿圆周均等分布用于放置样品管的孔。测量转盘置于样品管基座凹孔中,并留有散热空隙。测量转盘组件由测量转盘、激光对射定位装置、光测量装置、步进电机和传动轴组成。传动轴两端分别与测量转盘、步进电机固定,用于传递步进电机转角。测量转盘靠外圆圈处钻一个定位孔用于安装激光对射定位装置,以识别样品管的1号孔,即当样品管的1号孔进入测量位置时,激光二极管发射的光信号刚好通过定位孔被光线接收头所接收,从而起动检测,然后步进电机依序定位检测其它各样品管中的样品。激光对射定位装置由发射装置的激光二极管和定位接收装置中的光线接收头构成,激光二极管额定功率取不大于0.4mW,采用占空比小的激光二极管脉冲电源因此是安全的。在样品管基座上样品管的外侧圆周上均匀分布3只铂热电阻的传感器,铂热电阻的补偿电阻采用精密线绕电阻,同时在控制器中装有3至4只精密线绕电阻,其电阻值按照DNA变性、复性和延伸三个环节温度点附近的温度查铂热电阻分度表获得,由于不同的引物设计其反应温度不同因此多一个精密线绕电阻。将精密线绕电阻对应的温度值记录保存在控制器的非易失存储器中,用于校正仪表温度。所述校正是在每次开机后进行误差校验一次,它通过单多通道模拟电子开关分时选通精密线绕电阻接入输入信号放大电路Ⅱ实现校验。实时荧光DNA扩增仪在工作状态3只铂热电阻所测温度应当在允许的样品管间温度误差范围内,校正时由定时送检获得各铂热电阻温度测量误差,并检测精密线绕电阻所显示温度与保存非易失存储器中的应当显示温度之差,由控制器对铂热电阻所测温度进行补偿。光测量装置由激发光源和检测接收装置组成。由LED发光二极管和反光杯、滤光镜Ⅰ构成激发光源,单色LED发光二极管价格低、能耗少、寿命长,但是需要不同的LED发光二极管再配滤光镜才能更好地实现不同激发波长。检测接收装置由滤光镜Ⅱ和光电倍增管组成,所述滤光镜用于排除环境光和无用光信号的影响,以提高光检测精度。控制器由单多通道模拟电子开关、输入信号放大电路Ⅰ、输入信号放大电路Ⅱ、输入调理电路Ⅰ、输入调理电路Ⅱ、输入多选一开关、A/D转换电路、单片机、RS232电路、步进电机驱动电路和致冷器电源电路组成。其中输入信号放大电路Ⅰ中包含由高精度的LT1014或OPA121等精密运算放大器它和输入调理电路Ⅰ组成。输入信号放大电路Ⅱ由OP07组成的温度毫伏信号放大电路及其输入调理电路Ⅱ构成。RS232电路用于与上位机通信,用于荧光信号采集后送计算机分析研究和处理,得出量化的实时结果。
温度控制是在控制器控制下,根据PCR反应环节所设定的温度先以大功率升温或降温,当达到设定温度的上限或下限时,再以小功率的加热或致冷,使温度控制的回差保持在PCR扩增允许的范围内,使实时荧光DNA扩增仪可以将样品管加热或冷却到每步反应所需的精确的温度,并利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物的量变化,但其检测速度须保证每一个循环对样品管载盘上所有样品检测完成。
附图说明:
图1是一种实时荧光DNA扩增仪的结构示意图。
图2是一种实时荧光DNA扩增仪的构成方框示意图。
实施例:
一种实时荧光DNA扩增仪的构成示意图如图1所示。它是由加热致冷模块、样品管基座、测量转盘组件、外壳组件、铂热电阻4和控制器10组成。其中加热致冷模块由半导体致冷片13、散热器12和电风扇9组成,样品管基座由加热盖14和基座8组成,测量转盘组件由测量转盘7、激光对射定位装置17、由激发光源5和检测接收装置6组成的光测量装置、步进电机1和传动轴2组成,外壳组件由上盖16、外壳15和下散热窗11组成。半导体致冷片13的热面与散热器12接触用于向外散热,并通过改变半导体致冷片13供电电流实现改变致冷功率。传动轴2两端分别与测量转盘7、步进电机1经键连接,用于传递步进电机1转角。在基座外圆圈沿圆周均等分布24个孔用于放置样品管3。在样品管3的孔靠外圆圈处钻一定位孔用于安装激光对射定位装置17,以识别样品管3的1号孔。在基座8上靠样品管3的外侧圆周上均匀分布3只铂热电阻4的温度传感器,铂热电阻4采用精密线绕电阻校验补偿所测量的温度。由LED发光二极管和反光杯、滤光镜Ⅰ构成激发光源5,反光杯可采用LED发光二极管手电筒用的反光杯。检测接收装置6由滤光镜Ⅱ和光电倍增管组成,滤光镜用于排除环境光和无用光信号的影响。控制器10中由单多通道模拟电子开关、输入信号放大电路Ⅱ、输入调理电路Ⅱ组成的温度毫伏信号的放大电路和由输入信号放大电路Ⅰ、输入调理电路Ⅰ组成的光输入信号放大电路。它们均经输入多选一开关选通后送A/D转换电路、单片机处理。其中输入信号放大电路Ⅰ由高精度LT1014放大电路组成,输入信号放大电路Ⅱ由OP07组成温度毫伏信号放大。控制器10中还设置RS232电路、半导体致冷片13的电源和步进电机1驱动电路。其中RS232电路用于与上位机通信。
Claims (2)
1.一种实时荧光DNA扩增仪,其特征是它由加热致冷模块、样品管基座、测量转盘组件、外壳组件、铂热电阻和控制器组成,其中外壳组件由上盖、外壳、下散热窗组成,加热致冷模块由半导体致冷片、散热器和电风扇组成,半导体致冷片冷面紧贴并固定于样品管基座上,散热器紧贴在半导体致冷片热面,半导体致冷片加热、致冷功率可变,用于对样品管基座加热、致冷,各半导体致冷片接成串并联方式以适合其功率和供电电压需求,半导体致冷片通过改变供电电流大小实现改变加热致冷功率,并通过变换半导体致冷片的接线端改变加热、致冷方式,样品管基座由加热盖和基座组成,基座沿圆周均等分布用于放置样品管的孔,测量转盘置于样品管基座凹孔中,并留有散热空隙,测量转盘组件由测量转盘、激光对射定位装置、光测量装置、步进电机和传动轴组成,传动轴两端分别与测量转盘、步进电机固定,用于传递步进电机转角,测量转盘靠外圆圈处钻一个定位孔用于安装激光对射定位装置,以识别样品管的1号孔,即当样品管的1号孔进入测量位置时,激光二极管发射的光信号刚好通过定位孔被光线接收头所接收,从而起动检测,然后步进电机依序定位检测其它各样品管中的样品,激光对射定位装置由发射装置的激光二极管和定位接收装置中的光线接收头构成,激光二极管额定功率取不大于0.4mW,采用占空比小的激光二极管脉冲电源因此是安全的,在样品管基座上样品管的外侧圆周上均匀分布3只铂热电阻的传感器,铂热电阻的补偿电阻采用精密线绕电阻,同时在控制器中装有3至4只精密线绕电阻,其电阻值按照DNA变性、复性和延伸三个环节温度点附近的温度查铂热电阻分度表获得,将精密线绕电阻对应的温度值记录保存在控制器的非易失存储器中,用于校正仪表温度,所述校正是在每次开机后进行误差校验一次,它通过单多通道模拟电子开关分时选通精密线绕电阻接入输入信号放大电路Ⅱ实现校验,校正时由定时送检获得各铂热电阻温度测量误差,并检测精密线绕电阻所显示温度与保存非易失存储器中的应当显示温度之差,由控制器对铂热电阻所测温度进行补偿,光的测量装置由激发光源和检测接收装置组成,由LED发光二极管和反光杯、滤光镜Ⅰ构成激发光源,不同的LED发光二极管再配滤光镜才能更好地实现不同激发波长,检测接收装置由滤光镜Ⅱ和光电倍增管组成,温度控制是在控制器控制下,根据PCR反应环节所设定的温度先以大功率升温或降温,当达到设定温度的上限或下限时,再以小功率的加热或致冷,使温度控制的回差保持在PCR扩增允许的范围内。
2.根据权利要求1所述的一种实时荧光DNA扩增仪,其特征在于还包括:
控制器由单多通道模拟电子开关、输入信号放大电路Ⅰ、输入信号放大电路Ⅱ、输入调理电路Ⅰ、输入调理电路Ⅱ、输入多选一开关、A/D转换电路、单片机、RS232电路、步进电机驱动电路和致冷器电源电路组成,其中输入信号放大电路Ⅰ中包含由高精度的LT1014或OPA121精密运算放大器它和输入调理电路Ⅰ组成,输入信号放大电路Ⅱ由OP07组成的温度毫伏信号放大电路及其输入调理电路Ⅱ构成,RS232电路用于与上位机通信。
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