CN104164363A - 便携式核酸恒温扩增仪 - Google Patents

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汪琳
柏亚铎
杨捷琳
张灿
尹羿
周琦
蒲静
乔彩霞
张玉红
高志强
韩晶
张伟
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    • B01L7/50—Cryostats
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明提出的便携式核酸恒温扩增仪是针对动物疫病的检测特点，在基于开源的Arduino硬件系统的基础上，使用可编程的恒温扩增技术，全面覆盖恒温检测方法，在实现检测功能的同时可以根据需要升级硬件和软件，对已有的恒温扩增技术进行校正并开发新的检测方法。本发明使用通用控制器Arduino uno作为主控制板，采用自主开发的全桥控制板控制珀尔帖器件对铝块进行加热和冷却循环，以实现恒温温度，其控制过程是通过热敏电阻和22位高精度A/D转换后送Arduino进行处理，根据处理结果采用脉冲实时控制桥臂的通断。同时自主研发了图形软件平台，可以独立控制温度和反应时间。

Description

便携式核酸恒温扩增仪
技术领域：
本发明涉及分子生物学、微生物学、医学及遗传学的检测领域，具体涉及的技术领域包括便携式和恒温扩增。 
背景技术
基因扩增技术即聚合酶链反应(polymerase chain reaction)，简称PCR，是生命科学中最重要的技术之一，可将极微量的靶DNA特异地扩增上百万倍，从而大大提高对DNA分子的分析和检测能力，能检测单分子DNA或每10万个细胞中仅含1个靶DNA分子的样品，因而此方法在分子生物学、微生物学、医学及遗传学等多领域广泛应用和迅速发展。由于PCR具有敏感性高、特异性强、快速、简便等优点，已在病原微生物学领域中显示出巨大的应用价值和广阔的发展前景。 
然而常规PCR技术存在如下不足：(1)需要昂贵的PCR仪；(2)多因素影响扩增效果；(3)常引起非特异性扩增；(4)扩增反应时间长，一般需要几个小时，难以在基层推广应用等。核酸恒温扩增技术的出现满足了上述要求。 
近几年来，随着分子生物学技术的发展，众多学者不断改进现有技术探索新方法。自从PCR应用以来，其他的核酸扩增技术，特别是许多恒温扩增技术，已经被陆续发明，其中影响较大的有：依赖核酸序列扩增(nucleic acid sequence based amplification，NASBA)、转录介导扩增(transcription-mediated amplification，TMA)、环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification，LAMP)、连接酶链反应(ligase chain reaction，LCR)、链替代扩增(strand displacement amplification，SDA)、解链酶扩增(helicase-dependent amplification，HDA)、滚环核酸扩增(rolling circle amplification，RCA)等。它们都具有共同的特点：恒温、高效、特异、不需要特殊的仪器设备。此外，一些非特异性的全基因组DNA扩增方法目前已经进入商品化阶段，这些核酸扩增术的对象有些是DNA，有些是RNA。核酸恒温扩增术的特点是扩增反应的全过程(除初始的杂交步骤外)均在单一温度，无需专门的扩增仪器下进行，不像PCR反应那样，需要经历几十个温度变化的循环过程。恒温扩增技术的这一特点，使得它们对所需仪器的要求大大简化，反应时间大大缩短，因而具有巨大的商业价值。恒温扩增核酸诊断试剂在国外也已发展多年并应用在传染病诊断中，运用上述技术研发的产品，在美国和其他国家已进入不同的阶段。 
发明内容
本发明的目的在于，针对动物疫病的检测特点，即一方面需要快速、准确的检测结果，另一方面对检测的成本也有着苛刻的要求，我们使用可编程调节的恒温扩增技术，针对不同的检测需求，全面覆盖恒温检测方法，基于硬件的兼容性和可升级性，可以根据需要升级硬件和软件，对已有的恒温扩增技术进行校正并开发新的检测方法。 
本发明基于开源的Arduino硬件系统，作为主控制器，在此基础上使用ST公司的VNH3SP30全桥驱动器作为核心器件，通过Pt100进行温度采样后，对温度进行高精度的A/D转换，根据转换结果，驱动VNH3SP30不同桥臂的通断，从而控制半导体制冷器的正反向导通。控制系统框图见图1。 
VNH3SP30由一个双单片上桥臂驱动器(HSD)和两个下桥臂开关组成，芯片峰值输出电流达30A，工作电压高达40V，可以方便地驱动半导体制冷片的正反向升降温调节，相对于普通的离散式H桥控制电路，本设计因为采用了集成的基于大功率MOS管的H桥驱动芯片，明显缩小了控制器的体积，并解决了分立器件参数无法统一的离散性问题，同时去除了为解决开关电阻比较大，功耗大而使用的大功率散热片，从而进一步缩小了控制器的体积，实现了便携性的恒温扩增。 
开源Arduino系统广泛应用在玩具车的控制领域，这正好可以用于全桥控制器的转换控制，驱动半导体制冷片的正反向导通，从而控制加热和降温。Arduino使用自有的同名语言编程，编程可以在PC/Mac/Linux上进行，然后通过USB把编译好的代码烧录到单片机上运行。Arduino实现了simple I/O的数字模拟接口标准，这样便于进行数模控制。 
附图说明
图1是控制系统框图。 
图2是基于VNH3SP30全桥控制器的原理框图。 
具体实施方式
1我们选用开源的，通用的Arduino uno作为主控制板，自主开发了基于VNH3SP30的全桥控制板，通过热敏电阻pt100采样温度，经A/D转换后送Arduino主控制板进行PID算法处理，根据处理结果控制PWM脉冲数量进而控制桥臂的通断时间，VNH3SP30控制原理图见图2。 
2采用高导热性的铝合金热块，在基于良好绝缘性的前提下，保证200微升的PCR管周围能产生均匀的温度，从而满足热一致性的要求，而这种热一致性可以保证反应结果的差异是由于样品的不同而不是仪器的原因而产生的。 
3采用进口的大功率珀尔帖器件对铝合金块进行加热和冷却， 
4采用22位高精度的A/D转换器对pt100热敏电阻的采样结果进行转换后，微控制器通过PID算法校准加热器的温度，采用通过主控制器发送不同频率的脉冲控制桥臂的通断，从而控制加热和制冷的时间和快慢。 
5通过高度可调的热盖，可以使PCR管的顶部加热到120℃，从而有效地防止任何实质性冷凝。热盖通过弹簧压紧每个PCR管，以保证PCR管和铝块的充分接触。 
6采用跨平台和设备的adobe air编程实现图形用户界面，可以基于计算机和手机的操作系统进行编程，支持android，ios等系统。本仪器也可以脱离手机和计算机，在LCD监控下，独立运行最后一个在系统编好的程序，这一特点也是便携性的体现。 

Claims (7)

1.一种便携式恒温扩增仪，是基于Adruino开放硬件和Adobe Air开放软件平台基础上研发的恒温扩增仪，其特征在于：所述的开发平台可以通过编程精确的控制温度循环，这是所有后续工作的开始。开发平台通用性较强，便于功能扩展，并具备良好的兼容性。
2.根据权利要求1所述的恒温扩增平台的通用性，其特征在于：开发板功能多样且外围设备比较齐全，可以方便地选择适合不同要求的平台母板，同时由于软件的开放性，可以方便地进行软件升级。
3.根据权利要求1所述的功能扩展，其特征在于：有着硬件广泛兼容的可扩展外围设备，针对功能需求可以方便的选择外围接口，从而实现硬件功能扩展，而软件的开放性也为功能的扩展提供了强大的支撑。
4.根据权利要求2和3所述的扩展性和通用性，其特征在于：可以实时的进行程序设置，以完成不同种类的恒温扩增试验，达到支持全部或者大部分恒温扩增方法的目的。
5.根据权利要求1所述的开放软件，其特征在于：在基于Adobe air的开放平台下进行了针对于温度控制和循环调节的软件开发，并且其开放性和兼容性有利于二次开发和特异性开发。
6.根据权利要求1所述的便携式恒温扩增仪，其系统有以下几部组成：笔记本电脑或Andrio操作系统、Adruino主控电路板、H桥驱动电路板、大功率开关电源、半导体加热制冷片、Kapton热盖和温度传感电路。该系统的工作原理如下：首先，主控电路产生控制信号，此信号经H桥驱动电路后，作用至半导体加热制冷片，完成加热制冷。当前温度值则由温度传感电路转换成电压信号，经内部的模数转换模块(analog to digital converter，ADC)转换成数字量。之后，由主控电路板调用常规PID(proportion integration differentiation)算法对当前的温度进行分析，调节控制信号的正反向及冷却风扇的启停，进而达到控制温度的目的。温度数据通过USB通讯接口发送至上位机，由软件进行实时监测。
7.根据权利要求6所诉的便携恒温扩增仪，其特征在于：通过电脑USB对其温控程序设定后，通过液晶可以实时监控反映的进行及所需的时间。在断开与电脑的连接后，平台能依据最后一次的设定值进行反应，数据可以在扩增仪自带的液晶屏上显示。
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