CN105950464B - 一种新型pcr实时定量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型PCR实时定量测量系统及方法，涉及物联网技术领域。该系统包括：一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述系统包括：云端、用户端、控制板、光学照明与探测系统、热循环装置和样品台；所述云端包括：云端数据传输单元、检索单元、存储单元和大数据分析单元；所述用户端包括：数据采集单元、数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元。该发明具有：安全性高、采集过程可精细控制、采集数据存储、调用方便、成本低廉等优点。

Description

一种新型PCR实时定量测量系统及方法

技术领域

本发明涉及分子生物学领域，特别涉及一种新型PCR实时定量测量系统及方法。

背景技术

PCR（全称：聚合酶链锁反应）是一种分子生物学技术，可以在生物体外扩增特定的DNA片段。实时定量荧光PCR仪通过实时的检测样品的荧光信号强度来推算出最初的样品中DNA的浓度。该技术目前广泛的应用于医学诊断，精准医疗，食品安全，现代农业的研发与检测等领域。

目前市场上的高通量荧光PCR仪（诸如96孔，384孔等）通常采用了昂贵的高质量的CCD或是CMOS作为光学探测器并且常常配置了独立的数据处理系统，导致高通量荧光PCR仪高昂的价格和笨重的设计，限制了该技术的使用。

而且，由于这些采集系统没有针对采集结果进行大数据存储和分析的装置，导致采集数据较容易丢失、缺乏综合分析能力等缺点。随着云端技术的发展和进步，我们完全可以在现有的采集系统中增加云端处理和存储技术，并且利用这种技术增加我们对PCR测量结果的分析能力和数据存储、综合调用能力。

除此之外，近年来，由于智能手机与平板电脑的高速发展，智能手机/平板电脑的内置相机与镜头的质量大大提高，已经完全达到了探测荧光信号的要求。而且因为智能手机与平板电脑超高的需求，智能手机/平板电脑中的内置相机，镜头等的价格被大大的降低了。因为几乎人人都拥有智能手机/平板电脑， 客户没有理由在购买PCR仪的时候强制性的购买了该仪器中包含的光学探测器，镜头以及数据处理系统。并且，智能手机/平板电脑还能增加许多对采集过程的控制功能，保证了采集过程的精细控制性。

该专利阐述了一种与智能手机/平板电脑结合的高通量荧光PCR仪的设计方案。这样客户就能够将自己的智能手机/平板电脑与该设计的PCR仪一起使用，大大的降低该PCR仪器的制造成本。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种新型PCR实时定量测量系统及方法，该系统具有安全性高、采集过程可精细控制、采集数据存储、调用方便、成本低廉等优点。

本发明采用的技术方案如下：

1. 一种新型PCR实时定量测量系统，所述系统包括：云端、用户端、控制板、光学照明与探测系统、热循环装置和样品台；

所述云端包括：云端数据传输单元、检索单元、存储单元和大数据分析单元；

所述用户端包括：数据采集单元、数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元；

所控制板分别信号连接有精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测系统、热循环装置；所述光学照明与探测系统和热循环装置分别与样品台信号连接；所述光学照明与探测系统与数据采集单元信号连接；所述数据采集单元依次与数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元信号连接；所述处理单元信号连接有精度调节单元、时间调节单元和热调节单元；所述加密单元与云端数据传输单元信号连接；所述云端数据传输单元分别与存储单元、检索单元信号连接；所述存储单元分别与检索单元和大数据分析单元信号连接。

所述云端数据传输单元分别信号连接于用户端、检索单元和存储单元，用于接收来自用户的数据信息和发送云端的数据信息至用户端；所述检索单元分别信号连接于存储单元和云端数据传输单元，用于根据用户端的检索请求进行信息检索；所述大数据分析单元信号连接于存储单元，用于对存储单元中的数据信息进行大数据分析。

所述数据采集单元分别信号连接于光学照明与探测系统和数据传输单元，用于采集光学照明与探测系统中采集到的荧光信号；所述数据传输单元分别信号连接于分析单元和数据采集单元，用于将数据采集单元采集到的荧光信号发送给分析单元；所述分析单元分别信号连接于数据传输单元和处理单元，用于分析接收到的荧光信号；将分析结果发送至处理单元；所述处理单元分别信号连接于分析单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元，用于处理来自分析单元发送过来的分析结果，将处理后的分析结果发送至加密单元，以及根据用户的需求，发送精度控制命令至精度调节单元，发送时间控制命令至时间调节单元，发送温度控制命令至热调节单元；所述加密单元分别信号连接于处理单元和云端数据传输单元，用于对处理后的分析结果进行加密，将加密后的结果发送至云端数据传输单元。

所述控制板分别信号连接于精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测装置和热循环装置，用于根据精度调节单元发送过来的精度控制命令控制数据采集单元的采集精度，根据时间调节单元发送过来的时间控制命令控制光学照明与探测装置的照明时间和探测时间，根据热调节单元发送过来的热控制命令控制热循环装置的加热温度。

所述光学照明与探测系统分别信号连接于数据采集单元、样品台和控制板；用于根据控制板发送过来的控制命令光学激发样品产生荧光信号，再收集荧光信号；所述热循环装置分别信号连接于控制板和样品台，用于根据控制板发送过来的控制命令对样品进行升温降温的循环过程，实现PCR扩增；

所述云端数据传输单元包括：传输单元和解密单元；所述传输单元分别信号连接于加密单元、解密单元、存储单元和检索单元，用于接收来自用户端的数据信息，将接收到的数据信息发送至解密单元，以及获取存储单元和检索单元的数据信息，将获取的数据信息发送至用户端；所述解密单元，用于对用户端加密后的数据信息进行解密，将解密后的数据信息发送至存储单元。

一种基于上述系统的新型PCR实时定量检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:

步骤1：用户通过用户端发出控制指令，将需要运行的指令发送至控制板；

步骤2：控制板根据用户端发送过来的指令生成控制命令，发送控制命令控制热循环装置开始对样品进行热循环操作；

步骤3：在每个热循环周期中，根据用户端发送过来的指令，控制板发送控制命令控制光学照明与探测装置激发样品并收集荧光信号；

步骤4：在每个热循环周期中，根据用户端发送来的指令，控制板发送控制命令控制数据采集单元进行荧光信号采集；

步骤5：在每个热循环周期中，用户端对数据采集单元采集到的信息进行分析，生成分析数据，实时的向用户反馈，并将分析生成的数据信息进行加密后发送至云端；云端接收该数据信息进行解密后，存储在存储单元中；

步骤6：在热循环运行了预先设定的周期后，控制板发送指令停止运行热循环装置以及光学照明与探测装置，并将反馈信息发送到用户端，通知用户操作结束，用户端对操作所得的所有数据进行分析，将结果向用户反馈并加密发送至云端；

步骤7：当用户需要对某次采集的数据信息进行调取和使用时，发送数据信息请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户需要调取的数据信息进行检索，将检索到的数据信息发送至用户端；

步骤8：当用户需要对一段时间内的多条采集数据进行综合比对分析时，发送请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户请求的该时间段内的所有采集数据进行综合比对分析，然后将综合比对分析结果发送至用户端。

所述用户端为手机/平板电脑和安装于手机/平板电脑上的操作软件；所述解密的方法和对应的加密方法为：对称加/解密和非对称加/解密。

采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：

1、安全性高：在用户端发送数据至云端过程中，对相应的数据信息进行了加密，保证了传输过程中数据的安全性，防止了不法分子窃取这些数据用于非法用途。

2、过程控制精细化：本发明提供的PCR实时定量测量系统及方法不仅能够对测量过程中的时间、温度进行控制，也能对采集的精度进行控制。保证了在对一些精度要求较低的操作进行测量时效率的提升。同时，也让用户能够及时纠正测量过程中产生的误差。

3、成本低廉：本发明提供的系统中，采用了手机/平板电脑作为用户端，手机和平板电脑的内置相机、镜头作为数据采集单元。大大降低了整个系统的使用成本和制造成本。

附图说明

图1是本发明的一种新型PCR实时定量测量系统及方法的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例1中提供了一种新型PCR实时定量测量系统及方法，系统结构如图1所示：

一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述系统包括：云端、用户端、控制板、光学照明与探测系统、热循环装置和样品台；所述云端包括：云端数据传输单元、检索单元、存储单元和大数据分析单元； 所述用户端包括：数据采集单元、数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元。

所述云端数据传输单元分别信号连接于用户端、检索单元和存储单元，用于接收来自用户的数据信息和发送云端的数据信息至用户端；所述检索单元分别信号连接于存储单元和云端数据传输单元，用于根据用户端的检索请求进行信息检索；所述大数据分析单元信号连接于存储单元，用于对存储单元中的数据信息进行大数据分析。

所述数据采集单元分别信号连接于光学照明与探测系统和数据传输单元，用于采集光学照明与探测系统中采集到的荧光信号；所述数据传输单元分别信号连接于分析单元和数据采集单元，用于将数据采集单元采集到的荧光信号发送给分析单元；所述分析单元分别信号连接于数据传输单元和处理单元，用于分析接收到的荧光信号；将分析结果发送至处理单元；所述处理单元分别信号连接于分析单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元，用于处理来自分析单元发送过来的分析结果，将处理后的分析结果发送至加密单元，以及根据用户的需求，发送精度控制命令至精度调节单元，发送时间控制命令至时间调节单元，发送温度控制命令至热调节单元；所述加密单元分别信号连接于处理单元和云端数据传输单元，用于对处理后的分析结果进行加密，将加密后的结果发送至云端数据传输单元。

所述控制板分别信号连接于精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测装置和热循环装置，用于根据精度调节单元发送过来的精度控制命令控制数据采集单元的采集精度，根据时间调节单元发送过来的时间控制命令控制光学照明与探测装置的照明时间和探测时间，根据热调节单元发送过来的热控制命令控制热循环装置的加热温度。

所述光学照明与探测系统分别信号连接于数据采集单元、样品台和控制板；用于根据控制板发送过来的控制命令光学激发样品产生荧光信号，再收集荧光信号；所述热循环装置分别信号连接于控制板和样品台，用于根据控制板发送过来的控制命令对样品进行升温降温的循环过程，实现PCR扩增；

所述云端数据传输单元包括：传输单元和解密单元；所述传输单元分别信号连接于加密单元、解密单元、存储单元和检索单元，用于接收来自用户端的数据信息，将接收到的数据信息发送至解密单元，以及获取存储单元和检索单元的数据信息，将获取的数据信息发送至用户端；所述解密单元，用于对用户端加密后的数据信息进行解密，将解密后的数据信息发送至存储单元。

本发明实施例2中提供了一种新型PCR实时定量测量系统及方法的连接管理方法，系统结构如图1所示，该方法包括以下步骤：

一种基于权利要求1至6之一所述系统的新型PCR实时定量检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:

步骤1：用户通过用户端发出控制指令，将需要运行的指令发送至控制板；

步骤2：控制板根据用户端发送过来的指令生成控制命令，发送控制命令控制热循环装置开始对样品进行热循环操作；

步骤3：在每个热循环周期中，根据用户端发送过来的指令，控制板发送控制命令控制光学照明与探测装置激发样品并收集荧光信号；

步骤4：在每个热循环周期中，根据用户端发送来的指令，控制板发送控制命令控制数据采集单元进行荧光信号采集；

步骤5：在每个热循环周期中，用户端对数据采集单元采集到的信息进行分析，生成分析数据，实时的向用户反馈，并将分析生成的数据信息进行加密后发送至云端；云端接收该数据信息进行解密后，存储在存储单元中；

步骤6：在热循环运行了预先设定的周期后，控制板发送指令停止运行热循环装置以及光学照明与探测装置，并将反馈信息发送到用户端，通知用户该次操作结束，用户端对该次操作所得的所有数据进行分析，将结果向用户反馈并加密发送至云端；

步骤7：当用户需要对某次采集的数据信息进行调取和使用时，发送数据信息请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户需要调取的数据信息进行检索，将检索到的数据信息发送至用户端；

步骤8：当用户需要对一段时间内的多条采集数据进行综合比对分析时，发送请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户请求的该时间段内的所有采集数据进行综合比对分析，然后将综合比对分析结果发送至用户端。

所述用户端为手机/平板电脑和安装于手机/平板电脑上的操作软件；所述解密的方法和对应的加密方法为：对称加/解密和非对称加/解密。

本发明实施例3中提供了一种新型PCR实时定量测量系统及方法，系统结构如图1所示：

一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述系统包括：云端、用户端、控制板、光学照明与探测系统、热循环装置和样品台；所述云端包括：云端数据传输单元、检索单元、存储单元和大数据分析单元； 所述用户端包括：数据采集单元、数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元。

所述云端数据传输单元分别信号连接于用户端、检索单元和存储单元，用于接收来自用户的数据信息和发送云端的数据信息至用户端；所述检索单元分别信号连接于存储单元和云端数据传输单元，用于根据用户端的检索请求进行信息检索；所述大数据分析单元信号连接于存储单元，用于对存储单元中的数据信息进行大数据分析。

所述数据采集单元分别信号连接于光学照明与探测系统和数据传输单元，用于采集光学照明与探测系统中采集到的荧光信号；所述数据传输单元分别信号连接于分析单元和数据采集单元，用于将数据采集单元采集到的荧光信号发送给分析单元；所述分析单元分别信号连接于数据传输单元和处理单元，用于分析接收到的荧光信号；将分析结果发送至处理单元；所述处理单元分别信号连接于分析单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元，用于处理来自分析单元发送过来的分析结果，将处理后的分析结果发送至加密单元，以及根据用户的需求，发送精度控制命令至精度调节单元，发送时间控制命令至时间调节单元，发送温度控制命令至热调节单元；所述加密单元分别信号连接于处理单元和云端数据传输单元，用于对处理后的分析结果进行加密，将加密后的结果发送至云端数据传输单元。

所述控制板分别信号连接于精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测装置和热循环装置，用于根据精度调节单元发送过来的精度控制命令控制数据采集单元的采集精度，根据时间调节单元发送过来的时间控制命令控制光学照明与探测装置的照明时间和探测时间，根据热调节单元发送过来的热控制命令控制热循环装置的加热温度。

所述光学照明与探测系统分别信号连接于数据采集单元、样品台和控制板；用于根据控制板发送过来的控制命令光学激发样品产生荧光信号，再收集荧光信号；所述热循环装置分别信号连接于控制板和样品台，用于根据控制板发送过来的控制命令对样品进行升温降温的循环过程，实现PCR扩增；

所述云端数据传输单元包括：传输单元和解密单元；所述传输单元分别信号连接于加密单元、解密单元、存储单元和检索单元，用于接收来自用户端的数据信息，将接收到的数据信息发送至解密单元，以及获取存储单元和检索单元的数据信息，将获取的数据信息发送至用户端；所述解密单元，用于对用户端加密后的数据信息进行解密，将解密后的数据信息发送至存储单元。

一种基于权利要求1至6之一所述系统的新型PCR实时定量检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:

步骤1：用户通过用户端发出控制指令，将需要运行的指令发送至控制板；

步骤2：控制板根据用户端发送过来的指令生成控制命令，发送控制命令控制热循环装置开始对样品进行热循环操作；

步骤3：在每个热循环周期中，根据用户端发送过来的指令，控制板发送控制命令控制光学照明与探测装置激发样品并收集荧光信号；

步骤4：在每个热循环周期中，根据用户端发送来的指令，控制板发送控制命令控制数据采集单元进行荧光信号采集；

步骤5：在每个热循环周期中，用户端对数据采集单元采集到的信息进行分析，生成分析数据，实时的向用户反馈，并将分析生成的数据信息进行加密后发送至云端；云端接收该数据信息进行解密后，存储在存储单元中；

步骤6：在热循环运行了预先设定的周期后，控制板发送指令停止运行热循环装置以及光学照明与探测装置，并将反馈信息发送到用户端，通知用户操作结束，用户端对操作所得的所有数据进行分析，将结果向用户反馈并加密发送至云端；

步骤7：当用户需要对某次采集的数据信息进行调取和使用时，发送数据信息请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户需要调取的数据信息进行检索，将检索到的数据信息发送至用户端；

步骤8：当用户需要对一段时间内的多条采集数据进行综合比对分析时，发送请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户请求的该时间段内的所有采集数据进行综合比对分析，然后将综合比对分析结果发送至用户端。

所述用户端为手机/平板电脑和安装于手机/平板电脑上的操作软件；所述解密的方法和对应的加密方法为：对称加/解密和非对称加/解密。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述系统包括：云端、用户端、控制板、光学照明与探测系统、热循环装置和样品台；

所述云端包括：云端数据传输单元、检索单元、存储单元和大数据分析单元；

所述用户端包括：数据采集单元、数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元；

所控制板分别信号连接有精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测系统、热循环装置；所述光学照明与探测系统和热循环装置分别与样品台信号连接；所述光学照明与探测系统与数据采集单元信号连接；所述数据采集单元依次与数据传输单元、分析单元、处理单元、加密单元信号连接；所述处理单元信号连接有精度调节单元、时间调节单元和热调节单元；所述加密单元与云端数据传输单元信号连接；所述云端数据传输单元分别与存储单元、检索单元信号连接；所述存储单元分别与检索单元和大数据分析单元信号连接。

2.如权利要求1所述的一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述云端数据传输单元分别信号连接于用户端、检索单元和存储单元，用于接收来自用户的数据信息和发送云端的数据信息至用户端；所述检索单元分别信号连接于存储单元和云端数据传输单元，用于根据用户端的检索请求进行信息检索；所述大数据分析单元信号连接于存储单元，用于对存储单元中的数据信息进行大数据分析。

3.如权利要求2所述的一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述数据采集单元分别信号连接于光学照明与探测系统和数据传输单元，用于采集光学照明与探测系统中采集到的荧光信号；所述数据传输单元分别信号连接于分析单元和数据采集单元，用于将数据采集单元采集到的荧光信号发送给分析单元；所述分析单元分别信号连接于数据传输单元和处理单元，用于分析接收到的荧光信号；将分析结果发送至处理单元；所述处理单元分别信号连接于分析单元、加密单元、精度调节单元、时间调节单元和热调节单元，用于处理来自分析单元发送过来的分析结果，将处理后的分析结果发送至加密单元，以及根据用户的需求，发送精度控制命令至精度调节单元，发送时间控制命令至时间调节单元，发送温度控制命令至热调节单元；所述加密单元分别信号连接于处理单元和云端数据传输单元，用于对处理后的分析结果进行加密，将加密后的结果发送至云端数据传输单元。

4.如权利要求3所述的一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述控制板分别信号连接于精度调节单元、时间调节单元、热调节单元、数据采集单元、光学照明与探测装置和热循环装置，用于根据精度调节单元发送过来的精度控制命令控制数据采集单元的采集精度，根据时间调节单元发送过来的时间控制命令控制光学照明与探测装置的照明时间和探测时间，根据热调节单元发送过来的热控制命令控制热循环装置的加热温度。

5.如权利要求4所述的一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述光学照明与探测系统分别信号连接于数据采集单元、样品台和控制板；用于根据控制板发送过来的控制命令光学激发样品产生荧光信号，再收集荧光信号；所述热循环装置分别信号连接于控制板和样品台，用于根据控制板发送过来的控制命令对样品进行升温降温的循环过程，实现PCR扩增。

6.如权利要求5所述的一种新型PCR实时定量测量系统，其特征在于，所述云端数据传输单元包括：传输单元和解密单元；所述传输单元分别信号连接于加密单元、解密单元、存储单元和检索单元，用于接收来自用户端的数据信息，将接收到的数据信息发送至解密单元，以及获取存储单元和检索单元的数据信息，将获取的数据信息发送至用户端；所述解密单元，用于对用户端加密后的数据信息进行解密，将解密后的数据信息发送至存储单元。

7.一种基于权利要求1至6之一所述系统的新型PCR实时定量检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:

步骤1：用户通过用户端发出控制指令，将需要运行的指令发送至控制板；

步骤2：控制板根据用户端发送过来的指令生成控制命令，发送控制命令控制热循环装置开始对样品进行热循环操作；

步骤3：在每个热循环周期中，根据用户端发送过来的指令，控制板发送控制命令控制光学照明与探测装置激发样品并收集荧光信号；

步骤4：在每个热循环周期中，根据用户端发送来的指令，控制板发送控制命令控制数据采集单元进行荧光信号采集；

步骤5：在每个热循环周期中，用户端对数据采集单元采集到的信息进行分析，生成分析数据，实时的向用户反馈，并将分析生成的数据信息进行加密后发送至云端；云端接收该数据信息进行解密后，存储在存储单元中；

步骤6：在热循环运行了预先设定的周期后，控制板发送指令停止运行热循环装置以及光学照明与探测装置，并将反馈信息发送到用户端，通知用户操作结束，用户端对操作所得的所有数据进行分析，将结果向用户反馈并加密发送至云端；

步骤7：当用户需要对某次采集的数据信息进行调取和使用时，发送数据信息请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户需要调取的数据信息进行检索，将检索到的数据信息发送至用户端；

步骤8：当用户需要对一段时间内的多条采集数据进行综合比对分析时，发送请求命令至云端，云端接收到该命令后，对用户请求的该时间段内的所有采集数据进行综合比对分析，然后将综合比对分析结果发送至用户端。

8.如权利要求7所述的一种新型PCR实时定量测量方法，其特征在于，所述用户端为手机/平板电脑和安装于手机/平板电脑上的操作软件；所述解密的方法和对应的加密方法为：对称加/解密和非对称加/解密。