CN106119426A - 快速pcr扩增仪控温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速PCR扩增仪控温方法，涉及DNA扩增领域，位于风机组件中风筒进风位置的加热机构启动加热，加热机构加热的空气经风筒吹送在壳体内部流动并形成热循环风场，PCR管由热循环风场中的空气进行加热升温；降温时风机组件出风，并开启进风门和出风门，壳体外部的冷空气由进风门进入壳体后被风机组件吹送，在壳体内部循环流动，再由出风门排出。本发明使得PCR扩增仪升降温速率更快，有效缩短PCR扩增时间，PCR扩增效率高；能减小实验中杂带的出现几率，并且有助于提升实验结果准确度、安全系数高。

Description

快速PCR扩增仪控温方法
技术领域
本发明涉及DNA扩增领域，尤其是一种快速PCR扩增仪控温方法。
背景技术
聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，简称PCR)是80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术，它具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点，其原理类似于DNA的体内复制，只是在PCR管中给DNA的体外合成提供一种合适条件。经过多年的发展，这一技术已经非常成熟，现在已经是分子生物学研究和临床诊断领域中最重要和最常用的技术，PCR扩增仪的出现则使得该技术实现了自动化，并使得PCR技术的应用更加广泛，例如在诊断遗传性疾患、检测临床标本中病原体的核酸、对法医标本作遗传学鉴定，以及分析激活癌基因中的突变情况等方面获得了广泛的应用。与此同时，针对不同的应用领域，PCR扩增仪也发展为很多种类型，但PCR扩增仪还面临着许多挑战。
现有技术中的PCR扩增仪实现变温是由半导体制冷片和导热模块完成的，通过在导热模块中的测温探头采集温度后，通过PID控温方式直接控温，导热模块温度达到目标温度后，保持不变，而PCR管内溶液的升温有滞后性，并且随着PCR管内溶液的温度接近目标温度内外温差越来趆小，升温越来趆慢，每一次升温或降温都需要几十秒，做30个PCR循环需要2.5小时左右，其最大升降温速率为2-3度/秒，这种升降温速率会导致完成PCR扩增所需的时间延长，PCR扩增效率低，且还可能使得实验中杂带增多，影响实验结果的准确性；另一方面，在PCR管放入导热模块进行传热，PCR管无法做到管壁与导热模块紧密帖合，两者之间会有间隙，而空气的导热系数很低，同样的试验条件，不同PCR管的结果会产生差异，影响实验结果的准确性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种快速PCR扩增仪控温方法。
技术方案：一种快速PCR扩增仪控温方法，包括如下步骤：放入PCR管(25)，设置PCR扩增仪的升降温参数，升降温参数包括目标温度，对PCR管(25)进行升降温；
升温时：
(1.1)快速PCR扩增仪壳体(1)内部的风机组件出风，位于风机组件中风筒(6)进风位置的加热机构启动加热，加热机构加热的空气经风筒(6)吹送在壳体(1)内部流动并形成热循环风场，PCR管(25)在热循环风场中加热升温，当风场中的空气温度高于目标温度，对风场中的空气温度进行PID恒温控制；
(1.2)实时检测PCR管(25)的温度；
(1.3)当检测到的PCR管(25)温度处于目标温度与误差值之差的范围内，对PCR管(25)进行PID恒温控制；
降温时：
(2.1)风机组件出风，并开启进风门(33)和出风门(34)，壳体(1)外部的冷空气由进风门(33)进入壳体(1)后被风机组件吹送，在壳体(1)内部流动，再由出风门(34)排出；
(2.2)实时检测PCR管(25)的温度；
(2.3)当检测到的PCR管(25)温度处于目标温度与误差值之和的范围内，关闭进风门(33)和出风门(34)，对PCR管(25)进行PID恒温控制。
所述步骤(1.1)中风场中的空气温度高于目标温度5℃-20℃。
所述风场中的空气温度由风场中的空气测温探头(35)测得。
所述步骤(1.2)和(2.2)中所述实时检测PCR管(25)的温度具体是通过实时检测模拟样本的温度实现，模拟样本模拟了在PCR管(25)中溶液的热容，模拟样本中的模拟探头(36)实现温度检测。
所述放入PCR管(25)具体为将放入的PCR管(25)其轴线方向与壳体(1)的高度方向平行。
根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述PCR扩增的升降温参数还包括恒温时间。
步骤(1.3)中所述的误差值为0.1℃—2℃。
步骤(2.2)中所述的误差值为0.1℃—2℃。
所述风机组件出风的风速不小于3M/S。
当壳体(1)内部温度达到温度开关(30)的设定温度时，温度开关(30)断开，切断供电回路；当壳体(1)内部温度达到温度开关(30)的设定温度且温度开关(30)仍不能切断供电回路继续升温时，温度保险丝(31)熔断，切断供电主回路。
有益效果：本发明提供的一种双温双控的控温方法，先以空气温度作为参考，升温时将PCR扩增仪壳体内的空气温度控制在一个相对高的水平，降温时将PCR扩增仪壳体内的空气温度控制在一个相对低的水平，目的是使得PCR管内温度迅速达到设定值，升降温时，通过PID控温转换温度参考对象，以PCR管温度作为参考，并对PCR管温度进行恒温控制。本发明的方法使得PCR扩增仪升降温速率更快，有效缩短PCR扩增时间，PCR扩增效率高；能减小实验中杂带的出现几率，并且有助于提升实验结果准确度、安全系数高。本发明的方法还利用在壳体内部形成从下-上-下的热风循环风场，来进一步提高PCR管的升降温速率；同时将PCR管的轴线方向与壳体的高度方向平行，使得PCR管的轴线方向与风场平行，相对于PCR管来说，风场变成了平行风场，与现有技术中PCR管的轴线与风场垂直的设计相比，有利于减小对PCR管的风阻，进一步提高了升降温速率。
附图说明
图1是本发明中快速PCR扩增仪的结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是本发明中快速PCR扩增仪中风筒的安装示意图；
图4是本发明中快速PCR扩增仪中开门组件的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明中快速PCR扩增仪中开门组件的立体图；
图7是本发明中快速PCR扩增仪中快速PCR扩增仪的结构示意图；
图8是本发明中快速PCR扩增仪中加热结构的结构示意图；
图9是本发明原理示意图；
图10是本发明的实时温控曲线图。
具体实施方式
下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
图1所示，本发明所述的一种快速PCR扩增仪控温方法所采用的快速PCR扩增仪，如包括壳体1，且该壳体1包括首尾依次相连的第一侧板2、第二侧板3、第三侧板4和第四侧板5，而壳体1内部还设有风机组件；该风机组件包括风筒6和隔板7，其中，如图3所示，风筒6的一端通过轴承8与第一侧板2相连，且风筒6的另一端依次通过第三侧板4和驱动机构安装板9连接有第一驱动机构10，该驱动机构安装板9的设置方便了第一驱动机构10与第三侧板4和风筒6的安装；该隔板7位于壳体1内部的中心位置，且该隔板7与第二侧板3之间设有加热机构11，而加热机构11位于风筒6的进风位置。
上述第四侧板5上设有开口及与该开口配合的开门组件。如图4、图5和图6所示，该开门组件包括机构安装板12，该机构安装板12上设有第二驱动机构、垂直滑轨13和传动机构，且该第二驱动机构包括电机16、同步带17和同步轮18，而该传动机构包括驱动杆19、横向滑轨20和通过销轴22设置在机构安装板12上的摆杆21；其中，电机16通过同步轮18与同步带17传动相连，横向滑轨20的一端通过设置在机构安装板12上的滑块23与同步带17传动相连，横向滑轨20与设置在机构安装板12上的滑块23滑动配合，作直线运动，通过驱动杆19与同步带17传动相连，完成了驱动力的传递，该横向滑轨20的一端与驱动杆19相连；摆杆21的一端与驱动杆19传动相连，具体为：摆杆21上设有C型槽2(1.1)，且驱动杆19上的轴承与C型槽2(1.1)滑动配合，摆杆21的另一端与门挡板14的一端传动连接，而门挡板14通过滑座1与垂直滑轨13滑动配合，该横向滑轨20还与PCR管支架安装板15相连。
上述门挡板14位于PCR管支架安装板15外侧，且该PCR管支架安装板15上设有PCR管支架24，而该PCR管支架24上还安装有PCR管25，且该PCR管25的轴线方向与壳体1的高度方向平行。
如图1和图2所示，上述第四侧板5上设有PCR管盖板26，该PCR管盖板26位于上述PCR管25上方，且该PCR管盖板26的底端设有至少一个锯齿结构27，当安装有PCR管25的PCR管支架24进入风场后，PCR管盖板26正好压住PCR管25的管盖，这样就可以避免受热过程中PCR管盖因为PCR管25内温度升高气体膨胀而被冲脱，保证了实验操作过程中的安全可靠性；而在该PCR管盖板26的底端设置至少一个锯齿结构27，每个锯齿结构27对应一个PCR管25，可以增大PCR管盖板26对PCR管25管盖的压力，进一步保证实验操作过程中的安全可靠性。上述机构安装板12上还设有位置传感器28，该位置传感器28用于采集该开门组件的位置信息，并将该位置信息发送给处理器，以方便调整该开门组件的位置。另外，可采用电机作为第一驱动机构。
如图7和图8所示，加热机构11包括通过支撑螺杆32设置在第二侧板3上的至少一组电热丝29，具体为两组电热丝29，且在相邻两组电热丝29之间设有温度开关30和温度保险丝31；其中，该温度开关30的常闭触点串联在供电的接触器线圈回路中，而该温度保险丝31串联在电热丝29的供电主回路中。
在本发明所采用的快速PCR扩增仪中风筒6的一端与第一侧板相连，且风筒6的另一端通过第三侧板4连接有第一驱动机构，与现有技术中将风筒6设置在壳体1外部的设计相比，增强了壳体1的密封效果，减小风筒6的热容，有助于提高所述快速PCR扩增仪的升降温速率，能缩短PCR扩增时间和提高PCR扩增效率，还能减小实验中杂带的出现几率，有助于提升实验结果的准确度；加热机构11设置在隔板7与第二侧板3之间，且该加热机构11位于风筒6的进风位置，当风筒6和加热机构11工作时，风筒6产生的风能最大限度地将加热机构11产生的热量带走，在很大程度上提高了热交换的速率，进一步提高了所述快速PCR扩增仪的升降温速率；另外，加热机构11位于风筒6的进风位置的设计使得壳体1内部形成了从下-上-下的热风循环，即在壳体1内部形成了下-上-下的风场；在第四侧板5上设有开口及与该开口配合的开门组件，可以实现将安装在PCR管支架24安装板上的PCR管支架24自动伸出壳体1和退回壳体1内部的目的，不仅使得所述快速PCR扩增仪能够实现自动开门、关门动作，而且还方便了PCR管25与PCR管支架24之间的安装和拆卸，使用十分方便；加热机构11包括至少一组电热丝29，且在相邻两组电热丝29之间设有温度开关和温度保险丝31；该温度开关的常闭触点串联在供电的接触器线圈回路中，而温度保险丝31串联在电热丝29的供电主回路中；一旦所述快速PCR扩增仪的控制系统失控，达到温度开关的设定温度，温度开关的常闭触点就会断开，使得供电的接触器线圈断电，切断供电回路，达到保护的目的；在更严重的情况下，如果该温度开关的动作仍不能切断电源，温度升高到温度保险丝31的设定温度时，该温度保险丝31就会熔断，切断电热丝29的供电主回路，确保所述快速PCR扩增仪的安全，安全系数高。
如图9所示，本发明所述的一种快速PCR扩增仪控温方法，包括如下步骤：
放入PCR管25，具体是将PCR管25放入壳体1内部的PCR管支架24上，使得PCR管25其轴线方向与壳体1的高度方向平行，即PCR管25的轴线方向与风场平行，相对于PCR管25来说，风场变成了平行风场，与现有技术中PCR管25的轴线与风场垂直的设计相比，有利于减小对PCR管25的风阻，进一步提高了升降温速率，从而缩短了PCR扩增时间、提高了PCR扩增效率，还能进一步减小实验中杂带的出现几率，有助于提升实验结构的准确度。
系统初始化，设置PCR扩增仪的参数，包括目标温度、恒温时间等升降温参数。对PCR管25进行升降温，升温则按以下步骤进行：
(1.1)快速PCR扩增仪壳体1内部的风机组件出风，位于风机组件中风筒6进风位置的加热机构11启动加热，加热机构11加热的空气经风筒6吹送在壳体1内部流动并形成热循环风场，PCR管25由热循环风场中的空气进行加热升温，当热循环风场中的空气测温探头(35)测得的空气温度高于目标温度，本实施例中选取空气温度高于目标温度5℃-20℃，对风场中的空气温度进行PID恒温控制。空气温度与目标温度差值过小起不到快速变温的目的；而差值过大，会带来超调大、PCR管变形等安全隐患，其既能达到快速变温的效果且保障安全。空气温度由热循环风场中的空气测温探头35测得。“快速PCR扩增仪壳体1内部的风机组件出风，位于风机组件中风筒6进风位置的加热机构11启动加热”对出风和加热顺序没有限制，以上出风和加热可同时进行，也可先后进行，其先后进行的顺序也可对换。另外，为了降低壳体1的热容对风场升降温过程的影响，在壳体1内侧风道部位涂有绝热涂料。风机组件出风的风速不小于3M/S，本实施例中风速达到6-8M/S。
(1.2)实时检测PCR管25的温度，具体是通过实时检测模拟样本的温度实现，模拟样本模拟了在PCR管25中溶液的热容，模拟样本中的模拟探头36实现温度检测，本实施例中的模拟样本模拟了在PCR管25中20μL溶液的热容，相当于在PCR管25中加入20μL被试样品，这时模拟探头36采集的温度接近真实样品内的温度，若实际操作时模拟样本中的溶液大于20μL，则设定的PCR管25恒温时间需相应的延长；
(1.3)当检测到的PCR管25温度处于目标温度与误差值之差的范围内，控制系统对PCR管25进行PID恒温控制，误差值在0.1℃—2℃范围内，本实施例中误差值为1℃，本发明中所述PID恒温控制均为现有技术，具体是利用MCU通过温度传感器反馈回来的温度与实际被控温度之间的差值，计算并输出相应PWM脉冲宽度调制波，并且不停地调整加热占空比，从而实现对系统的恒温控制。
若需降温则按以下步骤进行：
(2.1)风机组件出风，并开启进风门33和出风门34，壳体1外部的冷气由进风门33进入壳体1后被风机组件吹送，在壳体1内部流动，再由出风门34排出，如图中所示，距离风筒6较近、在风场中处于下端位置的风门即进风门33，距离风筒6较远、在风场中处于上端位置的风门即出风门34；
(2.2)实时检测PCR管25的温度，具体是通过实时检测模拟样本的温度实现，模拟样本模拟了在PCR管25中溶液的热容，模拟样本中的模拟探头36实现温度检测；
(2.3)当检测到的PCR管25温度处于目标温度与误差值之和的范围内，关闭进风门33和出风门34，误差值在0.1℃—2℃范围内，本实施例中误差值为1℃。
系统工作的整个过程中，为了确保安全，当PCR扩增仪在控温失控状态下，腔内的温度达到温度开关(30)的设定温度时，温度开关(30)断开，切断供电回路，达到保护的目的；在更严重的情况下，当腔内的温度达到温度开关(30)的设定温度且温度开关(30)仍不能切断供电回路继续升温时，温度保险丝(31)熔断，切断供电主回路，确保所述快速PCR扩增仪的安全。
如图10所示，以具体实施例说明本发明实现的双温双控的控温方法。本实施例控制溶液的容量为20ul，实验的环境温度为25℃，图中虚线表示空气的实时温度，实线表示模拟探头测得的PCR管实时温度。
本实施例设定的“高温”和“低温”目标温度分别是92℃和55℃。实验仪器要求控制空气的最高温度不能超过120℃，否则有损坏仪器的危险。其原理在于：首先将空气温度控制在高于目标温度20℃附近，此时PID恒温控制的对象是空气温度。当模拟探头的温度小于目标温度1℃时，PID恒温控制转换对象为模拟探头温度，并将模拟探头温度控制在目标温度附近。
首先PCR扩增仪加热，风机组件出风，热循环风场使得空气升温，PCR管25通过空气加热升温，当风场中的空气测温探头35测得的空气温度比“高温”目标温度92℃高20℃时，对风场中的空气温度进行PID恒温控制，即控制空气的温度保持在112℃左右持续，当模拟PCR管的模拟样本中的模拟探头36检测的温度比“高温”目标温度92℃低1℃时，转换PID恒温控制对象为模拟探头温度，并将模拟探头温度控制在“高温”目标温度92℃左右持续，持续时间为设定的恒温时间。进入下一个“低温”目标温度55℃降温温控过程，此过程需要将模拟探头温度从92℃降至55℃，这个控制过程是关闭加热机构，风机组件出风，并开启进风门(33)和出风门(34)，壳体1外部的冷空气由进风门33进入壳体1后被风机组件吹送，在壳体(1)内部流动，再由出风门34排出，通过PCR扩增仪外部空气降温，当模拟探头测得的温度降至比“低温”目标温度55℃高1℃时，关闭进风门33和出风门34，PID恒温控制模拟探头温度保持在55℃，之所以提前控制模拟探头测的温度是避免模拟探头温度曲线产生过冲；控制PCR模拟探头温度在55℃持续设定的恒温时间后该过程结束。后续如果还需升温或者降温，按照前述的升降温进行双温双控。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，包括如下步骤：放入PCR管(25)，设置PCR扩增仪的升降温参数，升降温参数包括目标温度，对PCR管(25)进行升降温；
升温时：
(1.1)快速PCR扩增仪壳体(1)内部的风机组件出风，位于风机组件中风筒(6)进风位置的加热机构启动加热，加热机构加热的空气经风筒(6)吹送在壳体(1)内部流动并形成热循环风场，PCR管(25)在热循环风场中加热升温，当风场中的空气温度高于目标温度，对风场中的空气温度进行PID恒温控制；
(1.2)实时检测PCR管(25)的温度；
(1.3)当检测到的PCR管(25)温度处于目标温度与误差值之差的范围内，对PCR管(25)进行PID恒温控制；
降温时：
(2.1)风机组件出风，并开启进风门(33)和出风门(34)，壳体(1)外部的冷空气由进风门(33)进入壳体(1)后被风机组件吹送，在壳体(1)内部流动，再由出风门(34)排出；
(2.2)实时检测PCR管(25)的温度；
(2.3)当检测到的PCR管(25)温度处于目标温度与误差值之和的范围内，关闭进风门(33)和出风门(34)，对PCR管(25)进行PID恒温控制。
2.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中风场中的空气温度高于目标温度5℃-20℃。
3.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述风场中的空气温度由风场中的空气测温探头(35)测得。
4.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述步骤(1.2)和(2.2)中所述实时检测PCR管(25)的温度具体是通过实时检测模拟样本的温度实现，模拟样本模拟了在PCR管(25)中溶液的热容，模拟样本中的模拟探头(36)实现温度检测。
5.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述放入PCR管(25)具体为将放入的PCR管(25)其轴线方向与壳体(1)的高度方向平行。
6.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述PCR扩增的升降温参数还包括恒温时间。
7.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，步骤(1.3)中所述的误差值为0.1℃—2℃。
8.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，步骤(2.2)中所述的误差值为0.1℃—2℃。
9.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，所述风机组件出风的风速不小于3M/S。
10.根据权利要求1所述的快速PCR扩增仪控温方法，其特征在于，当壳体(1)内部温度达到温度开关(30)的设定温度时，温度开关(30)断开，切断供电回路；当壳体(1)内部温度达到温度开关(30)的设定温度且温度开关(30)仍不能切断供电回路继续升温时，温度保险丝(31)熔断，切断供电主回路。
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