CN107193304A - 一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置 - Google Patents

一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置 Download PDF

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Abstract

一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，包括温度控制模块、气体循环模块和多功能样品仓，温度控制模块与气体循环模块嵌合，温度控制模块的温度扩散器与气体循环模块的左侧气流通道、右侧气流通道相通；左侧气流通道的出口与多功能样品仓的样品仓入口相连并密封，右侧气流通道的入口与多功能样品仓的样品仓出口相连并密封；多功能样品仓的内部腔体的底部与气体循环模块的绝热层重合并固定；温度控制模块的加热元件采用半导体发热元件，半导体元件通过控制电流来控制温度的升高或降低，本发明具有低能耗、高能效、对环境影响小、自动化程度高的优点。

Description

一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置
技术领域
本发明涉及生物化学样品的温度控制技术领域，具体涉及一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置。
背景技术
在生物化学实验中，对某种样品进行温度控制是很普遍的需求。传统温控装置主要采用固体或液体作为热传导介质，热源提供的热量经由某种热传导介质传递给样品，从而实现对样品的温度控制。然而，生化样品的外部形状复杂多变，样品材质也多种多样，由此导致固体传热介质很难与样品良好接触，导致热传导效率不足，而液体传热介质又有可能破坏样品结构，只能用于少数特定材质的样品。
在这种情况下，气体传热凭借其热流动性强、与样品接触性好、对样品影响程度低的优点开始受到越来越多的关注。目前，基于气体传热的温控装置有很多，常见主要包括冷/暖风机、氮气温箱、烘箱等，这些装置在实际使用过程中普遍存在以下几个弊端：
1)能耗高：现有温控装置的热源大多采用电阻丝加热，冷源则依赖于压缩机制冷，其功率普遍在数千瓦左右，属于高能耗产品；基于氮气进行制冷需要消耗大量液氮，液氮的制备和储存都需要耗费大量能量和资源。
2)能源利用效率低：许多装置的都是从外界环境中抽取空气并加热/制冷到指定温度，然后依靠高温/低温空气与样品表面接触，从而实现对样品的温度控制。流经样品的空气真正能与样品实际接触的只是一小部分，大部分高温/低温气体都未能与样品发生热交换，导致大量热量损耗在装置结构和环境中。
3)对实验环境影响很大：无论是冷源工作时的散热，还是加热装置工作时热量的耗散，都不可避免地对外界环境放出大量热，严重影响了实验室环境温度；压缩机等设备还会产生噪音，不利于实验人员工作。
4)自动化程度低：现有温控装置大多只能设置将样品加热或降温到某一指定温度，而无法具体设定温控过程的温度变化速率；对于具有加热/制冷双向温控需求的样品，单一温控装置往往难以满足要求，需要操作人员人工转移样品，这对于长时间的温度控制实验而言很不方便。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，具有低能耗、高能效、对环境影响小、自动化程度高的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，包括温度控制模块1、气体循环模块2和多功能样品仓3，温度控制模块1与气体循环模块2嵌合在一起，温度控制模块1的温度扩散器103与气体循环模块2的左侧气流通道201、右侧气流通道204相通；左侧气流通道201的出口与多功能样品仓3的样品仓入口310相连并密封，右侧气流通道204的入口与多功能样品仓3的样品仓出口310相连并密封；多功能样品仓3的内部腔体304的底部与气体循环模块2的绝热层206重合并固定。
所述的温度控制模块1包括加热元件105，加热元件105的上表面与温度扩散器103的下表面紧密接触，加热元件105的下表面与散热片107的上表面紧密接触；温度扩散器103的齿片两端固定有一对气体循环风扇102，散热片107的齿片两端固定有一对散热风扇108；加热元件105的控制端通过导线104与温度控制器101的输出端连接；温度控制器101的输入端和前温度传感器106、后温度传感器104的信号输出端连接，前温度传感器106固定在多功能样品仓3的样品仓入口310处，后温度传感器104固定在多功能样品仓3的样品仓出口311处。
所述的加热元件105采用半导体发热元件，半导体元件通过控制电流来控制温度的升高或降低。
所述的气体循环模块2包括通过绝热层206连接的左侧气体通道201和右侧气体通道204，绝热层206将左侧气体通道201和右侧气体通道204分隔为上下两部分，上半部分与温度扩散器103和多功能样品仓3相通并保持密闭，下半部分与散热片107相通并经过左右两个散热通风口207与大气外界环境相通；左侧气体通道201的出口与样品仓入口310相连接并安装有样品仓入口风扇203，右侧气体通道204的入口与样品仓出口311相连接并安装有样品仓出口风扇205；左侧气体通道201的入口和右侧气体通道204的出口通过温度扩散器103相连通，气体管道的各个连接处均采取密封措施以保证装置内部气密性，气体管道的内壁均覆盖有隔热材料以减少内部气体热量损耗。
所述的左侧气体通道201、右侧气体通道204为内部中空的管道，内壁上均匀地分布有气流扰动板202。
所述的多功能样品仓3包括内部腔体304和样品仓盖301，样品仓盖301中部为透明观测窗口303，样品仓盖301与内部腔体304的扣合处固定有密封垫圈302；内部腔体304的左右两端为样品仓入口310和样品仓出口311，样品仓入口310、样品仓出口311与气体循环模块2连通；样品仓入口310、样品仓出口311处各预留一个温度传感器安装孔，前温度传感器106和后温度传感器104透过该安装孔伸入内部腔体304中，实时检测内部腔体304内部的气体温度。
所述的内部腔体304具有多种功能接口，多种功能接口包括保护气体接口307、真空泵接口308，根据样品需要安装激光头305及激光功率控制器309，或由保护气体接口307通入保护气体。
本发明的主要优点在于：
1)本发明采用完全密闭的气体通道，在工作时可以实现气体的内部循环，减少了与外界环境的热交换，从而提高了装置的能源利用效率，降低了工作能耗，同时避免了某些特殊样品对实验环境的污染。
2)本发明采用半导体发热元件，可在独立装置中实现对样品的加热或制冷控制(理论上，其温控范围可以达到-45℃～120℃)，避免了传统加热/制冷方法所需要的复杂外部设备，减小了装置体积，提高了空间利用率，具有结构简单、成本低廉的特点。
3)半导体元件是通过控制电流来控制温度的升高或降低，辅以温度传感器实时监测样品温度，易于实现遥控、程控、计算机控制，便于构建自动化温控系统，有效降低了人工操作复杂性，提高了温控效率。
附图说明
图1是本发明的总体结构图。
图2是本发明温度控制模块结构示意图。
图3是本发明气体循环模块结构示意图。
图4是本发明多功能样品仓结构示意图。
图5是本发明的应用例一示意图。
图6是本发明的应用例二示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做详细描述。需要注意的是，以下实施例只作为本发明的在某些情况下可能的应用方式，并非限制本发明再应用于其他可能的情况。
参照图1、图2、图3和图4，一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，包括温度控制模块1、气体循环模块2和多功能样品仓3，温度控制模块1与气体循环模块2嵌合在一起，温度控制模块1的温度扩散器103与气体循环模块2的左侧气流通道201、右侧气流通道204相通；左侧气流通道201的出口与多功能样品仓3的样品仓入口310相连并密封，右侧气流通道204的入口与多功能样品仓3的样品仓出口310相连并密封；多功能样品仓3的内部腔体304的底部与气体循环模块2的绝热层206重合并通过螺钉固定。
参照图2，所述的温度控制模块1包括加热元件105，加热元件105的上表面与温度扩散器103的下表面紧密接触，加热元件105的下表面与散热片107的上表面紧密接触；温度扩散器103的齿片两端固定有一对气体循环风扇102，散热片107的齿片两端固定有一对散热风扇108；加热元件105的控制端通过导线104与温度控制器101的输出端连接；温度控制器101的输入端和前温度传感器106、后温度传感器104的信号输出端连接，前温度传感器106固定在多功能样品仓3的样品仓入口310处，后温度传感器104固定在多功能样品仓3的样品仓出口311处。
所述的加热元件105采用半导体发热元件，半导体元件通过控制电流来控制温度的升高或降低。
参照图3，所述的气体循环模块2包括通过绝热层206连接的左侧气体通道201和右侧气体通道204，绝热层206将左侧气体通道201和右侧气体通道204分隔为上下两部分，上半部分与温度扩散器103和多功能样品仓3相通并保持密闭，下半部分与散热片107相通并经过左右两个散热通风口207与大气外界环境相通；左侧气体通道201的出口与样品仓入口310相连接并安装有样品仓入口风扇203，右侧气体通道204的入口与样品仓出口311相连接并安装有样品仓出口风扇205；左侧气体通道201的入口和右侧气体通道204的出口通过温度扩散器103相连通，气体管道的各个连接处均采取密封措施以保证装置内部气密性，气体管道的内壁均覆盖有隔热材料以减少内部气体热量损耗。
所述的左侧气体通道201、右侧气体通道204为内部中空的管道，内壁上均匀地分布有气流扰动板202。
参照图4，所述的多功能样品仓3包括内部腔体304和样品仓盖301，样品仓盖301中部为透明观测窗口303，样品仓盖301与内部腔体304的扣合处固定有密封垫圈302；内部腔体304的左右两端为样品仓入口310和样品仓出口311，样品仓入口310、样品仓出口311与气体循环模块2连通；样品仓入口310、样品仓出口311处各预留一个温度传感器安装孔，前温度传感器106和后温度传感器104透过该安装孔伸入内部腔体304中，实时检测内部腔体304内部的气体温度。
所述的内部腔体304具有多种功能接口，多种功能接口包括保护气体接口307、真空泵接口308，根据样品需要安装激光头305及激光功率控制器309，或由保护气体接口307通入保护气体。
本发明的工作原理为：
参照图5，应用例一：配合显微镜和二维移动平台观察样品在不同温度下的微观结构变化，打开样品仓盖301，在多功能样品仓3的内部腔体304中增加一个二维移动平台401，将目标样品402准确放置在二维移动平台401上的槽位中，关闭样品仓盖301，确保多功能样品仓3内部已经可靠密封。如有必要，通过真空泵接口308和保护气体接口307通入保护气体。正常工作时，给加热元件105施加以合适的电压，其上、下两面之间会产生一定的温度差(两个表面的温度高低由施加的电压方向决定)，以其上表面作为热源/冷源。在气体循环风扇102的驱动下，气体首先流经温度扩散器103被加热(或冷却)，然后高温/低温气体经过左侧气体通道201进入多功能样品仓3，并与前温度传感器106接触(温度控制器101接收到温度信号)。接下来，气体在样品仓入口风扇203的驱动下与目标样品发生接触并产生热交换，然后经过后温度传感器104(温度控制器101接收到温度信号)，在样品仓出口风扇205的驱动下进入右侧气体通道204，最后回到温度扩散器103，从而完成一个气体循环。
温度控制器101通过分析比较后温度传感器104和前温度传感器106的反馈温度信息，实时调整对加热元件105的输出电压(功率)，从而准确控制循环气体的温度。
当加热元件105的上表面温度较低(即本发明装置处于制冷模式)时，其下表面的温度较高，需要通过散热片107及散热风扇108对其进行对流降温。为了实现对目标样品的实时观测，可以将显微镜403的物镜通过透明观测窗口303对准二维移动平台401上的目标样品402，并调节显微镜403的焦距和二维移动平台401的位置，使得目镜中能观察到清晰的样品局部特征。如有需要，打开激光功率控制器309，对样品施加以特定功率、特定波长的激光。
应用例二：配合改进型多孔板和离心管进行PCR反应。
PCR反应(聚合酶链式反应)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，其技术核心在于快速实现样品的阶梯式温度控制。传统PCR仪器普遍采用固体温块式温控方法，离心管与金属温块接触不紧密，热传导效率低，在很大程度上限制了PCR反应的反应时间和对DNA片段的扩增效率。采用本发明则可以很好的解决上述问题。
参照图6，改进型多孔板501，其内部圆孔502用于装夹标准离心管504，在保证离心管装夹可靠的前提下，去除其内部多余的材料，形成许多通风孔503，以利于气体流动，提高热传递效率。将装有反应物的标准离心管504插入改进型多孔板501的圆孔502，将多孔板501放入多功能样品仓3的内部腔体304中，使标准离心管504的下端正对着气体入口，以利于热传递。如有需要，可以同时放置若干个多孔板。关闭样品仓盖301，启动温度控制模块1和气体循环模块2，对温度控制器101的参数进行设置，使离心管内温度快速升高到变性温度～95℃(为了准确测定离心管内实际温度，可将温度传感器放入某一离心管中进行测量)，保持一段时间；然后改变温度控制器101参数，使离心管内温度快速下降到退火温度～60℃，再保持一段时间；最后改变温度控制器101参数，使离心管内温度快速变化至～70℃，仍旧保持一段时间(装置的具体温度控制过程参见应用例一)。特别地，当要求实际温度达到某一特定值时，可以在开始阶段将目标温度设定的高于(加热)或低于(制冷)该特定值，以求达到更快的温度变化率。此外，还可以实线设定温度控制器101的参数，使其按照一定的规律和速率进行温度循环，从而实现自动化温度控制。

Claims (7)

1.一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，包括温度控制模块(1)、气体循环模块(2)和多功能样品仓(3)，其特征在于：温度控制模块(1)与气体循环模块(2)嵌合在一起，温度控制模块(1)的温度扩散器(103)与气体循环模块(2)的左侧气流通道(201)、右侧气流通道(204)相通；左侧气流通道(201)的出口与多功能样品仓(3)的样品仓入口(310)相连并密封，右侧气流通道(204)的入口与多功能样品仓(3)的样品仓出口(310)相连并密封；多功能样品仓(3)的内部腔体(304)的底部与气体循环模块(2)的绝热层(206)重合并固定。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的温度控制模块(1)包括加热元件(105)，加热元件(105)的上表面与温度扩散器(103)的下表面紧密接触，加热元件(105)的下表面与散热片(107)的上表面紧密接触；温度扩散器(103)的齿片两端固定有一对气体循环风扇(102)，散热片(107)的齿片两端固定有一对散热风扇(108)；加热元件(105)的控制端通过导线(104)与温度控制器(101)的输出端连接；温度控制器(101)的输入端和前温度传感器(106)、后温度传感器(104)的信号输出端连接，前温度传感器(106)固定在多功能样品仓(3)的样品仓入口(310)处，后温度传感器(104)固定在多功能样品仓(3)的样品仓出口(311)处。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的加热元件(105)采用半导体发热元件，半导体元件通过控制电流来控制温度的升高或降低。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的气体循环模块(2)包括通过绝热层(206)连接的左侧气体通道(201)和右侧气体通道(204)，绝热层(206)将左侧气体通道(201)和右侧气体通道(204)分隔为上下两部分，上半部分与温度扩散器(103)和多功能样品仓(3)相通并保持密闭，下半部分与散热片(107)相通并经过左右两个散热通风口(207)与大气外界环境相通；左侧气体通道(201)的出口与样品仓入口(310)相连接并安装有样品仓入口风扇(203)，右侧气体通道(204)的入口与样品仓出口(311)相连接并安装有样品仓出口风扇(205)；左侧气体通道(201)的入口和右侧气体通道(204)的出口通过温度扩散器(103)相连通，气体管道的各个连接处均采取密封措施以保证装置内部气密性，气体管道的内壁均覆盖有隔热材料以减少内部气体热量损耗。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的左侧气体通道(201)、右侧气体通道()204为内部中空的管道，内壁上均匀地分布有气流扰动板(202)。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的多功能样品仓(3)包括内部腔体(304)和样品仓盖(301)，样品仓盖(301)中部为透明观测窗口(303)，样品仓盖(301)与内部腔体(304)的扣合处固定有密封垫圈(302)；内部腔体(304)的左右两端为样品仓入口(310)和样品仓出口(311)，样品仓入口(310)、样品仓出口(311)与气体循环模块(2)连通；样品仓入口(310)、样品仓出口(311)处各预留一个温度传感器安装孔，前温度传感器(106)和后温度传感器(104)透过该安装孔伸入内部腔体(304)中，实时检测内部腔体(304)内部的气体温度。
7.根据权利要求6所述的一种适用于多种生化样品的循环气体温控装置，其特征在于：所述的内部腔体(304)设有多种功能接口，多种功能接口包括保护气体接口(307)、真空泵接口(308)，根据样品需要安装激光头(305)及激光功率控制器(309)，或由保护气体接口(307)通入保护气体。
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