CN108873979B - 热控装置及其热控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热控装置及其热控方法，热控装置包括一控制器以及一加热制冷模块。加热制冷模块包括一温度感测器，用以测量加热制冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；以及一加热制冷器，用以依据来自控制器的一控制信号以调整在第一位置的第一目前温度。控制器是依据在第一位置的第一目前温度以及一温度模型以计算在加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度。控制器还依据所计算出的第二位置的预测温度及一期望温度以自动调整第一位置的一第一目标温度，且控制加热制冷器自动调整第一位置的第一目前温度达到第一目标温度。本发明提供的热控装置可应用于无法用温度感测器来直接测量在待测物件的位置的温度的情境。

Description

热控装置及其热控方法
技术领域
本发明涉及温度控制技术领域，具体而言，涉及一种利用虚拟温度模型及温度推论机制的热控装置及其热控方法。
背景技术
聚合酶连锁反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是一种分子生物学技术，用于扩增特定的脱氧核醣核酸(Deoxyribonucleic Acid，DNA)片段，这种方法可在生物体外进行，不必依赖大肠杆菌或酵母菌等生物体。微生物复制是一个费时耗力的流程，首先要将DNA经限制酶剪裁，再利用接合酵素(Ligase)加到载体(Plasmid)中，之后利用瞬间电击(Electroporation)或是热休克(Heat Shock)的方式，送到大肠杆菌胜任细胞(competentcell)中，将此菌于培养皿大量繁殖培养，再经过繁复的分离、纯化过程，通常需要耗费近一周时间，才能大量复制片段。相较之下，仅需约一小时反应时间的聚合酶连锁反应可以节省大量时间和繁复的操作。聚合酶连锁反应技术被广泛地运用在医学和生物学的实验室，例如用于判断检体中是否会表现某遗传疾病的图谱、传染病的诊断、基因复制，以及亲子鉴定等。
聚合酶连锁反应通常需要在特定的生化仪器设备进行，例如是聚合酶连锁反应设备。因为聚合酶连锁反应的过程需要反复进行将聚合酶加热及降温的循环，故PCR设备通常是将盛装聚合酶的容器(例如：试管)置于一热控装置之中以进行温度控制，例如可通过将容器置于一热电制冷器(thermoelectric cooler)的基板上以进行加热及降温的控制。在进行聚合酶连锁反应时，将聚合酶加热至一第一特定温度(例如90至95度C)并降温至第二特定温度(例如40至60度C)的操作过程即可称为一PCR循环，且PCR循环需要反复进行多次。
然而，聚合酶连锁反应过程极需仰赖精确的温度控制，才能达到DNA复制的目的。一般在进行聚合酶连锁反应过程时，热控装置中的容器里的液体温度并无法被直接测得，且上述液体温度与热电制冷器的基板温度并非一致，因此无法直接使用传统的温度控制方法来达到精确液温控制的目标，而需要手动调整每台热控装置的控制参数，会花费相当多时间，造成产线生产制造的困扰。
因此，需要一种可利用虚拟温度模型及推论机制以进行准确温控的热控装置及其方法以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种热控装置，包括一控制器以及一加热制冷模块。该加热制冷模块包括：一温度感测器，用以测量该加热制冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；以及一加热制冷器，用以依据来自该控制器的一控制信号以调整在该第一位置的该第一目前温度。该控制器是依据在该第一位置的该第一目前温度以及一温度模型以计算在该加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度。该控制器还依据所计算出的该第二位置的该预测温度及一期望温度以自动调整该第一位置的一第一目标温度，且控制该加热制冷器自动调整该第一位置的该第一目前温度达到该第一目标温度。
本发明还提供一种热控方法，用于一热控装置，其中该热控装置包括一温度感测器及一加热制冷模块，且该热控方法包括以下步骤：利用该温度感测器测量该加热制冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；利用该加热制冷器调整在该第一位置的该第一目前温度；依据在该第一位置的该第一目前温度以及一温度模型以计算在该加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度；依据所计算出的该第二位置的该预测温度及一期望温度以自动调整该第一位置的一第一目标温度；控制该加热制冷器自动调整该第一位置的该第一目前温度达到该第一目标温度。
附图说明
图1是显示依据本发明一实施例中的热控装置的功能方框图。
图2是显示依据本发明一实施例中的温度模型的示意图。
图3是显示依据本发明一实施例中的目标基板温度推论方法的流程图。
图4是显示依据本发明一实施例中的热控方法的流程图。
附图标记说明：
100～热控装置；
110～温度控制模块；
111～控制器；
112～存储器单元；
112A～挥发性存储器；
112B～非挥发性存储器；
113～控制信号；
114～温度推论机制；
115～温度模型；
116～温度反馈信号；
120～加热制冷模块；
121～容器；
122～实验液体；
123～基板；
124～加热制冷器；
125～温度感测器；
200～曲线；
210、220～点；
A、B～位置；
S310－S370～步骤；
S410－S450～步骤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。
图1是显示依据本发明一实施例中的热控装置的功能方框图。如图1所示，热控装置100包括：一温度控制模块110以及一加热制冷模块120。
温度控制模块110包括一控制器111及一存储器单元112。在一实施例中，控制器111例如可为一通用处理器(general-purpose processor)、一数字信号处理器(digitalsignal procesor，DSP)、或是一微控制器(microcontroller)，但本发明并不限于此。
存储器单元112包括一挥发性存储器112A及一非挥发性存储器112B。挥发性存储器112A例如可为一静态随机存取存储器(SRAM)、或是一动态随机存取存储器(DRAM)，但本发明并不限于此。非挥发性存储器112B例如可为一只读存储器(ROM)、电子可抹除式可程序化只读存储器(EEPROM)、硬盘(hard disk)、固态硬盘(solid-state disk)，但本发明并不限于此。
在一实施例中，非挥发性存储器112B是储存一温度推论机制114(例如可为一应用程序或程序码)及一温度模型115，其细节将详述于后。
加热制冷模块120包括一或多个容器121、一基板(heating base)123、一加热制冷器(thermoelectric cooling device，TEC device)124、以及一温度感测器125。容器121中是盛装一实验液体122，例如在聚合酶连锁反应过程中，该实验液体可为聚合酶。而在其他的实验过程中，该实验液体可为不同类型的液体。
容器121是置放于基板123上，基板123亦可称为加热基板，例如可由易于导热的材质所制成，例如金属，但本发明并不限定于此。加热制冷器124是依据来自控制器111的一控制信号113以进行加热或降温。加热制冷器124例如可为一加热制冷芯片(thermoelectriccooling IC)、或是可为利用传统的电热器及风扇所实现的加热制冷装置。
在基板123上配置有一温度感测器125，其可实时测量基板123的目前基板温度，并通过一温度反馈信号116回报该目前基板温度至控制器111。
举例来说，加热制冷器124可通过基板123对容器121中的实验液体122进行加热或降温。因为PCR过程中需要对实验液体122(例如为聚合酶)进行多次的加热降温循环(例如可称为PCR循环)，且目标是让实验液体122在加热降温循环的过程中会升温至一第一温度阈值(例如介于90～95度C之间的一特定温度区间)，以及降温至一第二温度阈值(例如介于40～60度C之间的一特定温度区间)，其中第一温度阈值及第二温度阈值则可视实验液体122的种类及特性进行调整。
然而，在进行聚合酶连锁反应过程时，若采用外部仪器测量实验液体122的液体温度则将不具使用的便利性，所以聚合酶连锁反应设备一般都无法测量液体温度。此外，传统的聚合酶连锁反应设备亦无法依据所测量到的基板温度以实时计算出目前的液体温度。
图2是显示依据本发明一实施例中的温度模型的示意图。本发明在进行聚合酶连锁反应过程之前，可先建立液体温度及基板温度之间的一温度模型，例如可通过多次在不同环境下的实验统计结果并进行数学收敛分析以得到液体温度及基板温度之间的温度模型。该温度模型记录了基板温度及液体温度的一关系模型，其中该关系模型例如可用下列方程式所表示：
Tl_predicted(n)＝α·Tl_predicted(n-1)+β·Tc_measured(n-1)+k (1)
其中，Tl_predicted(n)为预测的目前液体温度；Tl_predicted(n-1)为上一个时间点所预测的液体温度；Tc_measured(n-1)为上一个时间点所测量到的基板温度；α及β为模型参数；k为温度模型补偿系数，用以补偿温度模型误认为其输出已经达到目标液温(注：实际液温与目标液温之间仍有误差)。
在一些实施例中，可计算温度模型补偿系数k以对温度模型所输出的预测液体温度进行温度补偿。在一些实施例中，可利用数学方式将温度模型补偿系数k整合至其他温度模型的参数中，故可省略温度模型补偿系数k。温度模型的曲线图例如图2所示，其中X轴为基板温度，Y轴为液体温度。如图2所示，在单一PCR循环中，液体温度会随着基板温度升温或降温而改变。举例来说，从温度模型的曲线200中的点210开始，随着基板温度增加，液体温度会先沿着曲线210往右移动。当完成升温过程且开始降温后，液体温度会从右点的点220沿着曲线200往左移动。需注意的是曲线200仅为一示意图，并非表示PCR的反应必然是使用曲线200所代表的温度模型。
在传统的热控装置中，可利用经验以预先建立一温度查找表(temperaturelookup table)，但在实际进行温度控制的过程中，并无法实时反应些微的温度动态变化。此外，传统的热控装置亦无法反应在机器组装上的公差所导致的影响。
在一实施例中、控制器111是可将储存于非挥发性存储器112B的温度推论机制应用程序及温度模型读取至挥发性存储器112A并执行一温度推论机制(例如可为模糊逻辑(fuzzy logic)演算法，或是其他类型的推论演算法)，其中该温度推论机制是可依据一温度模型及一或多个液体期望温度以计算出一基板期望温度，且控制器111是可依据所计算出的基板期望温度进行加热制冷模块120中的加热制冷器124的温度控制(例如升温或降温)，进而让加热制冷模块120中的容器121所盛装的实验液体的液体温度实际上能达到预期的液体期望温度。
举例来说，控制器111所执行的温度推论方法可利用温度模型所输出的预测液体温度及一期望液体温度做为输入，并产生一目标基板温度。控制器111即可依据该目标基板温度以更新基板目标参考温度表。
图3是显示依据本发明一实施例中的目标基板温度推论方法的流程图。如图3所示，在PCR循环中的升温过程及降温过程可分开处理。例如在PCR循环的升温过程中，期望液体温度可设定为第一温度阈值，例如为90至95度C之间的一特定温度或是一特定温度区间，并在预测液体温度升温到第一温度阈值后并稳定维持一预定时间。在PCR循环的降温过程中，期望液体温度可设定为第二温度阈值，例如为40至60度C之间的一特定温度或是一特定温度区间，并在预测液体温度降温到第一温度阈值后并稳定维持一预定时间。
举例来说，以图3的上半部分为例，其是表示温度控制循环的升温过程，在步骤S310，取得一目前基板温度并利用一温度模型依据该目标基板温度以计算一预测液体温度，例如96.4度C。
在步骤S315，利用一温度模型补偿系数以调整该预测液体温度。其中、温度模型补偿系数即为前述实施例中所述的温度模型补偿系数k。在一些实施例中，可利用数学方式将温度模型补偿系数k整合进至其他温度模型的参数中，在此情况下，故可省略温度模型补偿系数k以及步骤S315。
在步骤S320，执行一温度推论机制依据该预测液体温度及一期望液体温度以产生一目标基板温度。举例来说，温度推论机制可依据该预测液体温度及该期望液体温度直接产生该目标基板温度，或是可产生一目标基板温度修正值，此即表示目标基板温度与目前基板温度之间的差值。若为目标基板温度修正值为一正值，则表示需要将目前基板温度升温以到达目标基板温度，若为目标基板温度修正值为一负值，则表示需要将目前基板温度降温以到达目标基板温度。
在步骤S325，将目前基板温度调整至该目标基板温度。
举例来说，当期望液体温度高于预测液体温度时，即表示需要提高目前基板温度以对实验液体122进行升温，故目标基板温度修正值可为正值，例如可将目前基板温度加上该目标基板温度修正值以做为目标基板温度。当期望液体温度低于预测液体温度时，即表示需要降低目前基板温度以对实验液体122进行降温，故目标基板温度修正值可为负值，例如可将目前基板温度加上该目标基板温度修正值以做为目标基板温度，或是直接计算出目标基板温度再进行调整。
在步骤S330，判断目前温度控制循环是否为一终点情况。若是，则结束调整温度的控制(步骤S370)。若否，则回到步骤S310，并重复进行温度控制循环。需注意的是，上述的终点情况可为一预定数值，举例来说PCR过程需要重复进行多次PCR循环，该预定数值即为所要重复进行的PCR循环的次数。举例来说，若第16次预测液体温度已经符合目标液体温度条件，则当完成第16次的温度控制循环后，则会结束调整温度的控制。
在步骤S310～S330的流程是说明在温度控制循环中的升温目标基板温度推论过程，而图3的下半部分的步骤S340～S360的流程则是说明在温度控制循环中的降温目标基板温度推论过程。步骤S340～S360的流程是类似于步骤S310～S330。
在步骤S340，取得一目前基板温度并利用一温度模型依据该目标基板温度以计算一预测液体温度，例如60.4度C。
在步骤S345，利用一温度模型补偿系数以调整该预测液体温度。其中、温度模型补偿系数即为前述实施例中所述的温度模型补偿系数k。在一些实施例中，可利用数学方式将温度模型补偿系数k整合进至其他温度模型的参数中，在此情况下，故可省略温度模型补偿系数k以及步骤S345。
在步骤S350，执行一温度推论机制依据该预测液体温度及一期望液体温度以产生一目标基板温度。举例来说，温度推论机制可依据该预测液体温度及一第一期望液体温度直接产生该目标基板温度，或是可产生一目标基板温度修正值，此即表示目标基板温度与目前基板温度之间的差值。若为目标基板温度修正值为一正值，则表示需要将目前基板温度升温以到达目标基板温度，若为目标基板温度修正值为一负值，则表示需要将目前基板温度降温以到达目标基板温度。需注意的是，在步骤S350中的第二期望液体温度是与步骤S320中的第一期望液体温度不同。
在步骤S355，将目前基板温度调整至该目标基板温度。
举例来说，当期望液体温度高于预测液体温度时，即表示需要提高目前基板温度以对实验液体122进行升温，故目标基板温度修正值可为正值，例如可将目前基板温度加上该目标基板温度修正值以做为目标基板温度。当期望液体温度低于预测液体温度时，即表示需要降低目前基板温度以对实验液体122进行降温，故目标基板温度修正值可为负值，例如可将目前基板温度加上该目标基板温度修正值以做为目标基板温度。
在步骤S360，判断目前温度控制循环是否为一终点情况。若是，则结束调整温度的控制(步骤S370)。若否，则回到步骤S340，并重复进行温度控制循环。需注意的是，上述的终点情况可为一预定数值，举例来说PCR过程需要重复进行多次PCR循环，该预定数值即为所要重复进行的PCR循环的次数。举例来说，若第16次预测液体温度已经符合目标液体温度，则当完成第16次的温度控制循环后，则会结束调整温度的控制。
在一些实施例中，图3的流程中的步骤S340～S360可省略，即通过上半部分温度控制回圈即可控制实验液体的温度。
需注意的是，本发明中的目标温度推论方法并不限制仅用于PCR过程，本发明中的目标温度推论方法可利用虚拟温度模型及温度推论机制以重复进行温度控制循环以准确控制一待测物件(例如一特定实验液体)的温度，且可应用于无法用温度感测器来直接测量待测物件的温度的情境。
图4是显示依据本发明一实施例中的热控方法的流程图。需了解的是，本发明图3中的目标温度推论方法并不限制用于PCR过程，而可广泛地应用于在热控装置中的两个不同位置的温度控制。请同时参考图1及图4。
在步骤S410，利用温度感测器125测量加热制冷模块120中的一第一位置的一第一目前温度。举例来说，第一位置可例如为图1中的B点位置。
在步骤S420，利用该加热制冷器124调整在该第一位置的该第一目前温度。
在步骤S430，依据在该第一位置的该第一目前温度以及一温度模型以计算在该加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度。举例来说，第二位置可例如为图1中的A点位置，且该温度模型即为该第一位置及该第二位置之间的温度关系模型。
在步骤S440，依据所计算出的该第二位置的该预测温度及该第二位置的一期望温度以自动调整该第一位置的一第一目标温度。
在步骤S450，控制该加热制冷器自动调整该第一位置的该第一目前温度达到该第一目标温度。
举例来说，如图1所示，在A点位置即为待测物件的位置(例如一第二位置)，且无法直接用温度感测器来测量A点位置的待测物件的目前温度。B点位置(例如一第一位置)则是配备有温度感测器，可直接测量基板123的目前温度。控制器111即可取得B点位置的目前温度，并通过本发明中的目标温度推论方法利用第一位置及第二位置之间的一温度模型及目标温度推论机制以重复进行温度控制循环以准确控制无法直接测量的A点位置的待测物件(例如一特定实验液体)的目前温度。
综上所述，本发明提供一种热控装置及其热控方法，其可利用虚拟温度模型及温度推论机制以重复进行温度控制循环以准确控制一待测物件(例如一特定实验液体，如聚合酶)的温度，且可应用于无法用温度感测器来直接测量在待测物件的位置的温度的情境。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种热控装置，包括：
一控制器；以及
一加热制冷模块，包括：
一温度感测器，用以测量该加热制冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；以及一加热制冷器，用以依据来自该控制器的一控制信号以调整在该第一位置的该第一目前温度，
其特征在于，该控制器是依据在该第一位置的该第一目前温度以及一温度模型以计算在该加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度，
其中该控制器还依据所计算出的该第二位置的该预测温度及该第二位置的一期望温度以自动调整该第一位置的一第一目标温度，且控制该加热制冷器自动调整该第一位置的该第一目前温度达到该第一目标温度。
2.如权利要求1所述的热控装置，其中该加热制冷模块还包括一容器及一基板，其中该容器是用以盛装一实验液体于该第二位置，且该加热制冷器是通过该基板对该容器中的该实验液体进行温度控制。
3.如权利要求2所述的热控装置，其中该实验液体为一聚合酶。
4.如权利要求1所述的热控装置，其中该控制器是执行一温度推论机制依据在该第一位置的该第一目前温度以及该温度模型以计算在该加热制冷模块中的该第二位置的该预测温度。
5.如权利要求4所述的热控装置，其中该温度推论机制为一模糊逻辑演算法。
6.一种热控方法，用于一热控装置，其中该热控装置包括一加热制冷模块，该加热制冷模块包括一温度感测器及一加热制冷器，且该方法包括：
利用该温度感测器测量该加热制冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；
利用该加热制冷器调整在该第一位置的该第一目前温度；
依据在该第一位置的该第一目前温度以及一温度模型以计算在该加热制冷模块中的一第二位置的一预测温度；
依据所计算出的该第二位置的该预测温度及该第二位置的一期望温度以自动调整该第一位置的一第一目标温度；
控制该加热制冷器自动调整该第一位置的该第一目前温度达到该第一目标温度。
7.如权利要求6所述的热控方法，其中该加热制冷模块还包括一容器及一基板，其中该容器是用以盛装一实验液体于该第二位置，且该加热制冷器是通过该基板对该容器中的该实验液体进行温度控制。
8.如权利要求7所述的热控方法，其中该实验液体为一聚合酶。
9.如权利要求6所述的热控方法，还包括：
执行一温度推论机制依据在该第一位置的该第一目前温度以及该温度模型以计算在该加热制冷模块中的该第二位置的该预测温度。
10.如权利要求9所述的热控方法，其中该温度推论机制为一模糊逻辑演算法。
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