CN108998371A - 一种低压磁感应加热的pcr控温装置 - Google Patents

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张艳梅
杜元元
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Abstract

本发明涉及一种低压磁感应加热的PCR控温装置，所述装置包括：加热腔体1、PCR反应器单元2、空心金属圆盘3、线圈4、制冷单元5、温度控制单元6，磁感应加热控制单元7、主控制单元8、步进电机9、温度传感器10，其中，PCR反应器单元2位于加热腔体1中和空心金属圆盘3之间，空心金属圆盘3与PCR反应器单元2圆盘外周紧密贴合，磁感应加热控制单元7与线圈4连接，并与主控制单元8垂直插接，温度控制单元6连接温度传感器10，与制冷单元5、磁感应加热控制单元7和主控制单元8构成PCR反应的加热‑降温的循环控制系统。

Description

一种低压磁感应加热的PCR控温装置
技术领域：
本发明涉及一种磁感应加热装置，特别涉及一种适合聚合酶链式反应变温PCR反应的控温装置。
背景技术：
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是DNA扩增的一种分子生物学反应。变温PCR反应成功与否的关键因素之一，就在于必须满足其反应实体所需的温度循环条件即高温变性、低温退火、中温引物延伸，所以温度循环是其基础，而温度循环中“变温”速率将决定PCR反应的特异性以及PCR运行的整体速度。传统PCR的热循环系统大致分为水浴式、气流式和半导体式，而其中的加热方式是电阻丝、电阻片或者半导体联合热盖加热等，通过热传导将发热源的热量传递给加热装置，之后再对试管进行加热。升温速率在2-3℃/秒，完成一次30个循环的实验，需要2-3小时。
技术缺点：热量传递级数多，转换效率较低，利用率差。
发明内容：
本发明提出一种基于电磁感应加热原理，能够提高PCR反应变温速率的控温装置，本发明结构不含上盖的剖视图如图2所示，
本发明提供一种低压磁感应加热的PCR控温装置，所述装置包括：加热腔体1、PCR反应器单元2、空心金属圆盘3、线圈4、制冷单元5、温度控制单元6，磁感应加热控制单元7、主控制单元8、步进电机9、温度传感器10，其中，PCR反应器单元2位于加热腔体1中和空心金属圆盘3之间，空心金属圆盘3与PCR反应器单元2圆盘外周紧密贴合，磁感应加热控制单元7与线圈4连接，并与主控制单元8垂直插接，温度控制单元6连接温度传感器10，与制冷单元5、磁感应加热控制单元7和主控制单元8构成PCR反应的加热-降温的循环控制系统。
所述加热腔体1，如图2所示，是安装于PCR反应器单元2和外壳之间的结构部件，其作用是与仪器上盖、遮光罩301，形成一个圆柱形的腔体，将PCR反应器单元2和金属圆盘3封闭在腔体中，加热腔体采用隔热PC材料，防止加热温度扩散，保证升温速率。
所述PCR反应器单元2，如图2所示，是试剂管放置装置，可放置1个以上的试剂管，其主要材料为铝镁合金AZ31B。
所述空心金属圆盘3，如图3所示，其与PCR反应器单元2圆盘外周紧密贴合，是金属材料部件，本发明控温装置的发热体，通过主控制单元8对磁感应加热控制单元7与线圈4的控制，根据电磁感应理论，使空心金属圆盘3内部产生涡流效应而发热，并与PCR反应器单元2的热传导作用，来达到对PCR反应试管样本的加热。
所述线圈4，如图4所示，绕至在加热腔体1空心环形内壁上，与磁感应加热控制单元7连接，是磁感应加热装置的主要组成之一，主控制单元8通过控制磁感应加热控制单元7使得线圈4产生交变磁场，根据电磁感应理论，使空心金属圆盘3体内部产生涡流效应，使其产生自发热。
所述制冷单元5，如图2所示，在PCR反应温度循环中起到快速降温的作用，通过主控制单元8对温度控制单元6实时监测的温度，根据PCR反应温度循环加热，开启或关闭制冷单元5。
所述温度控制单元6，如图5所示，由遮光罩601、温度信号采集模块602、屏蔽罩603、接收线圈604、发射线圈605、屏蔽罩606、以及温度信号处理模块607组成。
所述温度控制单元6，如图2所示，是连接温度传感器10，通过温度传感器实时监测PCR反应器单元2中置放的试剂管样本温度，与制冷单元5、磁感应加热控制单元7和主控制单元8构成PCR反应的加热-降温的循环控制。
所述磁感应加热控制单元7，如图6所示，与线圈4连接，与主控制单元8垂直插接，其包含功率开关模块、驱动模块，由主控制单元8控制驱动线圈4。
所述主控制单元8，如图6所示，包含电源模块，温度处理模块、磁感加热电流检测模块、数据传输模块，运动控制模块，通过对制冷单元5、温度控制单元6、磁感应加热控制单元7的控制，实现PCR反应精确的温度循环控制。
本发明采用电磁感应加热装置给PCR反应器单元加热控温，该加热装置直接作用于PCR反应器单元，电磁感应产生涡流技术热量损失小，加热速度快，转换效率高，转化率最高可以达到95％，结合精准的加热温度控制算法，大大提高了PCR的加热速率，也提高了PCR反应的特异性。升温速率在15-40℃/秒，在30分钟以内完成一次30个循环的实验。
本发明改进了PCR反应的加热方式，提高了PCR加热速率。
本发明的电磁感应技术加热的原理是：是利用半桥逆变单元将直流电逆变成一定频率的交流电，利用使交流电产生交变磁场，根据电磁感应理论，使加热腔体1内的空心金属圆盘3体内部产生涡线圈4流效应，达到自发热的目的。
关于电磁感应加热功率开关采用MOS管，是驱动单元中的核心器件，通过反并联一个肖特基二极管来保护开关过程中MOS管；半桥逆变单元选用封装更小，对外围器件准确度的要求小的高度集成的半桥、栅极驱动芯片。
关于磁感应加热驱动芯片，其信号输入端的互补输出波形之间设置了微秒级的死区时间来保证半桥逆变单元的正常工作；信号输出端对上MOS管采用自举式驱动，达到了一个芯片驱动两只管，易于控制，节约成本。
关于振荡回路中的电容容值的选取，一方面利于单元的磁感应加热温升速度达到PCR加热速度要求，另一方面利于节能环保，使电磁加热的转化率达到最大；
关于磁感应加热的电源采用去噪措施，使磁感应加热模块在进行相对于弱电单元而言的大功率加热的同时，不会干扰弱电单元的正常工作，从而更加方便的与弱电单元集成在一个整体设备上。
关于逆变电源，采用48V为逆变电源，互补驱动PWM波形是25KHz，测量振荡回路的波形是峰峰值为48V，频率为互补驱动频率的三角波。相比传统PCR的加热方式，加热速度明显加快，电能利用率增加。
附图说明
图1为本发明装置实施控制原理图
图2为本发明装置实施结构剖面图
图3为本发明实施空心金属圆盘3位置图
图4为本发明实施线圈4在加热腔体安装方式图
图5为本发明图2中实施温度控制单元6组成示意图
图6为本发明实施磁感应加热控制单元、线圈4、主控制单元安装方式示意图
图7为本发明控制流程图
具体实施方式：
本发明的PCR控温装置，其实施原理框图如图1所示，其实施结构如图2所示，由加热腔体1、PCR反应器单元2、空心金属圆盘3、线圈4、制冷单元5、温度控制单元6，磁感应加热控制单元7、主控制单元8组成，其中PCR反应器单元2置于空心金属圆盘3内，空心金属圆盘3安装在加热腔体1中，加热腔体1的边缘部分装有线圈4，制冷单元5、温度控制单元6、磁感应加热控制单元7、主控制单元8置于加热腔体下部，其中线圈4和磁感加热控制单元7及主控制单元8连接作为加热源。
主控制单元7外接直流电源，通过磁感应加热控制单元6上的半桥逆变单元将直流电逆变成一定频率的交流电，当高频电流经过线圈4时，其周围产生磁通量，交变磁场与空心金属圆盘3阻抗构成回路进行放电产生涡流效应，空心金属圆盘3发热，与PCR反应器单元通过热传导，达到PCR反应加热的目的。
由于感应电流的集肤效应，感应电流透入空心金属圆盘3的深度是有限的，透热层深度与电源的工作频率、空心金属圆盘3的电阻率和导磁率有关。则空心金属圆盘在透热层深度范围之内感应加热可实现直接加热，因此将PCR反应单元1中反应管位置紧贴空心金属圆盘3，提高加热效率、减少热量损耗。
所述磁感应加热控制单元7和主控制单元8对于感应加热的控制流程如图1所示，单片机输出两路PWM波形来控制半桥驱动芯片,从而驱动MOS管(半桥单元)进行逆变；半桥输出交流电作为线圈4的电源，振荡单元产生交变磁场，使得空心金属圆盘3产生涡流效应；电流检测模块实时监测加热回路中的电流，利用PID控制算法实时调节PWM占空比来调控温升速度，温度控制单元6对调节的温度进行实时监测。通过单片机改变互补PWM的占空比来调节电磁感应回路中的转化效率，从而使空心金属圆盘3以及PCR反应器单元2达到设的温度。PWM波的频率设定为25KHz，振荡电容为6.3uF的时候，利用精密测温仪对金属空心圆盘进行升温测试，电源为DC24V，开放环境温升速度可达5-10℃/S，电源为DC48V，开放环境温升速度可达15-40℃/S，能够达到PCR设备对温升速度的要求，大大提高了PCR的反应速率。本发明的PCR控温装置和现有装置比较所具有的优点的实验数据如下：
加热方式 变温速率 反应时间 体积与功耗
本发明装置 磁感加热 15-40℃/S 30分钟 体积小，功耗低
现有装置1 Peltier加热 3-5℃/S 2-3小时 体积庞大，功耗高

Claims (9)

1.一种低压磁感应加热的PCR控温装置，其特征在于，所述装置包括：加热腔体1、PCR反应器单元2、空心金属圆盘3、线圈4、制冷单元5、温度控制单元6，磁感应加热控制单元7、主控制单元8、步进电机9、温度传感器10，其中，PCR反应器单元2位于加热腔体1中和空心金属圆盘3之间，空心金属圆盘3与PCR反应器单元2圆盘外周紧密贴合，磁感应加热控制单元7与线圈4连接，并与主控制单元8垂直插接，温度控制单元6连接温度传感器10，与制冷单元5、磁感应加热控制单元7和主控制单元8构成PCR反应的加热-降温的循环控制系统。
2.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，加热腔体1安装于PCR反应器单元2和外壳之间，PCR反应器单元2和空心金属圆盘3在加热腔体1中。
3.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，PCR反应器单元2，是试剂管放置装置，可放置1个以上的试剂管。
4.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，空心金属圆盘3与PCR反应器单元2圆盘外周紧密贴合，通过主控制单元8对磁感应加热控制单元7与线圈4的控制，使空心金属圆盘3内部产生涡流效应而发热，用PCR反应器单元2导热，对PCR反应试管样本加热。
5.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，线圈4，绕至在加热腔体1空心环形内壁上，与磁感应加热控制单元7连接，主控制单元8通过控制磁感应加热控制单元7使得线圈4产生交变磁场，使空心金属圆盘3体内部产生涡流效应，使其产生自发热。
6.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，制冷单元5，通过主控制单元8对温度控制单元6实时监测温度，开启或关闭制冷单元5。
7.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，温度控制单元6，由遮光罩601、温度信号采集模块602、屏蔽罩603、接收线圈604、发射线圈605、屏蔽罩606、以及温度信号处理模块607组成，温度控制单元6,连接温度传感器10，实时监测PCR反应器单元2中置放的试剂管样本温度，与制冷单元5、磁感应加热控制单元7和主控制单元8构成PCR反应的加热-降温的循环控制系统。
8.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，磁感应加热控制单元7，与线圈4连接，与主控制单元8垂直插接，其包含功率开关模块、驱动模块，由主控制单元8控制驱动线圈4。
9.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，其中，主控制单元8，包含电源模块，温度处理模块、磁感加热电流检测模块、数据传输模块，运动控制模块，通过对制冷单元5、温度控制单元6、磁感应加热控制单元7的控制，实现PCR反应的温度循环控制。
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