CN109294901A - 一段式热对流pcr仪及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一段式热对流PCR仪及控制方法，包括温度控制系统、加热系统、控制模块及电源。本技术方案提供一种一段式热对流PCR设备，利用仪器底部的铝合金块加热板加热，毛细管底部温度控制在变性温度，毛细管顶部为退火温度。在重力差和温度差的作用下，毛细管内部的试剂就可以不断通过自然对流达到不同温度，从而实现PCR。该系统的温度分布沿毛细管长度平稳变化，并且PCR的不同步骤可以同时进行。在这样一个简单的系统中，DNA扩增可以在不需要昂贵且精密的热循环仪的情况下完成，并且不需要任何额外的复杂硬件。

Description

一段式热对流PCR仪及控制方法

技术领域

本发明属于放大扩增特定DNA片段的分子生物学领域，特别是指一种用于放大扩增特定DNA片段的一段式热对流PCR仪及控制方法。

背景技术

PCR反应需要经过DNA的变性、退火、延伸三个阶段，每个阶段均对应不同的温度，其中变性是利用DNA在体外95℃左右时会变成单链，退火是利用温度在60℃左右时，引物与单链按碱基互补配对原则进行结合，延伸是利用温度在70℃左右时，在聚合酶的作用下，沿磷酸到五碳糖的方向合成互补链的过程。

传统的热循环仪通过精密的热控制器反复加热和冷却样品，通常需要30个循环左右，整个反应需要2-3个小时或者更久，其中大部分反应时间都消耗在DNA变性的加热、退火及延伸的冷却过程。为了降低整个过程的时间，现有技术提出采用两段式PCR仪，其通过控制底部加热变性温度及上部的退火温度来实现减少整个过程所需要的时间，但是两段控制需要上部温度控制装置及下部温度控制装置，虽然也有效的减了整个扩增过程的时间，但对于减小PCR仪的体积方面及减少扩增时间的效果方面，并不能满足普遍推广的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种一段式热对流PCR仪及控制方法，以解决现有的PCR仪在减小体积及扩增整个过程所需要时间不能满足普遍推广的问题。

一段式热对流PCR仪，包括温度控制系统、加热系统、恒温控制模块、控制模块及电源；所述恒温控制模块与所述控制模块信号连接；

所述温度控制系统包括温度传感器及温度变送器，所述温度传感器与所述温度变送器信号连接，所述温度变送器与控制模块的模数转换器信号连接，在所述控制模块的模数转换器引脚上连接有250欧姆电阻；

所述加热系统包括加热器、加热片及电磁继电器；

所述加热片与所述加热器贴合，所述电源负极与所述电源正极与所述电磁继电器输入端连接，所述电磁继电器输出端与所述加热片的正极连接；

所述电磁继电器的控制部分电路与所述控制模块连接；

所述电源与所述温度变送器电连接；

所述控制模块包括PID控制模块；所述模数转换器的输出端与所述PID控制模块的输入端连接。

所述温度传感器为带金属护套PT100铂电阻探头。

所述温度变送器为4-20mA温度变送器。

所述电磁继电器为一路光耦合隔离继电器驱动模块。

所述一路光耦合隔离继电器输出端电压为5V。

所述加热器为铝合金块，所述加热片为硅胶加热片。

一段式热对流PCR仪的控制方法，包括以下步骤：

1)设定DNA变性反应温度值；

2)根据DNA变性反应温度值、加热器的上表面与毛细管内液体上表面的距离、毛细管的管径、液体与毛细管的综合导热系数，设定加热器上方的温度值；

3)通过恒温控制模块控制加热器上方的温度维持在设定温度值内；所述设定温度值远低于DNA变性反应温度值；

4)温度传感器检测加热器即时温度信号，并通过温度变送器转换为即时电阻信号，所述温度变送器将即时电阻信号输出给控制模块上的模数转换器转换为即时电流信号；

5)所述模数转换器将所述即时电流信号输出给PID控制模块；所述PID控制模块将即时电流信号与设定DNA变性反应温度值所对应的电流值进行比较得到差值；所述PID控制模块根据差值发送调控制信号给电磁继电器，所述电磁继电器根据所述调控信号对硅胶加热片的电流进行调节，使得加热器的温度趋于设定DNA变性反应温度值。

本发明的有益效果是：

本技术方案提供一种一段式热对流PCR仪及控制方法，利用仪器底部的铝合金块加热板加热，毛细管底部温度控制在变性温度，毛细管顶部为退火温度。在重力差和温度差的作用下，毛细管内部的试剂就可以不断通过自然对流达到不同温度，从而实现PCR。该系统的温度分布沿毛细管长度平稳变化，并且PCR的不同步骤可以同时进行。在这样一个简单的系统中，DNA扩增可以在不需要昂贵且精密的热循环仪的情况下完成，并且不需要任何额外的复杂硬件。

附图说明

图1为本发明对流PCR反应原理图；

图2为温度变送器工作原理示意图。

附图标记说明

100硅胶加热片，200铝合金块。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本申请提供一种一段式热对流PCR仪，包括温度控制系统、加热系统、控制模块及电源。

如图1所示，A点为变性温度范围区域，B点为退火反应温度范围区域，C点为延伸反应温度范围区域。

所述恒温控制模块与所述控制模块信号连接。通过恒温控制模块监测PCR反应试管上部外侧的温度维持在恒定温度20℃-25℃范围内，以确保本PCR仪能够实现一段式温度控制，否则很难实现一段式温度控制。本申请的恒温控制模块为常规技术即可实现，因此，不对恒温控制模块的结构及连接关系等进行详细的说明。

在选用电源方面，通过开关电源以及电源的拓扑结构来提高利用电能的效率。这一方面减少了电源噪声对设备的影响，另一方面能满足设备的供电要求。

控制模块能使人为控制更加方便，通过串口控制通信与Arduino相连，再通过电脑输入用户指令，实时监控温度。所述控制模块包括PID控制模块；所述模数转换器的输出端与所述PID控制模块的输入端连接。

如图2所示，所述温度控制系统包括温度传感器及温度变送器，所述温度传感器与所述温度变送器信号连接，所述温度变送器与控制模块的模数转换器信号连接，在所述控制模块的模数转换器引脚上连接有250欧姆电阻。

所述温度传感器为带金属护套PT100铂电阻探头；所述温度变送器为4-20mA温度变送器，将温度信号转化为电阻信号。如图2所示，在Arduino的ADC(模数转换器)引脚上使用250欧姆电阻。当信号为4mA时，ADC将为1V，此时温度为-50℃。当信号为20mA时，在ADC为5v，此时温度为150℃。为了将电压信号转换为温度，Arduino应用程序进行了最小和最大信号值的映射。在这种情况下-50℃是1V，在ADC中是205。对于150℃，ADC读数是1023。

所述加热系统包括加热器、加热片及电磁继电器；所述加热器为铝合金块200，所述加热片为硅胶加热片100；所述电磁继电器为一路光耦合隔离继电器驱动模块；所述一路光耦合隔离继电器输出端电压为5V。

加热块为铝合金加热块200，具有体积小、传热效率好、散热均匀等特点，从而保证了加热过程中比较稳定。硅胶加热片因其柔性比较好可以与加热块更加贴近，且形状可以设计改变，能达到很快的加热速度并精准的控制温度。二者的绝缘性能比较好，安装简单方便，成本较低，配合温度检测系统可以有效的控制温度完成PCR反应。

所述加热片与所述加热器贴合，所述电源负极与所述电源正极与所述电磁继电器输入端连接，所述电磁继电器输出端与所述加热片的正极连接。

所述电磁继电器的控制部分电路与所述控制模块连接。

在加热过程中加热块需要较大的电流，此电流流过Arduino，会对信号采集系统产生较大影响。故本系统中选用用1路光耦合隔离继电器模块，将加热块与信号采集系统隔开。如图2所示，由开关电源提供24V电源，此电源经过路光耦合隔离继电器模块产生5V电源，并同时为硅胶加热片供电。

所述电源与所述温度变送器电连接；所述电源为24V电源。

本申请还提供一种一段式热对流PCR仪的控制方法，包括以下步骤：

1)设定DNA变性反应温度值；DNA变性反应温度值根据现有技术的范围值确定。

2)根据DNA变性反应温度值、加热器的上表面与毛细管内液体上表面的距离、毛细管的管径、液体与毛细管的综合导热系数，设定加热器上方的温度值。

3)通过恒温控制模块控制加热器上方的温度维持在设定温度值内；设定温度值远低于DNA变性反应温度值。恒温控制模块与控制模块信号连接。通过恒温控制模块监测PCR反应试管上部外侧的温度维持在恒定温度20℃-25℃范围内，以确保本PCR仪能够实现一段式温度控制，否则很难实现一段式温度控制。本申请的恒温控制模块为常规技术即可实现，因此，不对恒温控制模块的结构及连接关系等进行详细的说明。

4)温度传感器检测加热器即时温度信号，并通过温度变送器转换为即时电阻信号，温度变送器将即时电阻信号输出给控制模块上的模数转换器转换为即时电流信号；温度传感器为带金属护套PT100铂电阻探头；温度变送器为4-20mA温度变送器。

5)模数转换器将即时电流信号输出给PID控制模块；PID控制模块将即时电流信号与设定DNA变性反应温度值所对应的电流值进行比较得到差值；PID控制模块根据差值发送调控制信号给电磁继电器，电磁继电器根据调控信号对硅胶加热片的电流进行调节，使得加热器的温度趋于设定DNA变性反应温度值。

本设计使用Arduino实现加热块的PID(比例-积分-导数)控温。它以PID控制模块为核，在加热的时候，它监测加热块的温度并且通过控制加热块达到控制温度的目的。控制接口选择Arduino的串口，选用任意串口均可实现设定，监控和PID控制模块调试过程。温度控制系统会将温度变化数据采集后送到PID控制模块的输入端，并与其设定DNA变性反应温度值进行比较而得到差值。电磁继电器随之根据差值并以设定DNA变性反应温度值发出调控信号，使电磁继电器的开度增加或减少，从而使控制的温度改变，并逐渐趋于设定DNA变性反应温度值，最终完成控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (7)

1.一段式热对流PCR仪，其特征在于，包括温度控制系统、加热系统、恒温控制模块、控制模块及电源；所述恒温控制模块与所述控制模块信号连接；

所述温度控制系统包括温度传感器及温度变送器，所述温度传感器与所述温度变送器信号连接，所述温度变送器与控制模块的模数转换器信号连接，在所述控制模块的模数转换器引脚上连接有250欧姆电阻；

所述加热系统包括加热器、加热片及电磁继电器；

所述加热片与所述加热器贴合，所述电源负极与所述电源正极与所述电磁继电器输入端连接，所述电磁继电器输出端与所述加热片的正极连接；

所述电磁继电器的控制部分电路与所述控制模块连接；

所述电源与所述温度变送器电连接；

所述控制模块包括PID控制模块；所述模数转换器的输出端与所述PID控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一段式热对流PCR仪，其特征在于，所述温度传感器为带金属护套PT100铂电阻探头。

3.根据权利要求1所述的一段式热对流PCR仪，其特征在于，所述温度变送器为4-20mA温度变送器。

4.根据权利要求1所述的一段式热对流PCR仪，其特征在于，所述电磁继电器为一路光耦合隔离继电器驱动模块。

5.根据权利要求4所述的一段式热对流PCR仪，其特征在于，所述一路光耦合隔离继电器输出端电压为5V。

6.根据权利要求1所述的一段式热对流PCR仪，其特征在于，所述加热器为铝合金块，所述加热片为硅胶加热片。

7.根据权利要求1至6中任一项一段式热对流PCR仪的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定DNA变性反应温度值；

2)根据DNA变性反应温度值、加热器的上表面与毛细管内液体上表面的距离、毛细管的管径、液体与毛细管的综合导热系数，设定加热器上方的温度值；

3)通过恒温控制模块控制加热器上方的温度维持在设定温度值内；所述设定温度值远低于DNA变性反应温度值；

4)温度传感器检测加热器即时温度信号，并通过温度变送器转换为即时电阻信号，所述温度变送器将即时电阻信号输出给控制模块上的模数转换器转换为即时电流信号；

5)所述模数转换器将所述即时电流信号输出给PID控制模块；所述PID控制模块将即时电流信号与设定DNA变性反应温度值所对应的电流值进行比较得到差值；所述PID控制模块根据差值发送调控制信号给电磁继电器，所述电磁继电器根据所述调控信号对硅胶加热片的电流进行调节，使得加热器的温度趋于设定DNA变性反应温度值。