CN109609608B - 一种直线式快速双温pcr扩增自动控制装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置和控制方法。直线式转移运输模块安装于多槽水浴锅上，控制电路板分别与转移运输模块、上位机模块相连，样本容器固定盘安装于转移运输模块；可视化荧光检测装置通过磁铁片吸附装于多槽水浴锅外壁上，样本容器包括用于安装PCR八连管、PCR毛细管、毛细吸管、离心管的容器；设置两个分别对应变性阶段和延伸阶段的恒温样品池，通过转移运输模块控制样品容器固定盘的样品容器分别在变性阶段和延伸阶段的恒温样品池内往复来回转移并停留，两温区多次循环。本发明实现多个样本完成多个循环的快速双温PCR扩增，大大缩短检测时间，且制作成本低、安装方便、普适性强，体积小便于携带。
Description
技术领域
本发明涉及食品安全快速检测领域的一种PCR扩增反应装置和方法，尤其是涉及了一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置和控制方法。
背景技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是一种广泛用于分子生物学的体外迅速扩增DNA片段的技术，是食品安全、临床诊断、检疫检验等行业进行检测的重要方法之一。标准PCR过程分为三步：(1)变性(90℃-96℃)，双链DNA模板在热作用下氢键断裂，形成单链DNA；(2)退火(60℃-65℃)，系统温度降低，引物与DNA模板结合形成局部双链；(3)延伸(70℃-75℃)，在DNA聚合酶作用下，以dNTP为原料，从引物的五碳糖(3')端开始以从磷酸到五碳糖(5'-3')端的方向延伸，合成与模板互补的DNA链。其中，实现样本温度循环变化是实现PCR反应成功进行的关键技术之一。
PCR仪器的发展对PCR温度循环至关重要，自美国Perkin-Elmer Cetus公司第一台PCR扩增仪问世以来，现已有几十家不同的厂家在国内外生产和销售PCR扩增仪。比如美国Thermo Fisher Scientific公司，德国Eppendorf公司，国内的上海领成，杭州朗基科学仪器，江苏天隆科技，都相继推出相关PCR仪，在国内外的相关机构得以应用。这些仪器主要采用变温铝块、变温水浴及变温气流的方式达到热循环的目的，各有其优缺点。而商业化的PCR仪价格相对昂贵，不适用于资源匮乏地区使用，且样本容器规格单一(例如ThermoFisher Scientific公司的QuantStudio 3仅仅适用于标准PCR管)。其次，随着核酸扩增技术的发展及实际检测的需求，在确保检测结果准确性的前提下，合并标准PCR中的退火与延伸两阶段，同时通过加快温度变化速率缩短热循环时间，以实现快速双温PCR。这就对目前现有PCR仪实现快速热循环提出较高的要求，从而推动价格上涨。
综上，现有商业化PCR仪虽然可以达到自动扩增的目的，然而往往价格昂贵且样本容器兼容性差，难以大范围的推广应用，同时随着快速双温PCR的发展，对仪器中热循环要求越来越高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明针对食品安全检测中常用的PCR扩增技术，提供一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置和控制方法，以低成本实现快速自动化的PCR反应，缩短食品安全检测使用时间，同时配套提供一种基于荧光分析法的可视化便携检测装置，根据荧光显示与否判断有无扩增产物，实现可视化检测、简便操作。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包含：
一、一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置：
装置包括多槽水浴锅、电机控制模块、自动运输模块、样本容器固定盘、上位机模块和可视化荧光检测装置，自动运输模块安装于多槽水浴锅上，电机控制模块分别与自动运输模块、上位机模块相连，样本容器固定盘安装于自动运输模块；可视化荧光检测装置通过磁铁片吸附装于多槽水浴锅外壁上；多槽水浴锅设置有控制显示板和位于控制显示板前的台面上的两个恒温样品池，两个恒温样品池分别为第一样品池和第二样品池，恒温样品池带有加热设备、
所述自动运输模块包括直线导轨、水平传送皮带、水平驱动电机、水平驱动电机固定架、直线滑块、升降齿轮、升降齿条、升降齿条固定架、升降传送皮带、升降传送皮带支撑架、升降驱动电机、升降驱动电机固定座；主要由直线导轨、水平传送皮带、水平驱动电机、水平驱动电机固定架、直线滑块构成了水平驱动组件，主要由升降齿轮、升降齿条、升降齿条固定架、升降传送皮带、升降传送皮带支撑架、升降驱动电机、升降驱动电机固定座构成了升降传送组件；直线导轨和水平传送带水平固定于多槽水浴锅控制显示板顶面，直线导轨和水平传送带均沿两个恒温样品池之间连线方向平行布置，直线滑块活动套装于直线导轨上，水平驱动电机通过水平驱动电机固定座固定于多槽水浴锅控制显示板顶面，水平驱动电机的输出轴和水平传送带一侧的一个水平驱动带轮同轴连接；升降驱动电机固定座底部固定连接水平传送带和直线滑块，升降驱动电机固定于升降驱动电机固定座顶端，升降驱动电机固定座顶部侧面固定连接升降传送皮带支撑架的一端，升降传送皮带支撑架水平布置，升降传送皮带支撑架另一端安装有升降齿条固定架和升降齿轮，升降传送带平行安装于升降传送皮带支撑架侧部，升降传送带靠近升降驱动电机固定座一端的升降传送带轮和升降驱动电机的输出轴连接，升降传送带远离升降驱动电机固定座一端的升降传送带轮和升降齿轮同轴连接；升降齿条固定架穿设安装于升降传送皮带支撑架端部的竖直导向通槽中并沿竖直导向通槽竖直导向通槽，升降齿条固定架靠近升降齿轮的侧面设有升降齿条，升降齿轮和升降齿条啮合，升降齿条底端安装连接样本容器固定盘，样本容器固定盘上安装样本容器。
所述可视化荧光检测装置包括壳体和安装在壳体上的荧光发射滤光片、荧光激发滤光片、荧光激发光源、荧光激发光源驱动控制板、电池和磁铁片；所述可视化荧光检测装置顶部开有若干个尺寸根据样品容器所设计的样品容器检测槽；壳体底面安装荧光激发光源驱动控制板和电池，壳体背面安装有磁铁片，壳体背面经磁铁片吸附到多槽水浴锅外壁，样品容器检测槽上部安装样品容器，样品容器检测槽底部安装荧光激发光源和荧光激发滤光片，荧光激发光源向上发射激光经荧光激发滤光片后照射到样品容器；样品容器检测槽侧的壳体侧壁开有水平通槽，水平通槽中安装有荧光发射滤光片，荧光发射滤光片用于从外部观测样品容器中被激发的荧光，电池和荧光激发光源驱动控制板连接，荧光激发光源驱动控制板荧光激发光源连接。
本发明通过自动运输模块的两个水平驱动组件和升降传送组件的组合设计，以及特殊采用了两个恒温样品池双温扩增控制，能够实现PCR扩增的快速自动控制，相比现有PCR扩增更快捷有效。
所述样本容器固定盘上安装样本容器，样本容器包括用于安装PCR八连管、PCR毛细管、毛细吸管、离心管的容器：用于安装PCR毛细管和离心管的容器为水平布置的安装板，安装板上开有多个非规则布置的径向倾斜的通孔，PCR毛细管/离心管插装于各个通孔后，使得PCR毛细管/离心管从上端到下端以倾斜靠近安装板中心布置；用于安装PCR八连管的容器为竖直布置的安装板，安装板上开有多个水平平行的通孔，PCR八连管插装于各个通孔后，使得PCR八连管位于水平平行；用于安装毛细吸管的容器为竖直布置的安装板，安装板上固定有多个系固点，多个系固点沿平面螺纹方向间隔布置，每个系固点包括相靠近的两个绳结点以及两个绳结点之间的系绳，毛细吸管依次穿过各个系固点被每个系固点系绳绑缚在安装板表面，从而使得毛细吸管沿垂直于水平面的平面螺纹布置。
本发明同时对样本容器固定盘上的样本容器进行特殊结构设计，根据不同样本容器进行选择，如PCR八连管、PCR毛细管、毛细吸管、离心管等，相对位置更合理有效，能使得在多样化的同时能准确实现PCR扩增实验过程。
所述的样本通常为核酸试剂。
所述的升降齿条固定架底端设有一个限位开关，限位开关用于检测升降齿条固定架上升的极限位置，限位升降齿条固定架上升过度。
所述多槽水浴锅的恒温样品池的周围侧面通过磁性材料吸附或胶带粘贴或紧固件安装有挡水板，所述挡水板用于防止样本容器固定盘及其上的样品容器出入恒温样品池时产生的水花溅射出。
所述的样品容器固定盘通过紧固件固定连接或磁性材料吸附连接于升降齿条固定架底端。
所述水平驱动电机机与所述水平驱动电机固定座连接边缘处采用胶密封。
所述的多槽水浴锅侧壁安装有控制电路板外壳，控制电路板外壳内置电机控制模块；电机控制模块包括电源模块、主控模块和通讯模块，电源模块与主控模块、通讯模块电气连接进行供电，主控模块与通讯模块通过电气连接，通讯模块与上位机模块通过串口或蓝牙或Wi-Fi等通讯连接；主控模块包括装置运行状态指示灯和控制处理器，装置运行状态指示灯用于工作用状态的显示，控制处理器分别经水平驱动电机驱动器、升降驱动电机驱动器和水平驱动电机、升降驱动电机连接，控制处理器通过输出不同占空比的PWM信号控制所述水平驱动电机与所述升降驱动电机的位置，保证样本容器固定盘的样本容器完全浸没于水中。
所述上位机模块在上电时及重新发送运动控制信号时，向所述主控模块发送复位控制信号，所述升降驱动电机及所述水平驱动电机恢复初始位置即样本容器固定盘竖直位于两相邻恒温样品池中间。
二、一种快速双温PCR扩增控制方法：
采用上述控制装置，设置两个分别对应变性阶段和延伸阶段的恒温样品池，变性阶段设置温度93-95摄氏度，延伸阶段设置温度50-60摄氏度，通过自动运输模块控制样品容器固定盘的样品容器分别在变性阶段和延伸阶段的恒温样品池内往复来回转移并停留，两温区共进行30个循环，每个循环内，在变性阶段的恒温样品池停留3s，在延伸阶段的恒温样品池停留2s，从变性阶段的恒温样品池到延伸阶段的恒温样品池之间的单次转移时间和从延伸阶段的恒温样品池到变性阶段的恒温样品池之间的单次转移时间总计和为1s。
本发明经过对PCR反应过程中预热时间、两反应区停留时间及循环次数进行设定，通过控制电机的转动自动实现快速双温PCR扩增反应。
采用荧光分析法作为检测方法，在被测样本完成扩增后直接放入可视化荧光检测装置的样品容器检测槽中，根据荧光显示与否判断有无扩增产物：若显示荧光，则有扩增产物；反之则无。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明实现了食品安全检测中PCR反应的自动控制，基于常见多槽水浴锅的检测平台用于双温PCR反应进行扩增，操作简单安装方便，降低人工劳动强度的同时大大降低了仪器成本。
本发明可在3min内实现多个样本完成30个循环的双温PCR扩增，大大缩短检测时间，且制作成本低、安装方便、普适性强，体积小便于携带。
2、本发明使用规格可调整的样本容器固定盘，可以根据操作人员所使用样本容器进行选择，提高仪器使用普适性，提高检测准确性。
3、本发明控制电路板由防水材料覆盖，电机固定处由热熔胶包裹，减少水蒸气的影响，保证了控制准确率，延长仪器使用寿命。
4、本发明结构简单，体积较小，有很高的便携性，同时可调整固定架固定孔位置安装于多种多槽水浴锅上，适用于资源匮乏地区使用。
5、本发明实现了基于荧光分析法的扩增产物可视化检测，操作简便、成本低，同时检测装置模块化，通过磁性物质吸附在多槽水浴锅外壁，便于拿取。
附图说明
图1是本发明的三维等轴测示意图。
图2是本发明的升降调整结构三维示意图。
图3是本发明的样品容器固定盘与升降齿条固定示意图。
图4是本发明的电机控制模块的结构连接示意图。
图5是本发明安装PCR毛细管和离心管的样品固定盘示意图。
图6是本发明安装PCR八连管的样品固定盘示意图。
图7是本发明安装毛细软管的样品固定盘示意图。
图8是本发明可视化荧光检测装置的三维结构示意图。
图8(a)是可视化荧光检测装置的正面三维结构图。
图8(b)是可视化荧光检测装置的正面三维结构图。
图中：多槽水浴锅0、挡水板1，第一样品池2，样本容器固定盘3，升降齿条固定架4，直线导轨5，直线滑块6，升降传送皮带7，升降传送皮带支撑架8，升降驱动电机9，升降驱动电机固定座10，直线滑块固定紧固件11，水平传送皮带12，水平驱动电机13，水平驱动电机固定架14，水平驱动带轮15，装置运行状态指示灯16，控制电路板外壳17，第二样品池18，升降齿条19，升降齿轮20，磁铁片21，螺钉22，可视化荧光检测装置23，样品容器检测槽24，荧光发射滤光片25，荧光激发滤光片26，荧光激发光源27，荧光激发光源驱动控制板28，电池29。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明具体实施包括多槽水浴锅0、电机控制模块、自动运输模块、样本容器固定盘3、上位机模块和可视化荧光检测装置23，自动运输模块安装于多槽水浴锅0上，电机控制模块分别与自动运输模块、上位机模块相连，样本容器固定盘3安装于自动运输模块；可视化荧光检测装置23通过磁铁片21吸附于多槽水浴锅0外壁上；上位机模块采用PC机。
多槽水浴锅0设置有控制显示板和位于控制显示板前的台面上的两个恒温样品池，两个恒温样品池分别为第一样品池2和第二样品池18，恒温样品池带有加热设备，加热设备对恒温样品池进行加热；
自动运输模块包括直线导轨5、水平传送皮带12、水平驱动电机13、水平驱动电机固定架14、直线滑块6、升降齿轮20、升降齿条19、升降齿条固定架4、升降传送皮带7、升降传送皮带支撑架8、升降驱动电机9、升降驱动电机固定座10；主要由直线导轨5、水平传送皮带12、水平驱动电机13、水平驱动电机固定架14、直线滑块6构成了水平驱动组件，主要由升降齿轮20、升降齿条19、升降齿条固定架4、升降传送皮带7、升降传送皮带支撑架8、升降驱动电机9、升降驱动电机固定座10构成了升降传送组件。
直线导轨5和水平传送带12水平固定于多槽水浴锅0控制显示板顶面，直线导轨5和水平传送带12均沿两个恒温样品池之间连线方向平行布置，直线滑块6活动套装于直线导轨5上，水平驱动电机13通过水平驱动电机固定座14固定于多槽水浴锅0控制显示板顶面，水平驱动电机13的输出轴和水平传送带12一侧的一个水平驱动带轮15同轴连接。
升降驱动电机固定座10底部固定连接水平传送带12和直线滑块6，升降驱动电机9固定于升降驱动电机固定座10顶端，升降驱动电机固定座10顶部侧面固定连接升降传送皮带支撑架8的一端，升降传送皮带支撑架8水平布置，如图2所示，升降传送皮带支撑架8另一端安装有升降齿条固定架4和升降齿轮20，升降齿轮20铰接安装于升降传送皮带支撑架8，升降传送带7平行安装于升降传送皮带支撑架8侧部，升降传送带7靠近升降驱动电机固定座10一端的升降传送带轮和升降驱动电机9的输出轴连接，升降传送带7远离升降驱动电机固定座10一端的升降传送带轮和升降齿轮20同轴连接；升降齿条固定架4穿设安装于升降传送皮带支撑架8端部的竖直导向通槽中并沿竖直导向通槽竖直导向通槽，升降齿条固定架4靠近升降齿轮20的侧面设有升降齿条19，升降齿轮20和升降齿条固定架4上的升降齿条19啮合，升降齿条19底端安装连接样本容器固定盘3，样本容器固定盘3上安装样本容器，样本容器内放置待测样本试剂。
水平驱动电机13驱动水平传送带12运动进而带动升降驱动电机固定座10沿直线导轨5水平移动，升降驱动电机9运行经升降传送带7带动升降齿轮20旋转，进而升降齿条固定架4沿竖直导向通槽竖直导向通槽。进而驱动与升降齿条固定架4通过紧固件固定的样本容器固定盘3运动，在第一样品池2与第二样品池18之间根据上位机模块控制循环运动。升降齿条19和样本容器固定盘3的总长度适当，通过固定件21连接，确保样本容器存储样本部分可完全浸没于多槽水浴锅0的水中。
如图5-图7所示，样本容器固定盘3上安装样本容器，样本容器包括用于安装PCR八连管、PCR毛细管、毛细吸管、离心管的容器：
A、用于安装PCR毛细管和离心管的容器为水平布置的安装板，安装板上开有多个非规则布置的径向倾斜的通孔，PCR毛细管/离心管插装于各个通孔后，使得PCR毛细管/离心管从上端到下端以倾斜靠近安装板中心布置；如图5为开设多个通孔的布置，包括有多道位于不同圆周的通孔，通孔轴向从上端到下端倾斜向中心向内。
B、用于安装PCR八连管的容器为竖直布置的安装板，安装板上开有多个水平平行的通孔，PCR八连管插装于各个通孔后，使得PCR八连管位于水平平行；如图6为开设多个通孔的布置，包括有多道位于不同圆周的通孔，每道圆周的通孔间隔布置，且中心设置一个通孔。
C、用于安装毛细吸管的容器为竖直布置的安装板，安装板上固定有多个系固点，多个系固点沿平面螺纹方向间隔布置，每个系固点包括相靠近的两个绳结点以及两个绳结点之间的系绳，毛细吸管依次穿过各个系固点被每个系固点系绳绑缚在安装板表面，从而使得毛细吸管沿垂直于水平面的平面螺纹布置。如图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为不同尺寸毛细吸管的对应的平面螺纹形状布置，如图7(d)为闭环毛细吸管的对应的圆环形状布置。
升降齿条固定架4底端设有一个限位开关，限位开关用于检测升降齿条固定架4上升的极限位置，限位升降齿条固定架4上升过度。
多槽水浴锅0的恒温样品池的周围侧面通过磁性材料吸附或胶带粘贴或紧固件安装有挡水板1，挡水板1用于防止样本容器固定盘3及其上的样品容器出入恒温样品池时产生的水花溅射出。
样品容器固定盘3通过紧固件固定连接或磁性材料吸附连接于升降齿条固定架4底端。如图3(a)所示，采用磁性材料磁铁片21连接固定；如图3(b)所示，采用紧固件螺钉22连接固定。
直线导轨5与多槽水浴锅0通过紧固件固定，其紧固件定位孔可根据多槽水浴锅0相邻两恒温样品池间距进行适当调整。
水平驱动电机机13与水平驱动电机固定座14连接边缘处采用胶密封，加强水平驱动电机的固定效果，同时减少由于加热产生的水蒸气对驱动电机使用寿命的影响。
多槽水浴锅0侧壁安装有控制电路板外壳17，控制电路板外壳17内置电机控制模块；如图4所示，电机控制模块包括电源模块、主控模块和通讯模块，电源模块与主控模块、通讯模块电气连接进行供电，主控模块与通讯模块通过电气连接，通讯模块与上位机模块通过串口或蓝牙或Wi-Fi等通讯连接；主控模块包括装置运行状态指示灯16和控制处理器，装置运行状态指示灯16用于工作用状态的显示，控制处理器分别经水平驱动电机驱动器、升降驱动电机驱动器和水平驱动电机、升降驱动电机连接，控制处理器通过输出不同占空比的PWM信号控制水平驱动电机13与升降驱动电机9的位置，保证样本容器固定盘3的样本容器完全浸没于水中。
当装置通电而未运行时装置运行状态指示灯16显示橙色，当装置通电且运行时装置运行状态指示灯16显示绿色，当装置通电而未按控制信号运行或发生故障时装置运行状态指示灯16显示红色。
上位机模块通过串口或蓝牙或Wi-Fi等通讯方式，向通讯模块发送控制信号，通讯模块将接收到的控制信号传送至主控模块，控制信号包括样本容器初始位置控制信号、样本预热时长控制信号、各温区加热时长控制信号和循环次数控制信号。
主控模块按照控制信号控制驱动电机开启不同的运动模式，执行控制信号后主控模块通过通讯模块发送采集指令，在接收到采集控制信号后，记录定时器控件的时间，依次记录每个循环所用时长和总时长。上位机模块在上电时及重新发送运动控制信号时，向主控模块发送复位控制信号，升降驱动电机13及水平驱动电机9恢复初始位置即样本容器固定盘3竖直位于两相邻恒温样品池中间。
电机控制模块放置于控制电路板外壳17，控制电路板外壳17为一个由3D打印得到的盒子，电机控制模块的整个控制电路板放置于采用3D打印的尺寸为95mm(L)×65mm(W)×30mm(H)防水外壳17中，防止水蒸气干扰控制电路板的正常工作。
实际使用中，通讯模块可采用蓝牙、Wi-Fi模块，主控模块可使用STC12系列单片机，但不限于此。
如图8所示，可视化荧光检测装置23包括壳体和安装在壳体上的荧光发射滤光片25、荧光激发滤光片26、荧光激发光源27、荧光激发光源驱动控制板28、电池29和磁铁片13；所述可视化荧光检测装置23顶部开有若干个尺寸根据样品容器所设计的样品容器检测槽24(本实施例中以两个PCR毛细管为例，但不限于此)；壳体底面安装荧光激发光源驱动控制板28和电池29，壳体背面安装有磁铁片13，壳体背面经磁铁片13吸附到多槽水浴锅0外壁，样品容器检测槽24上部安装样品容器，样品容器检测槽24底部安装荧光激发光源27和荧光激发滤光片26，荧光激发光源27向上发射激光经荧光激发滤光片26后照射到样品容器；样品容器检测槽24侧的壳体侧壁开有水平通槽，水平通槽中安装有荧光发射滤光片25，荧光发射滤光片25用于从外部观测样品容器中被激发的荧光，电池29和荧光激发光源驱动控制板28连接，荧光激发光源驱动控制板28荧光激发光源27连接。
具体实施采用荧光分析法作为检测方法，在被测样本完成扩增后可直接放入可视化荧光检测装置23的样品容器检测槽24中，根据荧光显示与否判断有无扩增产物：若显示荧光，则有扩增产物；反之则无。
本发明的具体实施工作过程如下：
1、根据所使用的的样本容器，选择合适长度升降齿条19，以及确定样本容器固定盘3，将升降齿条19一端固定于升降传送皮带支撑架8上与升降齿轮20啮合，将样本容器固定盘3通过紧固件固定或磁性材料吸附与升降齿条19的另一端相连。
2、根据实验方案，操作人员在PC机输入运动控制信号包括样本容器初始位置指令、样本预热时长指令、各温区加热时长指令、循环次数指令，通过串口、Wi-Fi、蓝牙等通讯方式向电机控制模块发送命令，主控模块根据接收到的命令，控制水平驱动电机13和升降驱动电机9开启不同的运动模式，水平驱动电机13控制样本容器固定盘3水平运动，升降驱动电机9控制样本容器固定盘3升降运动，工作进行后，主控模块通过通讯模块向PC机发送采集时间控制，通过观察装置运行状态指示灯16可判断装置运行状态。
采用上述控制装置，两个分别对应变性阶段和延伸阶段的恒温样品池，变性阶段设置温度93-95摄氏度，延伸阶段设置温度45-65摄氏度，通过自动运输模块控制样品容器固定盘3的样品容器分别在变性阶段和延伸阶段的恒温样品池内往复来回转移并停留，两温区共进行30个循环，每个循环内，在变性阶段的恒温样品池停留3s，在延伸阶段的恒温样品池停留2s，从变性阶段的恒温样品池到延伸阶段的恒温样品池之间的单次转移时间和从延伸阶段的恒温样品池到变性阶段的恒温样品池之间的单次转移时间总计和为1s。
如图5、图6、图7所示，样本容器固定盘3针对不同的样本容器其规格可进行选择，图5和图6为根据PCR八连管(直径为6mm)、PCR毛细管(封口端直径为7mm)所采用的样本容器固定盘3，图7为根据不同长度的毛细软管所设计的样品容器固定盘3。
以常用长为50mm的PCR毛细管为例，采用图1所示的样本容器固定盘3，并约定多槽水浴锅0样品池尺寸为110mm(L)×95mm(W)，液面距离样品池口距离为10mm，每次操作可以同时检测6个样本，为了保证所有储存有待测样本的样本容器部分在装置运行过程中完全浸没于水中，同时不触碰到多槽水浴锅0第一样品池1及第二样品池18的内壁，根据几何关系，易得升降齿条19的长度应在40～70mm范围之内，测试过程中可选用长度为50mm。
如图1所示，具体实施中，升降齿条一个循环中至少上升高度为40×2＝80mm，水平方向上运动距离为多槽水浴锅0宽度95mm，一个循环中运动距离至少为175mm。快速PCR扩增自动控制装置需在3分钟内完成变性阶段停留3s、延伸阶段停留2s、两温区共30个循环，每个循环中的转移时间总和不能超过(180-(3+2)*30)/30＝1s。配合使用驱动电机半径为10mm时转速达到2.8r/s即17.5rad/s，注意到检测过程中样本容器出入水面时会受到一定的阻力，选用转速为6πrad/s、扭力为32.3kg.cm的电机，能实现完成变性阶段停留3s、延伸阶段停留2s、两温区共30个循环一次操作所用时间小于3分钟。
3、PC机可自动计算循环次数及各温区停留时间，同时记录每个循环所用时长及总时长，通过存入PC机内存以待后续处理。
4、保存所得到每个循环所用时长及总时长，如图8所示，或者根据检测方法重新设定运动指令进行新一轮扩增、更换待测样本容器，或者结束扩增。
5、采用荧光分析法作为检测方法，将PCR毛细管直接放入可视化荧光检测装置23的样品容器检测槽24中，根据荧光显示与否判断有无扩增产物：若显示荧光，则有扩增产物；反之则无。
本发明实施下，通过直线式的结构设计，使得控制简单有效，样本容器在未反应环境中停留时间短，影响小；同时多样化的样本容器固定盘3和模块化的可视化荧光检测装置23，使得仪器普适性强，检测功能丰富。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：包括多槽水浴锅（0）、电机控制模块、自动运输模块、样本容器固定盘（3）、上位机模块和可视化荧光检测装置（23），自动运输模块安装于多槽水浴锅（0）上，电机控制模块分别与自动运输模块、上位机模块相连，样本容器固定盘（3）安装于自动运输模块；可视化荧光检测装置（23）通过磁铁片（21）吸附装于多槽水浴锅（0）外壁上；多槽水浴锅（0）设置有控制显示板和位于控制显示板前的台面上的两个恒温样品池，两个恒温样品池分别为第一样品池（2）和第二样品池（18），恒温样品池带有加热设备；
所述自动运输模块包括直线导轨（5）、水平传送皮带（12）、水平驱动电机（13）、水平驱动电机固定架（14）、直线滑块（6）、升降齿轮（20）、升降齿条（19）、升降齿条固定架（4）、升降传送皮带（7）、升降传送皮带支撑架（8）、升降驱动电机（9）、升降驱动电机固定座（10）；主要由直线导轨（5）、水平传送皮带（12）、水平驱动电机（13）、水平驱动电机固定架（14）、直线滑块（6）构成了水平驱动组件，主要由升降齿轮（20）、升降齿条（19）、升降齿条固定架（4）、升降传送皮带（7）、升降传送皮带支撑架（8）、升降驱动电机（9）、升降驱动电机固定座（10）构成了升降传送组件；直线导轨（5）和水平传送带（12）水平固定于多槽水浴锅（0）控制显示板顶面，直线导轨（5）和水平传送带（12）均沿两个恒温样品池之间连线方向平行布置，直线滑块（6）活动套装于直线导轨（5）上，水平驱动电机（13）通过水平驱动电机固定架（14）固定于多槽水浴锅（0）控制显示板顶面，水平驱动电机（13）的输出轴和水平传送带（12）一侧的一个水平驱动带轮（15）同轴连接；升降驱动电机固定座（10）底部固定连接水平传送带（12）和直线滑块（6），升降驱动电机（9）固定于升降驱动电机固定座（10）顶端，升降驱动电机固定座（10）顶部侧面固定连接升降传送皮带支撑架（8）的一端，升降传送皮带支撑架（8）水平布置，升降传送皮带支撑架（8）另一端安装有升降齿条固定架（4）和升降齿轮（20），升降传送带（7）平行安装于升降传送皮带支撑架（8）侧部，升降传送带（7）靠近升降驱动电机固定座（10）一端的升降传送带轮和升降驱动电机（9）的输出轴连接，升降传送带（7）远离升降驱动电机固定座（10）一端的升降传送带轮和升降齿轮（20）同轴连接；升降齿条固定架（4）穿设安装于升降传送皮带支撑架（8）端部的竖直导向通槽中并沿竖直导向通槽竖直导向通槽，升降齿条固定架（4）靠近升降齿轮（20）的侧面设有升降齿条（19），升降齿轮（20）和升降齿条（19）啮合，升降齿条（19）底端安装连接样本容器固定盘（3），样本容器固定盘（3）上安装样本容器；
所述可视化荧光检测装置（23）包括壳体和安装在壳体上的荧光发射滤光片（25）、荧光激发滤光片（26）、荧光激发光源（27）、荧光激发光源驱动控制板（28）、电池（29）和磁铁片（21）；所述可视化荧光检测装置（23）顶部开有若干个尺寸根据样本容器所设计的样品容器检测槽（24）；壳体底面安装荧光激发光源驱动控制板（28）和电池（29），壳体背面安装有磁铁片（21），壳体背面经磁铁片（21）吸附到多槽水浴锅（0）外壁，样品容器检测槽（24）上部安装样本容器，样品容器检测槽（24）底部安装荧光激发光源（27）和荧光激发滤光片（26），荧光激发光源（27）向上发射激光经荧光激发滤光片（26）后照射到样本容器；样品容器检测槽（24）侧的壳体侧壁开有水平通槽，水平通槽中安装有荧光发射滤光片（25），荧光发射滤光片（25）用于从外部观测样本容器中被激发的荧光，电池（29）和荧光激发光源驱动控制板（28）连接，荧光激发光源驱动控制板（28）和荧光激发光源（27）连接；
所述样本容器固定盘（3）上安装样本容器，样本容器包括用于安装PCR八连管、PCR毛细管、毛细吸管或离心管的容器：
用于安装PCR毛细管和离心管的容器为水平布置的安装板，安装板上开有多个非规则布置的径向倾斜的通孔，PCR毛细管/离心管插装于各个通孔后，使得PCR毛细管/离心管从上端到下端以倾斜靠近安装板中心布置；
用于安装PCR八连管的容器为竖直布置的安装板，安装板上开有多个水平平行的通孔，PCR八连管插装于各个通孔后，使得PCR八连管位于水平平行；
用于安装毛细吸管的容器为竖直布置的安装板，安装板上固定有多个系固点，多个系固点沿平面螺纹方向间隔布置，每个系固点包括相靠近的两个绳结点以及两个绳结点之间的系绳，毛细吸管依次穿过各个系固点被每个系固点系绳绑缚在安装板表面，从而使得毛细吸管沿垂直于水平面的平面螺纹布置。
2.根据权利要求1所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述的升降齿条固定架（4）底端设有一个限位开关，限位开关用于检测升降齿条固定架（4）上升的极限位置，限位升降齿条固定架（4）上升过度。
3.根据权利要求1所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述多槽水浴锅（0）的恒温样品池的周围侧面通过磁性材料吸附或胶带粘贴或紧固件安装有挡水板（1），所述挡水板（1）用于防止样本容器固定盘（3）及其上的样本容器出入恒温样品池时产生的水花溅射出。
4.根据权利要求1所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述的样本容器固定盘（3）通过紧固件固定连接或磁性材料吸附连接于升降齿条固定架（4）底端。
5.根据权利要求1所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述水平驱动电机（13）与所述水平驱动电机固定架（14）连接边缘处采用胶密封。
6.根据权利要求1所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述的多槽水浴锅（0）侧壁安装有控制电路板外壳（17），控制电路板外壳（17）内置电机控制模块；电机控制模块包括电源模块、主控模块和通讯模块，电源模块与主控模块、通讯模块电气连接进行供电，主控模块与通讯模块通过电气连接，通讯模块与上位机模块通过串口或蓝牙或Wi-Fi通讯连接；主控模块包括装置运行状态指示灯（16）和控制处理器，装置运行状态指示灯（16）用于工作用状态的显示，控制处理器分别经水平驱动电机驱动器、升降驱动电机驱动器和水平驱动电机、升降驱动电机连接，控制处理器通过输出不同占空比的PWM信号控制所述水平驱动电机（13）与所述升降驱动电机（9）的位置，保证样本容器固定盘（3）的样本容器完全浸没于水中。
7.根据权利要求6所述的一种直线式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述上位机模块在上电时及重新发送运动控制信号时，向所述主控模块发送复位控制信号，所述升降驱动电机（9）及所述水平驱动电机（13）恢复初始位置即样本容器固定盘（3）竖直位于两相邻恒温样品池中间。
8.一种快速双温PCR扩增控制方法，其特征在于：
采用权利要求1所述的控制装置，设置两个分别对应变性阶段和延伸阶段的恒温样品池，变性阶段设置温度93-95摄氏度，延伸阶段设置温度50-60摄氏度，通过自动运输模块控制样本容器固定盘（3）的样本容器分别在变性阶段和延伸阶段的恒温样品池内往复来回转移并停留，两温区共进行30个循环，每个循环内，在变性阶段的恒温样品池停留3 s，在延伸阶段的恒温样品池停留2 s，从变性阶段的恒温样品池到延伸阶段的恒温样品池之间的单次转移时间和从延伸阶段的恒温样品池到变性阶段的恒温样品池之间的单次转移时间总计和为1s。
9.根据权利要求8所述的一种快速双温PCR扩增控制方法，其特征在于：
采用荧光分析法作为检测方法，样本容器在完成扩增后直接放入可视化荧光检测装置（23）的样品容器检测槽（24）中，根据荧光显示与否判断有无扩增产物：若显示荧光，则有扩增产物；反之则无。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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