CN109810891B - 一种摇杆式快速双温pcr扩增自动控制装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置和控制方法。摇杆式的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

一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置和控制方法

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，尤其是涉及了一种摇杆式快速双温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PCR的发展，对仪器中热循环变化速度的要求越来越高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种摇杆式快速双温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、一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置：

装置包括多槽水浴锅、控制电路板、转移运输模块、样本容器固定盘、上位机模块和可视化荧光检测装置，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；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；所述转移运输模块包括驱动曲柄、驱动舵机、连杆、导向杆、限位滑块、导向杆固定座、金属舵盘、驱动舵机固定座；驱动舵机通过驱动舵机固定座固定于第一样品池和第二样品池之间的多槽水浴锅台面上，驱动舵机输出端的金属舵盘和驱动曲柄的下端固定连接，驱动曲柄上端和连杆下端铰接，连杆上端和限位滑块铰接，连杆下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；多槽水浴锅的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳，导向杆固定座一端固定于控制电路板外壳顶面，导向杆固定座另一端水平向驱动舵机正上方延伸，导向杆固定座另一端上固定有竖直布置的导向杆，导向杆的轴线经过金属舵盘的圆心，限位滑块套装于导向杆中。

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。

本发明通过转移运输模块的巧妙结构设计，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。

所述的导向杆底端设有一个限位开关，限位开关用于用于控制限位滑块9的行程和限位保护，防止样本容器固定盘运动时触碰到多槽水浴锅中第一样品池及第二样品池的内壁。

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连杆底端。

所述驱动舵机与所述固定架连接边缘处采用胶密封，加强所述驱动舵机的固定效果，同时减少由于加热产生的水蒸气对所述驱动舵机使用寿命的影响。

所述的多槽水浴锅的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳，控制电路板外壳内置控制电路板；控制电路板包括电源模块、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；主控模块包括运行状态指示灯和控制处理器，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信号控制所述驱动舵机输出端的旋转位置。

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，所述驱动舵机恢复初始位置即所述连杆竖直位于两相邻样品池中间。

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45-65摄氏度，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双温PCR反应的自动控制，基于常见多槽水浴锅的检测平台用于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PC机上自主开发的程序作为控制程序发送仪器运动指令并采集装置运动时间信息，人机交互通俗易懂，整个检测过程迅速快捷。

3、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。

4、本发明控制电路板由防水材料覆盖，舵机固定处由胶密封，减少水蒸气的影响，保证了控制准确率，延长仪器使用寿命。

5、本发明结构简单，体积较小，有很高的便携性，同时可调整固定座上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。

6、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是本发明的样品容器固定盘与连杆固定示意图。

图3是本发明的控制电路板的结构连接示意图。

图4是本发明安装PCR毛细管和离心管的样品固定盘示意图。

图5是本发明安装PCR八连管的样品固定盘示意图。

图6是本发明安装毛细软管的样品固定盘示意图。

图7是本发明可视化荧光检测装置的三维结构示意图。

图7(a)是可视化荧光检测装置的正面三维结构图。

图7(b)是可视化荧光检测装置的正面三维结构图。

图8是本发明实施例的可视化检测图。

图中：挡水板1，第一样品池2，样本容器固定盘3，紧固件4，驱动曲柄5，驱动舵机6，连杆7，导向杆8，限位滑块9，控制电路板外壳10，导向杆固定座11，运行状态指示灯12，金属舵盘13，驱动舵机固定座14，第二样品池15，多槽水浴锅16，磁铁片17，螺钉18，可视化荧光检测装置19，样品容器检测槽20，荧光发射滤光片21，荧光激发滤光片22，荧光激发光源23，荧光激发光源驱动控制板24，电池25。

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16、控制电路板、转移运输模块、样本容器固定盘3、上位机模块和可视化荧光检测装置19，转移运输模块安装于多槽水浴锅16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3安装于转移运输模块；可视化荧光检测装置19通过磁铁片17吸附于多槽水浴锅16外壁上；上位机模块采用PC机。多槽水浴锅16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15，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；转移运输模块包括驱动曲柄5、驱动舵机6(不限于此，亦可为直流电机等)、连杆7、导向杆8、限位滑块9、导向杆固定座11、金属舵盘13、驱动舵机固定座14；驱动舵机6通过驱动舵机固定座14固定于第一样品池2和第二样品池15之间的多槽水浴锅16台面上，驱动舵机固定座14通过紧固件4固定安装在多槽水浴锅16台面上，驱动舵机6输出端的金属舵盘13和驱动曲柄5的下端固定连接，驱动曲柄5上端和连杆7下端铰接，连杆7上端和限位滑块9铰接，连杆7下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；多槽水浴锅16的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳10，导向杆固定座11一端固定于控制电路板外壳10顶面，导向杆固定座11另一端水平向驱动舵机6正上方延伸，导向杆固定座11另一端上固定有竖直布置的导向杆8，导向杆8的轴线经过金属舵盘13的圆心，限位滑块9套装于导向杆8中

本发明设计了主要由驱动曲柄5、连杆7、限位滑块9和导向杆8构成的曲柄滑块机构，驱动舵机6运行带动驱动曲柄5旋转，进而通过曲柄滑块机构带动连杆7末端的样本容器固定盘3在第一样品池2和第二样品池15之间转移运动。

如图4-图6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：

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4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。

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，每道圆周的通孔间隔布置，且中心设置一个通孔。

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6(a)、图6(b)、图6(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6(d)为闭环毛细吸管的对应的圆环形状布置。

导向杆8底端设有一个限位开关，限位开关用于控制限位滑块9的行程和限位保护，防止样本容器固定盘3运动时触碰到多槽水浴锅16中第一样品池2及第二样品池15的内壁。

多槽水浴锅16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连杆7底端。如图2(a)所示，采用磁性材料磁铁片17连接固定；如图2(b)所示，采用紧固件螺钉18连接固定。

驱动舵机固定架14与多槽水浴锅16通过紧固件固定，其紧固件定位孔可根据多槽水浴锅16相邻两恒温样品池间距进行适当调整。

驱动舵机6与固定架14连接边缘处采用胶密封，加强驱动舵机6的固定效果，同时减少由于加热产生的水蒸气对驱动舵机6使用寿命的影响。

多槽水浴锅16的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳10，控制电路板外壳10内置控制电路板；如图3所示，控制电路板包括电源模块、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；主控模块包括运行状态指示灯12和控制处理器，运行状态指示灯12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信号控制驱动舵机6输出端的旋转位置，保证样本容器固定盘3的样本容器在不碰撞多槽水浴锅16内壁的条件下使得样本容器完全浸没于水中，同时减少装置出入水时携带残留水量。

当装置通电而未运行时运行状态指示灯12显示橙色，当装置通电且运行时运行状态指示灯12显示绿色，当装置通电而未按控制信号运行或发生故障时运行状态指示灯12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，驱动舵机6恢复初始位置即连杆8竖直位于两相邻样品池中间。

控制电路板均放置于控制电路板外壳10中，控制电路板外壳10为一个由3D打印得到的盒子，控制电路板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7所示，所述可视化荧光检测装置19包括壳体和安装在壳体上的荧光发射滤光片21、荧光激发滤光片22、荧光激发光源23、荧光激发光源驱动控制板24、电池25和磁铁片13；所述可视化荧光检测装置19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20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24和电池25，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16外壁，样品容器检测槽20上部安装样品容器，样品容器检测槽20底部安装荧光激发光源23和荧光激发滤光片22，荧光激发光源23向上发射激光经荧光激发滤光片22后照射到样品容器；样品容器检测槽20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21，荧光发射滤光片21用于从外部观测样品容器中被激发的荧光，电池25和荧光激发光源驱动控制板24连接，荧光激发光源驱动控制板24荧光激发光源23连接。

具体实施中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19的样品容器检测槽20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、根据所使用的样本容器，选择合适长度的驱动曲柄5和连杆7，以及确定样本容器固定盘3，将合适的驱动曲柄5一端通过金属舵盘13固定于驱动舵机6的转子上，另一端通过联轴器与连杆7通过导向杆8中段连接，同时将样本容器固定盘3通过紧固件固定于或磁性材料吸附于连杆7的下端。

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、蓝牙等通讯方式向控制电路板发送命令，主控模块根据接收到的命令，控制驱动舵机6开启不同的运动模式，驱动舵机6控制样本容器固定盘3从一个恒温样品池提出水面然后经弧度轨迹后运动到另一个恒温样品池，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，通过观察运行状态指示灯12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，通过转移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4、图5、图6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4和图5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6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16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16中第一样品池2及第二样品池15的内壁，根据几何关系，易得连杆7的长度应在范围之40～80mm内，测试过程中可选用长度为50mm。

具体实施中，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。如图1所示，工作时驱动曲柄一个循环最多转动弧度2π，即驱动舵机转速至少达到2πrad/s，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4.5πrad/s、扭力为32.3kg.cm的舵机，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、根据导向杆8底端限位滑块输出信号的变化，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，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，如下表，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19的样品容器检测槽20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。如图8所示，P表示有扩增产物，N表示无扩增产物。

本发明实施下，通过摇杆式的结构设计，驱动舵机6的旋转角度较小，样本容器固定盘3末端样本容器所经过的运动轨迹较短，使得控制更快速有效，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19，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 (8)

1.一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：

包括多槽水浴锅(16)、控制电路板、摇杆式转移运输模块、样本容器固定盘(3)、上位机模块和可视化荧光检测装置(19)，摇杆式运输模块安装于多槽水浴锅(16)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(3)安装于转移运输模块；可视化荧光检测装置(19)通过磁铁片(17)吸附装于多槽水浴锅(16)外壁上；多槽水浴锅(16)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(15)，恒温样品池带有加热设备；

所述摇杆式转移运输模块包括驱动曲柄(5)、驱动舵机(6)、连杆(7)、导向杆(8)、限位滑块(9)、导向杆固定座(11)、金属舵盘(13)、驱动舵机固定座(14)；驱动舵机(6)通过驱动舵机固定座(14)固定于第一样品池(2)和第二样品池(15)之间的多槽水浴锅(16)台面上，驱动舵机(6)输出端的金属舵盘(13)和驱动曲柄(5)的下端固定连接，驱动曲柄(5)上端和连杆(7)下端铰接，连杆(7)上端和限位滑块(9)铰接，连杆(7)下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；多槽水浴锅(16)的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳(10)，导向杆固定座(11)一端固定于控制电路板外壳(10)顶面，导向杆固定座(11)另一端水平向驱动舵机(6)正上方延伸，导向杆固定座(11)另一端上固定有竖直布置的导向杆(8)，导向杆(8)的轴线经过金属舵盘(13)的圆心，限位滑块(9)套装于导向杆(8)中；

所述的多槽水浴锅(16)的控制显示板顶面固定安装有控制电路板外壳(10)，控制电路板外壳(10)内置控制电路板；控制电路板包括电源模块、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；主控模块包括运行状态指示灯(12)和控制处理器，运行状态指示灯(12)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信号控制所述驱动舵机(6)输出端的旋转位置；

所述可视化荧光检测装置(19)包括壳体和安装在壳体上的荧光发射滤光片(21)、荧光激发滤光片(22)、荧光激发光源(23)、荧光激发光源驱动控制板(24)、电池(25)和磁铁片(17)；所述可视化荧光检测装置(19)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(20)；壳体底面安装荧光激发光源驱动控制板(24)和电池(25)，壳体背面安装有磁铁片(17)，壳体背面经磁铁片(17)吸附到多槽水浴锅(16)外壁，样品容器检测槽(20)上部安装样品容器，样品容器检测槽(20)底部安装荧光激发光源(23)和荧光激发滤光片(22)，荧光激发光源(23)向上发射激光经荧光激发滤光片(22)后照射到样品容器；样品容器检测槽(20)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(21)，荧光发射滤光片(21)用于从外部观测样品容器中被激发的荧光，电池(25)和荧光激发光源驱动控制板(24)连接，荧光激发光源驱动控制板(24)荧光激发光源(23)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、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所述的一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述的导向杆(8)底端设有一个限位开关，限位开关用于控制限位滑块9的行程和限位保护，防止样本容器固定盘(3)运动时触碰到多槽水浴锅(16)中第一样品池(2)及第二样品池(15)的内壁。

3.根据权利要求1所述的一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述多槽水浴锅(16)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)及其上的样品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所述的一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述的样品容器固定盘(3)通过紧固件固定连接或磁性材料吸附连接于连杆(7)底端。

5.根据权利要求1所述的一种摇杆式快速双温PCR扩增自动控制装置，其特征在于：所述驱动舵机(6)与所述驱动舵机固定座(14)连接边缘处采用胶密封，加强所述驱动舵机(6)的固定效果，同时减少由于加热产生的水蒸气对所述驱动舵机(6)使用寿命的影响。

6.根据权利要求1所述的一种摇杆式快速双温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，所述驱动舵机(6)恢复初始位置即所述连杆(7)竖直位于两相邻样品池中间。

7.一种快速双温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45-65摄氏度，通过转移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，总反应可在3min内完成，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。

8.根据权利要求7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，在完成扩增后直接放入可视化荧光检测装置(19)的样品容器检测槽(20)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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