CN109839973B - 一种用于核酸反应的温度控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核酸反应的温度控制装置和方法，其中，温度控制装置包括反应模块、温度测量模块、主控板、控制模块、电热模块、散热模块和显示模块，该装置通过多个温度传感器实时监测芯片和加热块的温度差，同时该装置中加热块可进行上下移动及旋转，通过增大加热块与反应模块之间的距离并使用变速风扇及散热片以实现核酸反应过程的降温，具有升温速度快且精准、成本低廉等优点，同时能够实时控制降温，有效防止温度过冲，实现快速、均匀降温过程。此外，反应模块中包括的多个反应池还可以同时实现不同核酸的反应，进一步提高了核酸反应的反应效率。

Description

一种用于核酸反应的温度控制装置和方法

技术领域

本发明属于生物技术仪器领域，具体涉及一种用于核酸反应的温度控制装置和方法。

背景技术

核酸扩增技术目前包括常规数字聚合酶链反应技术、实时荧光数字聚合酶链反应技术以及等温核酸扩增技术等，其中，数字聚合酶链反应技术(Polymerase ChainReaction，简称PCR)，是一种用于扩增特定的DNA分子片段的分子生物技术，它以DNA分子为模板，由一对人工合成的特异寡核苷酸引物，通过DNA聚合酶酶促反应，快速扩增特异DNA分子片段，在生物学上具有极其重要的作用。PCR反应的基本过程分为三步。第一步，DNA变性(94℃)，双链DNA模板在热作用下氢键断裂，形成单链DNA；第二步，退火(55℃)，系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；第三步，延伸(72℃)，在Taq酶的作用下，以dNTP为原料从引物的5端到3端延伸，合成与模板互补的DNA链。PCR仪就是通过控制样品达到不同温度，对被扩增的DNA片段进行变性、退火和聚合处理，以达到将DNA片段的量成倍扩增的目的。因此，温度控制的精度及升降温的速度直接影响DNA片段扩增的效率。

现有的核酸扩增温度控制方法通常只用一到两个温度传感器，而且只对导热模块进行温度采集和处理，并且散热部分都是固定的散热片和定速的风扇，这样做达不到较高的控温精度，影响了DNA片段扩增的效率。例如，中国实用新型专利CN207557707U公开了一种核酸反应控制电路，包括主控模块、温度传感器接口、温度控制模块、位置传感器接口、电机控制模块以及电源模块，通过检测核酸反应的环境温度，根据用户的具体需要，可编程的实现核酸反应操作，同步控制反应温度和机械操作，从而将复杂的实验操作转换为程序化自动化的实验操作，反应条件控制更加精准，核酸反应实验结果确切可靠，可重复性强。

而中国发明专利CN106337021A公开了一种用于聚合酶链式反应的大面积精确温控系统，该系统包括核酸反应芯片、加热单元和风扇单元，与现有技术相比，该发明具有如下的有益效果：系统包含48个微滴阵列反应室，能够用于多个核酸溶液的聚合酶链式反应同时进行；采用4个金属线圈作为加热器并单独控制，精确度更高；采用金属线圈作为加热器，升温速度快；采用金属线圈同时作为加热器和温度传感器，集成化程度更高。但该发明中金属线圈作为加热器成本较高、易损坏且维修不方便，同时该发明也并未说明风扇的具体散热方式。

针对核酸扩增技术存在的温度控制精度及升降温速度控制不精准的问题，应当寻找一种用于核酸反应的温度控制装置和方法，使得该装置和方法具有升温速度快且精准、成本低廉、能耗低同时能够实时控制降温等优点，有效防止温度过冲。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种用于核酸反应的温度控制装置和方法，该装置通过四个温度传感器实时监测芯片和加热块的温度差，同时使用变速风扇实现核酸反应过程的降温，具有升温速度快且精准、成本低廉等优点，同时能够实时控制降温，有效防止温度过冲，此外，反应模块中包括的多个反应池还可以同时实现不同核酸的反应。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于核酸反应的温度控制装置，其特征在于：包括反应模块、温度测量模块、主控板、控制模块、电热模块、散热模块和显示模块；所述主控板与所述控制模块、温度测量模块及显示模块相连，所述控制模块与所述电热模块及散热模块相连，所述温度测量模块与所述电热模块及反应模块相连。

进一步地，所述反应模块设在电热模块顶部，所述散热模块设在电热模块底部，所述反应模块、电热模块和散热模块通过基座实现连接。

进一步地，所述反应模块包括芯片及多个反应池，所述芯片包括基体，其中，多个反应池可同时实现不同的核酸反应；所述散热模块包括散热片和变速风扇；所述电热模块包括加热块，所述加热块通过可移动连接块与所述基座相连，所述可移动连接块的材料为陶瓷或石墨，所述基座和可移动连接之间安装有旋转接头，可实现180°旋转，同时可移动连接块在基座上可实现上下移动。

进一步地，所述温度测量模块包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；所述第一温度传感器和第二温度传感器设在所述反应模块中反应池底部两端，所述第三温度传感器和第四温度传感器设在所述电热模块中加热块底部两端。

一种采用上述温度控制装置控制温度的方法，包括以下步骤：

(1)温度信号检测：通过温度测量模块中的温度传感器分别检测电热模块中加热块的温度和反应模块中芯片的温度；

所述温度信号检测方式如下：

①采用第一温度传感器和第二温度传感器对芯片温度进行实时检测，获得第一温度信号；

②采用第三温度传感器和第四温度传感器对加热块底部温度进行实时检测，获得第二温度信号；

(2)温度信号处理：采用信号采集与处理电路对所述第一温度信号、第二温度信号分别进行采集和处理；将温度传感器采集到的数据传输给A/D转换电路，再传输给主控板进行处理，同时主控板传输给显示模块实时显示；

(3)PID参数计算：主控板通过预设软件算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，发出温度、风扇转速和加热块位置控制命令；

(4)控制命令接收，温度实时调节：控制模块接收到温度、风扇转速和加热块位置控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值，通过散热模块及电热模块对核酸扩增仪的温度进行调节。

进一步地，步骤(2)中所述预设软件算法为PID算法中的PID增量式算法。主控板将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用PID算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，进而发出温度、风扇转速和加热块位置控制命令。当核酸反应需要升温时，变速风扇停止或转速减小，加热块向反应模块方向移动，迅速并准确地完成升温；需要降温时，变速风扇转速增大，加热块向散热模块方向移动，能够迅速并准确地完成降温。

本发明所取得的技术效果是：

1、在加热块底部和芯片分别放置两个温度传感器，实时监测芯片和加热块的温度差，通过PID算法计算，更精确地控制温度，使加热更为均匀，同时，使用的加热块也具有价格低廉不易损坏的优点。

2、使用变速风扇、散热片，同时控制加热块位置的变动，使散热过程更加精确、均匀、迅速，从而配合加热模块更精确、更快地控制温度，实时控制，防止温度过冲，协同实现升温、降温过程，极大地减少了能耗。

3、反应模块中的多个反应池可同时实现不同核酸的反应，提高反应效率。

附图说明

图1为用于核酸反应的温度控制装置的结构示意图；

图2为反应模块1、电热模块6及散热模块7的结构示意图；

其中，1-反应模块，2-温度测量模块，3-主控板，4-显示模块，5-控制模块，6-电热模块，7-散热模块；8-反应池；9-基体；201-第一温度传感器；202-第二温度传感器；203-第三温度传感器；204-第四温度传感器；10-加热块；11-变速风扇；12-基座；13-可移动连接块；14-散热片。

具体实施方式

一种用于核酸反应的温度控制装置，包括反应模块1、温度测量模块2、主控板3、控制模块5、电热模块6、散热模块7和显示模块4；其中，主控板3与控制模块5、温度测量模块2及显示模块4相连，控制模块5与电热模块6及散热模块7相连，温度测量模块2与电热模块6及反应模块1相连。反应模块1设在电热模块6顶部，散热模块7设在电热模块6底部，反应模块1、电热模块6和散热模块7通过基座12实现连接；反应模块1包括芯片及多个反应池8，其中，芯片包括基体9，多个反应池8可同时实现不同的核酸反应；散热模块7包括散热片14和变速风扇11；电热模块6包括加热块10，加热块10通过可移动连接块13与基座12相连，可移动连接块13的材料为石墨，可移动连接块13与基座12之间安装有旋转接头，可使加热块10实现180°旋转；温度传感器包括第一温度传感器201、第二温度传感器202、第三温度传感器203和第四温度传感器204；第一温度传感器201和第二温度传感器202设在反应模块1中反应池8底部两端，第三温度传感器203和第四温度传感器204设在电热模块6中加热块10底部两端。

一种采用上述温度控制装置控制温度的方法，包括以下步骤：

(1)温度信号检测：通过温度测量模块2中的温度传感器分别检测电热模块6中加热块10的温度和反应模块1中芯片的温度；

其中，温度信号检测方式如下：

①采用第一温度传感器201和第二温度传感器202对芯片温度进行实时检测，获得第一温度信号；

②采用第三温度传感器203和第四温度传感器204对加热块10底部温度进行实时检测，获得第二温度信号；

(2)温度信号处理：采用信号采集与处理电路对第一温度信号、第二温度信号分别进行采集和处理；将温度传感器采集到的数据传输给A/D转换电路，再传输给主控板3进行处理，同时主控板3传输给显示模块4实时显示；

(3)PID参数计算：主控板3通过增量式PID算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，发出温度、风扇转速和加热块10位置控制命令；

(4)控制命令接收，温度实时调节：控制模块5接收到温度、风扇转速和加热块10位置控制命令后，根据比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值，通过散热模块7及电热模块6对核酸扩增仪的温度进行调节。

当核酸反应需要升温时，变速风扇11停止或转速减小，可移动连接块13在基座12上向上移动，带动加热块10向反应模块1方向移动，迅速并准确地完成升温；需要降温时，变速风扇11转速增大，加热块10向散热模块7方向移动，同时，加热块10通过基座12与可移动连接块13之间的旋转接头实现180°旋转，能够均匀、迅速地散热，准确地完成降温过程。

通过本发明的温度控制装置和方法，能够更加精准地控制核酸反应过程的温度，使加热更为均匀，同时也使散热过程更为精确、均匀且迅速，快速散热地同时，极大地减少了能耗，进而节约了时间及成本，提高了核酸反应的反应效率。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种用于核酸反应的温度控制装置，其特征在于：包括反应模块、温度测量模块、主控板、控制模块、电热模块、散热模块和显示模块；所述主控板与所述控制模块、温度测量模块及显示模块相连，所述控制模块与所述电热模块及散热模块相连，所述温度测量模块与所述电热模块及反应模块相连；所述反应模块设在电热模块顶部，所述散热模块设在电热模块底部，所述反应模块、电热模块和散热模块通过基座实现连接；所述电热模块包括加热块，所述加热块通过可移动连接块与所述基座相连；所述基座和可移动连接块之间安装有旋转接头；所述温度测量模块包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；所述第一温度传感器和第二温度传感器设在所述反应模块中反应池底部两端，所述第三温度传感器和第四温度传感器设在所述电热模块中加热块底部两端。

2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：所述反应模块包括芯片及多个反应池，所述芯片包括基体。

3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：所述散热模块包括散热片和变速风扇。

4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：所述可移动连接块的材料为陶瓷或石墨。

5.一种用权利要求1-4任意一项所述的温度控制装置控制温度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)温度信号检测：通过温度测量模块中的温度传感器分别检测电热模块中加热块的温度和反应模块中芯片的温度；

所述温度信号检测方式如下：

①采用第一温度传感器和第二温度传感器对芯片温度进行实时检测，获得第一温度信号；

②采用第三温度传感器和第四温度传感器对加热块底部温度进行实时检测，获得第二温度信号；

(2)温度信号处理：采用信号采集与处理电路对所述第一温度信号、第二温度信号分别进行采集和处理；将温度传感器采集到的数据传输给A/D转换电路，再传输给主控板进行处理，同时主控板传输给显示模块实时显示；

(3)PID参数计算：主控板通过预设软件算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，发出温度、风扇转速和加热块位置控制命令；

(4)控制命令接收，温度实时调节：控制模块接收到温度、风扇转速和加热块位置控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值，通过散热模块及电热模块对核酸扩增仪的温度进行调节。