CN109929754B - 一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字化核酸扩增仪技术领域，涉及到一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法。其包括以下步骤：步骤1，获取所述芯片的当前温度和设定温度；步骤2，根据当前温度和设定温度得到芯片的调温功率；步骤3，主控板根据调温功率控制制冷片进行调温以达到设定温度。本发明采用多级制冷片，并根据实验情况进行合理设置，保障了芯片反应时的快速升降温，同时提供多个温度传感器对芯片的温度进行精确检测和控制，保证了PCR反应的高效进行，有效解决了现有温度控制系统精度不高，DNA片段扩增的效率低下等问题。
Description
技术领域
本发明属于数字化核酸扩增仪技术领域，尤其涉及到一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法。
背景技术
核酸扩增技术，尤其是数字聚合酶链反应技术(Polymerase Chain Reaction，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，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调节的精度较低，制冷片的功率不好选择，功率过大，容易远低于或远高于芯片的反应温度；功率过小，达不到快速升降温的要求；且常规的核酸扩增仪对芯片温度的检测不够精确，影响了调温的精度，使得DNA片段扩增的效率低下。
发明内容
本发明针对现有技术的问题，提出一种快速、精确的核酸扩增仪的温度控制方法，其采用多级制冷片，并根据实验情况进行合理设置，保障了芯片反应时的快速升降温，且不会由于制冷片的功率过大使调温后的温度远低于或远高于芯片的反应温度，影响实验的开展。本发明还提供了多个温度传感器对芯片的温度进行检测，使得芯片的实时温度的检测更加精确，保证了PCR反应的高效进行，有效解决了现有温度控制系统精度不高，DNA片段扩增的效率低下等问题。
具体的，本发明采用以下技术方案施行：
一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法，所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片，用于对芯片加热和制冷的制冷片，用于获取芯片温度信号的温度传感器，用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板，所述核酸扩增仪的温度控制方法包括以下步骤：
步骤1，获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0；
步骤2，根据所述当前温度T和设定温度T0得到芯片的调温功率P；
步骤3，主控板根据调温功率P控制制冷片进行调温以达到设定温度T0；其中，所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片，所述一级制冷片和二级制冷片的工作功率分别为P1和P2，且P1＞P2；
进一步地，所述步骤2具体为：
步骤2.1，获取预先设置的调温时长tn；
步骤2.2，根据公式A得到芯片的调温功率P，
公式A：P＝CM|T-T0|/tn，其中P为调温功率，C为芯片的比热容，M为芯片的质量，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值，tn为预先设置的调温时长；
进一步地，所述调温时长tn为5-30s；
进一步地，所述步骤3中P、P1和P2之间有如下对应关系：
P＝a P1/k1+b P2/k2，其中P为调温功率，P1为一级制冷片的功率，P2为二级制冷片的功率；a为一级制冷片的调温系数，且0≤a≤1；b为二级制冷片的调温系数，且0≤b≤1；a+b＝1；k1为一级制冷片的热传导效率，k2为二级制冷片的热传导效率；
进一步地，调温系数a和b可以进行如下选择：
当|T-T0|≥第一预设温度差值时，0.75≤a≤1，0≤b≤0.25；
当第一预设温度差值＜|T-T0|＜第二预设温度差值时，0.25≤a≤0.75，0.25≤b≤0.75；
当|T-T0|≤第二预设温度差值时，0≤a≤0.25，0.75≤b≤1；
其中，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值；
进一步地，所述第一预设温度差值的取值范围为10-20℃；
进一步地，所述第二预设温度差值的取值范围为0-5℃；
进一步地，所述芯片的当前温度T是第一温度传感器和第二温度传感器采集得到的芯片温度采集值T1和T2的均值；具体为，将第一温度传感器和第二温度传感器检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路，A/D转换电路将温度信号转换为数字量后传输给主控板得到芯片的当前温度采集值T1和T2，T1和T2由第一温度传感器和第二温度传感器分别采集得到；对温度采集值T1和T2进行均值后得到芯片的当前温度T；
进一步地，所述核酸扩增仪还包括盛放芯片的芯片槽，所述第一温度传感器和第二温度传感器设置在芯片槽的中心和边缘之间，且等间距分布；
进一步地，以上所述制冷片的材料为铝；
进一步地，当所述芯片的当前温度T达到所述设定温度T0时，控制制冷片停止调温；
进一步地，所述核酸扩增仪还包括LCD显示器，主控板可以根据检测得到的温度信号和核酸扩增仪运行状况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种快速、精确的核酸扩增仪的温度控制方法，其采用多级制冷片，并根据实验情况进行合理设置，保障了芯片反应时的快速升降温，且不会由于制冷片的功率过大使调温后的温度远低于或远高于芯片的反应温度，影响实验的开展。
(2)本发明还提供了多个温度传感器对芯片的温度进行精确检测，使得芯片的实时温度的检测更加准确，保证了PCR反应的高效进行，有效解决了现有温度控制系统精度不高，DNA片段扩增的效率低下等问题。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”“边缘”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本申请要求保护的范围的示例性说明，本领域技术人员可以根据所公开的内容对本申请的发明作出多种改变和修饰，而其也应当属于本申请要求保护的范围之中。
下面以具体实施例的方式对本发明作进一步的说明。
实施例
本实施例中的核酸扩增仪包括盛放样品的芯片，用于放置芯片的芯片槽，用于对芯片加热和制冷的制冷片，用于获取芯片温度信号的温度传感器，用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板，温度传感器包括用于获取芯片温度的第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器均分布在芯片槽的中心和边缘之间，且等间距分布；
基于该数字化核酸扩增仪的温度控制方法的步骤如下：
步骤1，获取芯片的当前温度T和设定温度T0；
步骤2，根据芯片的当前温度T和设定温度T0得到芯片的调温功率P；
步骤3，主控板根据调温功率P控制制冷片进行调温以达到设定温度T0；其中，制冷片包括一级制冷片和二级制冷片，一级制冷片和二级制冷片的工作功率分别为P1和P2，且P1＞P2；
当所述芯片的当前温度T达到所述设定温度T0时，控制制冷片停止调温。
步骤1中，将第一温度传感器和第二温度传感器检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路，A/D转换电路将温度信号转换为数字量后传输给主控板得到芯片的当前温度采集值T1和T2，T1和T2由第一温度传感器和第二温度传感器分别采集得到；对温度采集值T1和T2进行均值后得到芯片的当前温度T；设定温度T0为反应时所要控制芯片达到的温度。
步骤2具体为：
步骤2.1，获取预先设置的调温时长tn，如设置调温时长为5-30s；
步骤2.2，根据公式A得到芯片的调温功率P，
公式A：P＝CM|T-T0|/tn，其中P为调温功率，C为芯片的比热容，M为芯片的质量，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值，tn为预先设置的调温时长；
步骤3中P、P1和P2之间有如下对应关系：
P＝a P1/k1+b P2/k2，其中P为调温功率，P1为一级制冷片的功率，P2为二级制冷片的功率；a为一级制冷片的调温系数，且0≤a≤1；b为二级制冷片的调温系数，且0≤b≤1；a+b＝1；k1为一级制冷片的热传导效率，k2为二级制冷片的热传导效率；
调温系数a和b可以根据实际情况进行如下选择：
当|T-T0|≥第一预设温度差值时，0.75≤a≤1，0≤b≤0.25；
当第一预设温度差值＜|T-T0|＜第二预设温度差值时，0.25≤a≤0.75，0.25≤b≤0.75；
当|T-T0|≤第二预设温度差值时，0≤a≤0.25，0.75≤b≤1；
其中，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值；
第一预设温度差值的取值范围为10-20℃；
第二预设温度差值的取值范围为0-5℃；
核酸扩增仪还包括LCD显示器，主控板可以根据检测得到的温度信号和核酸扩增仪运行状况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考。
显然，上述实施例仅仅为清楚的说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以作出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法，所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片，用于对芯片加热和制冷的制冷片，用于获取芯片温度信号的温度传感器，用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板，其特征在于，所述核酸扩增仪的温度控制方法包括以下步骤：
步骤1，获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0；
步骤2，根据所述当前温度T和设定温度T0得到芯片的调温功率P；
步骤3，主控板根据调温功率P控制制冷片进行调温以达到设定温度T0；其中，所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片，所述一级制冷片和二级制冷片的工作功率分别为P1和P2，且P1＞P2；
所述步骤2具体为：
步骤2.1，获取预先设置的调温时长tn；
步骤2.2，根据公式A得到芯片的调温功率P，
公式A：P＝CM|T-T0|/tn，其中P为调温功率，C为芯片的比热容，M为芯片的质量，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值，tn为预先设置的调温时长；
所述步骤3中P、P1和P2之间有如下对应关系：
P＝a P1/k1+b P2/k2，其中P为调温功率，P1为一级制冷片的功率，P2为二级制冷片的功率；a为一级制冷片的调温系数，且0≤a≤1；b为二级制冷片的调温系数，且0≤b≤1；a+b＝1；k1为一级制冷片的热传导效率，k2为二级制冷片的热传导效率；
当|T-T0|≥第一预设温度差值时，0.75≤a≤1，0≤b≤0.25；
当第一预设温度差值＜|T-T0|＜第二预设温度差值时，0.25≤a≤0.75，0.25≤b≤0.75；
当|T-T0|≤第二预设温度差值时，0≤a≤0.25，0.75≤b≤1；
其中，|T-T0|为芯片的当前温度T和设定温度T0的温度差的绝对值。
2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述调温时长tn为5-30s。
3.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述第一预设温度差值的取值范围为10-20℃；所述第二预设温度差值的取值范围为0-5℃。
4.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述芯片的当前温度T是第一温度传感器和第二温度传感器采集得到的芯片温度采集值T1和T2的均值。
5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，所述核酸扩增仪还包括盛放芯片的芯片槽，所述第一温度传感器和第二温度传感器设置在芯片槽的中心和边缘之间，且等间距分布。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的温度控制方法，其特征在于，所述制冷片的材料为铝。
7.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，当所述芯片的当前温度T达到所述设定温度T0时，控制制冷片停止调温。
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