CN110456842A - 一种用于核酸反应的温度控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温度控制装置和方法，用于生物分子学尤其是核酸反应领域的研究。装置包括多级温度控制单元，其中每级温度控制单元包括一个加热或制冷器件，至少一个温度传感器，一个或零个金属导热器件。每级温度控制单元之间通过紧密贴合方式进行热耦合，在最后一级温度控制单元热耦合一散热器件，并在整个装置的侧面包围一保温外壳。使得每级温度控制单元之间能够高效，快速，均匀地进行热量传导，减少整个装置与外界从侧面发生热交换。其中每级温度控制单元独立控制温度，并由一算法管理协调并分配各级温度控制单元的温度和持续时间，使整个装置的能源利用率达到最大，并大大提高第一级温度控制单元的温度变化速率。

Description

一种用于核酸反应的温度控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制装置和方法，尤其涉及用于核酸反应的温度控制装置和方法。

背景技术

在生物分子学研究中，聚合酶链式反应（PCR）是一种重要的分析手段和方法。PCR方法是由模版核酸经过双链的变性，引物退火和模版互补延伸3个过程组成，并经循环多次，将被检测样品中的目标核酸指数级扩增。

其中温度是影响核酸扩增过程中较为重要的外部因素。包括温度准确性和温度变化速率等。

温度循环控制系统是PCR类设备的核心技术，目前市场较为流行的技术方案多为采用单极半导体制冷片对PCR反应样品基座进行加热和制冷。此种方法相对其他方法如电热丝加热，陶瓷片加热，空气加热等具有一定的容易控制的特点，可以满足大多数情况的PCR检测的要求。但仍存在温度变化速度慢，且能效利用率低的特点。

本发明针对单极半导体制冷片温控系统在温度变化时的速率慢和效率低的问题，提出一种新的装置和方法，多级加热或制冷器件相互协调配合温度控制以达到较快的温度变化速率和较高的能效利用率，以适应快速精准的PCR实时定量检测场合。

发明内容

针对大多温度控制装置温度变化速率慢，且能源利用率低的等特点，本发明提出一种用于PCR反应温度控制装置和控制方法，加快温度变化速率提高核酸扩增的准确性并提高整体能效的利用率。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种温度控制装置，包括N个加热或制冷器件，N个测温器件，M个导热器件，保温外壳，散热器件，其中N≥2，0≤M≤N，N个测温器件分别热耦合在N个加热或制冷器件或M个导热器件中，M个导热器件分别热耦合在N个加热或制冷器件之间或某个加热或制冷器件的一个表面，散热器件热耦合在某个加热或制冷器件的一个表面，保温外壳位于N个加热或制冷器件和M个导热器件的侧面周围，起到阻止装置从侧面与外界发生热交换的作用。

在一些实施方案中，所述N个加热或制冷器件,包括半导体制冷片，电陶瓷加热片，电热膜或电阻丝中的一种或n种，其中n≥2。

在一些实施方案中，所述N个测温器件，包括热敏电阻，热电偶，集成测温芯片中的一种或l种，其中l≥2。

在一些实施方案中，所述M个导热器件,包括金属，石墨，导热硅中的一种或m种，其中m ≥2。

在一些实施方案中，所述散热器件包括金属散热片或金属散热片及固定在其上的风扇。

一种温度控制方法，包括N级温度控制单元独立控制方法和一种管理协调N级控制单元的控制方法。

在一些实施方案中，所述N级温度控制单元独立控制方法包括但不限于PID控制方法或预估式控制方法。

在一些实施方案中，所述管理协调N级控制单元的控制方法，包括确定第一级温度控制单元目标温度和持续时间的方法，确定其他级温度控制单元目标温度和持续时间的方法。

在一些实施方案中，所述确定第一级温度控制单元目标温度和时间方法，包括由外界输入目标温度和持续时间或从内部存储器中读取目标温度和持续时间。

在一些实施方案中，所述确定其他级温度控制单元目标温度和持续时间方法，包括根据加热或制冷器件的参数，包括最大功率，最大效率，最大温差等，先确定整体效率最高的各级温度控制单元之间的温度差值，然后依次确定每级的目标温度和持续时间。

本发明的有益效果是：加快PCR反应温度控制过程中的温度变化速率，提高能效利用率。

附图说明

图1是本发明提出的两级温控装置的结构图。

图2是图1的剖面图。

图3是第二金属块的结构图。

图4是第一金属块的结构体。

图5-a是PCR反应芯片实例整体图。

图5-b是图5-a的爆炸图。

图6是本发明两级温控模块的温度控制曲线实例。

图7是基于本发明的实时荧光定量PCR曲线结果。

图8是本发明提出的两级温控方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明不局限于以下实施例的范围。

如图1和图2所示，一种用于核酸扩增反应的温控装置100，包括两个半导体制冷片---第一半导体制冷片103，第二半导体制冷片104；两个测温温度传感器---第一温度传感器（图4中302），第二温度传感器（图3中202）；两个匀热导热金属块---第一金属块300，第二金属块200，一套散热器件---散热片109，风扇105；和保温外壳110。图2中第一金属块300的下表面与第一半导体制冷片103上表面之间通过均匀涂抹适量导热硅脂并紧密贴合达到热耦合效果，用于保证第一金属块300和第一半导体制冷片103之间能够高效，快速，并均匀的传递热量。第一金属块300采用导热系数较高并且比热容较小的金属材料，优选地，选择材料铝，但并不局限于铝，其他材料如铜或不锈钢亦可。第二金属块200的上表面与第一半导体制冷片103的下表面通过均匀的涂抹适量的导热硅脂并紧密贴合，用以保证第二金属块200和第一半导体制冷片103之间能够高效，快速，均匀的传递热量。第二金属块200的下表面与第二半导体制冷片104的上表面之间通过均匀的涂抹适量的导热硅脂并紧密贴合，用以保证第二金属块200和第二半导体制制冷片104之间能够高效，快速，均匀的传递热量。第二金属块200夹在第一半导体制冷片103和第二半导体制冷片104之间，起到热耦合和热缓冲的作用。散热片109的上表面与第二半导体制冷片104的下表面之间通过均匀的涂抹适量的导热硅脂并紧密贴合，用以保证第二金属块200和散热片109之间能够高效，快速，均匀的传递热量。散热片109采用齿型散热，材料选择具有较高热导率和较高热容的金属，优选地铝，但并不局限与铝，铜或不锈钢等其他金属材料亦可。散热风扇105，通过4个螺钉106固定在散热片的散热齿面，用以保证在热循环过程中整套装置不会因为热量聚集过多而温度过高。保温外壳110包围在第一金属块300，第一半导体制冷片103，第二金属块200，第二半导体制冷片104的四个侧面，避免整个温控装置100从侧面与外界发生热交换，促使温控装置100内各器件之间的纵向热交换。保温外壳110选择保温效果较好，导热系数较低的塑料材料，优选聚甲醛，但不局限于聚甲醛材料。

第一半导体制冷片103和第二半导体制冷片104均选用适合核酸扩增反应过程中反复加热和制冷需求的长寿命型半导体制冷片，且第二半导体制冷片104的最大功率大于第一半导体制冷片103的最大功率，用以保证第一金属块300升温或降温过程中较高的温度变化速率和较高的能效利用率，并保证达到目标温度后的稳定性。

散热风扇105选择较小外形和排风量的风扇，只能带走系统中可导致温度过高而产生危险的多余的热量，使大多数热量能够再热循环过程中反复利用，相比同行业产品，可以大大提高能效利用率。

图4是第一金属块300结构图，为一厚度2mm的方形金属块，并在金属块4边各有1个深度1mm，宽度3mm，长度3mm的凹槽301，用于放置温度传感器302，温度传感器302通过导热硅胶固化并热耦合在凹槽301内，用以保证温度传感器302与第一金属块300之间的热量能够较快的传递，并保证固化后其最高高度不超过第一金属块300上表面高度。第一金属块300可分别放置1~4个温度传感器302，优选地放置4个温度传感器302用于测量第一金属块300的温度均匀性。为保证较快的温度变化速率，第一金属块300材料应选择较高导热系数和较小比热容的铝，但不局限于铝。

图3是第二金属块200结构图，为一厚度4mm的方形金属块，并在金属块4边各有1个深度1mm，宽度3mm，长度3mm的凹槽201，用于放置温度传感器202，温度传感器202通过导热硅胶固化并热耦合在凹槽201内，用以保证温度传感器202与第二金属块200之间的热量能够较快的传递，并保证固化后其最高高度不超过第二金属块200上表面高度。第二金属块200可分别放置1~4个温度传感器202，优选地放置1个温度传感器202。为保证第二金属块200整体温度均匀性并能够存储较多的热能，第二金属块200材料应选择较高导热系数和较大比热容的铜，但不局限于铜。

图2中装有PCR反应试剂液的PCR反应芯片400位于第一金属块300上方，荧光传感器101位于PCR反应芯片上方一定高度距离处，具体高度由荧光传感器光学镜头的焦距决定，可以是2mm，5mm，8mm，优选地选择5mm焦距的光学镜头。荧光传感器101用以实时监测PCR反应芯片中荧光物质的变化，所述的荧光物质的变化即体现PCR反应产物数量的变化，从而达到PCR反应实时定量的效果。荧光传感器可根据PCR反应仓中不同的染料探针选择不同的荧光通道，通常包含的染料有FAM,TAMRA,CY3,CY5等常用染料，优选的选择FAM和TAMRA染料。

图5-a是所述装有PCR反应试剂的PCR芯片400的结构图，图5-b是图5-a的爆炸图。其中404是厚度1mm体积25~100ul的反应仓，优选30ul，里面装有PCR反应试剂、荧光探针和其他组分。405是进样孔，406是出样孔。如图5-b所示，PCR芯片400由芯片主体403，导热膜402和导光膜401组成，芯片主体403是厚度1mm的塑料基材，塑料基材可以是聚丙烯，聚乙烯，聚碳酸酯等，优选聚丙烯。导热膜402和导光膜401分别是厚度0.1mm的塑料薄膜，塑料材料可以选择聚丙烯，聚乙烯，聚碳酸酯等，优选聚丙烯。其中导光膜401添加一定的改性剂，使其具有较高的透光性。芯片主体403和导热膜膜402之间，芯片主体403和导光膜401之间可以通光敏胶粘合，超声焊接，热焊接等方式连接在一起，构成所需的PCR反应仓404和沟道407，408。

图8所示是一种用于PCR反应的基于两级半导体温度控制装置的温度控制方法流程图。首先根据所选半导体制冷片杭州大和型号是7001/127/040B 参数，表1所示，计算，并根据实际调试经验结果，下一级温度控制单元比上一级温度控制单元温度差20℃，并提前10s开始控温。具体应用温度设置成95℃5min热启动，95℃15s变性—>60℃45s复性延伸共40个循环，结束温控。其中第一温度传感器302和第一半导体制冷片103，连接到温度控制器1（图中为标出），对第一金属块300进行闭环温度控制。第二温度传感器202和第二半导体制冷片104连接到温度控制器2（图中未标出），对第二金属块进行闭环温度控制。两套温度控制器均采用经典PID方式独立控温。

图6所示是按照本专利提出的装置和方法运行出的温度曲线节选，其中实线部分是第一金属块温度，虚线部分是第二金属块温度，从第一金属块温度曲线可以测出温度上升速率为7℃/s，温度下降速率为5℃/s，高于同行业产品的温度变化速率。

图7所示为根据图8所示方法以表2 所示的PCR反应体系运行的实时荧光定量PCR的荧光曲线结果；

表1 杭州大和 7001/127/040B型半导体制冷片参数表

表2 PCR反应体系

其中，上游引物序列为（5’-3’）：CAGACTAAACTGGCTGACGGAAT

下游引物序列为（5’-3’）：CAGTGGTGAGTAACCATGCATCAT

Taqman探针序列为：TGCCTCTTCCGACCATCAAGCATTTTATC。

Claims (10)

1.一种温度控制装置，其特征在于，包括N个加热或制冷器件，N个测温器件，M个导热器件，保温外壳，散热器件，其中N≥2，0≤M≤N，N个测温器件分别热耦合在N个加热或制冷器件或M个导热器件中，M个导热器件分别热耦合在N个加热或制冷器件之间或某个加热或制冷器件的一个表面，散热器件热耦合在某个加热或制冷器件的一个表面，保温外壳位于N个加热或制冷器件和M个导热器件的侧面周围，起到阻止装置从侧面与外界发生热交换的作用。

2.根据权利要求1所述的一种温度控制装置，其特征在于，所述N个加热或制冷器件,包括半导体制冷片，电陶瓷加热片，电热膜或电阻丝中的一种或n种，其中n≥2。

3.根据权利要求1所述的一种温度控制装置，其特征在于，所述N个测温器件，包括热敏电阻，热电偶，集成测温芯片中的一种或x种，其中x≥2。

4.根据权利要求1所述的一种温度控制装置，其特征在于，所述M个导热器件,包括金属，石墨，导热硅中的一种或m种，其中m ≥2。

5.根据权利要求1所述的一种温度控制装置，其特征在于，所述散热器件包括金属散热片或金属散热片及固定在其上的风扇。

6.一种温度控制方法，其特征在于，包括N级温度控制单元独立控制方法和一种管理协调N级控制单元的控制方法。

7.根据权利要求6所述的一种温度控制方法，其特征在于，所述N级温度控制单元独立控制方法包括于PID控制方法或预估式控制方法。

8.根据权利要求6所述的一种温度控制方法，其特征在于，所述管理协调N级控制单元的控制方法，包括确定第一级温度控制单元目标温度和持续时间方法，确定其他级温度控制单元目标温度和持续时间方法。

9.根据权利要求8所述的管理协调N级控制单元的控制方法，其特征在于，所述确定第一级温度控制单元目标温度和时间方法，包括由外界输入目标温度和持续时间或从内部存储器中读取目标温度和持续时间。

10.根据权利要求8所述的管理协调N级控制单元的控制方法，其特征在于，所述确定其他级温度控制单元目标温度和持续时间方法，包括根据加热或制冷器件的参数，最大功率，最大效率，最大温差等先确定整体效率最高的各级温度控制单元之间的温度差值，然后依次确定每级的目标温度和持续时间。