CN110804540A - 微流控的温控系统及核酸分析系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种微流控的温控系统及核酸分析系统。上述的核酸分析系统包括外壳、盖体、温区分隔架、内温控机构以及外温控机构，盖体形成有容纳腔；盖体盖设于外壳；温区分隔架位于容纳腔内并与外壳连接。内温控机构位于所述内温区域，所述内温控机构用于加热所述内温区域的空气温度；外温控机构包括第一升温组件和第二升温组件，所述第一升温组件和所述第二升温组件间隔设于所述外温区域上述的核酸分析系统，热过冲应用于升温控制，冷过冲应用于降温控制。从而合理地利用结构区域的布局巧妙地降低了核酸分析系统的复杂性，同时解决了离心微流控芯片的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高的问题，进一步缩短了PCR分析所需的时间。

Description

微流控的温控系统及核酸分析系统

技术领域

本申请涉及微流控的技术领域，特别是涉及一种微流控的温控系统及核酸分析系统。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是一种对特定DNA片段进行大量扩增的方法，反应物包含模板、引物、聚合酶和缓冲液等，通过控制反应环境温度周期性变换实现变性、退火和延伸过程的周期性循环。每次循环后特定DNA片段扩增一倍，经过数十次循环后大量扩增后的DNA序列更容易被识别与检测。聚合酶链式反应分析技术应用于生物医学研究、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定和疾病诊断等诸多领域。

微流控技术能够将核酸提取、扩增和检测的整个过程整合在一块芯片上，从而有效降低了样本污染的风险、节省了试剂成本和缩小了仪器尺寸。离心微流控芯片利用离心力驱动内部试剂流动，以结构简单和制造成本低的优点得到广泛应用。

能够在更短的时间获得更大的扩增量是PCR仪的主要研究方向。与此直接相关的是温度变换的速率以及温度控制的精度。PCR仪温控方式分为金属浴与空气浴两种。由于空气的热导率极低，需要强制均匀搅拌才能保证温度均匀，为使搅拌均匀，空气浴PCR仪普遍采用离心风机及回转结构腔室。空气的流体属性以及极低的体积热容使升降温过程更加的均匀与快速。空气浴分为开式空气浴与闭式空气浴。其中，开式空气浴的工作腔室为开放结构，吸入空气后加热排出，由于开式空气浴的空气流通，可实现极快的温控响应，但空气无法得到充分的搅拌，故对风道结构以及温度控制要求高。闭式空气浴能够得到充分的搅拌混合，易于实现温度均匀，且能耗低，但腔室内空气流速相对开式慢，温度控制响应相对慢。

金属浴采用高导热率金属材料孔板座。如银、铝合金等，高导热率易于实现均温但同样也带来边缘效应。但金属浴难以实现快速的温度控制，有两方面原因：一是由于金属本身热惯性较大；二是由于传感器监测温度与实际工作表面存在较长的延迟响应不利于温度控制。虽然铜比铝的导热率高很多但极少采用铜质孔板座，也是由于铜的体积热容近于铝的1.5倍。

PCR反应变温方式可分为时域与空域两种。时域变温是指反应液随所处的单一空间的环境温度变化而变温。空域变温是指反应液通过在不同恒温空间的位置变化而变温。由于影响空域变温的热惯性很小，可以实现更快速的温度变换，但这种温度场容易互相影响、难以实现过冲温控。

在PCR扩增时需要进行数十次的变温循环，这个过程占整个检测的绝大部分时间，温度变换速率及温度的均匀性直接影响扩增的效率。传统的离心微流控芯片能够集成核酸提取、扩增及分析于一体，且具有相对其他微流控芯片而言绝对的成本优势，但其体积较大，并通过时域空气浴方式变温。在升温时需要将腔室加热，降温时需要与外界空气交换，两个过程都需要将腔室内空气搅拌均匀。这就意味着离心微流控芯片的变温过程以及均温过程都需要时间，且变温过程腔室结构件温度也要随之变换，使离心微流控芯片的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高。

发明内容

基于此，有必要针对离心微流控芯片的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高的问题，提供一种微流控的温控系统及核酸分析系统。

一种微流控的温控系统，包括：

外壳，形成有容纳腔；

盖体，盖设于所述外壳；

温区分隔架，位于所述容纳腔内并与所述外壳连接，使得所述温区分隔架将所述容纳腔划分为相连通的内温区域和外温区域；

内温控机构，位于所述内温区域，所述内温控机构用于加热所述内温区域的空气温度；以及

外温控机构，包括第一升温组件和第二升温组件，所述第一升温组件和所述第二升温组件间隔设于所述外温区域，所述第一升温组件和所述第二升温组件均用于加热外温区域内的空气温度，所述第一升温组件加热空气的温度低于所述第二升温组件加热空气的温度。

一种核酸分析系统，包括上述任一实施例所述的微流控的温控系统。

在其中一个实施例中，所述核酸分析系统还包括驱动机构和微流控芯片，所述驱动机构连接于所述外壳，所述微流控芯片位于所述容纳腔内，且所述微流控芯片位于所述温区分隔架邻近所述盖体的一侧，所述微流控芯片于所述外壳的投影分别位于所述内温区域和所述外温区域，所述微流控芯片与所述驱动机构的动力输出端连接，以驱动所述微流控芯片相对于所述外壳转动；内温控机构位于内温区域，以加热内温区域的空气温度，由于微流控芯片于外壳的投影位于内温区域，使内温控机构能够工作在核酸提取阶段，外温区域除设有第一升温组件和第二升温组件的位置之外为非温控区，由于微流控芯片于外壳的投影还位于外温区域，当驱动机构驱动微流控芯片相对于外壳转动的过程中，微流控芯片正对外温区域的部分相对于外壳转动，这样微流控芯片在不同的温控区循环切换，以适用于不同的温控需求，减少PCR扩增反应中的热惯性，使核酸分析系统能够较快速地实现PCR扩增反应，又由于微流控芯片在不同的温控切换过程中会经过非温控区，如微流控芯片在第二升温组件转动切换至第一升温组件过程中会经过非温控区，此区域未设置加热源使非温控区的空气温度相对较低，使核酸分析系统在PCR扩增反应的冷过冲不需要在温控区完成。

在其中一个实施例中，所述微流控芯片与所述第一升温组件对应的位置开设有第一通气孔，当第一升温组件工作时，第一升温组件加热空气输出的热气流朝靠近盖体的方向流动，其中热气流一部分可以通过第一通气孔流向盖体，使热气流与微流控芯片充分接触，增大微流控芯片的热交换面积并且降低气流阻力，另一部分可以绕微流控芯片的表面流向盖体。

上述的微流控的温控系统及核酸分析系统，内温控机构位于内温区域，以加热内温区域的空气温度；外温控机构包括第一升温组件和第二升温组件，第一升温组件和第二升温组件间隔设于外温区域，且第一升温组件和第二升温组件均用于加热外温区域内的空气温度，使外温区域存在至少两个间隔分布的温控区，且外温区域除设有第一升温组件和第二升温组件的位置之外为非温控区，以适用于不同的温控需求，减少PCR扩增反应中的热惯性，使核酸分析系统能够较快速地实现PCR扩增反应；由于第一升温组件加热空气的温度低于第二升温组件加热空气的温度，即外温区域在第一升温组件对应的位置为低温区，第二升温组件对应的位置为高温区，此区域未设置加热源使非温控区的空气温度相对较低，使核酸分析系统在PCR扩增反应的冷过冲不需要在温控区完成，所谓的冷过冲与热过冲概念相似，都是利用提高温差加速热传递。热过冲应用于升温控制，冷过冲应用于降温控制。从而合理地利用结构区域的布局巧妙地降低了核酸分析系统的复杂性，同时解决了离心微流控芯片的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高的问题，进一步缩短了PCR分析所需的时间。

附图说明

图1为一实施例的核酸分析系统的示意图；图2为图1所示核酸分析系统的局部示意图；图3为图1所示核酸分析系统的剖视图；图4为图3所示核酸分析系统的局部示意图；图5为图1所示核酸分析系统的盖板的示意图；图6为图1所示核酸分析系统的微流控芯片的示意图；图7为图1所示核酸分析系统的外温控机构的第一升温组件的示意图；图8为图7所示第一升温组件的剖视图；图9为图1所示核酸分析系统的外温控机构的第二升温组件的示意图；图10为图9所示第二升温组件的剖视图；图10a为图9所示第二升温组件的第二加热源的示意图；图11为图1所示核酸分析系统的温区分布的示意图；图12为图1所示核酸分析系统的光学检测模块的光路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对微流控的温控系统及核酸分析系统进行更全面的描述。附图中给出了微流控的温控系统及核酸分析系统的首选实施例。但是，微流控的温控系统及核酸分析系统可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对微流控的温控系统及核酸分析系统的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在微流控的温控系统及核酸分析系统的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图3所示，一实施例的核酸分析系统包括微流控的温控系统10。在其中一个实施例中，微流控的温控系统10包括外壳100、盖体200、温区分隔架300、内温控机构600以及外温控机构700。外壳100形成有容纳腔110。盖体200盖设于外壳100，以将容纳腔110围成封闭的腔体。在其中一个实施例中，温区分隔架300位于容纳腔110内并与外壳100连接，使得温区分隔架300将容纳腔110划分为相连通的内温区域110a和外温区域110b，使内温区域110a和外温区域110b被温区分隔架300隔开。在本实施例中，外温区域110b环绕内温区域110a。外温区域110b工作于核酸的扩增阶段，内温区域110a工作于核酸的提取阶段。

如图2与图3所示，在其中一个实施例中，内温控机构600位于内温区域110a，内温控机构600用于加热内温区域110a的空气温度。外温控机构700包括第一升温组件710和第二升温组件720，第一升温组件710和第二升温组件720间隔设于外温区域110b。第一升温组件710和第二升温组件720均用于加热外温区域110b内的空气温度。第一升温组件710加热空气的温度低于第二升温组件720加热空气的温度。其中，外温区域110b设置第一升温组件710的位置为高温区，第一升温组件710的目标控制温度为95°。外温区域110b设置第二升温组件720的位置为低温区，第二升温组件720的目标控制温度为65°。

上述的微流控的温控系统及核酸分析系统，内温控机构位于内温区域，以加热内温区域的空气温度；外温控机构包括第一升温组件和第二升温组件，第一升温组件和第二升温组件间隔设于外温区域，且第一升温组件和第二升温组件均用于加热外温区域内的空气温度，使外温区域存在至少两个间隔分布的温控区，且外温区域除设有第一升温组件和第二升温组件的位置之外为非温控区，以适用于不同的温控需求，减少PCR扩增反应中的热惯性，使核酸分析系统能够较快速地实现PCR扩增反应；由于第一升温组件加热空气的温度低于第二升温组件加热空气的温度，即外温区域在第一升温组件对应的位置为低温区，第二升温组件对应的位置为高温区，此区域未设置加热源使非温控区的空气温度相对较低，使核酸分析系统在PCR扩增反应的冷过冲不需要在温控区完成，所谓的冷过冲与热过冲概念相似，都是利用提高温差加速热传递。热过冲应用于升温控制，冷过冲应用于降温控制。从而合理地利用结构区域的布局巧妙地降低了核酸分析系统的复杂性，同时解决了离心微流控芯片的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高的问题，进一步缩短了PCR分析所需的时间。

如图3所示，在其中一个实施例中，核酸分析系统还包括驱动机构400和微流控芯片500。驱动机构400连接于外壳100。在本实施例中，驱动机构400安装固定于外壳100。同时参见图4，在其中一个实施例中，外壳100开设有与内温区域110a连通的安装孔120，驱动机构400穿设于安装孔120内并与外壳100转动连接，使驱动机构400连接于外壳100。

再次参见图1，在本实施例中，驱动机构400包括驱动电机410和转轴420，转轴420穿设于安装孔120内并与外壳100转动连接。微流控芯片500与转轴420连接。驱动电机410的动力输出轴与转轴420连接，使驱动电机410带动转轴420相对于外壳100转动。在其中一个实施例中，驱动电机410通过带传动机构430连接于转轴420，使驱动电机410的动力输出轴与转轴420连接。在本实施例中，驱动电机410为步进电机。

如图1所示，进一步地，带传动机构430包括第一带轮431、第二带轮433和传送带435，第一带轮431套设于驱动电机410的动力输出轴，第二带轮433套设于转轴420，传送带435分别套设于第一带轮431和第二带轮433，使驱动电机410通过带传动机构430连接于转轴420。在本实施例中，带传动机构430为同步带方案。可以理解，在其他实施例中，驱动电机410还可以通过齿轮传动机构或链传动机构连接于转轴420。

如图3所示，在其中一个实施例中，微流控芯片500位于容纳腔110内，且微流控芯片500位于温区分隔架300邻近盖体200的一侧。微流控芯片500于外壳100的投影分别位于内温区域110a和外温区域110b，微流控芯片500与驱动机构400的动力输出端连接，以驱动微流控芯片500相对于外壳100转动。

内温控机构600位于内温区域110a，以加热内温区域110a的空气温度，由于微流控芯片500于外壳100的投影位于内温区域110a，使内温控机构600能够工作在核酸提取阶段。外温控机构700包括第一升温组件710和第二升温组件720，第一升温组件710和第二升温组件720间隔设于外温区域110b，且第一升温组件710和第二升温组件720均用于加热外温区域110b内的空气温度，使外温区域110b存在至少两个间隔分布的温控区，且外温区域110b除设有第一升温组件710和第二升温组件720的位置之外为非温控区。

由于微流控芯片500于外壳100的投影还位于外温区域110b，当驱动机构400驱动微流控芯片500相对于外壳100转动的过程中，微流控芯片500正对外温区域110b的部分相对于外壳100转动，这样微流控芯片500在不同的温控区循环切换，以适用于不同的温控需求，减少PCR扩增反应中的热惯性，使核酸分析系统能够较快速地实现PCR扩增反应。由于第一升温组件710加热空气的温度低于第二升温组件720加热空气的温度，即外温区域110b在第一升温组件710对应的位置为低温区，第二升温组件720对应的位置为高温区，又由于微流控芯片500在不同的温控切换过程中会经过非温控区，如微流控芯片500在第二升温组件720转动切换至第一升温组件710过程中会经过非温控区，此区域未设置加热源使非温控区的空气温度相对较低，使核酸分析系统在PCR扩增反应的冷过冲不需要在温控区完成，从而合理地利用结构区域的布局巧妙地降低了核酸分析系统的复杂性，同时解决了离心微流控芯片500的腔室内空气及结构件存在的热惯性较高的问题，进一步缩短了PCR分析所需的时间。

如图3所示，在其中一个实施例中，温区分隔架300开设有过流孔310，内温区域110a通过过流孔310连通于外温区域110b，过流孔310分别错开第一升温组件710和第二升温组件720，使内温区域110a的气流可以通过过流孔310排至外温区域110b，实现内温区域110a的气流的流动。此外，由于过流孔310分别错开第一升温组件710和第二升温组件720，使内温区域110a的气流排至外温区域110b的非温控区，以免非温控区与温控区的温度偏差过大。在本实施例中，过流孔310为百叶窗结构，具有密封性好、开合动作较小和结构紧凑的特点。

如图3所示，在其中一个实施例中，外壳100还开设有第一出风孔130，第一出风孔130分别错开第一升温组件710和第二升温组件720设置。第一出风孔130与外温区域110b连通，使非温控区的空气能够通过第一出风孔130排出至外壳100外围，实现内温区域110a内空气循环流动，同时使非温控区的温度较为适中，即非温控区的温度不至于过低或过高，同时能够满足微流控芯片500在PCR扩增反应过程的冷过冲需求。

如图3所示，在一实施例中，非温控区的数目为两个，第一出风孔130的数目为两个，两个第一出风孔130分别与两个非温控区连通，使外温区域110b的两个非温控区的空气气流可以快速排出外壳100的外围。当然，外壳100外围的空气气流也可以通过第一出风孔130进入非温控区进行热交换，使非温控区的温度较为适中。

如图3所示，在本实施例中，其中一个第一出风孔130与过流孔310正对设置，使内温区域110a的气流能够以较短路径经过非温控区排至外壳100的外围。在其他实施例中，第一出风孔130与过流孔310也可以不正对设置。在其中一个实施例中，第一出风孔130邻近过流孔310设置，使内温区域110a的气流能够快速经过非温控区排至外壳100的外围。

如图5所示，在其中一个实施例中，盖体200上开设有第一进风孔210，第一进风孔210与内温区域110a连通，使微流控的温控系统10外围的空气可以通过第一进风孔210进入内温区域110a。同时参见图3，进一步地，微流控的温控系统10还包括进风阀门800，进风阀门800设于盖体200，用于控制第一进风孔210的开关，使内温区域110a的进风气流可控。具体地，进风阀门800设于盖体200的背离外壳100的一侧，使微流控的温控系统10结构较简单。在本实施例中，第一进风孔210为内温区域110a腔室的进风口。进一步地，进风阀门800采用电磁铁控制关闭，提高了进风阀门800开关的灵敏性。第一进风孔210为百叶窗结构，具有密封性好、开合动作较小和结构紧凑的特点。

如图3所示，在一实施例中，微流控芯片500将内温区域110a分隔为第一腔室111和第二腔室113，第一腔室111和第二腔室113呈上下方向分布。然而，内温区域110a的分隔不利于整个内温区域110a的腔室的气流循环。为使整个内温区域110a的第一腔室111和第二腔室113的气流循环，进一步地，微流控芯片500与内温区域110a对应的位置开设有循环孔，第一腔室111通过循环孔与第二腔室113连通，使第一腔室111与第二腔室113连通，有利于整个内温区域110a的第一腔室111和第二腔室113的气流循环。

由于微流控芯片500与内温区域110a对应的位置内开设有复杂的微流道和多个试剂存储腔室等结构，使得在微流控芯片500增加开设循环孔较为困难。如图3所示，在其中一个实施例中，内温控机构600包括内温区热源610和风机叶片620，内温区热源610位于第二腔室113内。风机叶片620位于第二腔室113内并与驱动机构400的动力输出端连接。风机叶片620与微流控芯片500同轴设置，使驱动机构400能够同时驱动风机叶片620和微流控芯片500转动。在升降温过程中，微流控芯片500与风机叶片620同步转动，使第一腔室111与第二腔室113之间的气流连通更加均匀。在本实施例中，风机叶片620套设于转轴420上，使风机叶片620与驱动机构400的动力输出端连接。

进一步地，风机叶片620与过流孔310正对设置，即风机叶片620与过流孔310等高设置，使风机叶片620能够高效地排气降温。

如图5所示，在其中一个实施例中，盖体200还开设有第二出风孔220，第二出风孔220与内温区域110a连通，使第一升温组件710输出的热气流与微流控芯片500热交换之后通过第二出风孔220排出系统的外围。在本实施例中，第二出风孔220与第一腔室111连通。第二出风孔220为内温区域110a的出风口。

如图3所示，进一步地，内温区热源610环绕风机叶片620设置。在升温时，当驱动机构400驱动风机叶片620相对于外壳100转动时，风机叶片620产生离心风力，同时内温区热源610产生的热量，第二出风孔220和第一进风孔210同时关闭，风机叶片620驱动内温区域110a的第二腔室113与第一腔室111之间的空气快速循环与搅拌，使内温区域110a内温度能够快速达到核酸提取需求的温度。在降温时，第二出风孔220和第一进风孔210同时打开，风机叶片620驱动第二腔室113内热空气通过第二出风孔220快速排出，且外界的空气通过第一进风孔210进入第一腔室111内，实现内温区域110a快速降温。

在本实施例中，内温区热源610为螺环形电阻丝。风机叶片620为圆形扇叶622结构。在一实施例中，内温区热源610与风机叶片620同轴设置，且内温区热源610环绕风机叶片620的外边缘，使第二腔室113的空气气流与内温区热源610快速热交换。

如图4所示，进一步地，风机叶片620包括扇叶622和联轴器624，联轴器624设于驱动机构400的动力输出端，扇叶622套设于联轴器624上，使扇叶622通过联轴器624与驱动机构400的动力输出端连接，从而使风机叶片620与驱动机构400的动力输出端连接。在本实施例中，联轴器624套设于转轴420上。

如图2与图3所示，进一步地，内温控机构600还包括风扇罩630，风扇罩630位于第二腔体内并与温区分隔架300连接。风扇罩630盖设于内温区热源610和风扇叶622片，即风扇罩630位于内温区热源610和风扇叶622片的上方，这样在风机叶片620转动过程中，风机叶片620能够更好地驱动内温区域110a的空气循环流动。

如图3所示，进一步地，内温控机构600还包括第一隔热圈640，第一隔热圈640位于风扇罩630与微流控芯片500之间，第一隔热圈640设于风扇罩630上，减少了第二腔室113的热量损失。进一步地，内温控机构600还包括第二隔热圈650，第二隔热圈650位于第二腔室113内并与风扇罩630连接，第二隔热圈650设于风扇罩630背离第一隔热圈640的一侧，第一隔热圈640与第二隔热圈650共同作用，减少了第二腔室113的热量损失。在本实施例中，第一隔热圈640和第二隔热圈650均为硅胶隔热圈，使第一隔热圈640和第二隔热圈650均具有较好的密封性。

如图3与图6所示，在其中一个实施例中，微流控芯片500与第一升温组件710对应的位置开设有第一通气孔510。当第一升温组件710工作时，第一升温组件710加热空气输出的热气流朝靠近盖体200的方向流动，其中热气流一部分可以通过第一通气孔510流向盖体200，使热气流与微流控芯片500充分接触，增大微流控芯片500的热交换面积并且降低气流阻力，另一部分可以绕微流控芯片500的表面流向盖体200。

如图3所示，进一步地，微流控的温控系统10还包括第一导流板900，第一导流板900设于盖体200邻近微流控芯片500的一侧，第一导流板900用于将气流引导至第一通气孔510，通过微流控芯片500的气流绕外温区域110b的腔室环流后从第一导流板900流出第一通气孔510，提高了气流的流通性能。进一步地，第一导流板900的倾斜角度为1.5°～5°。在本实施例中，第一导流板900的倾斜角度为2°，使第一导流板900具有较好的导流性能。

如图3与图6所示，在其中一个实施例中，微流控芯片500与第二升温组件720对应的位置开设有第二出风孔520。当第二升温组件720工作时，第二升温组件720加热空气输出的热气流朝靠近盖体200的方向流动，其中热气流一部分可以通过第二出风孔520流向盖体200，使热气流与微流控芯片500充分接触，增大微流控芯片500的热交换面积并且降低气流阻力，另一部分可以绕微流控芯片500的表面流向盖体200。

如图3所示，在其中一个实施例中，微流控的温控系统10还包括第二导流板1100，第二导流板1100用于将气流引导至第二出风孔520，通过微流控芯片500的气流绕外温区域110b的腔室环流后从第二导流板1100流出第二出风孔520，提高了气流的流通性能。在其他实施例中，第一导流板与第二导流板为一体成型结构，第一导流板900呈圆环型状，使第一导流板900的结构更加紧凑，且能够将外温区域110b的气流引导至第二出风孔520排出。

在其中一个实施例中，第一导流板900和第二导流板均通过螺钉锁紧于盖体200上，使第一导流板900和第二导流板均与盖体200牢固连接。在其他实施例中，第一导流板900和第二导流板还可以焊接于盖体200上。

如图5所示，在其中一个实施例中，盖体200还开设有第三出风孔230，第三出风孔230与内温区域110a连通，使第二升温组件720输出的热气流与微流控芯片500热交换之后通过第三出风孔230排出系统的外围。在本实施例中，第二出风孔220邻近第一升温组件710开设，使第一升温组件710与微流控芯片500热交换之后的气流通过第二出风孔220快速排出。同理，第三出风孔230邻近第二升温组件720开设，使第二升温组件720与微流控芯片500热交换之后的气流通过第三出风孔230快速排出。可以理解，在其他实施例中，第三出风孔230可以省略，使外温区域110b的气流均可以通过第二出风孔220排出。

如图2所示，在其中一个实施例中，第一升温组件710包括第一加热源712。同时参见图7，第一加热源712包括第一夹持块712a、发热块712b和第二夹持块712c。发热块712b夹持于第一夹持块712a与第二夹持块712c之间。在其中一个实施例中，第一夹持块712a开设有第一透气孔7121，第二夹持块712c开设有第二透气孔(图未示)，空气气流可以通过第一透气孔7121或第二透气孔进入以与发热块712b进行热交换，实现对空气气流进行加热，使第一升温组件710能够加热外温区域110b内的温度。

进一步地，发热块712b开设有中间孔(图未示)，第一透气孔7121通过中间孔与第二透气孔连通，使空气气流通过第二透气孔进入中间孔以与发热块712b进行热交换，实现对空气气流进行加热，加热后的空气气流再通过第二透气孔排出，从而使第一升温组件710更好地加热外温区域110b内的温度。

在其中一个实施例中，第一夹持块712a和第二夹持块712c均与发热块712b紧密接触。在本实施例中，第一夹持块712a和第二夹持块712c均为金属块材质，使发热块712b产生的热量能够快速传递至第一夹持块712a和第二夹持块712c，从而使第一夹持块712a和第二夹持块712c均能够快速吸收热量且热量均匀分布。

如图8所示，在其中一个实施例中，第一加热源712还包括锁紧件712d，第一夹持块712a开设有第一连接孔7123，发热块712b开设有第三连接孔7124，第二夹持块712c开设有第二连接孔7125，锁紧件712d分别穿设有第二连接孔7125、第三连接孔7124和第一连接孔7123，使第二夹持块712c、加热块和第一夹持块712a紧密连接。

在其中一个实施例中，第一夹持块712a为高导热率的材质，使第一夹持块712a的导热速率较快。在本实施例中，第一夹持块712a的材质为铜或铝或银，使第一夹持块712a的导热性能较好。在其中一个实施例中，第二夹持块712c为高导热率的材质，使第二夹持块712c的导热速率较快。在本实施例中，第二夹持块712c的材质为铜或铝或银，使第二夹持块712c的导热性能较好。

在其中一个实施例中，发热块712b为电热膜。在本实施例中，发热块712b为PI(聚酰亚胺)材质的绝缘电热膜，使发热块712b具有导热性和绝缘性。进一步地，发热块712b分布有电热丝，使发热块712b能够快速产生热量，并通过通断电来控制发热块712b是否发热，提高了第一升温组件710的使用灵敏性。在本实施例中，为抵消金属块边缘效应，电热丝分布于发热块712b的内部和外边缘，使发热块712b能够快速发热，提高了发热块712b的发热灵敏性。为使发热块712b的各个部位均匀发热，进一步地，电热丝均匀分布于发热块712b，使发热块712b发出的热量较为均匀。

为使第一夹持块712a和第二夹持块712c能够与发热块712b紧密接触，进一步地，发热块712b的表面平整光滑，使第一夹持块712a和第二夹持块712c能够与发热块712b紧密接触。为使流经第一透气孔7121或第二透气孔的空气充分加热，进一步地，第一透气孔7121的深度与直径的比值不小于5，第二透气孔的深度与直径的比值不小于5，使流经第一透气孔7121或第二透气孔的空气充分加热。

在其中一个实施例中，第一加热源712为“金属块”方案，使第一升温组件710的第一加热源712对应的位置可以作为外温区域110b的降温区。

如图8所示，在其中一个实施例中，第一升温组件710还包括第一包壳713，第一包壳713开设有相连通的第一开口7132、第一空腔7133和第一进风口7134。第一开口7132和第一进风口7134均与第一空腔7133连通。第一开口7132还与外温区域110b连通。第一加热源712位于第一空腔7133内，使第一包壳713外围的空气可以通过第一进风口7134进入第一空腔7133，第一加热源712加热后的气流再通过第一开口7132排出，从而使第一加热源712加热后的气流更好地作用于微流控芯片500，同时可以减少第一加热源712加热气流的热损耗。在本实施例中，第一包壳713采用耐高温高分子材料，使第一包壳713具有较好的耐高温性能。在其中一个实施例中，第一包壳713的材料与盖体200的材料相同，使第一包壳713和盖体200均具有较好的耐高温性能。

如图8所示，进一步地，第一夹持块712a与第一包壳713之间设有第一密封条7126，使第一夹持块712a与第一包壳713之间具有较好的密封性。在本实施例中，第一密封条7126为硅胶条。为提高第一夹持块712a与第一包壳713之间密封性，进一步地，第一密封条7126呈圆柱状，使第一夹持块712a与第一包壳713紧密连接。在本实施例中，第一夹持块712a与第一包壳713之间采用实心圆柱硅胶条卡紧。

如图8所示，进一步地，第二夹持块712c与第一包壳713之间设有第二密封条7127，使第二夹持块712c与第一包壳713之间具有较好的密封性。在本实施例中，第二密封条7127为硅胶条。为提高第二夹持块712c与第一包壳713之间密封性，进一步地，第二密封条7127呈圆柱状，使第二夹持块712c与第一包壳713紧密连接。在本实施例中，第二夹持块712c与第一包壳713之间采用实心圆柱硅胶条卡紧。由于第一夹持块712a与第一包壳713之间采用实心圆柱硅胶条卡紧，硅胶条本身隔热性能较佳，使第一加热源712与第一包壳713连接的上下两处两硅胶条共同作用形成密封空间。

进一步地，第一密封条7126与第二密封条7127之间设有陶瓷纤维棉(图未示)，阻止空气对流进一步增加隔热效果。在本实施例中，第一夹持块712a和第二夹持块712c的底部靠第一包壳713的位置设有多个凸台定位，可降低第一夹持块712a和第二夹持块712c均与壳体接触的面积。第一夹持块712a和第二夹持块712c均靠硅胶条弹力及各自结构上的弧形凹陷与第一包壳713锁合。

如图8所示，在其中一个实施例中，第一升温组件710还包括第一孔板组714，第一孔板组714位于第一空腔7133内，第一孔板组件用于引导并均匀由第一进风口进入的气流，使进入第一加热源712的气流较为均匀，使第一加热源712能够快速加热空气气流。在本实施例中，第二透气孔的数目为多个，进入第一空腔内的空气气流通过第一孔板组件均匀进入各第二透气孔，实现各第二透气孔均匀进风。由于第一加热源712与第一包壳713的底部之间设有第一孔板组714，使第一加热源712与第一包壳713的底部之间进风气流较为均匀，提升了空气进入各第二透气孔的速率和均匀性，从而提高了第一升温组件710的加热灵敏度。

在其中一个实施例中，第一空腔内壁形成有第一连接筋，第一加热源位于第一空腔内并与第一连接筋连接，使第一加热源固定于第一包壳内。在本实施例中，第一孔板组分别与第一连接筋和第一包壳的底部连接，使第一孔板组固定于第一包壳内。第一进风口开设于第一包壳的底部。

如图2所示，在其中一个实施例中，外壳100包括壳体100a和支撑板100b，壳体为圆形筒状结构，支撑板盖设于壳体的一端。容纳腔形成于壳体内，使外壳形成有容纳腔。

如图3所示，在其中一个实施例中，外壳100开设有与外温区域110b连通的第一通孔102，第一包壳713还穿设于第一通孔102内并与外壳100连接，第一进风口7134开设于第一包壳713凸出于第一通孔102的部位，使外壳100外围的空气可以有效地通过第一进风口7134进入第一空腔7133内。在本实施例中，第一通孔开设于支撑板。

在其中一个实施例中，微流控的温控系统10还包括第一供风机构(图未示)，第一供风机构与第一进风口7134连通，使第一供风机构能够对第一进风口7134进行供风，提高了第一进风口7134的进风速率。在其中一个实施例中，第一供风机构包括第一供风机和第一供风管道，第一供风机的出风口通过第一供风管道与第一进风口7134连通，使第一进风口7134能够实现快速进风。在本实施例中，第一供风机为鼓风机。

进一步地，第一进风口7134的数目为两个，两个第一进风口7134间隔设置。第一供风机通过第一供风管道分别与两个第一进风口7134连通，以提高第一空腔7133的进风效率。在本实施例中，两个第一进风口7134对称设置，更好地提高第一空腔7133的进风速率。进一步地，第一供风管道为三通管结构，使第一供风机的出风口的风流量均分至两个第一进风口7134处，使两个第一进风口7134处的进风量较为均匀。

如图9与图10所示，在其中一个实施例中，第二升温组件720包括第二加热源721，第二加热源721包括电路板721a、陶瓷发热元件721b和阻流板721c。陶瓷发热元件721b位于电路板721a与阻流板721c之间。同时参见图10a，陶瓷发热元件721b与电路板721a电连接，电路板721a开设有第三透气孔7211，阻流板721c开设有与第三透气孔连通的第四透气孔7213，使空气气流通过第三透气孔进入并与陶瓷发热元件721b进行热交换，实现对空气气流进行加热，加热后的空气气流再通过第四透气孔7213排出，从而使第二升温组件720能够加热外温区域110b内的温度。

在本实施例中，电路板721a为PCB板。在其中一个实施例中，第三透气孔和第四透气孔7213的数目均为多个，以提高第二加热源721的空气流通速率。进一步地，多个第三透气孔均匀分布，有利于空气更好地流通。进一步地，多个第四透气孔7213均匀分布，有利于空气更好地流通。在其中一个实施例中，电路板721a与阻流板721c连接，且电路板721a与阻流板721c平行设置，使电路板721a与阻流板721c之间更好地布设陶瓷发热元件721b。

如图10a所示，在其中一个实施例中，第二升温组件720还包括连接杆723，连接杆723的两端分别与电路板721a和阻流板721c连接，使电路板721a与阻流板721c连接。在其中一个实施例中，陶瓷发热元件721b的数目为多个，多个陶瓷发热元件721b并排设置，提高了第二加热源721的加热速率。在本实施例中，多个陶瓷发热元件721b阵列设置，使第二加热源721产生的热量较为均匀。在其中一个实施例中，多个陶瓷发热元件721b组成蜂窝发热阵列，使第二加热源721形成“阵列”方案的加热源。在本实施例中，第二升温组件720的第二加热源721对应的位置可以作为外温区域110b的升温区。

在一实施例中，根据PCR扩增过程的变温曲线可将温区定义为升温区与降温区。本申请“阵列”方案适用于升温区。“金属块”方案适用于降温区。具体而言，阵列方案的本体热惯性相对金属块方案要小，故适用于升温阶段的热过冲控制。而降温阶段，芯片由高温区转动切换至低温区过程中会经过非温控区域，此区域未设置热源故空气温度相对较低，所以冷过冲控制不需要在温控区完成。

如图9与图10所示，在其中一个实施例中，每一陶瓷发热元件721b为中空圆柱状结构，使每一陶瓷发热元件721b占用的空间较小。在其中一个实施例中，每一陶瓷发热元件721b包括发热元件主体7214和引脚部7215，发热元件主体7214通过引脚部7215连接于电路板721a，使发热元件主体7214电连接于电路板721a。在本实施例中，发热元件主体7214通过引脚部7215焊接于电路板721a，使引脚部7215与电路板721a牢固连接。

在其中一个实施例中，每一发热主体包括陶瓷壳和电热丝，电热丝设于陶瓷壳内壁并与引脚部7215电连接，使陶瓷发热元件721b能够快速产生热量。在本实施例中，陶瓷壳呈圆柱状，且陶瓷壳的中心沿轴向掏空，以便更好地布设电热丝。由于陶瓷壳为绝缘导热材质，使相邻两个陶瓷壳可以紧密排布，不至于出现短路的情形。进一步地，电热丝呈螺旋管状，使电热丝产生的热量能够快速传导至陶瓷壳。

如图9与图10所示，在其中一个实施例中，第二升温组件720还包括第二包壳724，第二包壳724开设有相连通的第二开口7241、第二空腔7242和第二进风口7243。第二开口7241和第二进风口7243均与第二空腔7242连通，第二开口7241还与外温区域110b连通。第二加热源721位于第二空腔7242内，使第二包壳724外围的空气可以通过第二进风口7243进入第二空腔7242，第二加热源721加热后的气流再通过第二开口7241排出，从而使第二加热源721加热后的气流更好地作用于微流控芯片500，同时可以减少第二加热源721加热气流的热损耗。

如图9与图10所示，在其中一个实施例中，第二升温组件720还包括第二孔板组725，第二孔板组725位于第二空腔7242内，第二孔板组件用于引导并均匀由第二进风口进入的气流，使进入第二加热源712的气流较为均匀，使第二加热源712能够快速加热空气气流。在本实施例中，第四透气孔的数目为多个，进入第二空腔内的空气气流通过第二孔板组件均匀进入各第四透气孔，实现各第四透气孔均匀进风。由于第二加热源721与第二包壳724的底部之间设有第二孔板组725，使第二加热源721与第二包壳724的底部之间进风气流较为均匀，提升了空气进入各第四透气孔7213的速率和均匀性，从而提高了第二升温组件720的加热灵敏度。

在其中一个实施例中，第二空腔内壁形成有第二连接筋，第二加热源位于第二空腔内并与第二连接筋连接，使第二加热源固定于第二包壳内。在本实施例中，第二孔板组分别与第二连接筋和第二包壳的底部连接，使第二孔板组固定于第二包壳内。第二进风口开设于第二包壳的底部。

如图3所示，在其中一个实施例中，外壳100开设有与外温区域110b连通的第二通孔104，第二包壳724还穿设于第二通孔104内并与外壳100连接，第二进风口7243开设于第二包壳724凸出于第二通孔104的部位，使外壳100外围的空气可以有效地通过第二进风口7243进入第二空腔7242内。

在其中一个实施例中，微流控的温控系统10还包括第二供风机构(图未示)，第二供风机构与第二进风口7243连通，使第二供风机构能够对第二进风口7243进行供风，提高了第二进风口7243的进风速率。在其中一个实施例中，第二供风机构包括第二供风机和第二供风管道，第二供风机的出风口通过第二供风管道与第二进风口7243连通，使第二进风口7243能够实现快速进风。在本实施例中，第二供风机为鼓风机。

进一步地，第二进风口7243的数目为两个，两个第二进风口7243间隔设置。第二供风机通过第二供风管道分别与两个第二进风口7243连通，以提高第二空腔7242的进风效率。在本实施例中，两个第二进风口7243对称设置，更好地提高第二空腔7242的进风速率。进一步地，第二供风管道为三通管结构，使第二供风机的出风口的风流量均分至两个第二进风口7243处，使两个第二进风口7243处的进风量较为均匀。

进一步地，微流控的温控系统10还包括光学检测模块(图未示)，光学检测模块设于外温区域110b的非温控区，光学检测模块的安装位置114如图11所示，以检测微流控芯片500所处的位置。每一光学检测模块的激发光及荧光检测波长唯一，通过在非温控区设置多个不同光学检测模块实现多种不同荧光信号的检测。

如图12所示为光学检测模块的光路原理图，进一步地，光学检测模块包括PD1、PD光阑2、聚焦透镜3、第一滤光片4、二向色镜5、收集透镜6、扩增腔室7、第二滤光片8、准直透镜9、LED光阑10以及LED灯11，LED灯用于产生光束，光束经过LED光阑的限制，限制之后的光束依次经过准直透镜9和第二滤光片8的作用射向二向色镜5。经过二向色镜5作用的光束一部分反射进入收集透镜6，另一部分折射进入第一滤光片4以形成第一折射光束。进入收集透镜6的光束聚焦至扩增腔室7进行扩增，扩增之后的光束再次经过收集透镜反射至二向色镜5进行折射，形成与第一折射光束的方向重合的第二折射光束。而进入第一滤光片4的光束依次经过聚焦透镜3聚焦作用和PD光阑2的限制作用，形成进入PD1中的特定方向及大小的光束，从而检测出PD信号。

其中，荧光检测的方法具体为：在荧光检测时，微流控芯片500低速转动，光学检测模块的光源点亮，检测PD信号。要准确识别各扩增腔室所对应的荧光信号需要设置绝对定位和相对定位参考信号。位置信号由与微流控芯片500共轴的码盘与光电传感器提供，码盘相对编码位置与芯片扩增腔角位置一一对应，并选取一扩增腔定义为第一扩增腔并附加绝对位置码。光学检测模块安装位置在外温区的非温控区内，对齐扩增腔中心圆环。

如图2所示，在本实施例中，第一升温组件710与第二升温组件720对称设置于外温区域110b。同时参见图11，第一升温组件710和第二升温组件720对应于外温区域110b的位置均为温控区111b，使外温区域110b存在至少两个温控区，而外温区域110b除了设置第一升温组件710和第二升温组件720的位置之外为非温控区112b。

上述的微流控的温控系统10的温控方式采用空气浴方式，即空域变温，微流控芯片500PCR扩增反应过程需要角度控制定位精度为±1°。离心微流控芯片500工作中的试剂流动由惯性力驱动，不同的过程对转速的需求可能不一致，需要能够准确控制转速，此外还需要满足核酸提取过程中高速离心。为满足上述需求，转轴420需要实现精确角度控制和转速控制，且转轴420的转速能够达到5000RPM。在其中一个实施例中，第一带轮431与第一带轮433的传动比为0.3，更好地实现精确角度控制和转速控制。

本申请的核酸分析系统具有如下特点：

1)核酸分析系统在扩增过程的温度变换利用微流控芯片500在多个恒温空气浴温度场中切换来实现，使核酸分析系统影响变温效率的热惯性仅存在于芯片本身。这种方案能够进一步缩短PCR扩增时间。2)本申请的外温区域110b的外温控机构700采用两种温控方案，其中一种为具有较高的热惯性的“金属块”方案，另一种具有较低的热惯性的“发热元件阵列”方案。具体地，第一升温组件710为“发热元件阵列”方案，第二升温组件720为“金属块”方案。第一升温组件710和第二升温组件720均可以引申为异形出风口均速均温出风的设计方案，包括但不仅限于风道结构和热源方案的结构设计。3)基于离心微流控的空域PCR扩增阶段温度变换原理的冷、热过冲实现方案。4)基于内温区域110a的通风结构设计方案，能够利用腔室内部离心风机实现快速的腔室通风冷却。5)基于“金属块”热源的空气浴方案的固定及隔热方法。6)通过微流控芯片500与风机叶片620共轴的方法，降低微流控芯片500对内温区域110a上下腔室分隔作用的影响，使整个内温区腔室空气均匀性得到改善。7)通过驱动机构400的驱动电机410增速，既能满足离心微流控核酸提取过程的高低速旋转，又能通过快速的温区切换有效降低PCR反应中的热惯性，从而实现快速的PCR反应。

进一步地，本申请的核酸分析系统具有如下优点：1)外温区域110b分为多个独立的温度控制模组，模组温度相对恒定，PCR扩增的变温过程只需驱动微流控芯片500转动即可，这使变温过程的热惯性降为最低。通过这种方法能够进一步提升扩增速率，缩短整个分析时间。2)第一升温组件710与第二升温组件720之间具有非温控区，非温控区的空气温度较低。通过微流控芯片500在温区切换的运动过程实现冷过冲，从而合理地利用结构降低了温控系统复杂程度。3)由于外温区域110b的环形范围内有非温控区，内腔室侧壁底部可以在此区域开出风孔，如上述的过流孔310，位置为离心风机较高正风压输出位置，可以利用风机自身完成高效的内腔室通风降温过程而无需外加风机。4)整个基于外温区域110b切换的核酸分析系统即能满足离心微流控核酸提取过程的高低速旋转，又能通过快速的温区切换有效降低PCR反应中的热惯性，从而实现快速的PCR反应。5)温控结构既能满足核酸提取过程中诸如蛋白酶k水解所需要的温度(内温区)，又满足了PCR反应的需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微流控的温控系统，其特征在于，包括：

外壳，形成有容纳腔；

盖体，盖设于所述外壳；

温区分隔架，位于所述容纳腔内并与所述外壳连接，使得所述温区分隔架将所述容纳腔划分为相连通的内温区域和外温区域；

内温控机构，位于所述内温区域，所述内温控机构用于加热所述内温区域的空气温度；以及

外温控机构，包括第一升温组件和第二升温组件，所述第一升温组件和所述第二升温组件间隔设于所述外温区域，所述第一升温组件和所述第二升温组件均用于加热外温区域内的空气温度，所述第一升温组件加热空气的温度低于所述第二升温组件加热空气的温度。

2.根据权利要求1所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述温区分隔架开设有过流孔，所述内温区域通过所述过流孔连通于所述外温区域，所述过流孔分别错开所述第一升温组件和所述第二升温组件。

3.根据权利要求1或2所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述第一升温组件包括第一加热源，所述第一加热源包括第一夹持块、发热块和第二夹持块，所述发热块夹持于所述第一夹持块与所述第二夹持块之间，所述第一夹持块开设有第一透气孔，所述第二夹持块开设有第二透气孔。

4.根据权利要求3所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述第一升温组件还包括第一包壳，所述第一包壳开设有相连通的第一开口、第一空腔和第一进风口，所述第一开口和所述第一进风口均与所述第一空腔连通，所述第一开口还与所述外温区域连通，所述第一加热源位于所述第一空腔内。

5.根据权利要求4所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述外壳开设有与所述外温区域连通的第一通孔，所述第一包壳还穿设于所述第一通孔内并与所述外壳连接，所述第一进风口开设于所述第一包壳凸出于所述第一通孔的部位。

6.根据权利要求1或2所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述第二升温组件包括第二加热源，所述第二加热源包括电路板、陶瓷发热元件和阻流板，所述陶瓷发热元件位于所述电路板与所述阻流板之间，所述陶瓷发热元件与所述电路板电连接，所述电路板开设有第三透气孔，所述阻流板开设有与所述第三透气孔连通的第四透气孔。

7.根据权利要求6所述的微流控的温控系统，其特征在于，所述第二升温组件还包括第二包壳，所述第二包壳开设有相连通的第二开口、第二空腔和第二进风口，所述第二开口和所述第二进风口均与所述第二空腔连通，所述第二开口还与所述外温区域连通，所述第二加热源位于所述第二空腔内。

8.一种核酸分析系统，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的微流控的温控系统。

9.根据权利要求8所述的核酸分析系统，其特征在于，所述核酸分析系统还包括驱动机构和微流控芯片，所述驱动机构连接于所述外壳，所述微流控芯片位于所述容纳腔内，且所述微流控芯片位于所述温区分隔架邻近所述盖体的一侧，所述微流控芯片于所述外壳的投影分别位于所述内温区域和所述外温区域，所述微流控芯片与所述驱动机构的动力输出端连接，以驱动所述微流控芯片相对于所述外壳转动。

10.根据权利要求9所述的核酸分析系统，其特征在于，所述微流控芯片与所述第一升温组件对应的位置开设有第一通气孔。

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