CN111154623A - 一种带振动功能的便携式对流pcr扩增检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，该装置主要包括温控模块、光电检测模块、运动模块、振动模块以及控制模块，温控模块包括上层加热模块、上层加热电阻膜、上层测温电阻、上层垂直散热片、下层加热模块、下层加热电阻膜、下层测温电阻、下层垂直散热片。将用于对流PCR扩增的毛细反应管上下两端加热至不同温度并保持恒温，为对流PCR反应提供温度条件，振动模块包括振动电机，可以带动上加热模块的快速振动，由此将毛细反应管中的气泡驱动到毛细反应管顶部，可以有效消除扩增过程中对流PCR管所产生的气泡，防止气泡影响热对流，降低扩增效率，同时避免其对荧光检测性能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及生命医学检测、快速诊断领域，尤其涉及一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置。
背景技术
在传统的PCR扩增装置中，扩增都是在热循环系统中进行的，这类热循环系统需要对扩增试剂进行反复的加热和冷却来实现热循环进而达到PCR扩增的目的，这意味着采用这类热循环系统的PCR扩增装置大量的时间都会浪费在加热和冷却的温度控制而不是核酸扩增上，而对流PCR技术只需要在扩增试剂的上下端进行恒温控制，上端为55℃附近，下端为95℃附近，通过上下端产生的温差实现扩增试剂的对流，进而完成PCR扩增的各个过程实现PCR扩增，这种方法避免了对试剂的重复加热和冷却，只需要恒温控制，温控系统设计较为简单高效，同时也有效的缩短了PCR扩增时间。
传统定量PCR检测方法如PCR-ELISA法、内参照法和竞争PCR法,因为在达到平台期后才能对其进行检测,即终点检测法。这种检测方法由于PCR扩增已经过了对数期，其检测重复性相对较差。而实时荧光PCR技术(Real-timePCR)融合了PCR高灵敏性、DNA杂交的高特异性和光谱技术的高精确定量等优点,直接监测PCR过程中荧光信号的变化,以获得目的区段扩增产物定量的结果,不用进行PCR后处理或电泳检测,直接可以进行定性分析和定量分析。操作简便无污染,还有快速和高通量等特点。在实时荧光PCR反应中，引入了一种荧光化学物质，随着PCR反应的进行，PCR反应产物不断累计，荧光信号的强度也等比例增加。每经过一个循环，收集一个荧光强度信号，这样就可以通过荧光强度变化监测产物量的变化，从而得到一条荧光扩增曲线图。
对流PCR反应采用一个毛细反应管作为反应载体，将毛细反应管的上下两端保持55℃和95℃恒温，通过上下表面的温差实现热对流，进而实现毛细反应管内试剂的热循环，达到PCR所需的热循环的目的，无需周期性的变温热循环，减少了反应时间，降低了仪器复杂度。
对流PCR扩增过程中，由于流体的周期性循环往复运动，毛细反应管内容易产生气泡，当气泡体积达到一定尺寸后，会干扰管内热对流以及荧光检测结果，因此，需要设计一种带气泡去除功能的对流PCR扩增装置，确保扩增过程中，能够有效去除气泡，确保对流PCR扩增效率，获取理想的荧光检测结果。
发明内容
本发明目的在于实现一种带振动功能的便携式多通道对流PCR扩增检测装置，利用对流PCR的技术优势，通过上下两个加热模块为扩增反应提供温度环境，在扩增过程中，利用荧光模块实时采集扩增试剂中的荧光信号，最终绘制出扩增曲线，得到定性检测结果，实现对流PCR扩增与检测的一体化操作，实现对扩增过程的实时监测以及对扩增结果的快速定性分析。
为实现上述目的，本发明设计了一种带振动功能的便携式多通道对流PCR扩增检测装置，为了有效去除对流扩增反应过程中，毛细反应管中的气泡，研究设计了振动模块，通过改进装置的结构设计，由振动模块带动上加热模块的快速振动，由此将毛细反应管中的气泡驱动到毛细反应管顶部，避免气泡影响热对流进而阻碍扩增进程，同时也避免气泡对荧光检测结果产生影响。
除振动模块外，该装置还包括温控模块、光电检测模块、运动模块、以及控制模块，所述控制模块与所述温控模块、光电检测模块、运动模块及振动模块连接；
所述温控模块包括上层加热模块(1)、上层加热电阻膜(2)、上层垂直散热片(4)、下层加热模块(5)、下层加热电阻膜(6)、下层垂直散热片(25)、上层隔热板(8)、下层隔热板(24)、测温电阻(3)，可以将对流PCR管(9)进行上下两层加热至不同温度并保持恒温，为对流PCR反应提供温度条件；
光电检测模块(10)可以为检测步骤提供激发光，同时将扩增试剂被激发出的荧光信号转换为电信号传送给控制模块；
运动模块包括步进电机(11)、转盘(12)、光电开关(13)，能够带动光电检测模块(10)运动至指定位置进行荧光信号采集；
振动模块包括振动电机(18)；
控制模块包括屏幕(15)和主控板(14)，屏幕(15)可以发送各项控制指令给主控板(14)，同时从主控板(14)接收各项数据并显示，例如装置的温度、扩增曲线、扩增结果等信息，主控板(14)能够根据从屏幕(15)处收到的指令控制上述各模块，并接收光电模块(10)测得的荧光电信号，进行分析处理后将各项数据输出至屏幕(15)。
可选地，上层加热模块(1)和下层加热模块(5)设计为圆形，其外部环形包围上层加热电阻膜(2)和下层加热电阻膜(6)，具有更加良好的加热均匀性。在上层加热模块(1)和下层加热模块(5)中各埋入一个测温电阻(3)与主控板(14)相连，通过测量测温电阻(3)的阻值来实现上层加热模块(1)和下层加热模块(5)温度的测量。
可选地，振动模块工作时能够有效去除对流PCR试管(9)扩增中产生的气泡，防止气泡影响扩增过程。
可选地，振动模块中的振动电机(18)固定于上层加热模块(1)的两端，同时上层加热模块(1)采用非锁紧固定式的设计，在振动模块工作时上层加热模块(1)会跟随振动电机(18)产生相同频率的振动，进而带动上层加热模块(1)中的对流PCR管(9)产生振动，消除扩增过程中产生的气泡。
可选地，上层加热模块(1)和下层加热模块(5)之间加入了上层隔热板(8)，能有效隔离上下层不同温度的干扰，上层加热模块(1)和下层加热模块(5)与上层隔热板(8)之间设计的间距利用空气的隔热性进一步避免了上下层温度之间的相互干扰。
可选地，上层隔热板(8)进一步延伸出两个上层垂直散热片(4)构成工型结构，将热量传导至装置的金属外壳，进一步扩大了装置散热面积，提高了散热与隔热效果。
可选地，下层加热模块(5)与光电检测模块(10)之间设计了下层隔热板(24)，有效防止了光电检测模块(10)受到下层加热模块(5)工作时高温产生的影响。下层加热模块(5)和光电检测模块(10)与下层隔热板(24)之间设计的间距利用空气的隔热性进一步避免了上下层温度之间的相互干扰。
可选地，下层隔热板(24)进一步延伸出两个下层垂直散热片(25)构成工型结构，将热量传导至装置的金属外壳，进一步扩大了装置散热面积，提高了散热与隔热效果。
可选地，两块光电检测模块(10)对称放置于转盘(12)上，八个对流PCR试管孔位(16)以圆形均匀分布在上层加热模块(1)和下层加热模块(5)上，其中下层加热模块(5)上的对流PCR试管孔位(16)底部开孔，由步进电机(11)带动转盘(12)旋转到指定对流PCR试管孔位(16)底部进行荧光信号采集，快速高效的实现八个对流PCR试管孔位(16)双波长荧光信号采集，同时转盘(12)上设有与对流PCR试管孔位(16)相对应的光栅缝(19)，与光电开关(13)相配合可以达到对每个对流PCR试管孔位(16)的精确定位。
可选地，装置底部的调速风扇(23)与顶部的通风孔(7)相配合，在扩增反应过程中，或反应结束后，实现装置内部散热。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明设计并实现了一种便携式的多通道对流PCR扩增检测装置，两个加热模块之间的隔热板以及上下两个垂直散热片与金属外壳相连的设计，在没有散热风扇的情况下解决了上下端温度干扰以及装置的散热问题，同时也减小了装置体积，简化了设计。
2、本发明设计加入了振动模块，工作时可以带动上加热模块快速震动，进而带动对流PCR管快速振动，以此消除反应时对流PCR管中产生的气泡，可有效解决对流PCR管扩增过程中产生的气泡影响扩增反应及荧光检测结果的问题。
3、本发明具有体积小巧、结构简单、操作简便、一体化程度较高、人机交互友好等优点，可以实现高通量对流PCR的扩增、扩增过程的实时检测以及扩增结果的快速检测。
附图说明
图1为本发明对流PCR扩增检测装置的整体示意图。
图2为本发明对流PCR扩增检测装置的结构示意图。
图3为本发明中上层加热模块示意图。
图4为本发明中下层加热模块示意图。
图5为本发明中部分结构示意图。
图6为本发明中底部示意图。
图7为本发明中各模块通信示意图。
图中：1、上层加热模块，2、上层加热电阻膜，3、测温电阻，4、上层垂直散热片，5、下层加热模块，6、下层加热电阻膜，7、通风孔，8、上层隔热板，9、对流PCR管，10、光电检测模块，11、步进电机，12、转盘，13、光电开关，14、主控板，15、屏幕，16、对流PCR试管孔位，17、外壳，18、振动电机，19、光栅缝，20、上盖，21、电源插孔，22、电源开关，23、调速风扇，24、下层隔热板，25、下层垂直散热片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本装置可以对最多八个待扩增的对流PCR管进行扩增并检测，同时可以在自动模式下进行扩增并检测，也可以在手动模式下只进行加热或者只进行荧光检测，以下在附图的基础上介绍本装置自动模式下的操作过程。
首先将电源适配器插入装置电源插孔(21)中，打开电源开关(22)，在屏幕(15)中点击新建实验，输入实验相关信息，之后输入上下层加热目标温度以及温控PID参数，之后点击屏幕(15)中的开始加热按钮，此时仪器上层加热模块(1)与下层加热模块(5)开始加热至指定温度，待装置加热完成后，屏幕(15)显示允许扩增标志，此时打开装置上盖(20)，将八个待扩增的对流PCR管(9)完全插入对流PCR试管孔位(16)中，然后关闭装置上盖(20)，点击开始扩增按钮，此时装置中的步进电机(11)带动转盘(12)上的光电检测模块(10)开始对八个对流PCR管(9)进行周期性循环检测，并且根据测得的荧光数据绘制实时荧光曲线，同时在每个检测周期结束后启动振动模块，消除扩增反应中可能出现的气泡，待荧光数据采集60个周期之后，反应结束，屏幕(15)显示反应结束标志，此时可以保存荧光曲线数据或者对荧光数据进行查询。在扩增检测全过程中底部调速风扇(23)持续工作，实现装置内部散热。至此，八个待扩增的对流PCR管(9)的对流PCR扩增检测过程结束。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于，该装置包括温控模块、光电检测模块、运动模块、振动模块以及控制模块；所述控制模块与所述温控模块、光电检测模块(10)、运动模块及振动模块连接；
所述温控模块用以对对流PCR管(9)进行上下两层加热至不同温度并保持恒温，为对流PCR反应提供温度条件；
所述光电检测模块(10)为检测步骤提供激发光，同时将扩增试剂被激发出的荧光信号转换为电信号传送给控制模块；
所述运动模块包括步进电机(11)、转盘(12)和光电开关(13)，步进电机(11)的输出轴与转盘(12)连接，光电检测模块(10)安装在转盘(12)上，步进电机(11)能够带动光电检测模块(10)运动至指定位置进行荧光信号采集，转盘(12)由光电开关(13)进行控制；
所述振动模块包括振动电机(18)；
所述控制模块包括屏幕(15)和主控板(14)，屏幕(15)发送各项控制指令给主控板(14)，同时从主控板(14)接收各项数据并显示，主控板(14)能够根据从屏幕(15)处收到的指令控制温控模块、光电检测模块、运动模块及振动模块；主控板(14)接收光电模块(10)测得的荧光电信号，进行分析处理后将各项数据输出至屏幕(15)。
2.根据权利要求1所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：所述温控模块包括上层加热模块(1)、上层加热电阻膜(2)、上层垂直散热片(4)、下层加热模块(5)、下层加热电阻膜(6)、下层垂直散热片(25)、上层隔热板(8)、下层隔热板(24)、测温电阻(3)；上层加热模块(1)和下层加热模块(5)为圆形，上层加热模块(1)的外部包围上层加热电阻膜(2)，下层加热模块(5)的外部包围下层加热电阻膜(6)；在上层加热模块(1)和下层加热模块(5)中各埋入一个测温电阻(3)与主控板(14)相连，通过测量测温电阻(3)的阻值来实现对上层加热模块(1)和下层加热模块(5)的温度测量。
3.根据权利要求1所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：振动模块工作时能够去除对流PCR试管(9)扩增中产生的气泡。
4.根据权利要求2所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：振动模块中的振动电机(18)固定于上层加热模块(1)的两端，同时上层加热模块(1)采用非锁紧固定式的设计，在振动模块工作时上层加热模块(1)会跟随振动电机(18)产生相同频率的振动，进而带动上层加热模块(1)中的对流PCR管(9)产生振动，消除扩增过程中产生的气泡。
5.根据权利要求2所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：上层加热模块(1)和下层加热模块(5)之间加入了上层隔热板(8)，能有效隔离上下层不同温度的干扰，上层加热模块(1)和下层加热模块(5)与上层隔热板(8)之间设计的间距利用空气的隔热性进一步避免上下层温度之间的相互干扰。
6.根据权利要求2所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：上层隔热板(8)延伸出两个上层垂直散热片(4)构成工型结构，将热量传导至装置的金属外壳，扩大装置散热面积，提高了散热与隔热效果。
7.根据权利要求2所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：下层加热模块(5)与光电检测模块(10)之间设计有下层隔热板(24)，防止光电检测模块(10)受到下层加热模块(5)工作时高温产生影响；下层加热模块(5)和光电检测模块(10)与下层隔热板(24)之间设计的间距利用空气的隔热性避免上下层温度之间的相互干扰。
8.根据权利要求7所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：下层隔热板(24)延伸出两个下层垂直散热片(25)构成工型结构，将热量传导至装置的金属外壳，扩大装置散热面积，提高散热与隔热效果。
9.根据权利要求1所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：两块光电检测模块(10)对称放置于转盘(12)上，八个对流PCR试管孔位(16)以圆形均匀分布在上层加热模块(1)和下层加热模块(5)上，其中下层加热模块(5)上的对流PCR试管孔位(16)底部开孔，由步进电机(11)带动转盘(12)旋转到指定对流PCR试管孔位(16)底部进行荧光信号采集，快速实现八个对流PCR试管孔位(16)双波长荧光信号采集，同时转盘(12)上设有与对流PCR试管孔位(16)相对应的光栅缝(19)，转盘(12)与光电开关(13)相配合对每个对流PCR试管孔位(16)的定位。
10.根据权利要求1所述的一种带振动功能的便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：装置底部的调速风扇(23)与顶部的通风孔(7)相配合，在扩增反应过程中或反应结束后，实现装置内部散热。
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