CN111925931A - Pcr仪的加热结构及芯片定位加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PCR仪的芯片传送定位平台结构及芯片定位加热方法，其结构包括加热模块，加热模块上设有用于加热微流控芯片的加热面，所述加热面设有至少两个加热区，各个加热区之间设有隔热带。此款PCR仪的加热结构是具有至少两个加热区，各个加热区可以根据待测样品的聚合酶链式反应需要分别设定不同的加热温度，从而避免反复升降调节加热温造成等待时间长的问题。

Description

PCR仪的加热结构及芯片定位加热方法

技术领域

本发明涉及一种PCR仪，特别是一种PCR仪的芯片传送定位平台结构及芯片定位加热方法。

背景技术

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。

PCR是利用DNA在体外摄氏95°高温时变性会变成单链，低温（经常是60°C左右）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度（72°C左右），DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖的方向合成互补链。目前聚合酶链式反应过程中，是通过反复变换待测样品的加热模块的温度，从而使得待测样品依次进行以下各个反应：变成单链的DNA变性；形成变性的单链DNA的引物退火；以及使用耐热DNA聚合酶的引物延伸。重复该循环直至得到用于分析的足够拷贝数量。但是，加热模块的升温、降温的转变等待过程较长，以致聚合酶链式反应时间较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理、具有两个以上的加热区、通过设定各个加热区的特定加热温度，避免反复升降调节加热温造成等待时间长的问题，可以提高聚合酶链式反应速度的PCR仪的加热结构及芯片定位加热方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种数字PCR仪的加热结构，包括加热模块，加热模块上设有用于加热微流控芯片的加热面，其特征在于：所述加热面设有至少两个加热区，各个加热区之间设有隔热带。

本发明的目的还可以采用以下技术措施解决：

作为更具体的方案，所述加热模块包括至少两块金属导热块，金属导热块底部或内部设有电加热体，每块金属导热块的顶面形成一个加热区，各块金属导热块相互隔开，金属导热块与金属导热块之间形成所述隔热带。隔热带将金属导热块隔开，减少各块金属导热块之间相互的温度影响。

作为进一步的方案，所述金属导热块设有两块，两块金属导热块分别为第一金属导热块和第二金属导热块；所述加热模块还包括隔热框架，隔热框架分别对应第一金属导热块和第二金属导热块设有第一嵌装孔和第二嵌装孔，各个嵌装孔之间相互隔开，第一金属导热块和第二金属导热块分别嵌入设置在第一嵌装孔内和第二嵌装孔内，第一金属导热块和第二金属导热块的顶面露出隔热框架的顶面外。第一金属导热块的加热温度为55℃-75℃，第二金属导热块的加热温度为94℃-97℃。第一、第二金属导热块的加热温度设定只是根据目前聚合酶链式反应的有利温度而说明，但不局限于此温度范围。

作为进一步的方案，所述加热模块还包括隔热底盖，隔热框架的底部对应隔热底盖设有沉槽，沉槽与所述嵌装孔连通，隔热底盖设置在沉槽内、并与金属导热块连接，隔热底盖对应金属导热块设有第一穿线孔。

作为进一步的方案，所述加热模块设置在固定座上，固定座顶面对应加热模块设有定位槽，定位槽的内壁设有定位台，所述芯片定位柱设置在定位台上，所述加热模块嵌入定位槽内，加热模块的隔热框架外壁对应定位台设有定位卡口，定位卡口与定位台插接。

作为进一步的方案，所述固定座设置在底板上，固定座上方还设有推台组件，推台组件包括安装台和用于推动安装台的驱动装置，安装台底面设有嘴头，嘴头与管体连通，所述固定座上设有两根以上的芯片定位柱，芯片定位柱用于与微流控芯片的定位孔插接配合，微流控芯片上设有嘴孔，当微流控芯片上定位孔一一对应地套住芯片定位柱时，嘴孔与嘴头正对。微流控芯片内部具有微通道，通过向微通道内注入一定的压力可以使得待测样品在微通道内有序流动，从而使其经过不同的加热区，进而发生聚合酶链式反应。微流控芯片内属于现有技术，在此不对其更具体的结构进行描述。另外，通过将微流控芯片与芯片定位柱定位，即实现了微流控芯片、固定座和推台组件的嘴头定位，推台组件下压与微流控芯片的嘴孔密封配合。

作为进一步的方案，所述固定座与推台组件之间设有芯片承台，芯片承台对应芯片定位柱设有第二定位孔；芯片承台设有用于放置所述微流控芯片的沉台，沉台对应加热模块设有开孔，开孔边缘设有支承凸边，所述第二定位孔设置在支承凸边上。

作为进一步的方案，所述芯片承台与底板横向活动配合。将芯片承台移出固定座外，可以方便放置微流控芯片。

一种数字PCR仪的芯片定位加热方法，将微流控芯片放置在加热模块的加热面上，微流控芯片内部设有S型的微流通道，通道内注入测试样本；微流通道的一部分位于第一金属导热块的顶面，微流通道的另一部分位于第二金属导热块的顶面；第一金属导热块和第二金属导热块分别被电加热体加热至所需的温度，通过控制测试样本在微流通道内流动，使得测试样本反复经过第一金属导热块的顶面和第二金属导热块的顶面，实现测试样本重复进行热循环直至得到用于分析的足够拷贝数量。

微流控芯片热循环处理时，微流控芯片由推台组件压住及定位在加热模块上，一方面使得微流控芯片与加热模块贴合，减少热量损耗和获得更准确的热传递；另一方面使得推台组件中嘴头与微流控芯片的嘴孔定位配合，确保管体输气、输液过程的密封性。

本发明的有益效果如下：

（1）此款PCR仪的加热结构是具有至少两个加热区，各个加热区可以根据待测样品的聚合酶链式反应需要分别设定不同的加热温度，从而避免反复升降调节加热温造成等待时间长的问题；

（2）此款PCR仪的加热结构的各个加热区之间设有隔热带，以减少各个加热区之间的温度影响。

附图说明

图1为本发明一实施例分解结构示意图。

图2为本发明中加热模块与固定座连接结构示意图。

图3为图2的另一角度结构示意图。

图4为本发明中加热模块与固定座分解结构示意图。

图5为图4的另一角度结构示意图。

图6为本发明PCR仪的承台组件伸出状态（待装入微流控芯片）结构示意图。

图7为本发明PCR仪的承台组件缩进状态（装入微流控芯片）结构示意图。

图8为与本发明配合使用的微流控芯片分解结构示意图。

图9为图8俯视结构示意图。

图10为图9的A-A剖视结构示意图。

图11为图9的B-B剖视结构示意图。

图12为图11中F处放大结构示意图。

图13为图9的C-C剖视结构示意图。

图14为图13中G处放大结构示意图。

图15为图9的D-D剖视结构示意图。

图16为图9的E-E剖视结构示意图。

图17为本发明中承台组件分解结构示意图。

图18为图17另一角度结构示意图。

图19为本发明中推台组件立体结构示意图。

图20为本发明中推台组件分解结构示意图。

图21为图20另一角度结构示意图。

图22为图21的俯视结构示意图。

图23为图22的H-H剖视结构示意图。

图24为图23中I处放大结构示意图。

图25为本发明进一步方案的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1至图25所示，一种PCR仪的加热结构，包括加热模块20，加热模块20上设有用于加热微流控芯片5的加热面，所述加热面设有两个加热区，各个加热区之间设有隔热带。具体是：所述加热模块20包括两块金属导热块，两块金属导热块分别为第一金属导热块201和第二金属导热块202；所述加热模块20还包括隔热框架204，隔热框架204分别对应第一金属导热块201和第二金属导热块202设有第一嵌装孔2011和第二嵌装孔2021，各个嵌装孔之间相互隔开（隔开处形成为所述隔热带），第一金属导热块201和第二金属导热块202分别嵌入设置在第一嵌装孔2011内和第二嵌装孔2021内，第一金属导热块201和第二金属导热块202的顶面露出隔热框架204的顶面外。

所述金属导热块为铜块，铜块底部设有厚膜加热体，每块铜块的顶面形成一个加热区，隔热框架204为电木材质。

所述隔热框架204对应第一金属导热块201和第二金属导热块202之间设有第一透光孔203。

所述加热模块20还包括隔热底盖206，隔热框架204的底部对应隔热底盖206设有沉槽207，沉槽207与所述嵌装孔连通，隔热底盖206设置在沉槽207内、并与金属导热块连接，隔热底盖206对应第一透光孔203设有第二透光孔2064，隔热底盖206对应金属导热块设有第一穿线孔2063。

所述加热模块20设置在固定座6上，固定座6顶面对应加热模块20设有定位槽61，定位槽61的内壁设有定位台62，所述芯片定位柱设置在定位台62上，所述加热模块20嵌入定位槽61内，加热模块20的隔热框架204外壁对应定位台62设有定位卡口205，定位卡口205与定位台62插接。所述定位槽61的底部对应第一穿线孔2063设有第二穿线孔64，定位槽61的底部对应第二透光孔2064设有第三透光孔65。

所述固定座6设置在底板40上，固定座6上方还设有推台组件10，推台组件10包括安装台4和用于推动安装台4的驱动装置，安装台4底面设有嘴头143，嘴头143与管体2连通，所述固定座6上设有两根以上的芯片定位柱63，芯片定位柱63用于与微流控芯片5的定位孔53插接配合，微流控芯片5上设有嘴孔56，当微流控芯片5上定位孔53一一对应地套住芯片定位柱63时，嘴孔56与嘴头143正对。

所述安装台4上矩形分布有四个鲁尔接头1，各个鲁尔接头1分别连接有所述管体2，鲁尔接头1的下端伸出安装台4底面，鲁尔接头1的下端设有所述嘴头143，嘴头143设有通孔，通孔与管体2连通。

所述鲁尔接头1包括公接头11、母接头14和软套13，公接头11中心设有贯穿其两端的插管孔111，母接头14设有阶梯孔141，阶梯孔141与嘴头143的通孔146连通，阶梯孔141内设有上下分布的软套限位台阶144和管限位台阶145，管限位台阶145位于通孔146上方；软套13设置在软套限位台阶144上，管体2穿过插管孔111和软套13后插入至管限位台阶145处；所述安装台4对应母接头14设有接头安装孔41，母接头14插入接头安装孔41、并与安装台4固定连接，公接头11的下端插入阶梯孔141、并与阶梯孔141螺纹连接，软套13压紧在公接头11的下端与软套限位台阶144之间。

所述接头安装孔41贯穿安装台4的上下两端，母接头14的外端还设有垫面142，垫面142外径大于母接头14外径，嘴头143凸出于垫面142的底面；母接头14的上端从下至上插入接头安装孔41、并伸出至安装台4的顶面上，母接头14的上端与锁紧螺母12连接。

所述公接头11的上端外周设有防滑纹112。

所述安装台4上矩形分布有四个鲁尔接头1，各个鲁尔接头1分别连接有管体2。

所述驱动装置包括气缸3，气缸3的活塞杆31外端与安装台4传动连接。

所述活塞杆31外端连接有法兰盘32，法兰盘32与所述安装台4的顶面连接。

所述底板40上设有承台组件30，承台组件30通过直线导轨8与底板40连接，承台组件30与底板40之间设有承台驱动机构9，承台驱动机构9设置在底板40上、并与承台组件30传动连接。承台组件30包括芯片承台7，芯片承台7与直线导轨8之间设有弹性件。芯片承台7设置在所述固定座6与推台组件10之间，芯片承台7对应芯片定位柱63设有第二定位孔72；芯片承台7设有用于放置所述微流控芯片5的沉台，沉台对应加热模块20设有开孔73，开孔73边缘设有支承凸边71，所述第二定位孔72设置在支承凸边71上。

所述微流控芯片5和支承凸边71分别设有三个第一定位孔53和三个第二定位孔72，三个第一定位孔53和三个第二定位孔72相互对应、并呈三角形分布。所述沉台内设有定向凸起731，所述微流控芯片5对应定向凸起731设有定向槽54，定向槽54与定向凸起731定位插接配合。

所述固定座6上设有三根芯片定位柱63，三根芯片定位柱63与第一定位孔53和第二定位孔72插接配合。所述芯片定位柱63的顶端设置为上窄下宽的锥形头631。锥形头表面具有斜面，斜面有一定的引导作用。

所述微流控芯片5设有两个注液口、一个入气口和一个出液口，注液口、入气口和出液口（参考图8中56标记）上均套有硅胶罩杯51，硅胶罩杯51设有嘴孔52，各个硅胶罩杯51通过硅胶垫片511连接成一体。

所述承台组件30还包括弹性托起装置，弹性托起装置包括支撑杆77、所述弹性件和固定槽79，支撑杆77连接在芯片承台7的底部，支撑杆77底部两侧设有第一限位翻边771；固定槽79与直线导轨8连接，固定槽79顶面设有开槽791，开槽791的开口内侧设有第二限位翻边793，支撑杆77下部插入开槽791内、并与开槽791上下滑动配合，第一限位翻边771与第二限位翻边793相挡，弹性件设有多个、并沿支撑杆77长度方向直线分布，弹性件设置在支撑杆77的底面与固定槽79的开槽791底面之间。

所述固定槽79的第二限位翻边793内壁设有减磨凸筋792。

所述弹性托起装置设有左右两套，各套弹性托起装置一左一右设置在芯片承台7的底部；所述弹性件为弹簧78，支撑杆77底部对应弹簧78设有定位腔772，弹簧78的上端插入定位腔772内。

所述承台组件30还包括侧板75和面板74，固定槽79的外侧与侧板75连接，固定槽79的前端与面板74连接；侧板75的顶端设有内翻边751，芯片承台7的左右两侧设有外翻边76，外翻边76的顶面与内翻边751的底面相挡。

所述承台组件30还包括端盖710，设置在固定槽79的后端。

所述直线导轨8包括固定块81、导向滚轮82和滑轨83，固定块81与底板40固定连接，导向滚轮82水平转动设置在固定块81上，导向滚轮82外周设有环形凹槽821，滑轨83的底部设有导向槽，导向槽的内壁设有与环形凹槽821配合的导向凸筋831，滑轨83与所述固定槽79连接。

所述承台驱动机构9为丝杠传动机构，丝杠传动机构包括驱动电机91、螺母92、丝杆93、导向座94和连接耳95，导向座94设置在底板40上，导向座94的顶面为平面，螺母92的底面为平面、并与导向座94的顶面滑动配合，连接耳95连接在螺母92与承台组件30的侧板75之间，导向座94前后两端设有挡板，丝杆93与螺母92螺纹连接、并转动设置在两挡板之间，驱动电机91设置在一挡板外、并与丝杆93传动连接。

所述PCR仪还包括用于确定微流控芯片5上液滴反应单元图像的荧光检测模组、储液容器以及气源。

所述固定座6呈拱形，荧光检测模组设置在固定座6的底部，荧光检测模组透过第一、第二、第三透光孔对微流控芯片进行检测。荧光检测模组包括滤镜组、PMT（光电倍增管）和激光器，PMT（光电倍增管）通过采集板与控制电路电性连接，激光器与控制电路电性连接。

所述气源为设置在底板40上的气泵。气泵的出气口通过压力控制器分别与储液容器和气管连接，储液容器和气管分别与嘴头143连接；所述气泵、压力控制器分别与控制电路电性连接。

所述气泵的出气口与压力控制器之间还依次设有干燥器、缓冲气瓶和第一安全阀。

所述第一安全阀的开启压力为0.5Mpa。

所述压力控制器设有一个输入端口和三个输出通道，输入端口与安全阀连接，三个输出通道分别为第一通道、第二通道和第三通道，所述储液容器包括第一储液瓶、第二储液瓶和废液瓶，第一通道、第二通道和第三通道分别与第一储液瓶、第二储液瓶和气管连接；所述推台组件10设有的四个嘴头143，各个嘴头143通过管体2分别与第一储液瓶、第二储液瓶、废液瓶和气管连通。

所述气泵通过过滤器与机体外部连通。

所述缓冲气瓶还连接有泄压阀，泄压阀与控制电路电性连接。

所述气泵为微型活塞泵，微型活塞泵的出气口输出气压大于0.5Mpa。

所述推台组件10的气缸3通过电磁转向阀、第二安全阀与缓冲气瓶连接，电磁转向阀与控制电路电性连接。

所述第二安全阀的开启压力为0.2Mpa。

上述控制电路还电性连接有电源、显示与控制终端、数据传输端口。

其工作原理是：承台组件30向前伸出，将微流控芯片5的定向槽54与芯片承台7的定向凸起731对准后，放入芯片承台7的沉台内，承台组件30在承台驱动机构9控制下向后移动至固定座6与推台组件10之间，并且，芯片承台7的第二定位孔72与固定座6的芯片定位柱63的中心相对。当推台组件10的安装台4向下运动时，推动微流控芯片5和芯片承台7同时向下运动，当芯片承台7的第二定位孔72和微流控芯片5的定位孔53与芯片定位柱63的锥形头631接触时，锥形头631将会引导第二定位孔72、定位孔53和芯片定位柱63同心，即实现了承台组件30、微流控芯片5、推台组件10和加热模块20全部定位，确保推台组件10的鲁尔接头1的嘴头143插入微流控芯片5的嘴孔52，鲁尔接头1的垫面142与微流控芯片5硅胶罩杯51密封配合，此时可以进行注液、供气等操作，而不会发生泄漏。

由于微流控芯片5内部设有S型的微流通道，通道内注入测试样本；微流通道的一部分位于第一金属导热块201的顶面，微流通道的另一部分位于第二金属导热块202的顶面；第一金属导热块201和第二金属导热块202分别被电加热体加热至所需的温度，通过控制测试样本在微流通道内流动，使得测试样本反复经过第一金属导热块201的顶面和第二金属导热块202的顶面，实现测试样本重复进行热循环直至得到用于分析的足够拷贝数量。

微流控芯片5热循环处理时，微流控芯片5由推台组件10压住及定位在加热模块20上，一方面使得微流控芯片5与加热模块20贴合，减少热量损耗和获得更准确的热传递；另一方面使得推台组件10中嘴头143与微流控芯片5的嘴孔56定位配合，确保管体2输气、输液过程的密封性。

Claims (10)

1.一种数字PCR仪的加热结构，包括加热模块（20），加热模块（20）上设有用于加热微流控芯片（5）的加热面，其特征在于：所述加热面设有至少两个加热区，各个加热区之间设有隔热带。

2.根据权利要求1所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述加热模块（20）包括至少两块金属导热块，金属导热块底部或内部设有电加热体，每块金属导热块的顶面形成一个加热区，各块金属导热块相互隔开，金属导热块与金属导热块之间形成所述隔热带。

3.根据权利要求2所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述金属导热块设有两块，两块金属导热块分别为第一金属导热块（201）和第二金属导热块（202）；所述加热模块（20）还包括隔热框架（204），隔热框架（204）分别对应第一金属导热块（201）和第二金属导热块（202）设有第一嵌装孔（2011）和第二嵌装孔（2021），各个嵌装孔之间相互隔开，第一金属导热块（201）和第二金属导热块（202）分别嵌入设置在第一嵌装孔（2011）内和第二嵌装孔（2021）内，第一金属导热块（201）和第二金属导热块（202）的顶面露出隔热框架（204）的顶面外。

4.根据权利要求3所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述加热模块（20）还包括隔热底盖（206），隔热框架（204）的底部对应隔热底盖（206）设有沉槽（207），沉槽（207）与所述嵌装孔连通，隔热底盖（206）设置在沉槽（207）内、并与金属导热块连接，隔热底盖（206）对应金属导热块设有第一穿线孔（2063）。

5.根据权利要求4所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述加热模块（20）设置在固定座（6）上，固定座（6）顶面对应加热模块（20）设有定位槽（61），所述加热模块（20）嵌入定位槽（61）内。

6.根据权利要求5所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述固定座（6）设置在底板（40）上，固定座（6）上方还设有推台组件（10），推台组件（10）包括安装台（4）和用于推动安装台（4）的驱动装置，安装台（4）底面设有嘴头（143），嘴头（143）与管体（2）连通，所述固定座（6）上设有两根以上的芯片定位柱（63），芯片定位柱（63）用于与微流控芯片（5）的定位孔（53）插接配合，微流控芯片（5）上设有嘴孔（56），当微流控芯片（5）上定位孔（53）一一对应地套住芯片定位柱（63）时，嘴孔（56）与嘴头（143）正对。

7.根据权利要求6所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述固定座（6）与推台组件（10）之间设有芯片承台（7），芯片承台（7）对应芯片定位柱（63）设有第二定位孔（72）；芯片承台（7）设有用于放置所述微流控芯片（5）的沉台，沉台对应加热模块（20）设有开孔（73），开孔（73）边缘设有支承凸边（71），所述第二定位孔（72）设置在支承凸边（71）上。

8.根据权利要求7所述数字PCR仪的加热结构，其特征在于：所述芯片承台（7）与底板（40）横向活动配合。

9.一种根据权利要求6所述数字PCR仪的芯片定位加热方法，其特征在于：将微流控芯片（5）放置在加热模块（20）的加热面上，微流控芯片（5）内部设有S型的微流通道，通道内注入测试样本；微流通道的一部分位于第一金属导热块（201）的顶面，微流通道的另一部分位于第二金属导热块（202）的顶面；第一金属导热块（201）和第二金属导热块（202）分别被电加热体加热至所需的温度，通过控制测试样本在微流通道内流动，使得测试样本反复经过第一金属导热块（201）的顶面和第二金属导热块（202）的顶面，实现测试样本重复进行热循环直至得到用于分析的足够拷贝数量。

10.根据权利要求9所述数字PCR仪的芯片定位加热方法，其特征在于：微流控芯片热循环处理时，微流控芯片由推台组件压住及定位在加热模块上，一方面使得微流控芯片与加热模块贴合，减少热量损耗和获得更准确的热传递；另一方面使得推台组件中嘴头与微流控芯片的嘴孔定位配合，确保管体输气、输液过程的密封性。

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