CN112831409B - 一种多模块协同控制的pcr仪快速变温装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，该装置由加热模块I、加热模块II、加热模块III、1个升降模块和1个旋转模块组成。通过设定3个加热模块的不同温度，同时使用升降模块和旋转模块的协同运行来完成3个加热模块之间的快速转换，用转换不同温度模块的方式来替代传统单个加热模块自身升温又降温的过程，可以将由单个加热模块反复升温及降温所需要的PCR反应的循环时间缩短了71％～85％，并克服了传统PCR仪由于单个加热模块的升温及降温过程所导致的温度“过冲”现象，从而保证了PCR反应结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于生化设备领域，具体涉及一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置及使用方法。
背景技术
PCR(Polymerase Chain Reaction)是一种聚合酶链式扩增反应，目前各种PCR反应都是在PCR仪中进行的。PCR仪包括最关键的两大系统：一个光电系统和一个温控系统。光电系统是用来进行光电信号收集和转换的，因为PCR反应一般需要解链95℃、退火55～60℃、延伸72℃三个温度，并且在PCR实验过程中要不断的升温、降温往复循环40次左右。因此，对于维持PCR反应所需对应的温度条件、温度控制的精准度会直接影响到PCR仪性能的发挥。目前市场上传统的PCR仪温度控制装置多是由一块加热板、一个温度传感器和一个风扇散热器组成，PCR反应过程中所需要的升温、降温过程也只能通过温控系统对一块固定的加热板进行反复的升温和降温过程的控制，这种传统形式的升温、降温模式不仅需要的时间长，而且也容易因温度传感器的反应时间差而出现温度“过冲”的现象，从而导致温度控制不佳而影响PCR反应的最终准确性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种不同以往技术的、全新的多模块协同控制的PCR仪快速变温装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，多模块协同控制的快速变温装置由加热模块I、加热模块II、加热模块III、1个升降模块和1个旋转模块组成。
其中，加热模块I由1个96孔板模具G(16)、1个温度传感器R(34)、1个加热膜J(35)、1个隔热板L(17)、1个保温板O(18)组成；1个96孔板模具G(16)中部贯穿着1个温度传感器R(34)，底部紧贴着1个加热膜J(35)；1个加热膜J(35)底部紧贴着1个隔热板L(17)；1个隔热板L(17)底部紧贴着1个保温板O(18)；1个96孔板模具G(16)、1个加热膜J(35)、1个隔热板L(17)、1个保温板O(18)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定；
加热模块II由1个96孔板模具H(38)、1个温度传感器S(45)、1个加热膜K(40)、1个隔热板M(41)、1个保温板P(43)组成；1个96孔板模具H(38)贯中部穿着1个温度传感器S(45)，底部紧贴着1个加热膜K(40)；1个加热膜K(40)底部紧贴着1个隔热板M(41)；1个隔热板M(41)底部紧贴着1个保温板P(43)；1个96孔板模具H(38)、1个加热膜K(40)、1个隔热板M(41)、1个保温板P(43)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定。
加热模块III由1个96孔板模具U(39)、1个温度传感器T(46)、1个加热膜W(36)、1个隔热板N(42)、1个保温板Q(44)组成；1个96孔板模具U(39)中部贯穿着1个温度传感器T(46)，底部紧贴着1个加热膜W(36)；1个加热膜W(36)底部紧贴着1个隔热板N(42)；1个隔热板N(42)底部紧贴着1个保温板Q(44)；1个96孔板模具U(39)、1个加热膜W(36)、1个隔热板N(42)、1个保温板Q(44)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定。
其中，1个升降模块由4个支撑轴(4)、1个底板(1)、4个下限位套(3)、1个滑动支撑板(7)、4个直线轴承(6)、1个上支撑板(14)、4个上限位套(13)、1个丝杆电机(5)、1个丝杆电机固定架(2)、1个上下传感器板A(22)、1个上下传感器板B(31)、1个传感器C(25)、1个线路支撑板(20)组成；1个升降模块的4个支撑轴(4)通过螺钉和1个底板(1)连接；所述4个下限位套(3)直接套在4个支撑轴(4)上并和1个底板(1)直接贴合；1个滑动支撑板(7)通过4个直线轴承(6)和4个支撑轴(4)连接；1个上支撑板(14)通过螺栓和4个支撑轴(4)连接固定；4个上限位套(13)直接套在4个支撑轴(4)上，并和1个上支撑板(14)直接贴合；1个丝杆电机(5)通过1个丝杆电机固定架(2)和1个底板(1)连接固定，且1个丝杆电机(5)的螺帽和1个滑动支撑板(7)连接；1个上下传感器板A(22)和1个上支撑板(14)连接；1个上下传感器板B(31)和1个底板(1)连接；1个传感器C(25)和1个滑动支撑板(7)连接；1个线路支撑板(20)和1个上支撑板(14)连接。
其中，1个旋转模块由1个阶梯转轴(11)、2个轴承座(9)、2个轴用挡圈(32)、4个轴承座定位销(24)、2个旋转支撑侧板(15)、1个套筒E(23)、1个套筒F(10)、1个旋转限位螺栓(12)、3个旋转定位器(27)、1个主动同步轮(29)、1个带刹车步进电机(30)、1个从动同步轮(21)、1个同步带(28)、3个隔离板(17)、1个限位块(8)、1个传感器D(26)、1个传感器支撑座(37)、1个带刹车步进电机固定板(33)组成；1个旋转模块中的1个阶梯转轴(11)通过2个轴承座(9)支撑；2个轴用挡圈(32)用来固定1个阶梯转轴(11)相对2个轴承座(9)的位置；2个轴承座(9)通过4个轴承座定位销(24)来固定1个旋转模块的位置；2个旋转支撑侧板(15)通过1个套筒E(23)和1个套筒F(10)来固定在1个阶梯转轴(11)上的位置；1个旋转限位螺栓(12)和1个阶梯转轴(11)连接在一起；3个旋转定位器(27)均匀分布并在1个旋转支撑侧板(15)的一侧；1个主动同步轮(29)和1个带刹车步进电机(30)连接；1个从动同步轮(21)和1个阶梯转轴(11)连接；1个主动同步轮(29)通过1个同步带(28)与所述的1个从动同步轮(21)连接并传递扭矩。
其中，1个旋转模块中的2个轴承座(9)和1个升降模块中的1个滑动支撑板(7)连接；1个旋转模块中的1个限位块(8)和1个升降模块中的1个滑动支撑板(7)连接，并在1个旋转模块1个旋转限位螺栓(12)下方以保证旋转角度的极限；1个旋转模块中的1个传感器D(26)通过1个传感器支撑座(37)固定在1个升降模块中的滑动支撑板(7)上；1个旋转模块中1个带刹车步进电机(30)通过1个带刹车步进电机固定板(33)和1个升降模块中的滑动支撑板(7)固定在一起；
第二方面，本发明提供了一种多模块协同控制的快速变温装置的PCR反应两步法的使用方法，包括以下步骤：
S1、将加热模块I的温度设定为PCR反应所需的变性温度或PCR反应所需的退火温度，将加热模块II的温度设定为PCR反应所需的退火温度或PCR反应所需的变性温度；
S2、通过加热模块I、加热模块II、升降模块和旋转模块协同运行完成两步法PCR反应过程；
S2-1、当PCR反应需要进行变性反应过程时，通过控制升降模块中的丝杆电机(5)把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起降下来，当上下传感器板B(31)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向下运动，此时带刹车步进电机(30)开始转动，等到转到变性温度所使用的加热模块对应的旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动；
S2-2、丝杆电机(5)把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起往上升，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，此时，变性温度的加热模块已经和96孔PCR反应板接触，从而保证开始PCR变性反应过程；
S2-3、当PCR反应的变性过程结束后，丝杆电机(5)把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起往上升，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动。此时，退火温度使用的加热模块对应的旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动，此时，退火温度使用的加热模块已经和96孔PCR反应板接触，从而保证开始PCR退火反应过程；
S2-5、由加热模块I、加热模块II循环变温完成后续的两步法PCR反应过程。
第三方面，本发明提供了一种适用于PCR仪的多模块协同控制的快速变温装置的PCR反应三步法的使用方法，包括以下步骤：
S1、将加热模块I的温度设为PCR反应所需的变性温度或PCR反应所需的退火温度，将加热模块II的温度设定为PCR反应所需的退火温度或PCR反应所需的变性温度，将加热模块III的温度设定为PCR反应所需的延伸温度；
S2、通过加热模块I、加热模块II、加热模块III、升降模块和旋转模块协同运行完成三步法PCR反应过程。
S2-1、当PCR反应需要进行变性反应过程时，通过控制丝杆电机(5)把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起降下来，当上下传感器板B(31)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向下运动，此时带刹车步进电机(30)开始转动，等到转到变性反应使用的加热模块对应的旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动；
S2-2、丝杆电机(5)把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起往上升，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，此时变性反应使用的加热模块已经和96孔PCR反应板接触，从而保证开始PCR变性反应过程；
S2-3、当PCR反应在变性过程结束后，丝杆电机(5)开始带动滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起降下来，当上下传感器板B(31)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向下运动。此时带刹车步进电机(30)开始转动，等到转到变性反应使用的加热模块对应的旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动；
S2-4、丝杆电机(5)开始工作，把滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起往上升，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，此时，退火反应使用的加热模块已经和96孔PCR反应板接触，从而保证开始PCR退火反应过程；
S2-5、丝杆电机(5)开始工作，带动滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起降下来，当上下传感器板B(31)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向下运动。此时带刹车步进电机(30)开始转动，等到转到延伸反应使用的加热模块对应的旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动。
S2-6、丝杆电机(5)开始工作，带动滑动支撑板(7)和上面的旋转模块一起往上升，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，此时，延伸反应使用的加热模块已经和96孔PCR反应板接触，从而保证开始PCR延伸反应过程；
S2-7、由加热模块I、加热模块II、加热模块III的循环变温完成后续的三步法PCR反应过程。
通过对以上所述技术方案的实施，本发明具有如下显著性特点：
采用多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，不仅可以将目前市场上传统的PCR仪升温、降温所需要的时间缩短71％～85％，而且还可以消除传统PCR仪由单板进行升温、降温过程所出现的7～8％的温度“过冲”现象，从而提高PCR反应结果的准确性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
图1为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置正视图
图2为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置左视图
图3为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置中加热模块I、加热模块II、加热模块III的俯视图
图4为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置中加热模块I、加热模块II、加热模块III的侧视图
图5为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置中的升降模块图
图6为本发明所述一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置中的旋转模块图
图7为单加热模块在两步法PCR反应中45℃时的温度过冲曲线图
图8为单加热模块在两步法PCR反应中95℃时的温度过冲曲线图
图9为单加热模块在三步法PCR反应中55℃时的温度过冲曲线图
图10为单加热模块在三步法PCR反应中72℃时的温度过冲曲线图
图11为单加热模块在三步法PCR反应中95℃时的温度过冲曲线图
图中：1-底板；2-丝杆电机固定架；3-下限位套；4-支撑轴；5-丝杆电机；6-直线轴承；7-滑动支撑板；8-限位块；9-轴承座；10-套筒F；11-阶梯转轴；12-旋转限位螺栓；13-上限位套；14-上支撑板；15-旋转支撑侧板；16-96孔模具G；17-隔热板L；18-保温板O；19-隔离板；20-电路支撑板；21-从动同步轮；22-上下传感器板A；23-套筒E；24-轴承座定位销；25-传感器C；26-传感器D；27-旋转定位器；28-同步带；29-主动同步轮；30-带刹车步进电机；31-上下传感器板B；32-轴用挡圈；33-带刹车步进电机固定板；34-温度传感器R；35-加热膜J；36-制冷TEC片；37-传感器支撑座；38-96孔模具H；39-96孔模具U；40-加热膜K；41-隔热板M；42-隔热板N；43-保温板P；44-保温板Q；45-温度传感器S；46-温度传感器T。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，下面的实施例仅是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置
如图1和图2所示，一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，包括加热模块I、加热模块II、加热模块III、1个升降模块和1个旋转模块。
如图3、图4所示，加热模块I由96孔板模具G(16)、温度传感器R(34)、加热膜J(35)、隔热板L(17)、保温板O(18)组成；1个96孔板模具G(16)中部贯穿着1个温度传感器R(34)，底部紧贴着1个加热膜J(35)；1个加热膜J(35)下部紧贴着1个隔热板L(17)；1个隔热板L(17)下部紧贴着1个保温板O(18)；1个96孔板模具G(16)、1个加热膜J(35)、1个隔热板L(17)、1个保温板O(18)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定。
加热模块II由96孔板模具H(38)、温度传感器S(45)、加热膜K(40)、隔热板M(41)、保温板P(43)组成；1个96孔板模具H(38)中部贯穿着1个温度传感器S(45)，底部紧贴着1个加热膜K(40)；1个加热膜K(40)下部紧贴着1个隔热板M(41)；1个隔热板M(41)下部紧贴着1个保温板P(43)；1个96孔板模具H(38)、1个加热膜K(40)、1个隔热板M(41)、1个保温板P(43)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定。
加热模块III由1个96孔板模具U(39)、1个温度传感器T(46)、1个加热膜W(36)、1个隔热板N(42)、1个保温板Q(44)组成；1个96孔板模具U(39)中部贯穿着1个温度传感器T(46)，底部紧贴着1个加热膜W(36)；1个加热膜W(36)底部紧贴着1个隔热板N(42)；1个隔热板N(42)底部紧贴着1个保温板Q(44)；1个96孔板模具U(39)、1个加热膜W(36)、1个隔热板N(42)、1个保温板Q(44)由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定。
如图5所示，1个升降模块由4个支撑轴(4)、1个底板(1)、4个下限位套(3)、1个滑动支撑板(7)、4个直线轴承(6)、1个上支撑板(14)、4个上限位套(13)、1个丝杆电机(5)、1个丝杆电机固定架(2)、1个上下传感器板A(22)、1个上下传感器板B(31)、1个传感器C(25)、1个线路支撑板(20)组成；1个升降模块的4根支撑轴(4)通过螺钉和1个底板(1)连接；4个下限位套(3)直接套在4根支撑轴(4)上并和1个底板(1)直接贴合；1个滑动支撑板(7)通过4个直线轴承(6)和4根支撑轴(4)连接；1个上支撑板(14)通过螺栓和4根支撑轴(4)连接固定；4个上限位套(13)直接套在4根支撑轴(4)上，并和1个上支撑板(14)直接贴合；1个丝杆电机(5)通过1个丝杆电机固定架(2)和1个底板(1)连接固定，且1个丝杆电机(5)的螺帽和1个滑动支撑板(7)连接；1个上下传感器板A(22)和1个上支撑板(14)连接；1个上下传感器板B(31)和1个底板(1)连接；1个传感器C(25)和1个滑动支撑板(7)连接；1个线路支撑板(20)和1个上支撑板(14)连接。
如图6所示，1个旋转模块由1个阶梯转轴(11)、2个轴承座(9)、2个轴用挡圈(32)、4个轴承座定位销(24)、2个旋转支撑侧板(15)、1个套筒E(23)、1个套筒F(10)、1个旋转限位螺栓(12)、3个旋转定位器(27)、1个主动同步轮(29)、1个带刹车步进电机(30)、1个从动同步轮(21)、1个同步带(28)、3个隔离板(17)、1个限位块(8)、1个传感器D(26)、1个传感器支撑座(37)、1个带刹车步进电机固定板(33)组成；1个旋转模块中的1个阶梯转轴(11)通过2个轴承座(9)支撑；2个轴用挡圈(32)用来固定阶梯转轴(11)相对2个轴承座(9)的位置；2个轴承座(9)通过4个轴承座定位销(24)来固定旋转模块的位置；2个旋转支撑侧板(15)通过1个套筒E(23)和1个套筒F(10)来确定在阶梯转轴(11)上的相对位置；1个旋转限位螺栓(12)和1个阶梯转轴(11)连接在一起；3个旋转定位器(27)均匀分布在1个旋转支撑侧板(15)的一侧；1个主动同步轮(29)和1个带刹车步进电机(30)连接；1个从动同步轮(21)和1个阶梯转轴(11)连接；1个主动同步轮(29)通过1个同步带(28)与所述的1个从动同步轮(21)连接并传递扭矩。
进一步的，1个旋转模块中的2个轴承座(9)和1个升降模块中的1个滑动支撑板(7)连接；1个旋转模块中的1个限位块(8)和1个升降模块中的1个滑动支撑板(7)连接，并在1个旋转模块1个旋转限位螺栓(12)下方以保证旋转角度的极限；1个旋转模块中的1个传感器D(26)通过1个传感器支撑座(37)固定在1个升降模块中的滑动支撑板(7)上；1个旋转模块中1个带刹车步进电机(30)通过1个带刹车步进电机固定板(33)和1个升降模块中的滑动支撑板(7)固定在一起。
实施例2一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置的工作步骤
S1、加热模块的工作步骤：
S1.1加热模块I、加热模块II、加热模块III中的加热膜J(35)或加热膜K(40)或加热膜W(36)分别与温度传感器R(34)或温度传感器S(45)或温度传感器T(46)同时与外部的控制电路连接，当加热膜J(35)或加热膜K(40)或加热膜W(36)分别给96孔板模具G(16)或96孔板模具H(38)或96孔板模具U(39)加热时，温度传感器R(34)或温度传感器S(45)或温度传感器T(46)则在不断地实时反馈加热模块的工作状态；
S1.2当到达设定温度时，加热膜J(35)或加热膜K(40)或加热膜W(36)停止工作，同时隔热板L(17)或保温板O(18)或保温板Q(44)对所对应的加热模块分别起到保温隔热的作用，既保证了3个加热模块的温度不至于传递给其它零部件的，又有效防止了加热模块自身温度的严重散失；
S2、升降模块的工作步骤：
S2.1升降模块中的1个丝杆电机(5)为1个滑动支撑板(7)提供上升和下降的动力，4个支撑轴(4)和4个直线轴承(6)支撑并保证1个滑动支撑板(7)的上下滑动；
S2.2滑动支撑板(7)带着传感器C(25)一起向上运动过程中，当上下传感器板A(22)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向上运动；
S2.3当滑动支撑板(7)带着传感器C(25)一起向上运动时，上下传感器板B(31)和传感器C(25)接触时，传感器C(25)发出信号命令丝杆电机(5)停止转动，从而使滑动支撑板(7)停止向下运动。在特殊情况下，传感器C(25)失效时，4个下限位套(3)和4个上限位套(13)会限制滑动支撑板(7)的上下运动，从而保证升降模块的安全。
S3、旋转模块的工作步骤：
S3.1旋转模块中的带刹车步进电机(30)通过主动同步轮(29)、同步带(28)、从动同步轮(21)为阶梯转轴(11)提供扭矩；
S3.2 2个轴承座(9)为阶梯转轴(11)提供旋转支撑保护，从而保证阶梯转轴(11)的旋转；当阶梯转轴(11)转动时，会带动上面的3个旋转定位器(27)也跟着转动，当其中一个旋转定位器(27)接触到传感器D(26)时，传感器D(26)发出信号命令带刹车步进电机(30)停止转动，从而保证转动的相对位置；
S3.3阶梯转轴(11)端部的旋转限位螺栓(12)和限位块(8)在特殊情况下，当传感器D(26)失效时能够起到限位作用，从而保证3个加热模块的转动角度始终保持在-120度和+120度之间。
实施例3单模块变温装置在两步法PCR反应中的温度过冲现象的检测
本实施例对目前市场上采用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中的温度过冲现象进行了检测，结果如表1、表2、图7和图8所示。
表1、采用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中45℃时温度过冲测定
| 时间：年月日时分秒 | 温度：℃ |
| 2020-08-12 09:49:34 | T1:54.9217 |
| 2020-08-12 09:49:35 | T1:53.2222 |
| 2020-08-12 09:49:36 | T1:51.3182 |
| 2020-08-12 09:49:37 | T1:49.757 |
| 2020-08-12 09:49:38 | T1:48.0088 |
| 2020-08-12 09:49:39 | T1:46.5613 |
| 2020-08-12 09:49:40 | T1:44.9518 |
| 2020-08-12 09:49:41 | T1:43.6233 |
| 2020-08-12 09:49:42 | T1:42.4459 |
| 2020-08-12 09:49:43 | T1:42.7391 |
| 2020-08-12 09:49:44 | T1:43.8103 |
| 2020-08-12 09:49:45 | T1:44.7163 |
| 2020-08-12 09:49:47 | T1:45.4215 |
| 2020-08-12 09:49:48 | T1:45.6964 |
| 2020-08-12 09:49:49 | T1:45.7453 |
| 2020-08-12 09:49:50 | T1:45.715 |
| 2020-08-12 09:49:51 | T1:45.5568 |
| 2020-08-12 09:49:52 | T1:45.4112 |
| 2020-08-12 09:49:53 | T1:45.2508 |
表2、采用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中95℃时温度过冲测定
目前市场上常见的PCR中升降温是一体的，最大升温速率6℃/秒，平均升温速率3.5℃/秒，最大降温速率3℃/秒，平均降温速度2℃。以常见的PCR两步法反应为例，按照平均降温速度2℃来计算，从95℃降到45℃需要25秒；平均升温速率3.5℃/秒，从45℃升到95℃需要14.3秒，也就一个实验循环需要39.3秒。实施例3的图表结果也显示出使用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中的温度“过冲”现象明显，在设置了45℃的温度后，由于是单模块的变温装置，因此会存在12秒的54.9217℃～42.4459℃的温度变化区间；在设置了95℃的温度后，会存在22秒的101.8704℃～92.1957℃的温度变化区间。而本发明中采用的多模块协同控制的PCR仪快速变温装置只需要考虑装置自身升降旋转的时间3秒，而且不存在变温导致的过冲现象，即从95℃恒温板换到45℃恒温板需要3秒；从45℃恒温板换到95℃恒温板需要3秒；也就是使用该发明PCR快速变温装置一个两步法的PCR反应循环需要6秒。由此可以看出采用该发明PCR快速变温装置在升降温时间上至少缩短了85％，并且不存在温度“过冲”现象，保证了PCR结果的准确性。
实施例4单模块变温装置在三步法PCR反应中的温度过冲现象的检测
本实施例对目前市场上采用单模块变温装置的传统PCR仪在三步法PCR反应中的温度过冲现象进行了检测，结果如表3、表4、表5、图9、图10和图11所示。
表3、采用单模块变温装置的传统PCR仪在三步法PCR反应中55℃时温度过冲测定
| 时间：年月日时分秒 | 温度：℃ |
| 2020-08-12 10:31:15 | T1:74.6887 |
| 2020-08-12 10:31:16 | T1:71.8086 |
| 2020-08-12 10:31:17 | T1:69.4545 |
| 2020-08-12 10:31:18 | T1:66.807 |
| 2020-08-12 10:31:19 | T1:64.6687 |
| 2020-08-12 10:31:20 | T1:62.2612 |
| 2020-08-12 10:31:21 | T1:60.3007 |
| 2020-08-12 10:31:22 | T1:58.1405 |
| 2020-08-12 10:31:23 | T1:56.3456 |
| 2020-08-12 10:31:24 | T1:54.3387 |
| 2020-08-12 10:31:25 | T1:52.8 |
| 2020-08-12 10:31:26 | T1:52.1461 |
| 2020-08-12 10:31:27 | T1:52.6376 |
| 2020-08-12 10:31:28 | T1:53.5149 |
| 2020-08-12 10:31:29 | T1:54.0925 |
| 2020-08-12 10:31:31 | T1:54.5623 |
| 2020-08-12 10:31:32 | T1:54.7747 |
| 2020-08-12 10:31:33 | T1:54.8593 |
| 2020-08-12 10:31:34 | T1:54.874 |
| 2020-08-12 10:31:35 | T1:54.8251 |
| 2020-08-12 10:31:36 | T1:54.7608 |
| 2020-08-12 10:31:37 | T1:54.7135 |
表4、采用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中72℃时温度过冲测定
表5、采用单模块变温装置的传统PCR仪在两步法PCR反应中95℃时温度过冲测定
目前市场上传统的PCR仪中升温、降温的循环过程都是由单个加热模块来完成的，其最大升温速率为6℃/秒，平均升温速率为3.5℃/秒，最大降温速率为3℃/秒，平均降温速率为2℃。以三步法PCR反应为例，按照平均降温速度2℃来计算，从95℃降到55℃需要20秒；平均升温速率3.5℃/秒，从55℃升到72℃需要4.9秒，从72℃升到95℃需要6.6秒，也就一个实验循环需要31.5秒，而且有明显的温度“过冲”现象。实施例4的结果也显示出使用单模块变温装置的传统PCR仪在三步法PCR反应中存在明显的温度“过冲”现象：当设置了55℃的温度后，由于是单模块的变温装置，因此会存在22秒的54.8047℃～74.6887℃的温度变化区间；在设置了72℃的温度后，会存在25秒的54.811℃～78.2682℃的温度变化区间；在设置了95℃的温度后，会存在24秒的93.827℃～101.9607℃的温度变化区间。而采用本发明多模块协同控制的PCR仪快速变温装置只需要考虑装置自身升降旋转的时间3秒，而且不存在变温导致的过冲现象。而本发明中采用的多模块协同控制的快速变温装置只需要考虑装置自身升降旋转的时间3秒，而且不存在变温导致的过冲现象。即从95℃恒温板换成55℃恒温板需要3秒；从55℃恒温板换成70℃恒温板需要3秒；从72℃恒温板换成95℃恒温板需要3秒，也就是使用本发明多模块协同控制的PCR仪快速变温装置完成一个三步法PCR反应循环仅需要9秒。由此可以看出，采用本发明PCR快速变温装置在升降温时间上至少缩短了71％，并且不存在温度“过冲”现象，从而保证了PCR结果的准确性。
综上所述，本发明的多模块协同控制的PCR仪快速变温装置的设计及使用方法与现有的传统PCR仪的单模块变温装置存在本质上的不同，其不是沿用常规的思路进行优化或改进，而是不仿效任何已有成果，由研究人员大胆另辟蹊径、独立探索完成的开拓性研究。
Claims (3)
1.一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，其特征在于，所述多模块协同控制的PCR仪快速变温装置由加热模块
、加热模块
、加热模块
、1个升降模块和1个旋转模块组成;
所述加热模块
由1个96孔板模具G（16）、1个温度传感器R（34）、1个加热膜J（35）、1个隔热板L（17）、1个保温板O（18）组成；所述1个96孔板模具G（16）中部贯穿着1个温度传感器R（34），底部紧贴着1个加热膜J（35）；所述1个加热膜J（35）底部紧贴着1个隔热板L（17）；所述1个隔热板L（17）底部紧贴着1个保温板O（18）；所述1个96孔板模具G（16）、1个加热膜J（35）、1个隔热板L（17）、1个保温板O（18）由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定；所述加热模块
由1个96孔板模具H（38）、1个温度传感器S（45）、1个加热膜K（40）、1个隔热板M（41）、1个保温板P（43）组成；所述1个96孔板模具H（38）中部贯穿着1个温度传感器S（45），底部紧贴着1个加热膜K（40）；所述1个加热膜K（40）底部紧贴着1个隔热板M（41）；所述1个隔热板M（41）底部紧贴着1个保温板P（43）；所述1个96孔板模具H（38）、1个加热膜K（40）、1个隔热板M（41）、1个保温板P（43）由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定；所述加热模块
由1个96孔板模具U（39）、1个温度传感器T（46）、1个加热膜W（36）、1个隔热板N（42）、1个保温板Q（44）组成；所述1个96孔板模具U（39）中部贯穿着1个温度传感器T（46），底部紧贴着1个加热膜W（36）；所述1个加热膜W（36）底部紧贴着1个隔热板N（42）；所述1个隔热板N（42）底部紧贴着1个保温板Q（44）；所述1个96孔板模具U（39）、1个加热膜W（36）、1个隔热板N（42）、1个保温板Q（44）由4颗沉头螺栓串接起来并压紧固定;
所述1个升降模块由4个支撑轴（4）、1个底板（1）、4个下限位套（3）、1个滑动支撑板（7）、4个直线轴承（6）、1个上支撑板（14）、4个上限位套（13）、1个丝杆电机（5）、1个丝杆电机固定架（2）、1个上下传感器板A（22）、1个上下传感器板B（31）、1个传感器C（25）、1个线路支撑板（20）组成；所述1个升降模块的4个支撑轴（4）通过螺钉和1个底板（1）连接；所述4个下限位套（3）直接套在4个支撑轴（4）上并和1个底板（1）直接贴合；所述1个滑动支撑板（7）通过4个直线轴承（6）和4个支撑轴（4）连接；所述1个上支撑板（14）通过螺栓和4个支撑轴（4）连接固定；所述4个上限位套（13）直接套在4个支撑轴（4）上，并和1个上支撑板（14）直接贴合；所述1个丝杆电机（5）通过1个丝杆电机固定架（2）和1个底板（1）连接固定，且1个丝杆电机（5）的螺帽和1个滑动支撑板（7）连接；所述1个上下传感器板A（22）和1个上支撑板（14）连接；所述1个上下传感器板B（31）和1个底板（1）连接；所述1个传感器C（25）和1个滑动支撑板（7）连接；所述1个线路支撑板（20）和1个上支撑板（14）连接;
所述1个旋转模块由1个阶梯转轴（11）、2个轴承座（9）、2个轴用挡圈（32）、4个轴承座定位销（24）、2个旋转支撑侧板（15）、1个套筒E（23）、1个套筒F（10）、1个旋转限位螺栓（12）、3个旋转定位器（27）、1个主动同步轮（29）、1个带刹车步进电机（30）、1个从动同步轮（21）、1个同步带（28）、3个隔离板（19）、1个限位块（8）、1个传感器D（26）、1个传感器支撑座（37）、1个带刹车步进电机固定板（33）组成；所述1个旋转模块中的1个阶梯转轴（11）通过2个轴承座（9）支撑；所述2个轴用挡圈（32）用来固定1个阶梯转轴（11）相对2个轴承座（9）的位置；所述2个轴承座（9）通过4个轴承座定位销（24）来固定1个旋转模块的位置；所述2个旋转支撑侧板（15）通过1个套筒E（23）和1个套筒F（10）来固定在1个阶梯转轴（11）上的位置；所述1个旋转限位螺栓（12）和1个阶梯转轴（11）连接在一起；所述3个旋转定位器（27）均匀分布在1个旋转支撑侧板（15）的一侧；所述1个主动同步轮（29）和1个带刹车步进电机（30）连接；所述1个从动同步轮（21）和1个阶梯转轴（11）连接；所述1个主动同步轮（29）通过1个同步带（28）与所述的1个从动同步轮（21）连接；所述3个隔离板（19）通过2个旋转支撑侧板（15）上的三对滑槽被固定在2个旋转支撑侧板（15）之间;
所述的1个旋转模块中的2个轴承座（9）和1个升降模块中的1个滑动支撑板（7）连接；所述的1个旋转模块中的1个限位块（8）和1个升降模块中的1个滑动支撑板（7）连接，并在1个旋转模块1个旋转限位螺栓（12）的下方以保证旋转模块的旋转角度的极限；所述1个旋转模块中的1个传感器D（26）通过1个传感器支撑座（37）固定在1个升降模块中的滑动支撑板（7）上；所述1个旋转模块中1个带刹车步进电机（30）通过1个带刹车步进电机固定板（33）和1个升降模块中的滑动支撑板（7）固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，其特征在于，所述的多模块协同控制的PCR仪快速变温装置在两步法PCR反应中的使用方法包括以下步骤：
S1、将加热模块
的温度设定为PCR反应所需的变性温度或PCR反应所需的退火温度，将加热模块
的温度设定为PCR反应所需的退火温度或PCR反应所需的变性温度；
S2、通过加热模块
、加热模块
、升降模块和旋转模块的协同运行完成两步法PCR反应过程。
3.根据权利要求1所述的一种多模块协同控制的PCR仪快速变温装置，其特征在于，所述的多模块协同控制的PCR仪快速变温装置在三步法PCR反应中的使用方法包括以下步骤：
S1、将加热模块
的温度设为PCR反应所需的变性温度或PCR反应所需的退火温度，将加热模块
的温度设定为PCR反应所需的退火温度或PCR反应所需的变性温度，将加热模块
的温度设定为PCR反应所需的延伸温度；
S2、通过加热模块
、加热模块
、加热模块
、升降模块和旋转模块的协同运行完成三步法PCR反应过程。
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