CN113736640A - 用于pcr的快速温控装置及温控方法 - Google Patents

用于pcr的快速温控装置及温控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于PCR的快速温控装置及温控方法，该装置包括：沿圆周布置的至少3个提供不同温度控制目标值的温控组件；与温控组件一一对应的至少3个热源组件；以及温控目标组件，其包括接收机构以及驱动机构，接收机构旋转时，接收机构及其上的温控目标能够依次进入和离开每一个温控模块的温控区域，以使得温控目标可在不同温度值的温控区域之间进行切换。本发明使多个温控区域保持固定且维持相应的恒温环境，而控制温控目标进行旋转运动以按顺序在不同温控区域反复切换，既省去了同一个温控区域在相邻温度之间进行温度变化所需的时间，也省去了温控区域自身逐渐变化至要求的温度所需的时间，能够大大缩短PCR反应中温控所需的时间。

Description

用于PCR的快速温控装置及温控方法
技术领域
本发明涉及DNA检测领域，特别涉及一种用于PCR的快速温控装置及温控方法。
背景技术
PCR，即聚合酶链式反应，是一种DNA的快速扩增技术，是实时荧光定量PCR、基因测序和基因芯片等分子诊断的必要环节，在人类社会生活中应用广泛。PCR温控过程是一个较为复杂的过程，通常需要在三个温区不断的切换，例如，一个完成的PCR温控过程可以为：
步骤一：将样品加热到90-96℃进行变性；
步骤二：将样品降温到60℃～65℃进行退火；
步骤三：将样品加热到70℃～75℃进行延伸。
步骤四：重复步骤一至步骤三25～40次。
可见，PCR温控过程是一个较为复杂的过程，需要反复进行温区的切换。
PCR微芯片是利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术和微流控技术制备的微流体芯片，微流控芯片具有体积小、比表面积大、集成度高、反应速度快、传热快等特性，得到了广泛应用。根据芯片样品腔室的不同，PCR可以分为静态腔室PCR和动态连续流式PCR。前者是传统PCR的微型化，反应混合物固定在微反应池内，其温度不断地反复循环；后者是DNA样品和反应物通过连续流动经过三个不同的恒温带,从而达到DNA片段扩增的目的。
通常的静态腔室PCR中，温区在不同温度间切换时需要通过如帕尔贴、PI膜加热片等温控装置先进行温区自身的温度变化，达到设定的温度，然后对温控目标进行温控，由于温区自身的温度变化取决与升、降温速度，一般只能达到2～5℃/s，导致温区自身的温度变化消化时间长，大大延长了PCR温控时间。针对该缺陷，专利CN111346685A公开了一种可实现快速温控的装置和方法，其采用具有适合温度的流体直接进入温控腔体中替换原来的流体，是实现温度快速控制，而不需要通过温控部件逐渐加热或降温温控腔体，减少了温控过程中的升温和降温过程所需时间，提高了温控的速率。该可实现快速温控的装置和方法提供了一种较好的快速温控思路，在一定程度上解决了温区自身的温度变化耗时长的问题，但仍然存在不足：其通过适合温度的流体进入温控腔体中替换原来的流体，这一过程中同样需要消耗一定的时间(一般需要数秒)，且流体替换的均匀性和效率难以保障，容易导致耗时的增长或是温度控制精度的下降。例如，其采用流体注入的方式替换原来的流体时，沿流体主流动方向的流体能快速替换，而边缘部分的流体替换缓慢，导致整个温控腔体的流体替换不均匀，最终导致温度不均匀，导致温控效果和效率降低。
通常的动态连续流式PCR是通过微流控技术将PCR反应溶液在不同温区之间流动。这种方法不存在升降温的过程，能减少时间消化。但这种方案也存在一些缺陷：样品在芯片内是不停流动的，所以反应时间等变量的控制主要通过设计芯片上微通道的结构来实现，通常结构相对更复杂也需要比较大的空间，且相应的用于驱动样品在芯片内持续流动的驱动机构也会较为复杂；另外，由于微通道内的面积/体积比较大，内壁对试剂和样品由吸收，所以会造成运送污染与试剂/样品损失；且在压力驱动条件下，微通道横截面的速度分布为抛物线或类似形状，中间速度最大而两侧靠近壁面速度最小(接近0)，所以在横截面不同位置的PCR样品将经历不同的反应时间。
专利201721483492.X提供了一种快速核酸扩增系统，其通过旋转方式使反应耗材中的核酸扩增反应溶液在不同温区间转移实现核酸快速扩增，克服了现有核酸扩增系统或耗时长或反应耗材难以实现的技术问题。但该系统仍然存在一些不足：该系统中，旋转机构驱动反应耗材旋转，在温控模块上设置一个缺口作为空气加热区，以对进入该缺口处的反应耗材进行温度控制，反应耗材进入该缺口后再通过一个驱动机构驱动上温控模块和下温控模块夹紧。1、该系统需要额外增加一个驱动机构，且驱动机构的动作需要与旋转机构配合，这样导致增加了驱动机构动作的时间，且额外增加了驱动机构与旋转机构配合的控制。2、该系统是通过加热丝或加热膜加热空气，利于缺口处的局部空气浴实现温控；空气存在比热低的不足，更重要的时，其需要使空气加热区始终保持在需要的温度，而缺口处无反应耗材进入时，为敞开状态，这样会导致大量热能的浪费；进一步的，其宣称通过空气浴进行温控，但并不能对空气气流进行操控，所以实际上可以说就是通过加热丝或加热膜进行温控的，故加热的均匀性有待商榷。3、该系统为了实现其宣称的高通量，采用多个温区配合多个扇形反应耗材来实现，例如其实施例中包括6个PCR温区和对应的6个扇形反应耗材，反应耗材做旋转运动时，6个扇形反应耗材在6个PCR温区中依次切换。由于PCR反应通常是在3个不同的温度下反应一定的时间，且不同的温区反应时间不一定相同；而该系统中，6个扇形反应耗材是一起做旋转运动的，其中一个扇形反应耗材需切换温区时，必将带动其余5个也切换温区，这样容易导致多个扇形反应耗材之间会存在干扰，所以实际上通常是难以实现其宣称的高通量温控的(只有在每个温区的温度相同、反应时间相同的情况下才能实现高通量温控，而这显然不符合一般PCR温控的需求)。
综上，针对PCR微芯片温控的不足，现有技术中提供了一些方案，但这些方案仍然存在不足，需要进行进一步改进，以提供更为可靠的PCR微芯片的快速温控方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于PCR的快速温控装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于PCR的快速温控装置，包括：
沿圆周布置的至少3个提供不同温度控制目标值的温控组件，每个所述温控组件均具有温控区域；
与所述温控组件一一对应的至少3个热源组件，所述热源组件向所述温控组件提供恒定温度的温控液体，以使得所述温控组件的温控区域内的温度保持在所需要的温度控制目标值；
以及温控目标组件，其包括可容纳至少两个温控目标的接收机构以及用于驱动所述接收机构旋转的驱动机构，所述接收机构旋转时，所述接收机构及其上的温控目标能够依次进入和离开每一个温控组件的温控区域，以使得温控目标可在不同温度值的温控区域之间进行切换；
所述温控区域为所述温控目标提供PCR反应所需的温度环境，且沿所述温控目标的旋转方向，所有所述温控区域提供的若干个温度数值以及次序与所述温控目标在PCR循环中单次反应所需的温度条件要求相契合。
优选的是，该用于PCR的快速温控装置还包括安装平台，至少3个温控组件沿圆周设置在所述安装平台上；
所述温控组件包括设置在所述安装平台上的安装架、可上下移动设置在所述安装架上的上温控块、设置在所述上温控块上的联动机构、设置在所述安装平台上且处于所述上温控块正下方的下温控块；
在所述驱动机构的作用下，所述接收机构旋转并与所述联动机构接触，以致所述上温控块向上移动，从而使得所述接收机构及其上的温控目标能够进入由所述上温控块和下温控块之间的空间形成的所述温控区域内。
优选的是，所述安装架包括与所述安装平台连接的竖板以及与所述竖板连接的横板，所述上温控块设置在所述横板上；
所述横板的底面开设有阶梯孔，所述阶梯孔包括由下至少依次连通的小孔段和大孔段，所述上温控块的上表面连接有若干安装滑杆，所述安装滑杆的顶部连接有限位盘；
所述安装滑杆可滑动插设在所述小孔段内，所述限位盘可滑动设置在所述大孔段内，且所述限位盘的外径大于所述小孔段的内径，所述大孔段的上部内壁和限位盘之间连接有压簧。
优选的是，所述联动机构包括连接在所述上温控块的第一侧面的外端的导向轨道、第一端与所述上温控块的第一侧面的内端可转动连接且第二端可滑动设置在所述导向轨道上的联动块以及连接在所述导向轨道和联动块的第二端之间的拉簧；
所述接收机构旋转时，所述上温控块的第一侧面迎向所述接收机构；
所述联动块的第一端连接有滑动端，所述滑动端上沿垂直方向贯穿连接有限位轴；
所述导向轨道的中部开设有供所述滑动端插入并沿弧形轨迹进行滑动的滑槽，所述导向轨道的上下表面均开设有贯穿至所述滑槽的导向槽，所述限位轴的上下两端分别可滑动设置在上下两个导向槽内；
所述滑动端的外端面呈弧形状，所述滑槽的内壁为弧形面，使得所述联动块绕所述上温控块的第一侧面的内端转动时，所述滑动端可在所述滑槽沿弧形轨迹自由滑动；
所述导向轨道的上下表面上处于远离所述上温控块的第一侧面的一端均连接有一弹簧安装柱，所述拉簧的一端连接在所述弹簧安装柱上另一端连接在所述限位轴上。
优选的是，所述联动块的底面设置有倾斜驱动面，沿所述接收机构旋转的方向，所述倾斜驱动面的高度逐渐降低；
所述接收机构包括用于容纳温控目标的安装座以及可转动连接在所述安装座侧部的至少一个滚轮；
所述接收机构旋转时，所述接收机构上的滚轮先与所述倾斜驱动面接触，使得随着所述接收机构的转动，所述联动块逐渐抬高并带动所述上温控块向上移动，以使所述安装座进入所述上温控块和下温控块之间形成的温控区域内；
所述安装座上至少设置有两个沿垂直方向贯穿所述安装座的用于安装温控目标的安装槽，以使得所述安装座进入所述温控区域内后，温控目标的上下表面均会暴露在所述温控区域中；
所述驱动机构包括可转动设置在所述安装平台上的转盘以及用于驱动所述转盘旋转的电机，所述安装座连接在所述转盘上。
优选的是，所述热源组件包括预加热储液罐、设置在所述预加热储液罐内的第一加热装置、与所述预加热储液罐入口端连通的进液管、与所述预加热储液罐的出口端通过输送管道连通的恒温储液罐、设置在所述恒温储液罐内的第二加热装置、与所述恒温储液罐的出口端连通的出液管、设置在所述进液管上的进液阀、设置在所述出液管上的出液阀、设置在所述输送管道上的输送控制阀以及设置在所述出液管上的输送泵；
所述预加热储液罐内设置有第一温度传感器，所述恒温储液罐内设置有第二温度传感器；
所述预加热储液罐中的温控液体经所述第一加热装置预加热后进入所述恒温储液罐，在所述第二加热装置的加热作用下保持在设定的恒定温度，然后经所述出液管提供至所述温控组件，以使所述温控组件的温控区域内的温度维持在所需要的温度控制目标值，所述温控组件排出的温控液体再返回至所述预加热储液罐中。
优选的是，所述上温控块和下温控块的内部均具有温控腔，所述上温控块和下温控块的外端面的两侧均分别设置有主进液管接头和出液管接头，所述上温控块的上表面和下温控块的下表面均设置有辅助进液管接头；所述主进液管接头、辅助进液管接头和出液管接头均与所述温控腔连通，所述出液管提供的温控液体经所述主进液管接头、辅助进液管接头进入所述温控腔，然后由所述出液管接头排出；
所述上温控块和下温控块均包括内部中空的温控块本体，所述温控块本包括隔热外壳、设置在所述隔热外壳内的内胆以及与所述内胆密封连接的柔性导热面，所述内胆和柔性导热面围绕而成的空间形成所述温控腔；
当温控目标处于所述温控区域内时，所述上温控块的柔性导热面能包裹所述温控目标的上表面，所述下温控块的柔性导热面能包裹所述温控目标的下表面。
优选的是，所述主进液管接头和出液管接头均设置在所述温控块本体的外端面上；
所述温控腔内还设置有与所述内胆连接的水平设置且具有若干导液孔的多孔隔板以及设置在所述多孔隔板和内胆之间的导流组件，所述导流组件包括沿所述温控块本体的外端面朝内端面的方向间隔布置的若干导流片，所述导流片垂直设置且两端分别与所述多孔隔板和内胆连接；从所述温控块本体的外端面朝内端面的方向，所述导流片的长度逐渐减小，且相邻导流片之间的间隔逐渐增大；
相邻导流片之间的间隔形成供温控液体流过的导流通道，所述导流通道中还间隔设置有若干扰流柱，所述扰流柱的横截面为圆形或椭圆形，所述扰流柱垂直设置且两端分别于所述多孔隔板和内胆连接；
所述主进液管接头的内端连通至最靠近所述温控块本体的外端面的导流通道的侧部，所述出液管接头的内端连通至所述多孔隔板和柔性导热面之间的空间中；所述内胆内部还设置有与所述辅助进液管接头连通的分配管，所述分配管上连通有接入到若干所述导流通道内的若干分配支管；
所述多孔隔板和柔性导热面之间的空间中设置有至少一个第三温度传感器，所述接收机构上设置有至少一个第四温度传感器。
优选的是，该装置对温控目标进行温度控制的方法包括以下步骤：
一、预先确定控制参数：
假定第i个温控组件的温控区域需要使温控目标在温度控制目标值为Twi下保持时间ti，i＝1,2...n,n为温控组件的总数；
1)确定与第i个温控组件对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的实际要达到的温度控制值：
1-1)设定第i个温控组件对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的温度控制值为THi，向处于环境温度下的第i个温控组件的温控腔输送THi温度的温控液体，通过第三温度传感器测量第i个温控组件的温控腔中温度稳定后的实际温度Twi′，调整THi，直至Twi′＝Twi，记下此时恒温储液罐Pi中的温控液体的温度THi′，将THi′作为第i个温控组件对应的恒温储液罐的实际温度控制值；
按照以上方法对第i个温控组件获取若干个温度控制目标值Twi下分别对应的恒温储液罐的实际温度控制值THi′，然后以多个温度控制目标值Twi为横坐标、多个对应的实际温度控制值THi′为纵坐标进行曲线拟合，得到第i个温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线，记为f(Ti)；利用该关系曲线f(Ti)可根据第i个温控组件的温控区域的温度控制目标值换算得到第i个温控组件的恒温储液罐所需的实际温度控制值；
1-2)按照步骤1-1)的方法获取所有温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线；
2)确定温控目标的各个温度变化阶段所需的时间参数：
2-1)控制每个温控组件的恒温储液罐向对应的温控腔中输送温控液体，使得每个温控腔中的温度保持在对应的温度控制目标值，具体包括：
向第1个温控组件的温控腔中输送温度为TH1′的温控液体，使第1个温控组件的温控区域的温度达到Tw1并保持稳定；
向第2个温控组件的温控腔中输送温度为TH2′的温控液体，使第2个温控组件的温控区域的温度达到Tw2并保持稳定；
...；
向第n个温控组件的温控腔中输送温度为THn′的温控液体，使第n个温控组件的温控区域的温度达到Twn并保持稳定；
2-2)使温控目标由环境温度进入第1个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由环境温度变化至Tw1所需要的时间t01；
2-3)使温控目标由第1个温控组件的温控腔进入第2个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由Tw1变化至Tw2所需要的时间t12；
2-4)按照与步骤2-3)相同的方法测量温控目标的温度由Twn-1变化至Twn所需要的时间tn-1n；
2-5)最后使温控目标由第n个温控组件的温控区域进入第1个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由Twn变化至Tw1所需要的时间tn1；
在一定温度范围内，以一定的温度梯度，对Tw1、Tw2...Twn分别取若干个温度值；然后按照步骤2-1)的方法获取每一步骤中温度变化阶段所需要的时间参数结果，制成温度变化阶段与对应所需的时间的参数表，该表中包括：
温控目标由环境温度变化至若干个不同的温度值Tw1分别需要的时间，
温控目标由若干个不同的温度值Twi-1分别变化至若干个不同的温度值Twi温度值所需的时间，i＝1,2...n,
温控目标由若干个不同的温度值Twn-1分别变化至若干个不同的温度值Twn温度值所需的时间，
以及温控目标由若干个不同的Twn温度值分别变化至若干个不同的Tw1温度值所需的时间；
二、对温控目标进行温度控制：
记当前温控目标的温度控制程序为：第i个温控组件的温控区域需要使当前温控目标在温度控制目标值为TwSi下保持时间ti′，i＝1,2...n,n为温控组件的总数；
Ⅰ、通过步骤1)中获取的所有温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线，换算得到每个温度控制目标值TwSi对应的恒温储液罐的实际温度控制值THSi′；
Ⅱ、根据步骤Ⅰ的结果，先控制每个温控组件的恒温储液罐向对应的温控腔中输送所需温度的温控液体，使得每个温控腔中的温度保持在对应的温度控制目标值；即第i个温控组件的恒温储液罐提供温度为THSi′的温控液体，使得第i个温控组件温控腔中的温度保持为TwSi；
Ⅲ、通过查找步骤2)获得的参数表，获得：
温控目标的温度由环境温度变化至TwS1所需要的时间tS01，
温控目标的温度由TwS1变化至TwS2所需要的时间tS12，
...，
温控目标的温度由TwSn-1变化至TwSn所需要的时间tSn-1n，
以及温控目标的温度由TwSn变化至TwS1所需要的时间tSn1；
Ⅳ-1、通过驱动机构控制使接收机构上的温控目标由环境中进入第1个温控组件的温控区域中，停留时间为：t1′+tS01；
Ⅳ-2、使温控目标由第1个温控组件的温控区域进入第2个温控组件的温控区域中，停留时间为：t2′+tS12；
...；
使温控目标由第n-1个温控组件的温控区域进入第n个温控组件的温控区域中，停留时间为：tn′+tSn-1n；
Ⅳ-3、使温控目标由第n个温控组件的温控区域进入第1个温控组件的温控区域中，停留时间为：t1′+tSn1；
Ⅳ-4、循环步骤Ⅳ-2至Ⅳ-3若干次，直至完成对温控目标的温控程序，且在最后一个循环中，省去步骤Ⅳ-3。
优选的是，所述步骤Ⅲ中，若在步骤2)获得的参数表中缺少当前温控目标的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，则按照步骤2)的方法获取当前温控目标缺少的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，然后将得到的该温度变化阶段所需的时间参数补入步骤2)获得的参数表中，并更新该参数表。
本发明的有益效果是：
本发明中，使多个温控区域保持固定且维持相应的恒温环境，而控制温控目标进行旋转运动以按顺序在不同温控区域反复切换，既省去了同一个温控区域在相邻温度之间进行温度变化所需的时间，也省去了温控区域自身逐渐变化至要求的温度所需的时间；且控制温控目标在不同温控区域之间进行切换的时间大大短于温控区域自身变化至要求的温度所需的时间，所以本发明能够大大缩短PCR反应中温控所需的时间。
本发明中，依次设置的温控区域的温度与一轮PCR反应所需的温控顺序相同，通过单个接受机构装载多个温控目标同时在不同温控区域间依次切换，能实现高通量的温度控制，操作简单，能避免采用多个接受机构导致多个接受机构之间的温控需求出现干扰的现象。
本发明中，通过联动机构，借助接收机构的旋转作用力，实现上温控块的联动移动，即接收机构带着温控目标与上温控块接触后，上温控块向上移动，使得上温控块和下温控块之间形成的温控区域联动打开，温控目标完全进入到温控区域后上温控块将自动压紧，使温控目标完全包裹在温控区域中，实现高效的温度控制；一方面能够节省一个带动上温控块上下移动的驱动机构，更重要的是，还能节省通过额外的一个驱动机构驱动上温控块上下移动带来的时间和控制复杂度上的增量；
且其中通过两个柔性导热面包覆温控目标，使得温控目标的上下表面能够与两个柔性导热面充分、紧密的接触，从而能提高导热效率，实现对温控目标的快速温控；而滚轮的配合设置能在联动过程中将上下方向的两个柔性导热面撑开，使得安装座能顺利跟随滚轮进入两个柔性导热面之间；其中，通过导向轨道与拉簧等组件的设置可使得滚轮与联动块接触时，基本为面接触，从而能够很好的缓冲并充分利用安装座的旋转作用力，能避免造成滚轮或联动块或铰链的损坏，且能利于上温控块顺畅的上移；其中，温控区域中无温控目标时，由于压簧的作用，上温控块是压紧在下温控块上的，所以能大大减小热量的损失。
本发明中，导流组件的设置能使温控液体更加均匀的流经整个温控腔，使温控腔内的温度更加均一；扰流柱的设置能提高温控液体相互之间的热交换效率，从而进一步提高温控腔内温度的均匀性；辅助进液管接头的设置一方面能与主进液管接头提供的水平液流相互作用，形成旋流，可提高温控液体相互之间的热交换效率；另一方面，垂直液流的方向是垂直作用于柔性导热面并进一步朝向对应的温控目标的表面，使得柔性导热面能进一步紧贴包裹温控目标，提高换热效率。
本发明的一些实施例提供的该装置对温控目标进行温度控制的方法中，通过预先确定的关系曲线，可根据需要的温度控制目标值直接换算得到对应的恒温储液罐的实际温度控制值；根据该参数表即可得到通常情况下，各个阶段温度变化需要的时间，在预先统计的基础上，后续工作时，通过查表即可获得时间参数，从而能够节约大量的时间，并减小重复工作。
附图说明
图1为本发明的用于PCR的快速温控装置的整体原理结构示意图；
图2为本发明的用于PCR的快速温控装置省去热源组件后的结构示意图；
图3为本发明的上温控块与导向轨道配合的结构示意图；
图4为本发明的联动块的结构示意图；
图5为本发明的上温控块与联动机构配合的结构示意图；
图6为本发明的接收机构的结构示意图；
图7为本发明的接收机构与温控组件配合的一种状态下的结构示意图；
图8为图7中的滚轮和联动块配合的局部放大结构示意图；
图9和10为本发明的接收机构与温控组件配合的另外两种状态下的结构示意图；
图11-12为接收机构与联动块配合的俯视方向的结构示意图；
图13为本发明的温控目标与安装座配合的结构示意图；
图14为本发明的热源组件的结构示意图；
图15为本发明的上温控块的结构示意图；
图16为本发明的温控块本体的俯视方向的剖面图；
图17为本发明的上温控块和下温控块主视方向的剖面图；
图18为本发明的上温控块和下温控块侧视方向的剖面图。
附图标记说明：
1—温控组件；10—安装架；11—上温控块；12—联动机构；13—下温控块；14—安装滑杆；15—温控块本体；16—主进液管接头；17—出液管接头；18—辅助进液管接头；19—第三温度传感；100—竖板；101—横板；102—阶梯孔；103—小孔段；104—大孔段；
110—第一侧面；111—内端；112—外端；
120—导向轨道；121—联动块；122—拉簧；123—滑动端；124—限位轴；125—滑槽；126—导向槽；127—弹簧安装柱；128—倾斜驱动面；129—铰链；
140—限位盘；141—压簧；
150—隔热外壳；151—内胆；152—柔性导热面；153—温控腔；154—多孔隔板；155—导流组件；156—扰流柱；157-隔热圈；1510—分配管；1511—分配支管；1550—导流片；1551—导流通道；1540—导液孔；
2—温控区域；
3—热源组件；30—预加热储液罐；31—进液管；32—恒温储液罐；33—出液管；34—进液阀；35—出液阀；36—输送控制阀；37—输送泵；38—输送管道；300—第一加热装置；301—第一温度传感器；320—第二加热装置；321—第二温度传感器；
4—温控目标组件；40—接收机构；41—驱动机构；400—安装座；401—滚轮；402—安装槽；403—第四温度传感器；404—卡槽；405—弹性定位凸起；410—转盘；
5—安装平台；
6—温控目标；60—卡块；61—定位凹槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
参照图1-2所示，本实施例的一种用于PCR的快速温控装置，包括：
沿圆周布置的至少3个提供不同温度控制目标值的温控组件1，每个温控组件1均具有温控区域2；
与温控组件1一一对应的至少3个热源组件3，热源组件3向温控组件1提供恒定温度的温控液体，以使得温控组件1的温控区域2内的温度保持在所需要的温度控制目标值；
以及温控目标组件4，其包括可容纳至少两个温控目标6的接收机构40以及用于驱动接收机构40旋转的驱动机构41，接收机构40旋转时，接收机构40及其上的温控目标6能够依次进入和离开每一个温控组件1的温控区域2，以使得温控目标6可在不同温度值的温控区域2之间进行切换；
温控区域2为温控目标6提供PCR反应所需的温度环境，且沿温控目标6的旋转方向，所有温控区域2提供的若干个温度数值以及次序与温控目标6在PCR循环中单次反应所需的温度条件要求相契合。
液体比空气的比热更大，导热性强，故本发明中采用温控液体作为温控介质，温控液体可采用导热油等常用的液体温控介质。
该用于PCR的快速温控装置还包括安装平台5，至少3个温控组件1沿圆周设置在安装平台5上；
温控组件1包括设置在安装平台5上的安装架10、可上下移动设置在安装架10上的上温控块11、设置在上温控块11上的联动机构12、设置在安装平台5上且处于上温控块11正下方的下温控块13；
在驱动机构41的作用下，接收机构40旋转并与联动机构12接触，以致上温控块11向上移动，从而使得接收机构40及其上的温控目标6能够进入由上温控块11和下温控块13之间的空间形成的温控区域2内。
PCR扩增反应通常需要在三个不同的温区进行切换，本实施例中，以包括3个温控组件1为例进行说明。3个温控组件1提供三个不同的温区环境，依次为T1(90-96℃)、T2(60-65℃)、T3(70-75℃)，接收机构40带动温控目标6在3个不同的温区环境之间进行移动，以满足PCR扩增的温度需求。
本实施例中，温控目标6为微流控芯片，其内部具有PCR反应的腔道结构。PCR反应原料注入到腔道结构内后可进行封闭，然后在需要的温区环境中进行PCR反应。当然，可以理解的是，本发明中，温控目标可以是其他物品，只需配合配置安装座即可。
参照图1，提供T1、T2、T3三个温区环境的3个温控组件1沿顺时针依次布置，驱动机构41驱动接收机构40沿顺时针旋转，所以温控目标6会依次按序经过T1、T2、T3三个温区，能够与PCR循环中单次反应所需的温度条件要求相契合。
本实施例中，3个温控组件1的温控区域2通过持续提供恒温液体从而始终维持在需要的温度值，对温控目标6进行温度控制时，温控目标6进入相应的温控区域2后即朝向需要的温度值变化，从而省去了温控区域2自身变化至要求的温度所需的时间；温控目标6在不同温控区域2切换所需的时间与温控区域2自身变化至要求的温度所需的时间基本可忽略，因为温控目标6是通过旋转在相邻的温度区域进行切换，以3个温控组件1均匀间隔为例，在不同温控区域2切换所需的时间即为旋转120度所需的时间，通过常规的电机即可容易实现较高的转速，所以旋转120度所需的时间(基本能在0.5s甚至0.1s以内，例如转速为60r/min时，转动120度也只需0.3秒，而通常的使用情况，转速能远大于60r/min)与温控区域2自身变化至要求的温度所需的时间(一般需要数秒)基本可忽略。
进一步的，本实施例中，是通过联动机构12，借助接收机构40的旋转作用力，实现上温控块11的联动移动，即接收机构40带着温控目标6与上温控块11接触后，上温控块11向上移动，使得上温控块11和下温控块13之间形成的温控区域2联动打开，温控目标6完全进入到温控区域2后上温控块11将自动压紧，使温控目标6完全包裹在温控区域2中，实现高效的温度控制。一方面能够节省一个带动上温控块11上下移动的驱动机构41，更重要的是，还能节省通过额外的一个驱动机构41驱动上温控块11上下移动带来的时间和控制复杂度上的增量。以下在进行进一步详细说明。
参照图2-10(图2中未示出联动机构12)，本实施例中，安装架10包括与安装平台5连接的竖板100以及与竖板100连接的横板101，上温控块11设置在横板101上；横板101的底面开设有阶梯孔102，阶梯孔102包括由下至少依次连通的小孔段103和大孔段104，上温控块11的上表面连接有若干安装滑杆14，安装滑杆14的顶部连接有限位盘140；安装滑杆14可滑动插设在小孔段103内，限位盘140可滑动设置在大孔段104内，且限位盘140的外径大于小孔段103的内径，大孔段104的上部内壁和限位盘140之间连接有压簧141。安装滑杆14可在阶梯孔102内上下滑动又不会滑出，且压簧141对安装滑杆14产生向下的作用力，使得在无外力作用时，基于压簧141的压力和上温控块11的重力作用，上温控块11会压紧在下温控块13上。同时在安装滑杆14的导向限位作用下，上滑块只能上下移动。
本实施例中，联动机构12包括连接在上温控块11的第一侧面110(图5中的左侧面)的外端112的导向轨道120、第一端与上温控块11的第一侧面110的内端111可转动连接且第二端可滑动设置在导向轨道120上的联动块121以及连接在导向轨道120和联动块121的第二端之间的拉簧122；联动块121与上温控块11的第一侧面110的内端111通过铰链129或转轴等机构可转动连接，本实施例中，通过铰链129连接。
接收机构40旋转时，上温控块11的第一侧面110迎向接收机构40；联动块121的第一端连接有滑动端123，滑动端123上沿垂直方向贯穿连接有限位轴124；
导向轨道120的中部开设有供滑动端123插入并沿弧形轨迹进行滑动的滑槽125，导向轨道120的上下表面均开设有贯穿至滑槽125的导向槽126，限位轴124的上下两端分别可滑动设置在上下两个导向槽126内，本实施例中，导向槽126也为弧形槽；滑动端123的外端面呈弧形状，滑槽125的内壁为弧形面，使得联动块121绕上温控块11的第一侧面110的内端转动时，滑动端123可在滑槽125沿弧形轨迹自由滑动；
导向轨道120的上下表面上处于远离上温控块11的第一侧面110的一端均连接有一弹簧安装柱127，拉簧122的一端连接在弹簧安装柱127上另一端连接在限位轴124上。
其中，联动块121的底面设置有倾斜驱动面128，沿接收机构40旋转的方向，倾斜驱动面128的高度逐渐降低(图4或图5中从左向右高度逐渐降低)；本实施例中，倾斜驱动面128为弧形的倾斜面。接收机构40包括用于容纳温控目标6的安装座400以及可转动连接在安装座400侧部的至少一个滚轮401。接收机构40旋转时，接收机构40上的滚轮401先与倾斜驱动面128接触，使得随着接收机构40的转动，联动块121逐渐抬高并带动上温控块11向上移动，以使安装座400进入上温控块11和下温控块13之间形成的温控区域2内。
其中，上温控块11和下温控块13的内部均具有温控腔153，上温控块11和下温控块13均包括内部中空的温控块本体15，温控块本包括隔热外壳150、设置在隔热外壳150内的内胆151以及与内胆151密封连接的柔性导热面152，内胆151和柔性导热面152围绕而成的空间形成温控腔153；当温控目标6处于温控区域2内时，上温控块11的柔性导热面152能包裹温控目标6的上表面，下温控块13的柔性导热面152能包裹温控目标6的下表面。柔性导热面152采用导热性能良好的常规柔性材质，保证导热效果且能充分与温控目标6的表面接触以及实现包裹。
为便于理解，本实施例中，在一些图中只对部分结构进行了剖面示意。
本实施例中，联动机构12的工作原理为：
驱动机构41带动接收机构40转动，安装座400上的滚轮401先与联动块121底部的倾斜驱动面128接触，参照图7和8，滚轮401能够相对倾斜驱动面128进行滚动，从而可减小接触面的摩擦力，同时滚轮401会对倾斜驱动面128产生作用力，该作用力一方面使联动块121会向上运动，从而通过联动块121带动上滑动块相对横板101向上滑动，另一方面该作用力会使联动块121绕铰链129顺时针转动，滑动端123可在滑槽125沿弧形轨迹朝靠近上温控块11的方向滑动，限位轴124相对导向槽126进行滑动，使得拉簧122被拉伸；
随着安装座400的转动，联动块121以及上温控块11被滚轮401完全顶起，参照图9，此时拉簧122被拉伸至最长位置；然后滚轮401与倾斜驱动面128脱离，滚轮401和安装座400进入温控区域2内，在拉簧122的拉力作用下，联动块121绕铰链129逆时针转动，滑动端123朝远离上温控块11的方向滑动，返回到初始位置；
滚轮401进入温控区域2的过程中，滚轮401与上温控块11下方和下温控块13上方的柔性导热面152接触，并将上下方向的两个柔性导热面152撑开，使得安装座400能顺利跟随滚轮401进入两个柔性导热面152之间；
当滚轮401刚好穿过温控区域2后，滚轮401伸出到温控区域2的右侧，而此时安装座400正好完全处于温控区域2内，参照图10，驱动机构41暂定工作，安装座400停止运动；由于滚轮401的支持作用消失，在压簧141的向下的压力以及上温控块11的重力作用下，上温控块11向下挤压安装座400，使得安装座400上的温控目标6能被紧密、完整的包覆在两个柔性导热面152之间，温控目标6的上下表面能够与两个柔性导热面152充分、紧密的接触，从而能提高导热效率，实现对温控目标6的快速温控。
需要理解的上，由于安装座400是转动进入温控区域2，所以安装座400的运动轨迹是圆弧的一部分，故温控区域2横截面的大小需要大于安装座400，以保证温控区域2能够完全覆盖安装座400。
其中，滚轮401的下表面与安装座400的下表面齐平或是滚轮401的下表面略高于安装座400的下表面，滚轮401的上表面应高于安装座400的上表面，以保证滚轮401可带着安装座400顺畅进入到温控区域2内。
其中，滑动端123与滑槽125的配合以及限位轴124与导向槽126的配合需使得联动块121能够顺畅的绕铰链129进行旋转，所以滑动端123的运动轨迹应当是圆弧的一部分。滑动端123与滑槽125以及限位轴124与导向槽126之间应具有一定的间隙，以保证联动块121顺畅的旋转。
在优选的实施例中，导向轨道120通过弧形面与联动块121的端面接触。
本实施例中，通过联动机构12能利用安装座400的旋转运动实现上温控块11的向上移动，从而打开温控区域2，并且在安装座400完全进入温控区域2后，上温控块11能压紧安装座400，实现温控目标6的包裹。节约了一个驱动机构41，且通过自动的联动控制，节省了额外使用一个驱动机构41驱动上温控块11上下移动所需的时间，简化了操作；
安装座400是旋转进入温控区域2的，所以安装座400的滚轮401若直接与上温控块11上的联动块121接触时，滚轮401与联动块121之间会存在一个夹角，滚轮401的内端先与联动块121进行点接触，然后安装座400再进入温控区域2；这样会存在一个问题：滚轮401具有一定的运动速度，滚轮401与联动块121通过点接触时，容易造成滚轮401或联动块121的损坏，或是容易造成联动块121上的铰链129的损坏。
本实施例中，通过导向轨道120与拉簧122等组件的设置能够很好的避免上述问题。由于拉簧122的作用力，在无外力作用时，联动块121与安装座400之间具有一定的角度，且通过导向轨道120的尺寸设计，可使得滚轮401与联动块121接触时，基本为面接触，参照图11-12，从而能够很好的缓冲并充分利用安装座400的旋转作用力，能避免造成滚轮401或联动块121或铰链129的损坏，且能利于上温控块11顺畅的上移。
上温控块11和下温控块13中需要持续通入温控液体，本实施例中，温控区域2中无温控目标6时，由于压簧141的作用，上温控块11是压紧在下温控块13上的，所以能大大减小热量的损失。在优选的实施例中，上温控块11和下温控块13的柔性导热面152的外周均设置有隔热圈157，进一步减小热量损失。
参照图6和图13，在一种实施例中，安装座400上至少设置有两个沿垂直方向贯穿安装座400的用于安装温控目标6的安装槽402，以使得安装座400进入温控区域2内后，温控目标6的上下表面均会暴露在温控区域2中。温控目标6可通过键槽结构或卡块60结构等或是通过与安装槽402的紧密配合较稳定的固定在安装槽402内，温控目标6设置在安装槽402内后可随安装座400一起转动，而不会滑出。在优选的实施例中，温控目标6的侧部连接有卡块60，安装槽402的侧部开设有供卡块60配合插入的卡槽404，且卡槽404内壁上设置有弹性定位凸起405，卡块60上开设有与弹性定位凸起405配合的定位凹槽61。温控目标6设置在安装槽402内后，卡块60配合插入卡槽404内，且弹性定位凸起405卡入定位凹槽61内，使得温控目标6能够稳定的设置在安装槽402内，且取下温控目标6时，由安装槽402下方向上挤压温控目标6，即可将温控目标6从安装槽402内顺利取出。
温控目标6设置在安装槽402内后，温控目标6的上下表面基本与安装槽402的上下表面齐平。
本实施例中，安装座400上可同时设置多个温控目标6，并同时进行温度控制，从而可提高装置的通量。例如，参照图2和图6，本实施例中，安装座400上设置有矩形排列的4个安装槽402。
在优选的实施例中，安装槽402的侧部还设置有标号，参照图6，以对安装槽402进行编号。
在一种实施例中，驱动机构41包括可转动设置在安装平台5上的转盘410以及用于驱动转盘410旋转的电机(图中为示出)，安装座400连接在转盘410上。其中，通过控制电机的转动角度能使得安装座400完全进入温控区域2后即停止转动。电机的转动角度可通过编码盘/编码器实现反馈控制，或是配合位置传感器等采用常规方案即可实现电机转动角度的精确控制。
实施例2
参照图14-18，作为实施例1的基础上的进一步改进，本实施例中，热源组件3包括预加热储液罐30、设置在预加热储液罐30内的第一加热装置300、与预加热储液罐30入口端连通的进液管31、与预加热储液罐30的出口端通过输送管道连通的恒温储液罐32、设置在恒温储液罐32内的第二加热装置320、与恒温储液罐32的出口端连通的出液管33、设置在进液管31上的进液阀34、设置在出液管33上的出液阀35、设置在输送管道上的输送控制阀36以及设置在出液管33上的输送泵37；在一些实施例中，输送泵37设置在进液管31上，或者是进液管31和出液管33上均设置输送泵37。
预加热储液罐30内设置有第一温度传感器301，恒温储液罐32内设置有第二温度传感器321；预加热储液罐30中的温控液体经第一加热装置300预加热后进入恒温储液罐32，在第二加热装置320的加热作用下保持在设定的恒定温度，然后经出液管33提供至温控组件1，以使温控组件1的温控区域2内的温度维持在所需要的温度控制目标值，温控组件1排出的温控液体再返回至预加热储液罐30中。
在优选的实施例中，预加热储液罐30将温控液体的温度控制在与对应的恒温储液罐32温度相同或稍低(例如低0.5-2℃)，当预加热储液罐30内的温控液体达到设定值时，输送控制阀36才打开，以将温控液体输送至恒温储液罐32中，然后通过恒温储液罐32中的第二加热装置320将温控液体稳定保持在需要的温度，这样可提高恒温储液罐32中温控液体的温度的稳定性，保证恒温储液罐32能持续供应温度稳定的温控液体。且由于温控组件1排出的温控液体需要回收，通过预加热储液罐30回收温控液体并先进温度控制，能减小回收的温控液体对恒温储液罐32中的温度造成的影响。
本实施例中，上温控块11和下温控块13的外端面的两侧均分别设置有主进液管31接头16和出液管33接头17，上温控块11的上表面和下温控块13的下表面均设置有辅助进液管31接头18；主进液管31接头16、辅助进液管31接头18和出液管33接头17均与温控腔153连通，出液管33提供的温控液体经主进液管31接头16、辅助进液管31接头18进入温控腔153，然后由出液管33接头17排出。
在优选的实施例中，主进液管31接头16和出液管33接头17均设置在温控块本体15的外端面上；温控腔153内还设置有与内胆151连接的水平设置且具有若干导液孔1540的多孔隔板154以及设置在多孔隔板154和内胆151之间的导流组件155，导流组件155包括沿温控块本体15的外端面朝内端面的方向间隔布置的若干导流片1550，导流片1550垂直设置且两端分别与多孔隔板154和内胆151连接；从温控块本体15的外端面朝内端面的方向，导流片1550的长度逐渐减小，且相邻导流片1550之间的间隔逐渐增大。
相邻导流片1550之间的间隔形成供温控液体流过的导流通道1551，导流通道1551中还间隔设置有若干扰流柱156，扰流柱156的横截面为圆形或椭圆形，扰流柱156垂直设置且两端分别于多孔隔板154和内胆151连接；
主进液管31接头16的内端连通至最靠近温控块本体15的外端面的导流通道1551的侧部，出液管33接头17的内端连通至多孔隔板154和柔性导热面152之间的空间中，以促进温控液体充分流经整个温控腔153。参照图18，内胆151内部还设置有与辅助进液管31接头18连通的分配管1510，分配管1510上连通有接入到若干导流通道1551内的若干分配支管1511；分配支管1511将辅助进液管31接头18进入的温控液体导入各个导流通道1551内。
其中，图17为上温控块11和下温控块13配合的主视方向(即与出液管33接头17垂直的方向)的剖面图；图18为上温控块11和下温控块13侧视方向(即与出液管33接头17平行的方向)的剖面图。
多孔隔板154和柔性导热面152之间的空间中设置有至少一个第三温度传感19器，接收机构40上设置有至少一个第四温度传感器403，第四温度传感器403设置在安装槽402上，具体的，安装槽402上开有凹槽，第四温度传感器403设置在其中，且第四温度传感器403的上表面基本与安装槽402表面齐平。
参照图16，沿主进液管31接头16中的进液方向(即温控块本体15的外端面朝内端面的方向)，导流通道1551的宽度逐渐增大，且导流片1550的长度逐渐减小，能引导更多的温控液体向温控块本体15的内端面方向流动。由于主进液管31接头16连接在温控块本体15的外端面，所以越往温控块本体15的内端面流速会越小，液流量会越小，而通过上述导流结构的设置，能使更多的温控液体向温控块本体15的内端面方向流动，从而使温控腔153内的温控液体流动更加均匀，使温控腔153内的温度更加均一。另一方面，导流通道1551起到导流作用，使温控液体呈现多组U型流动的趋势，保证温控液体在温控腔153内停留适宜的时间，以充分利用温控液体的热量；导流通道1551内的温控液体在经多孔隔板154上的导液孔1540流向多孔隔板154和柔性导热面152之间的空腔中，通过柔性导热面152与温控区域2之间进行热量传递。其中，上温控块11中的温控液体主要在重力、辅助进液管31接头18形成的垂直流以及温控液体的压力作用流向多孔隔板154和柔性导热面152之间的空腔，而下温控块13中的温控液体是主要在辅助进液管31接头18形成的垂直流以及温控液体的压力作用流向多孔隔板154和柔性导热面152之间的空腔。
参照图16中的局部放大图，本实施例中通过设置若干扰流柱156，使得温控液体遇到扰流柱156时，会从扰流柱156两侧绕行，然后再继续流动，从而可以在扰流柱156的周围形成一定的“小旋流”，能够提高温控液体相互之间的热交换效率，从而进一步提高温控腔153内温度的均匀性。
本实施例中，辅助进液管31接头18提供与主进液管31接头16相垂直的垂直液流，一方面能与主进液管31接头16提供的水平液流相互作用，形成旋流，可提高温控液体相互之间的热交换效率；另一方面，垂直液流的方向是垂直作用于柔性导热面152并进一步朝向对应的温控目标6的表面，使得柔性导热面152能进一步紧贴包裹温控目标6，提高换热效率。
实施例3
作为实施例2的基础上的进一步改进，本实施例中提供的用于PCR的快速温控装置对温控目标6进行温度控制的方法，具体包括以下步骤：
1)预先确定恒温储液罐32的温控液体的实际温度控制值：
假定第i个温控组件1的温控区域2需要使温控目标6在温度控制目标值为Twi下保持时间ti，i＝1,2...n,n为温控组件1的总数；
先确定与第i个温控组件1对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的实际要达到的温度控制值：
1-1)设定第i个温控组件1对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的温度控制值为THi，并向处于环境温度下的第i个温控组件1的温控腔153输送THi温度的温控液体，通过第三温度传感19器测量第i个温控组件1的温控腔153中温度稳定后的实际温度Twi′，调整THi，Twi′＝Twi，并记下此时恒温储液罐Pi中的温控液体的温度THi′，将THi′作为第i个温控组件1对应的恒温储液罐32的实际温度控制值；
按照以上方法对第i个温控组件1获取若干个温度控制目标值Twi下分别对应的恒温储液罐32的实际温度控制值THi′，然后以多个温度控制目标值Twi为横坐标、多个对应的实际温度控制值THi′为纵坐标进行曲线拟合，得到第i个温控组件1的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线，记为f(Ti)；利用该关系曲线f(Ti)可根据第i个温控组件1的温控区域2的温度控制目标值换算得到第i个温控组件1的恒温储液罐32所需的实际温度控制值；
1-2)按照步骤1-1)的方法获取所有温控组件1的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线。
即本实施例中，通过预先确定的关系曲线，可根据需要的温度控制目标值直接换算得到对应的恒温储液罐32的实际温度控制值，从而能够节约大量的时间，并减小重复工作。其中，温度控制目标值之所以与恒温储液罐32的实际温度控制值不相等，主要是由于恒温储液罐32提供的温控液体在输送到温控组件1的温控腔153的过程中会损失部分热量，热量损失的大小主要与温控液体自身的参数(如比热等)以及温控组件1的参数相关，所以每个温控组件1的热量损失情况不一定相同，故本申请中，对每个温控组件1均获取了对应的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线，从而可提高温控精度。
通过本步骤获的所有温控组件1的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线。
2)确定温控目标6的各个温度变化阶段所需的时间参数：
2-1)控制每个温控组件1的恒温储液罐32向对应的温控腔153中输送温控液体，使得每个温控腔153中的温度保持在对应的温度控制目标值，具体包括：
向第1个温控组件1的温控腔153中输送温度为TH1′的温控液体，使第1个温控组件1的温控区域2的温度达到Tw1并保持稳定；
向第2个温控组件1的温控腔153中输送温度为TH2′的温控液体，使第2个温控组件1的温控区域2的温度达到Tw2并保持稳定；
...；
向第n个温控组件1的温控腔153中输送温度为THn′的温控液体，使第n个温控组件1的温控区域2的温度达到Twn并保持稳定；
其中，温控区域2的温度通过第三温度传感19器获得，温控目标6的温度通过第四温度传感器403获得；
2-2)使温控目标6由环境温度进入第1个温控组件1的温控区域2，记录温控目标6的温度由环境温度变化至Tw1所需要的时间t01；
2-3)使温控目标6由第1个温控组件1的温控腔153进入第2个温控组件1的温控区域2，记录温控目标6的温度由Tw1变化至Tw2所需要的时间t12；
2-4)按照与步骤2-3)相同的方法测量温控目标6的温度由Twn-1变化至Twn所需要的时间tn-1n；
2-5)最后使温控目标6由第n个温控组件1的温控区域2进入第1个温控组件1的温控区域2，记录温控目标6的温度由Twn变化至Tw1所需要的时间tn1；
在一定温度范围内，以一定的温度梯度(例如以0.1℃、0.2℃、0.5℃或1℃为梯度)，对Tw1、Tw2...Twn分别取若干个温度值；然后按照步骤2-1)的方法获取每一步骤中温度变化阶段所需要的时间参数结果，制成温度变化阶段与对应所需的时间的参数表，该表中包括：
温控目标6由环境温度变化至若干个不同的温度值Tw1分别需要的时间，
温控目标6由若干个不同的温度值Twi-1分别变化至若干个不同的温度值Twi温度值所需的时间，i＝1,2...n,；
温控目标6由若干个不同的温度值Twn-1分别变化至若干个不同的温度值Twn温度值所需的时间，
以及温控目标6由若干个不同的Twn温度值分别变化至若干个不同的Tw1温度值所需的时间。
即(1)对于第1个温控组件1，需要使温控目标6由环境温度变化为Tw1，在一定的范围内，对Tw1以一定的梯度取若干个值，然后测量温控目标6在第1个温控组件1中完成温度变化需要的时间，形成数据组；
(2)对于第i个温控组件1,需要使温控目标6由Twi-1变化为Twi，同样对Twi-1和Twi分别取若干个值，然后对温控目标6在第i个温控组件1中，每一组Twi-1变化至Twi所需的时间进行测量与记录；完成第n个温控组件1的测量；
(3)从第二轮温控程序开始，第1个温控组件1需要使温控目标6由Twn变化为Tw1，故对Twn取若干个值，然后测量温控目标6在第1个温控组件1中完成温度变化需要的时间。从而通过将(1)-(3)获得的数据整理形成参数表，根据该参数表即可得到通常情况下，各个阶段温度变化需要的时间，在预先统计的基础上，后续工作时，通过查表即可获得时间参数，能够节约大量的时间。
3)对温控目标6进行温度控制：
假设当前温控目标6的温度控制程序为：第i个温控组件1的温控区域2需要使当前温控目标6在温度控制目标值为TwSi下保持时间ti′，i＝1,2...n,n为温控组件1的总数；
3-1)通过步骤1)中获取的所有温控组件1的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线，换算得到每个温度控制目标值TwSi对应的恒温储液罐32的实际温度控制值THSi′；
3-2)根据步骤3-1)的结果，先控制每个温控组件1的恒温储液罐32向对应的温控腔153中输送所需温度的温控液体，使得每个温控腔153中的温度保持在对应的温度控制目标值；即第i个温控组件1的恒温储液罐32提供温度为THSi′的温控液体，使得第i个温控组件1温控腔153中的温度保持为TwSi；
步骤3-1)、3-2)与实施例3中的步骤2-1)、2-2)相同。
3-3)确定温控目标6的各个温度变化阶段所需的时间参数：
通过查找本实施例的步骤2)获得的参数表，获得：
温控目标6的温度由环境温度变化至TwS1所需要的时间tS01，
温控目标6的温度由TwS1变化至TwS2所需要的时间tS12，
...，
温控目标6的温度由TwSn-1变化至TwSn所需要的时间tSn-1n，
以及温控目标6的温度由TwSn变化至TwS1所需要的时间tSn1；
3-4)使温控目标6进入不同的温控区域2中实现温度控制：
3-4-1)通过驱动机构41控制使接收机构40上的温控目标6由环境中进入第1个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：t1′+tS01；
3-4-2)使温控目标6由第1个温控组件1的温控区域2进入第2个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：t2′+tS12；
...；
使温控目标6由第n-1个温控组件1的温控区域2进入第n个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：tn′+tSn-1n；
使温控目标6由第n个温控组件1的温控区域2进入第1个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：t1′+tSn1；
3-4-3)、循环步骤3-4-2)至3-4-3)若干次，直至完成对温控目标6的温控程序。需要理解的是，在最后一个循环中，可省略步骤“使温控目标6由第n个温控组件1的温控区域2进入第1个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：t1′+tSn1；”。
在本实施例中，对温控目标6进行温度控制时，先根据预先制定的关系曲线换算得到恒温储液罐32的实际温度控制值，节约了大量时间；通过参数表即可得到通常情况下，各个阶段温度变化需要的时间，在预先统计的基础上，后续工作时，通过查表即可获得时间参数，也能够节约大量的时间。
进一步优选的实施例中，步骤3-3)中，若在本实施例的步骤2)中获得的参数表中缺少当前温控目标6的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，则按照步骤2)的方法获取当前温控目标6缺少的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，然后将得到的该温度变化阶段所需的时间参数补入步骤2)获得的参数表中，并更新该参数表。通过不断地更新参数表，使得参数表中的覆盖范围越来越大，从而能更好的满足PCR扩增常用的多种温度控制要求下的使用。
实施例4
为便于理解，在实施例3的基础上，以具体的参数为例进行说明。
本实施例中，以较为常见的PCR扩增为例进行说明，其中：温控组件1为3个，PCR扩增程序的三个温度为依次为T1(90-96℃，时间t1)、T2(60-65℃，时间t2)、T3(70-75℃，时间t3)。
在本实施例中，的用于PCR的快速温控装置对温控目标6进行温度控制的方法，具体包括以下步骤：
1)预先确定恒温储液罐32的温控液体的实际温度控制值：
按照实施例3中的步骤1的方法获取第1-3个温控组件1各自的恒温储液罐32的实际温度控制值与温控区域2的温度控制目标值之间的关系曲线，依次记为关系曲线1、关系曲线2、关系曲线3，关系曲线1中的温度控制目标值需覆盖90-96℃的区间，关系曲线2中的温度控制目标值需覆盖60-65℃的区间，关系曲线3中的温度控制目标值需覆盖70-75℃的区间；
然后根据3条关系曲线得到与T1、T2、T3对应的恒温储液罐32P1、P2、P3中的温控液体的实际要达到的温度控制值为：TH1′、TH2′、TH3′；
2)确定温控目标6的各个温度变化阶段所需的时间参数：
安装实施例4中的步骤2)的方法进行，本实施例中不再赘述。
其中，在形成参数表的过程中：
对于第1个温控组件1，需要使温控目标6由环境温度变化为T1，在90-96℃的范围内，对T1以0.5℃的梯度取若干个值(90、90.5、91、...95.5、96℃)，然后测量温控目标6在第1个温控组件1中完成温度变化需要的时间(由环境温度变为上述这些温度值)，形成数据组；
对于第2个温控组件1，需要使温控目标6由T1变化为T2，在90-96℃的范围内，对T1以0.5℃的梯度取若干个值(90、90.5、91、...95.5、96℃)，并在60-65℃的范围内，对T2也以0.5℃的梯度取若干个值(60、60.5、61、...64.5、65℃)，将所有的T1与所有的T2分别对应，测量完成温度变化需要的时间，形成数据组；
对于第3个温控组件1，需要使温控目标6由T2变化为T3，在60-65℃的范围内，对T2也以0.5℃的梯度取若干个值(60、60.5、61、...64.5、65℃)，在70-75℃的范围内，对T3以0.5℃的梯度取若干个值(70、70.5、71、...74.5、75℃)，将所有的T2与所有的T3分别对应，测量完成温度变化需要的时间，形成数据组；
从第二轮温控程序开始，第1个温控组件1需要使温控目标6由T3变化为T1，将T3(70、70.5、71、...74.5、75℃)与T1(90、90.5、91、...95.5、96℃)中的每个数据温度变化过程进行测量，形成数据组。通过以上步骤得到参数表。
3)确定温控控制参数：
假设当前温控目标6的温度控制程序为：T1＝94℃，25s；T1＝55℃，30s；T3＝72℃，25s；循环40次；
3-1)由关系曲线1、关系曲线2、关系曲线3换算得到对应的TH1′＝97.5℃，TH2′＝58℃，TH3′＝75℃
3-2)通过查步骤2)得到的参数表，获得温控目标6在第1个温控组件1中由环境温度(设为25℃)变化为94℃需要的时间为2s，温控目标6在第2个温控组件1中由94℃变化为55℃需要的时间为1.2s，温控目标6在第3个温控组件1中由55℃变化为72℃需要的时间为0.6s，温控目标6在第1个温控组件1中由72℃变化为94℃需要的时间为0.8s；
3-3)使恒温储液罐32P1向第1个温控组件1提供97.5℃的温控液体，恒温储液罐32P2向第2个温控组件1提供58℃的温控液体，恒温储液罐32P3向第3个温控组件1提供75℃的温控液体，从而使得第1-3个温控组件1的温控区域2的温度分别温度维持在94℃、55℃、72℃；
3-4)使温控目标6进入不同的温控区域2中实现温度控制：
3-4-1)通过驱动机构41控制使接收机构40上的温控目标6由环境中进入第1个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：25s+2s＝27s；
3-4-2)使温控目标6由第1个温控组件1的温控区域2进入第2个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：30s+1.2s＝31.2s；
3-4-3)使温控目标6由第2个温控组件1的温控区域2进入第3个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：25s+0.6s＝25.6s；
3-4-4)使温控目标6由第3个温控组件1的温控区域2进入第1个温控组件1的温控区域2中，停留时间为：30s+0.8s＝30.8s；
再循环步骤3-4-2)至3-4-4)39次，且在最后一次循环中省略步骤3-4-4)。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种用于PCR的快速温控装置，其特征在于，包括：
沿圆周布置的至少3个提供不同温度控制目标值的温控组件，每个所述温控组件均具有温控区域；
与所述温控组件一一对应的至少3个热源组件，所述热源组件向所述温控组件提供恒定温度的温控液体，以使得所述温控组件的温控区域内的温度保持在所需要的温度控制目标值；
以及温控目标组件，其包括可容纳至少两个温控目标的接收机构以及用于驱动所述接收机构旋转的驱动机构，所述接收机构旋转时，所述接收机构及其上的温控目标能够依次进入和离开每一个温控组件的温控区域，以使得温控目标可在不同温度值的温控区域之间进行切换；
所述温控区域为所述温控目标提供PCR反应所需的温度环境，且沿所述温控目标的旋转方向，所有所述温控区域提供的若干个温度数值以及次序与所述温控目标在PCR循环中单次反应所需的温度条件要求相契合。
2.根据权利要求1所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，还包括安装平台，至少3个温控组件沿圆周设置在所述安装平台上；
所述温控组件包括设置在所述安装平台上的安装架、可上下移动设置在所述安装架上的上温控块、设置在所述上温控块上的联动机构、设置在所述安装平台上且处于所述上温控块正下方的下温控块；
在所述驱动机构的作用下，所述接收机构旋转并与所述联动机构接触，以致所述上温控块向上移动，从而使得所述接收机构及其上的温控目标能够进入由所述上温控块和下温控块之间的空间形成的所述温控区域内。
3.根据权利要求2所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述安装架包括与所述安装平台连接的竖板以及与所述竖板连接的横板，所述上温控块设置在所述横板上；
所述横板的底面开设有阶梯孔，所述阶梯孔包括由下至少依次连通的小孔段和大孔段，所述上温控块的上表面连接有若干安装滑杆，所述安装滑杆的顶部连接有限位盘；
所述安装滑杆可滑动插设在所述小孔段内，所述限位盘可滑动设置在所述大孔段内，且所述限位盘的外径大于所述小孔段的内径，所述大孔段的上部内壁和限位盘之间连接有压簧。
4.根据权利要求3所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述联动机构包括连接在所述上温控块的第一侧面的外端的导向轨道、第一端与所述上温控块的第一侧面的内端可转动连接且第二端可滑动设置在所述导向轨道上的联动块以及连接在所述导向轨道和联动块的第二端之间的拉簧；
所述接收机构旋转时，所述上温控块的第一侧面迎向所述接收机构；
所述联动块的第一端连接有滑动端，所述滑动端上沿垂直方向贯穿连接有限位轴；
所述导向轨道的中部开设有供所述滑动端插入并沿弧形轨迹进行滑动的滑槽，所述导向轨道的上下表面均开设有贯穿至所述滑槽的导向槽，所述限位轴的上下两端分别可滑动设置在上下两个导向槽内；
所述滑动端的外端面呈弧形状，所述滑槽的内壁为弧形面，使得所述联动块绕所述上温控块的第一侧面的内端转动时，所述滑动端可在所述滑槽沿弧形轨迹自由滑动；
所述导向轨道的上下表面上处于远离所述上温控块的第一侧面的一端均连接有一弹簧安装柱，所述拉簧的一端连接在所述弹簧安装柱上另一端连接在所述限位轴上。
5.根据权利要求4所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述联动块的底面设置有倾斜驱动面，沿所述接收机构旋转的方向，所述倾斜驱动面的高度逐渐降低；
所述接收机构包括用于容纳温控目标的安装座以及可转动连接在所述安装座侧部的至少一个滚轮；
所述接收机构旋转时，所述接收机构上的滚轮先与所述倾斜驱动面接触，使得随着所述接收机构的转动，所述联动块逐渐抬高并带动所述上温控块向上移动，以使所述安装座进入所述上温控块和下温控块之间形成的温控区域内；
所述安装座上至少设置有两个沿垂直方向贯穿所述安装座的用于安装温控目标的安装槽，以使得所述安装座进入所述温控区域内后，温控目标的上下表面均会暴露在所述温控区域中；
所述驱动机构包括可转动设置在所述安装平台上的转盘以及用于驱动所述转盘旋转的电机，所述安装座连接在所述转盘上。
6.根据权利要求2所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述热源组件包括预加热储液罐、设置在所述预加热储液罐内的第一加热装置、与所述预加热储液罐入口端连通的进液管、与所述预加热储液罐的出口端通过输送管道连通的恒温储液罐、设置在所述恒温储液罐内的第二加热装置、与所述恒温储液罐的出口端连通的出液管、设置在所述进液管上的进液阀、设置在所述出液管上的出液阀、设置在所述输送管道上的输送控制阀以及设置在所述出液管上的输送泵；
所述预加热储液罐内设置有第一温度传感器，所述恒温储液罐内设置有第二温度传感器；
所述预加热储液罐中的温控液体经所述第一加热装置预加热后进入所述恒温储液罐，在所述第二加热装置的加热作用下保持在设定的恒定温度，然后经所述出液管提供至所述温控组件，以使所述温控组件的温控区域内的温度维持在所需要的温度控制目标值，所述温控组件排出的温控液体再返回至所述预加热储液罐中。
7.根据权利要求6所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述上温控块和下温控块的内部均具有温控腔，所述上温控块和下温控块的外端面的两侧均分别设置有主进液管接头和出液管接头，所述上温控块的上表面和下温控块的下表面均设置有辅助进液管接头；所述主进液管接头、辅助进液管接头和出液管接头均与所述温控腔连通，所述出液管提供的温控液体经所述主进液管接头、辅助进液管接头进入所述温控腔，然后由所述出液管接头排出；
所述上温控块和下温控块均包括内部中空的温控块本体，所述温控块本包括隔热外壳、设置在所述隔热外壳内的内胆以及与所述内胆密封连接的柔性导热面，所述内胆和柔性导热面围绕而成的空间形成所述温控腔；
当温控目标处于所述温控区域内时，所述上温控块的柔性导热面能包裹所述温控目标的上表面，所述下温控块的柔性导热面能包裹所述温控目标的下表面。
8.根据权利要求7所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述主进液管接头和出液管接头均设置在所述温控块本体的外端面上；
所述温控腔内还设置有与所述内胆连接的水平设置且具有若干导液孔的多孔隔板以及设置在所述多孔隔板和内胆之间的导流组件，所述导流组件包括沿所述温控块本体的外端面朝内端面的方向间隔布置的若干导流片，所述导流片垂直设置且两端分别与所述多孔隔板和内胆连接；从所述温控块本体的外端面朝内端面的方向，所述导流片的长度逐渐减小，且相邻导流片之间的间隔逐渐增大；
相邻导流片之间的间隔形成供温控液体流过的导流通道，所述导流通道中还间隔设置有若干扰流柱，所述扰流柱的横截面为圆形或椭圆形，所述扰流柱垂直设置且两端分别于所述多孔隔板和内胆连接；
所述主进液管接头的内端连通至最靠近所述温控块本体的外端面的导流通道的侧部，所述出液管接头的内端连通至所述多孔隔板和柔性导热面之间的空间中；所述内胆内部还设置有与所述辅助进液管接头连通的分配管，所述分配管上连通有接入到若干所述导流通道内的若干分配支管；
所述多孔隔板和柔性导热面之间的空间中设置有至少一个第三温度传感器，所述接收机构上设置有至少一个第四温度传感器。
9.根据权利要求8所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，该装置对温控目标进行温度控制的方法包括以下步骤：
一、预先确定控制参数：
假定第i个温控组件的温控区域需要使温控目标在温度控制目标值为Twi下保持时间ti，i＝1,2...n，n为温控组件的总数；
1)确定与第i个温控组件对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的实际要达到的温度控制值：
1-1)设定第i个温控组件对应的恒温储液罐Pi中的温控液体的温度控制值为THi，向处于环境温度下的第i个温控组件的温控腔输送THi温度的温控液体，通过第三温度传感器测量第i个温控组件的温控腔中温度稳定后的实际温度Twi′，调整THi，直至Twi′＝Twi，记下此时恒温储液罐Pi中的温控液体的温度THi′，将THi′作为第i个温控组件对应的恒温储液罐的实际温度控制值；
按照以上方法对第i个温控组件获取若干个温度控制目标值Twi下分别对应的恒温储液罐的实际温度控制值THi′，然后以多个温度控制目标值Twi为横坐标、多个对应的实际温度控制值THi′为纵坐标进行曲线拟合，得到第i个温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线，记为f(Ti)；利用该关系曲线f(Ti)可根据第i个温控组件的温控区域的温度控制目标值换算得到第i个温控组件的恒温储液罐所需的实际温度控制值；
1-2)按照步骤1-1)的方法获取所有温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线；
2)确定温控目标的各个温度变化阶段所需的时间参数：
2-1)控制每个温控组件的恒温储液罐向对应的温控腔中输送温控液体，使得每个温控腔中的温度保持在对应的温度控制目标值，具体包括：
向第1个温控组件的温控腔中输送温度为TH1′的温控液体，使第1个温控组件的温控区域的温度达到Tw1并保持稳定；
向第2个温控组件的温控腔中输送温度为TH2′的温控液体，使第2个温控组件的温控区域的温度达到Tw2并保持稳定；
...；
向第n个温控组件的温控腔中输送温度为THn′的温控液体，使第n个温控组件的温控区域的温度达到Twn并保持稳定；
2-2)使温控目标由环境温度进入第1个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由环境温度变化至Tw1所需要的时间t01；
2-3)使温控目标由第1个温控组件的温控腔进入第2个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由Tw1变化至Tw2所需要的时间t12；
2-4)按照与步骤2-3)相同的方法测量温控目标的温度由Twn-1变化至Twn所需要的时间tn-1n；
2-5)最后使温控目标由第n个温控组件的温控区域进入第1个温控组件的温控区域，记录温控目标的温度由Twn变化至Tw1所需要的时间tn1；
在一定温度范围内，以一定的温度梯度，对Tw1、Tw2...Twn分别取若干个温度值；然后按照步骤2-1)的方法获取每一步骤中温度变化阶段所需要的时间参数结果，制成温度变化阶段与对应所需的时间的参数表，该表中包括：
温控目标由环境温度变化至若干个不同的温度值Tw1分别需要的时间，
温控目标由若干个不同的温度值Twi-1分别变化至若干个不同的温度值Twi温度值所需的时间，i＝1,2...n,
温控目标由若干个不同的温度值Twn-1分别变化至若干个不同的温度值Twn温度值所需的时间，
以及温控目标由若干个不同的Twn温度值分别变化至若干个不同的Tw1温度值所需的时间；
二、对温控目标进行温度控制：
记当前温控目标的温度控制程序为：第i个温控组件的温控区域需要使当前温控目标在温度控制目标值为TwSi下保持时间ti′，i＝1,2...n,n为温控组件的总数；
Ⅰ、通过步骤1)中获取的所有温控组件的恒温储液罐的实际温度控制值与温控区域的温度控制目标值之间的关系曲线，换算得到每个温度控制目标值TwSi对应的恒温储液罐的实际温度控制值THSi′；
Ⅱ、根据步骤Ⅰ的结果，先控制每个温控组件的恒温储液罐向对应的温控腔中输送所需温度的温控液体，使得每个温控腔中的温度保持在对应的温度控制目标值；即第i个温控组件的恒温储液罐提供温度为THSi′的温控液体，使得第i个温控组件温控腔中的温度保持为TwSi；
Ⅲ、通过查找步骤2)获得的参数表，获得：
温控目标的温度由环境温度变化至TwS1所需要的时间tS01，
温控目标的温度由TwS1变化至TwS2所需要的时间tS12，
...，
温控目标的温度由TwSn-1变化至TwSn所需要的时间tSn-1n，
以及温控目标的温度由TwSn变化至TwS1所需要的时间tSn1；
Ⅳ-1、通过驱动机构控制使接收机构上的温控目标由环境中进入第1个温控组件的温控区域中，停留时间为：t1′+tS01；
Ⅳ-2、使温控目标由第1个温控组件的温控区域进入第2个温控组件的温控区域中，停留时间为：t2′+tS12；
...；
使温控目标由第n-1个温控组件的温控区域进入第n个温控组件的温控区域中，停留时间为：tn′+tSn-1n；
Ⅳ-3、使温控目标由第n个温控组件的温控区域进入第1个温控组件的温控区域中，停留时间为：t1′+tSn1；
Ⅳ-4、循环步骤Ⅳ-2至Ⅳ-3若干次，直至完成对温控目标的温控程序，且在最后一个循环中，省去步骤Ⅳ-3。
10.根据权利要求9所述的用于PCR的快速温控装置，其特征在于，所述步骤Ⅲ中，若在步骤2)获得的参数表中缺少当前温控目标的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，则按照步骤2)的方法获取当前温控目标缺少的全部或部分的温度变化阶段所需的时间参数，然后将得到的该温度变化阶段所需的时间参数补入步骤2)获得的参数表中，并更新该参数表。
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