CN114235196A - 一种lamp扩增中的温度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控芯片用温度检测装置技术领域，具体涉及一种LAMP扩增中的温度检测装置及方法，本LAMP扩增中的温度检测装置包括：依次设置测温机构、导热垫、加热层和隔热层；其中测温机构进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据，即加热层根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量；以及隔热层阻碍加热层向下传递热量，以使加热层内各加热源的产生热量全部通过导热垫传递到对应的加热区域；本发明通过测温机构反馈工作腔温度数据，作为微流控芯片的恒温基础，能够实现精准检测LAMP扩增过程中的温度，保证LAMP扩增的稳定且高效。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片用温度检测装置技术领域，具体涉及一种LAMP扩增中的温度检测装置及方法。
背景技术
LAMP扩增技术中，需要对样本、引物、酶等物质提供恒温环境进行扩增。
同时在扩增过程中需要对恒温环境的温度进行检测，传统采用温度计进行测量，由于热量传递各个区域分布并不会很均匀，采用温度计测量一方面检测的温度数据不够精准，另一方面温度计需要插入测温腔中进行测量在外部进行读数，而样本、引物、酶等物质需要在密闭环境下进行扩增。
本发明采用线性电阻是利用直接对热敏感的电或磁性元件为基础的温度测量，从而能够在测温腔内直接进行温度测量。因此，亟需开发一种新的LAMP扩增中的温度检测装置及方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种LAMP扩增中的温度检测装置及方法，以解决如何直接采集测温腔内工作腔温度数据作为恒温基础的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LAMP扩增中的温度检测装置，其包括：从上至下依次设置测温机构、导热垫、加热层和隔热层；其中所述测温机构与加热层电性相连；所述加热层上设置至少两个加热源，且在所述导热垫的表面形成与各加热源对应的加热区域；微流控芯片内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫上，每个工作腔平行设置有对应的测温腔，以使所述测温机构进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据，即所述加热层根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量；以及所述隔热层阻碍加热层向下传递热量，以使所述加热层内各加热源的产生热量全部通过导热垫传递到对应的加热区域。
在其中一个实施例中，所述加热层包括：微处理器、与微处理器电性相连的PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片；所述微处理器通过PWM驱动电路驱动第一加热片、第二加热片进行加热，以使所述第一加热片、第二加热片分别形成70℃加热源、95℃加热源，即在所述导热垫的表面对应位置处形成70℃加热区域、95℃加热区域，以对放置在导热垫上微流控芯片内相应工作腔进行加热。
在其中一个实施例中，所述第一加热片、第二加热片均采用陶瓷加热片。
在其中一个实施例中，所述测温机构包括：与微处理器电性相连的第一温度传感器、第二温度传感器；所述第一温度传感器的第一探头、第二温度传感器的第二探头分别伸入相应测温腔内，以采集对应的工作腔温度数据。
在其中一个实施例中，加热源的产生热量=热损耗+环境温度损耗+热阻。
在其中一个实施例中，环境温度损耗Q=cm△T；其中c为比热容，m为空气质量，△T为空气温升。
在其中一个实施例中，所述导热垫包括：低热阻导热垫片；所述低热阻导热垫片传递各加热源的产生热量。
在其中一个实施例中，所述隔热层包括：气凝胶轻薄隔热膜；所述气凝胶轻薄隔热膜阻碍加热层向下传递热量，以使所述加热层内各加热源的产生热量全部通过导热垫传递到对应的加热区域。
另一方面，本发明提供一种LAMP扩增中的温度检测方法，其包括：将测温机构、导热垫、加热层和隔热层从上至下依次放置；在加热层上设置至少两个加热源，并在导热垫的表面形成与各加热源对应的加热区域；将微流控芯片内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫上，每个工作腔平行设置对应的测温腔，并使测温机构进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据；通过加热层根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量，并由隔热层阻碍加热层向下传递热量。
在其中一个实施例中，适于采用如上述的LAMP扩增中的温度检测装置对微流控芯片加热。
本发明的有益效果是，本发明通过测温机构反馈工作腔温度数据，作为微流控芯片的恒温基础，能够实现精准检测LAMP扩增过程中的温度，保证LAMP扩增的稳定且高效。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明的LAMP扩增中的温度检测装置的结构图；
图2是本发明的导热垫的结构图；
图3是本发明的加热层的结构图；
图4是本发明的微流控芯片的结构图；
图5是本发明的测温腔的结构图；
图6是本发明的LAMP扩增中的温度检测装置的原理框图。
图中：
测温机构1、第一温度传感器11、第一探头111、第一隔热密封连接部112、第二温度传感器12；
导热垫2、低热阻导热垫片21、70℃加热区域22、95℃加热区域23；
加热层3、PCB板31、70℃加热源32、95℃加热源33；
隔热层4、微流控芯片5、第一工作腔51、第二工作腔52、第一测温腔53、第二测温腔54。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
在本实施例中，如图1至图6所示，本实施例提供了一种LAMP扩增中的温度检测装置，其包括：从上至下依次设置测温机构1、导热垫2、加热层3和隔热层4；其中所述测温机构1与加热层3电性相连；所述加热层3上设置至少两个加热源，且在所述导热垫2的表面形成与各加热源对应的加热区域；微流控芯片5内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫2上，每个工作腔平行设置有对应的测温腔，以使所述测温机构1进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据，即所述加热层3根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量；以及所述隔热层4阻碍加热层3向下传递热量，以使所述加热层3内各加热源的产生热量全部通过导热垫2传递到对应的加热区域。
在本实施例中，本发明通过测温机构1反馈工作腔温度数据，作为微流控芯片5的恒温基础，能够实现精准检测LAMP扩增过程中的温度，保证LAMP扩增的稳定且高效，通过测温机构1反馈工作腔温度数据，加热层3经过PID反馈算法实现对各加热区域恒温控制，能够将加热层3中陶瓷加热片应用在微流控芯片5温控中，低热阻的导热垫2和施压法构成的高效导热路径，同时隔热层4采用气凝胶轻薄隔热膜提高了热利用效率。
在本实施例中，所述加热层3包括：微处理器、与微处理器电性相连的PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片；所述微处理器通过PWM驱动电路驱动第一加热片、第二加热片进行加热，以使所述第一加热片、第二加热片分别形成70℃加热源32、95℃加热源33，即在所述导热垫2的表面对应位置处形成70℃加热区域22、95℃加热区域23，以对放置在导热垫2上微流控芯片5内相应工作腔进行加热。
在本实施例中，70℃加热区域22对第一工作腔51进行加热，95℃加热区域23对第二工作腔52进行加热。
在本实施例中，微处理器、PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片均设置在PCB板31上，且PWM驱动电路由PWM驱动芯片为核心及外围电路构成。
在本实施例中，作为第一加热片和第二加热片的一种可选实施方式，所述第一加热片、第二加热片均采用陶瓷加热片。
在本实施例中，所述测温机构1包括：与微处理器电性相连的第一温度传感器11、第二温度传感器12；所述第一温度传感器11的第一探头111、第二温度传感器12的第二探头分别伸入相应测温腔内，以采集对应的工作腔温度数据。
在本实施例中，第一温度传感器11伸入第一测温腔53内，第二温度传感器12伸入第二测温腔54内。
在本实施例中，作为第一温度传感器11、第二温度传感器12的一种可选实施方式，第一温度传感器11、第二温度传感器12采用PT1000铂电阻。
在本实施例中，第一探头111的尾部包裹有第一隔热密封连接部112，以进行隔热、密封，保证采集工作不受影响。
在本实施例中，第二探头的尾部包裹有第二隔热密封连接部，以进行隔热、密封，保证采集工作不受影响。
在本实施例中，加热源的产生热量=热损耗+环境温度损耗+热阻。
温控原理
加热源的产生热量=热空间辐射+隔热层4支撑架（PMMA）散热+导热介质（相应加热片+导热垫2+0.1mmPMMA）+微流控芯片5散热；热空间辐射：主要受环境温度与气流影响，因为加热是在设备内部，气流影响忽略，所以可变量为环境温度；隔热层4支撑架（PMMA）散热：主要受材质、环境温度与气流影响，因为材质固定，加热是在设备内部，所以可变量为环境温度，在相应加热片与PMMA支撑中间放入隔热层4，使热量损失最小化；导热介质：微流控芯片5加热区间厚度0.1mmPMMA材料（常量），导热垫2材料（常量），微流控芯片5与相应加热片的连接紧密性（变量）；微流控芯片5散热：环境温度（变量），气流（常量），材料（常量），被加热液体（常量）；由上述变量分析，温控等效关系是可以简化为
加热源的产生热量=热损耗（常量）+环境温度损耗（变量）+微流控芯片5与相应加热片之间热阻（变量）。
使用1.0mm导热垫2；通过导热垫2，热阻与压力的关系可与看出当压力大于120kpa时，热阻基本保持很小的变化，热阻可以约为常量；由上述变量分析，温控等效关系进一步可以简化为加热源的产生热量=热损耗（常量）+环境温度损耗（变量）+热阻（常量）；温度测量采用对称结构方法，在工作腔体平行位置放置一个测温腔体，这样通过测量测温腔体的温度可以更加逼近工作腔体的温度，再通过校准修正可以达到准确测量。
在本实施例中，环境温度损耗Q=cm△T；其中c为比热容，m为空气质量，△T为空气温升。
在本实施例中，所述导热垫2包括：低热阻导热垫片21；所述低热阻导热垫片21传递各加热源的产生热量，能够形成高效导热路径。
在本实施例中，所述隔热层4包括：气凝胶轻薄隔热膜；所述气凝胶轻薄隔热膜阻碍加热层3向下传递热量，以使所述加热层3内各加热源的产生热量全部通过导热垫2传递到对应的加热区域，能够提高热利用效率。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一种LAMP扩增中的温度检测方法，其包括：将测温机构1、导热垫2、加热层3和隔热层4从上至下依次放置；在加热层3上设置至少两个加热源，并在导热垫2的表面形成与各加热源对应的加热区域；将微流控芯片5内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫2上，每个工作腔平行设置对应的测温腔，并使测温机构1进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据；通过加热层3根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量，并由隔热层4阻碍加热层3向下传递热量。
在本实施例中，适于采用如实施例1所提供的LAMP扩增中的温度检测装置对微流控芯片5加热。
在本实施例中，LAMP扩增中的温度检测装置包括：从上至下依次设置测温机构1、导热垫2、加热层3和隔热层4；其中所述测温机构1与加热层3电性相连；所述加热层3上设置至少两个加热源，且在所述导热垫2的表面形成与各加热源对应的加热区域；微流控芯片5内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫2上，每个工作腔平行设置有对应的测温腔，以使所述测温机构1进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据，即所述加热层3根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量；以及所述隔热层4阻碍加热层3向下传递热量，以使所述加热层3内各加热源的产生热量全部通过导热垫2传递到对应的加热区域。
在本实施例中，本实施例通过测温机构1反馈工作腔温度数据，加热层3经过PID反馈算法实现对各加热区域恒温控制，能够将加热层3中陶瓷加热片应用在微流控芯片5温控中，低热阻的导热垫2和施压法构成的高效导热路径，同时隔热层4采用气凝胶轻薄隔热膜提高了热利用效率。
在本实施例中，所述加热层3包括：微处理器、与微处理器电性相连的PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片；所述微处理器通过PWM驱动电路驱动第一加热片、第二加热片进行加热，以使所述第一加热片、第二加热片分别形成70℃加热源32、95℃加热源33，即在所述导热垫2的表面对应位置处形成70℃加热区域22、95℃加热区域23，以对放置在导热垫2上微流控芯片5内相应工作腔进行加热。
在本实施例中，70℃加热区域22对第一工作腔51进行加热，95℃加热区域23对第二工作腔52进行加热。
在本实施例中，微处理器、PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片均设置在PCB板31上，且PWM驱动电路由PWM驱动芯片为核心及外围电路构成。
在本实施例中，作为第一加热片和第二加热片的一种可选实施方式，所述第一加热片、第二加热片均采用陶瓷加热片。
在本实施例中，所述测温机构1包括：与微处理器电性相连的第一温度传感器11、第二温度传感器12；所述第一温度传感器11的第一探头111、第二温度传感器12的第二探头分别伸入相应测温腔内，以采集对应的工作腔温度数据。
在本实施例中，第一温度传感器11伸入第一测温腔53内，第二温度传感器12伸入第二测温腔54内。
在本实施例中，作为第一温度传感器11、第二温度传感器12的一种可选实施方式，第一温度传感器11、第二温度传感器12采用PT1000铂电阻。
在本实施例中，第一探头111的尾部包裹有第一隔热密封连接部112，以进行隔热、密封，保证采集工作不受影响。
在本实施例中，第二探头的尾部包裹有第二隔热密封连接部，以进行隔热、密封，保证采集工作不受影响。
在本实施例中，加热源的产生热量=热损耗+环境温度损耗+热阻。
在本实施例中，环境温度损耗Q=cm△T；其中c为比热容，m为空气质量，△T为空气温升。
在本实施例中，所述导热垫2包括：低热阻导热垫片21；所述低热阻导热垫片21传递各加热源的产生热量，能够形成高效导热路径。
在本实施例中，所述隔热层4包括：气凝胶轻薄隔热膜；所述气凝胶轻薄隔热膜阻碍加热层3向下传递热量，以使所述加热层3内各加热源的产生热量全部通过导热垫2传递到对应的加热区域，能够提高热利用效率。
表一 在95℃加热区域对第二工作腔进行加热结果
表二 在70℃加热区域对第二工作腔进行加热结果
综上所述，本发明通过测温机构反馈工作腔温度数据，加热层经过PID反馈算法实现对各加热区域恒温控制，能够将加热层中陶瓷加热片应用在微流控芯片温控中，低热阻的导热垫和施压法构成的高效导热路径，同时隔热层采用气凝胶轻薄隔热膜提高了热利用效率。
本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，包括：
从上至下依次设置测温机构、导热垫、加热层和隔热层；其中
所述测温机构与加热层电性相连；
所述加热层上设置至少两个加热源，且在所述导热垫的表面形成与各加热源对应的加热区域；
微流控芯片内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫上，每个工作腔平行设置有对应的测温腔，以使所述测温机构进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据，即
所述加热层根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量；以及
所述隔热层阻碍加热层向下传递热量，以使所述加热层内各加热源的产生热量全部通过导热垫传递到对应的加热区域。
2.如权利要求1所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
所述加热层包括：微处理器、与微处理器电性相连的PWM驱动电路、第一加热片和第二加热片；
所述微处理器通过PWM驱动电路驱动第一加热片、第二加热片进行加热，以使所述第一加热片、第二加热片分别形成70℃加热源、95℃加热源，即
在所述导热垫的表面对应位置处形成70℃加热区域、95℃加热区域，以对放置在导热垫上微流控芯片内相应工作腔进行加热。
3.如权利要求2所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
所述第一加热片、第二加热片均采用陶瓷加热片。
4.如权利要求2所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
所述测温机构包括：与微处理器电性相连的第一温度传感器、第二温度传感器；
所述第一温度传感器的第一探头、第二温度传感器的第二探头分别伸入相应测温腔内，以采集对应的工作腔温度数据。
5.如权利要求4所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
加热源的产生热量=热损耗+环境温度损耗+热阻。
6.如权利要求5所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
环境温度损耗Q=cm△T；其中
c为比热容，m为空气质量，△T为空气温升。
7.如权利要求1所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
所述导热垫包括：低热阻导热垫片；
所述低热阻导热垫片传递各加热源的产生热量。
8.如权利要求1所述的LAMP扩增中的温度检测装置，其特征在于，
所述隔热层包括：气凝胶轻薄隔热膜；
所述气凝胶轻薄隔热膜阻碍加热层向下传递热量，以使所述加热层内各加热源的产生热量全部通过导热垫传递到对应的加热区域。
9.一种LAMP扩增中的温度检测方法，其特征在于，包括：
将测温机构、导热垫、加热层和隔热层从上至下依次放置；
在加热层上设置至少两个加热源，并在导热垫的表面形成与各加热源对应的加热区域；
将微流控芯片内各工作腔对准相应加热区域放置在导热垫上，每个工作腔平行设置对应的测温腔，并使测温机构进入相应测温腔内采集对应的工作腔温度数据；
通过加热层根据相应工作腔温度数据调节对应加热源的产生热量，并由隔热层阻碍加热层向下传递热量。
10.如权利要求9所述的LAMP扩增中的温度检测方法，其特征在于，
适于采用如权利要求1-8任一项所述的LAMP扩增中的温度检测装置对微流控芯片加热。
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