CN114307903A - 一种双通道qpcr仪的系统电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双通道QPCR仪的系统电路，包括主控板、荧光激发模块、荧光探测模块、温度探测模块、功率驱动模块、与功率驱动模块连接的温控模块，以及为整个系统供电的电源模块；所述主控板上还设有控制处理模块，以及与控制处理模块连接的信号采集转换模块；所述荧光探测模块和温度探测模块均与信号采集转换模块连接，荧光激发模块和功率驱动模块均与控制处理模块连接。本发明将QPCR仪的电路设计高度集成化、精简化，能较大程度地缩短开发周期，降低开发难度，另外，在产品达到高性能水平的同时，能够实现低成本，免维护，更利于QPCR普及使用。

Description

一种双通道QPCR仪的系统电路

技术领域

本发明涉及QPCR技术领域，尤其涉及一种双通道QPCR仪的系统电路。

背景技术

PCR即生物学的聚合酶链反应，是利用DNA在体外约95℃高温时变性解旋为单链，低温约60℃（通常是约60℃）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，DNA聚合酶沿着特定方向合成互补链，形成DNA复制，也即扩增。所谓PCR仪就是根据上述的DNA特性而制定，当前市面上较早就出现了荧光定量PCR仪，经温控系统多次重复解旋、合成所需的高低温过程，不断复制扩增DNA，只是在扩增加入引物的同时会加入特异性的荧光探针，该探针一旦被合成为DNA，就会形成荧光分子，设计者在仪器上配置光学系统，使得特定波长的激发光照射在扩增液体上，进而使得扩增液体所含的荧光分子激发出不同于激发光的特定波长的荧光，该荧光导入至仪器的光学系统后，针对荧光的光强进一步的转换为模拟电信号，并通过核心运算及人机交互系统控制实时采集、数据处理和光学曲线呈现，即QPCR。而实现产品低成本、高集成度、高性能、设计开发简易，是QPCR产品便于普及的前提，更是QPCR领域技术人员不断的追求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道QPCR仪的系统电路，以将QPCR仪的电路设计高度集成化、精简化，能较大程度地缩短开发周期，降低开发难度，另外，在产品达到高性能水平的同时，能够实现低成本，免维护，更利于QPCR普及使用。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种双通道QPCR仪的系统电路，包括主控板、荧光激发模块、荧光探测模块、温度探测模块、功率驱动模块、与功率驱动模块连接的温控模块，以及为整个系统供电的电源模块；所述主控板上还设有控制处理模块，以及与控制处理模块连接的信号采集转换模块；所述荧光探测模块和温度探测模块均与信号采集转换模块连接，荧光激发模块和功率驱动模块均与控制处理模块连接；所述荧光激发模块用于激发QPCR仪的各个扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生荧光，荧光探测模块用于探测靶标试剂产生的荧光信号并传输至信号采集转换模块；所述温度探测模块用于探测温控模块的温度信号并传输至信号采集转换模块，以便控制处理模块经功率驱动模块调节控制温控模块的温度；所述信号采集转换模块用于对接收到的荧光信号及温度信号进行处理并转换为数字信号，以传输至控制处理模块。

进一步地，所述荧光激发模块包括激发座、布置于激发座顶部的LED驱动板，以及安装于LED驱动板一侧的若干光源组件；所述激发座的底部与若干光源组件对应处还开设有若干通光孔，且每一通光孔内还均安装一第一滤镜组件。

进一步地，所述光源组件包括第一LED灯、第二LED灯，且第一LED灯的中心波长为495nm，第二LED灯的中心波长为535nm。

进一步地，所述荧光探测模块包括前荧光探测单元、后荧光探测单元；所述前荧光探测单元用于探测QPCR仪前排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号，后荧光探测单元用于探测QPCR仪后排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号。

进一步地，所述前荧光探测单元和后荧光探测单元均包括安装支架、布置于安装支架一侧的PD板，以及安装于PD板一侧的若干硅光电二极管；所述安装支架另一侧与若干硅光电二极管对应处还开设有若干探测孔，且每一探测孔内还均安装一第二滤镜组件。

进一步地，所述温控模块包括用于对试剂管中靶标试剂进行高低温循环的半导体制冷片、用于对半导体制冷片的冷面散热器进行风冷散热的散热风扇，以及用于对试剂管露空部位进行加热的热盖。

进一步地，所述温度探测模块包括三个NTC温度传感器，其中一NTC温度传感器用于测量热盖的温度，另外两NTC温度传感器分别用于探测半导体制冷片的冷面散热器、热面扩增金属座的温度。

进一步地，所述功率驱动模块包括与控制处理模块连接的光耦隔离模块；所述半导体制冷片、散热风扇和热盖均与光耦隔离模块连接。

进一步地，所述信号采集转换模块包括依次与控制处理模块连接的模数转换模块、锁相放大器、运算放大器和模拟开关；所述荧光探测模块与模拟开关连接，温度探测模块与模数转换模块连接。

进一步地，所述主控板上还设有分别与控制处理模块连接的网络接口、USB接口和WIFI接口。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

1）电路设计上采用一个基于Cortex-A7内核的ARM即可完成仪器的全流程处理，架构精简，且由于没有底层微控制器的存在，因此，在设计开发上只需对处理器进行程序编写，较大程度的缩短开发周期和减小开发难度，降低了成本；

2）将各扩增孔用于探测荧光的硅光电二极管进行了集成化，因此，系统电路只需两片PD板即可完成双通道各孔的荧光探测，一定程度的简化了生产制造工艺；

3）采用一片集成H桥即可完成半导体制冷片的升降温热循环驱动，提高了电路系统的集成度，省去了分立MOSFET元件搭建H桥的繁琐过程，降低了成本；

4）将各扩增孔用于双通道荧光激发的可见光LED进行了集成化，因此系统电路只需一片LED板即可完成双通道各孔的荧光激发，且各孔的光源亮度可以通过软件程序上进行单独调整，且该LED驱动方案免维护，简化了生产制造工艺；

5）将各孔各通道的荧光探测信号经由模拟开关进行选通，较传统的步进电机带动共聚焦光学模组进行X、Y扫描更为简单，成本更低；

6）采用了锁相放大技术，即从杂乱的信号中抽离捕获出我们所需的荧光信号，较大程度的提升了产品性能。

附图说明

图1为本发明的原理性框图；

图2为本发明的荧光激发模块的结构示意图；

图3为本发明的荧光探测模块的结构示意图；

图4为本发明的模拟开关的电路图；

图5为本发明的运算放大器的电路图；

图6为本发明的锁相放大器的电路图；

图7为本发明的模数转换模块的电路图；

其中，附图标识说明：

1—主控板； 2—荧光激发模块；

3—荧光探测模块； 4—温度探测模块；

5—功率驱动模块； 6—温控模块；

7—电源模块； 11—控制处理模块；

12—信号采集转换模块； 21—激发座；

22—LED驱动板； 23—光源组件；

24—通光孔； 31—安装支架；

32—PD板； 33—硅光电二极管；

34—探测孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1至7所示，本发明提供一种双通道QPCR仪的系统电路，包括主控板1、荧光激发模块2、荧光探测模块3、温度探测模块4、功率驱动模块5、与功率驱动模块5连接的温控模块6，以及为整个系统供电的电源模块7；所述主控板1上还设有控制处理模块11，以及与控制处理模块11连接的信号采集转换模块12；所述荧光探测模块3和温度探测模块4均与信号采集转换模块12连接，荧光激发模块2和功率驱动模块5均与控制处理模块11连接；所述荧光激发模块2用于激发QPCR仪的各个扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生荧光，荧光探测模块3用于探测靶标试剂产生的荧光信号并传输至信号采集转换模块12；所述温度探测模块4用于探测温控模块6的温度信号并传输至信号采集转换模块12，以便控制处理模块11经功率驱动模块5调节控制温控模块6的温度；所述信号采集转换模块12用于对接收到的荧光信号及温度信号进行处理并转换为数字信号，以传输至控制处理模块11。

其中，所述荧光激发模块2包括激发座21、布置于激发座21顶部的LED驱动板22，以及安装于LED驱动板22一侧的若干光源组件23；所述激发座21的底部与若干光源组件23对应处还开设有若干通光孔24，且每一通光孔24内还均安装一第一滤镜组件；所述光源组件23包括第一LED灯、第二LED灯，且第一LED灯的中心波长为495nm，第二LED灯的中心波长为535nm；所述荧光探测模块3包括前荧光探测单元、后荧光探测单元；所述前荧光探测单元用于探测QPCR仪前排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号，后荧光探测单元用于探测QPCR仪后排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号。

所述前荧光探测单元和后荧光探测单元均包括安装支架31、布置于安装支架31一侧的PD板32，以及安装于PD板32一侧的若干硅光电二极管33；所述安装支架31另一侧与若干硅光电二极管33对应处还开设有若干探测孔34，且每一探测孔34内还均安装一第二滤镜组件；所述温控模块6包括用于对试剂管中靶标试剂进行高低温循环的半导体制冷片、用于对半导体制冷片的冷面散热器进行风冷散热的散热风扇，以及用于对试剂管露空部位进行加热的热盖；所述温度探测模块4包括三个NTC温度传感器，其中一NTC温度传感器用于测量热盖的温度，另外两NTC温度传感器分别用于探测半导体制冷片的冷面散热器、热面扩增金属座的温度；所述功率驱动模块5包括与控制处理模块11连接的光耦隔离模块；所述半导体制冷片、散热风扇和热盖均与光耦隔离模块连接；所述信号采集转换模块12包括依次与控制处理模块11连接的模数转换模块、锁相放大器、运算放大器和模拟开关；所述荧光探测模块3与模拟开关连接，温度探测模块4与模数转换模块连接；所述主控板1上还设有分别与控制处理模块11连接的网络接口、USB接口和WIFI接口。

本发明工作原理：

继续参照图1至7所示，该电路主要包括主控板1、荧光激发模块2、荧光探测模块3、温度探测模块4、功率驱动模块5、与功率驱动模块5连接的温控模块6，以及为整个系统供电的电源模块7；同时主控板1上还设有控制处理模块11，以及与控制处理模块11连接的信号采集转换模块12，其中，

主控板1，主要实现：（1）将电源模块7转化并提供的直流电源进一步转化为部分电路底层单元的直接可用电源；（2）功率驱动模块5的相关功率驱动的控制信号给出；（3）网络接口电路功能；（4）USB接口电路功能；（5）WIFI接口网络功能；（6）接收荧光探测模块3探测的荧光信号，并进行通道选择，I/V转换、放大、锁相放大及滤波；（7）模数转换，即将光学、温度等模拟电信号转换为数字信号，并上发至控制处理模块11进行处理。

电源模块7：其中，DC-DC模块用于将AC-DC模块接入市电所提供的交流电源转化为部分电路底层单元的直接可用电源。

功率驱动模块5：通过光耦隔离模块，接收主控板1的I/O指令以驱动半导体制冷片、散热风扇、热盖工作；其中，半导体制冷片，主要实现为扩增孔内试剂管的靶标试剂进行高低温循环，提供DNA复制所需的热来源；散热风扇，主要实现给半导体制冷片的冷面散热器进行风冷散热，并通过一个NTC温度传感器进行温度测量，将半导体制冷片的冷热面温度控制在合理范围，保证半导体制冷片的正常升降温效能；热盖，主要实现给配合仪器使用的试剂管露空部位加以温度，防止试剂管内的液体蒸发冷凝继而影响荧光采集，该实施例中，热盖由电热膜贴合金属片制成，通电即发热。

荧光探测模块3：包括前荧光探测单元和后荧光探测单元，主要探测QPCR仪前排各扩增孔内试剂管的靶标试剂所产生的荧光，以及探测QPCR仪后排各扩增孔内试剂管的靶标试剂所产生的荧光。

荧光激发模块2：主要实现驱动两个通道不同波段的可见光LED，用于激发各扩增孔内试剂管的靶标试剂产生荧光。

温度探测模块4：包括3个NTC温度传感器，主要实现：（1）热盖温度的测量；（2）半导体制冷片热面扩增金属座温度的测量；（3）半导体制冷片冷面散热器温度的测量。

此外，该实施例中，还包括与控制处理模块11连接的LCD触摸屏，主要实现人机交互，通过它可以人为编辑写入实验时序及样本信息，并呈现实时的荧光信号曲线、仪器状态信息及最终的诊断报告。

该电路可以实现如下功能：

温控功能：

温度测量：采用了3个独立的NTC温度传感器，在主控板1上各温度传感器均与固定电阻串联，传感器非串联端接地，固定电阻非串联端接电压基准源，并基于模数转换模块（该实施例中，采用模数转换芯片AD7682），该芯片的3个单端通道采集各NTC温度传感器两端电压的数字信号上传至控制处理模块11（该实施例中，采用IMX6UL处理器），该模块先推算各NTC温度传感器的实时阻值，并通过NTC温度传感器阻值与温度的对应关系B值公式来计算出实时温度，因此便完成了半导体制冷片冷面散热片、半导体制冷片热面金属座、热盖各模块的实时温度测量，并可通过LCD触摸屏呈现温度数据。

温度控制：控制处理模块11采用IMX6UL处理器，首先由该处理器的GPIO输出相应的控制信号给至光耦隔离模块，再进行光耦隔离后直接作用于功率驱动芯片（该实施例中，芯片采用VNH5019集成H桥），最终由该H桥实现半导体制冷片的工作电源极性切换，功率控制等；另外，由处理器的GPIO输出相应的控制信号给至光耦隔离模块，有，再进行光耦隔离后直接作用于MOSFET，最终由MOSFET实现散热风扇、热盖的电源通断，进而实现半导体制冷片冷面散热片的风冷散热及实现热盖的温升。

综上，通过NTC温度传感器进行温度测量，IMX6UL处理器获得温度数据，再由IMX6UL处理器的相关GPIO驱动相关的功率器件，形成闭环，即可完成了热循环器、热盖等的温度控制过程，实现温控系统的功能。

光学激发及采集功能：

激发光源：采用了两种不同的可见光LED，中心波长分别为495nm和535nm，每扩增孔正对一颗495nm可见光LED和一颗535nm可见光LED，可见光LED所发出的光经由第一滤镜组件过滤后穿透试剂管顶部直射试剂管内的靶标试剂，靶标试剂产生荧光后，从扩增孔的侧部射出，整个过程完成了双通道荧光的激发；各可见光LED在电路上由专用恒流驱动芯片TLC5940来驱动（该实施例中，LED驱动板22采用TLC5940驱动芯片），一片TLC5940具备16个LED驱动通道，每通道驱动电流最大120mA，每通道电流值大小均可以单独进行程序调整，能有效缩小差异。

荧光探测：该实施例中，采用了硅光电二极管S10993-02CT作为荧光探测器，由激发光源照射靶标试剂而产生的荧光从扩增孔的侧部射出，并经第二滤镜组件后被各扩增孔正对的硅光电二极管33所探测，进而将光信号转换为电流信号。

荧光采集：由硅光电二极管33所转换的微弱电流信号，电路系统上难以直接处理；该电流信号将会被引至主控板1，先由主控板1上的模拟开关MPC560来选通对应各孔各通道电流信号，模拟开关选通后的电流信号将送至运算放大器AD8034先进行I/V转换，将微弱的电流信号准换为电压信号，再经放大器AD8034进行电压放大，放大后的电压信号将进一步的由锁相放大器AD630进行锁相放大；当锁相的参考基准信号与LED的闪烁基准信号在相位相同的情况新，AD630锁相放大器能够从一堆的杂散信号中抽离捕获出我们所需的荧光信号，提升信噪比；经锁相放大后的荧光电压信号经相关的RC滤波后将送到模数转换模块（采用芯片AD7682）的单端通道，由AD7682将光学的模拟电信号转换为数字信号，并进一步的将次数字信号上发给IMX6UL处理器（控制处理模块11）。

综上，由TLC5940驱动的可见光LED激发靶标试剂产生荧光，再由硅光电二极管33S10993-02CT探测的电流信号经模拟开关MPC560选通，放大器AD8034进行I/V转换、电压放大，AD630进行锁相放大，并进行相关RC滤波后，再由模数转换芯片AD7682讲该模拟信号转换为数字信号，并上传至MX6UL处理器，实现光学激发及采集功能。

本发明在电路上采用基于ARM Cortex-A9内核的处理器完成QCPR仪的底层驱动、数据处理、核心运算等多功能，避免了底层微控制器的使用；同时，采用集成H桥VHN5019作为半导体制冷片功率驱动电路，避免了分立MOSFET元件搭建H桥的繁琐过程；且将各扩增孔用于荧光激发的LED光源和用于探测荧光的硅光电二极管分别进行了单板集成化处理，免维护，简化了生产制造工艺；同时，将荧光电信号通过模拟开关进行选通，避免了较多数量的各通道信号分别设计调理电路的繁琐性，并在电路设计上采用锁相放大技术，将荧光模拟信号进行了质量较高的优化；该电路设计高度集成化、精简化，能较大程度地缩短开发周期，降低开发难度，另外，在产品达到高性能水平的同时，能够实现低成本，免维护，更利于QPCR普及使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，包括主控板、荧光激发模块、荧光探测模块、温度探测模块、功率驱动模块、与功率驱动模块连接的温控模块，以及为整个系统供电的电源模块；所述主控板上还设有控制处理模块，以及与控制处理模块连接的信号采集转换模块；所述荧光探测模块和温度探测模块均与信号采集转换模块连接，荧光激发模块和功率驱动模块均与控制处理模块连接；所述荧光激发模块用于激发QPCR仪的各个扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生荧光，荧光探测模块用于探测靶标试剂产生的荧光信号并传输至信号采集转换模块；所述温度探测模块用于探测温控模块的温度信号并传输至信号采集转换模块，以便控制处理模块经功率驱动模块调节控制温控模块的温度；所述信号采集转换模块用于对接收到的荧光信号及温度信号进行处理并转换为数字信号，以传输至控制处理模块。

2.根据权利要求1所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述荧光激发模块包括激发座、布置于激发座顶部的LED驱动板，以及安装于LED驱动板一侧的若干光源组件；所述激发座的底部与若干光源组件对应处还开设有若干通光孔，且每一通光孔内还均安装一第一滤镜组件。

3.根据权利要求2所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述光源组件包括第一LED灯、第二LED灯，且第一LED灯的中心波长为495nm，第二LED灯的中心波长为535nm。

4.根据权利要求1所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述荧光探测模块包括前荧光探测单元、后荧光探测单元；所述前荧光探测单元用于探测QPCR仪前排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号，后荧光探测单元用于探测QPCR仪后排各扩增孔内试剂管中的靶标试剂产生的荧光信号。

5.根据权利要求4所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述前荧光探测单元和后荧光探测单元均包括安装支架、布置于安装支架一侧的PD板，以及安装于PD板一侧的若干硅光电二极管；所述安装支架另一侧与若干硅光电二极管对应处还开设有若干探测孔，且每一探测孔内还均安装一第二滤镜组件。

6.根据权利要求1所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述温控模块包括用于对试剂管中靶标试剂进行高低温循环的半导体制冷片、用于对半导体制冷片的冷面散热器进行风冷散热的散热风扇，以及用于对试剂管露空部位进行加热的热盖。

7.根据权利要求6所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述温度探测模块包括三个NTC温度传感器，其中一NTC温度传感器用于测量热盖的温度，另外两NTC温度传感器分别用于探测半导体制冷片的冷面散热器、热面扩增金属座的温度。

8.根据权利要求6所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述功率驱动模块包括与控制处理模块连接的光耦隔离模块；所述半导体制冷片、散热风扇和热盖均与光耦隔离模块连接。

9.根据权利要求1所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述信号采集转换模块包括依次与控制处理模块连接的模数转换模块、锁相放大器、运算放大器和模拟开关；所述荧光探测模块与模拟开关连接，温度探测模块与模数转换模块连接。

10.根据权利要求1所述的双通道QPCR仪的系统电路，其特征在于，所述主控板上还设有分别与控制处理模块连接的网络接口、USB接口和WIFI接口。

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