CN115141746B - Pcr仪的温控系统及pcr仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PCR仪的温控系统及PCR仪，该PCR仪的温控系统包括：基座；耗材模块；控温模块，其具有第一传热端和第二传热端，控温模块能够在第一传热端与第二传热端之间定向地传导热量；储热模组，其安装于基座上，储热模组构造出容纳空间，耗材模块与控温模块均设于容纳空间内；第一传热端与耗材模块内的待测样本直接或间接接触，第二传热端与储热模组直接或间接接触，待测样本进行降温时，储热模组适于从第二传热端吸收来自耗材模块的热量并储存热量；待测样本进行升温时，储热模组能够将储存的热量通过第二传热端和第一传热端传导至耗材模块，解决了PCR反应过程能耗较高，升降温速率比较低，PCR检测耗时较长的技术问题。

Description

PCR仪的温控系统及PCR仪

技术领域

本发明涉及PCR检测设备的技术领域，尤其涉及一种PCR仪的温控系统及PCR仪。

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。

常规PCR反应过程需要经过多个循环；一个循环通常包括变性-退火-延伸3个阶段，在此期间，待测样本要经过升温和降温的多次循环处理，从而实现待测样本的扩增，一次常规的PCR检测一般要经过约40次升降温循环。而快速PCR反应省去了其中的延伸阶段，在快速PCR反应中，一个循环通常包括升温-降温2个阶段。PCR反应中，待测样本的升温和降温通过温控系统来实现，温控系统主要用于为待测样本的扩增提供设定的温度环境。

目前，在PCR反应的降温过程，待测样本的热量需要靠散热装置散到环境中，从而实现待测样本的降温处理，由于PCR反应中的升降温的循环次数较多，这种温控方式导致能耗较高，并且这种温控方式的升降温速率比较低，导致PCR检测耗时较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种PCR仪的温控系统及PCR仪，以解决PCR反应过程能耗较高，升降温速率比较低，PCR检测耗时较长的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种PCR仪的温控系统，包括：基座；耗材模块，其用于容纳待测样本；控温模块，其具有第一传热端和第二传热端，所述控温模块能够在所述第一传热端与所述第二传热端之间定向地传导热量；储热模组，其安装于所述基座上，所述储热模组构造出容纳空间，所述耗材模块与所述控温模块均设于所述容纳空间内；所述第一传热端与所述耗材模块内的待测样本直接或间接接触，所述第二传热端与所述储热模组直接或间接接触，所述待测样本进行降温时，所述储热模组适于从所述第二传热端吸收来自所述耗材模块的热量并储存热量；所述待测样本进行升温时，所述储热模组能够将储存的热量通过所述第二传热端和所述第一传热端传导至所述耗材模块。

在优选的实施方式中，所述储热模组包括储存仓，所述储存仓中填充有固液相变材料，所述储热模组设置有与所述储存仓连通的加料口，所述加料口可拆卸地连接有密封盖。

在优选的实施方式中，所述固液相变材料包括无机水合盐或有机相变材料。

在优选的实施方式中，所述储热模组包括第一储热块和第二储热块，所述容纳空间成型于所述第一储热块与所述第二储热块之间；所述控温模块包括相对设置的第一加热制冷块和第二加热制冷块，所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块均具有所述第一传热端和所述第二传热端；所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块均设置于所述容纳空间，所述耗材模块位于所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块之间，并且，所述第一加热制冷块的第二传热端与所述第一储热块直接或间接接触，所述第二加热制冷块的第二传热端与所述第二储热块直接或间接接触。

在优选的实施方式中，所述第一储热块设置有第一凹槽和第二凹槽，所述第二储热块安装于所述第一凹槽内，所述容纳空间至少部分成型于所述第二凹槽。

在优选的实施方式中，所述第一储热块的所述第一凹槽内设置有第一滑动部，所述第二储热块设置有与所述第一滑动部配合的第二滑动部，所述第二滑动部能够在所述第一滑动部的导向下在所述第一凹槽中滑动。

在优选的实施方式中，所述PCR仪的温控系统还包括传热模组，所述传热模组包括第一传热模块和第二传热模块，所述第一传热模块设置于所述耗材模块与所述第一加热制冷块之间，所述第二传热模块设置于所述耗材模块与所述第二加热制冷块之间。

在优选的实施方式中，所述PCR仪的温控系统还包括：散热装置，所述散热装置包括：传热管，所述传热管的第一端与所述第一储热块或所述第二储热块连接；散热翅片，所述传热管的第二端从所述散热翅片的一端穿入并从所述散热翅片的另一端穿出；散热风扇，其安装于所述散热翅片上，用于产生流经所述散热翅片的气流。

在优选的实施方式中，所述PCR仪的温控系统还包括：温度传感器和控制系统，所述温度传感器与所述第一储热块或所述第二储热块连接，所述温度传感器和所述散热风扇均与所述控制系统电连接，所述温度传感器将检测温度反馈至所述控制系统，所述控制系统根据检测温度控制所述散热风扇的运行状态。

本发明还提供了一种PCR仪，包括：上述的PCR仪的温控系统，所述温控系统用于对所述耗材模块内的待测样本进行控温处理；光学检测系统，适于对所述温控系统控温处理后的所述耗材模块内的待测样本进行光学检测，并对待测样本进行定性定量分析。

本发明的特点及优点是：

工作时，耗材模块内的待测样本在降温时，控温模块吸收来自耗材模块内的待测样本的热量，并将热量传导至与控温模块相接触的储热模组中，将多余的热量储存于储热模组中，减少或者无需将热量散发到环境中；在下一个循环的加热过程中，储热模组通过控温模块向耗材模块内的待测样本传递热量，为耗材模块内的待测样本的升温提供一部分热量，提升了整体的升降温速率，并减轻了控温模块的工作压力，有利于降低能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的PCR仪的温控系统的一实施方式的结构示意图；

图2为本发明提供的PCR仪的温控系统的又一实施方式的结构示意图；

图3为图2的爆炸图；

图4为本发明提供的PCR仪的温控系统中的第一储热块的结构示意图；

图5为本发明提供的PCR仪的温控系统中的第二储热块的一个角度的结构示意图；

图6为本发明提供的PCR仪的温控系统中的第二储热块的另一个角度的结构示意图；

图7为本发明提供的PCR仪的温控系统中的第二储热块的侧面剖视示意图；

图8为本发明提供的PCR仪的温控系统中的第一储热块与第二储热块的连接侧视示意图；

图9为图8中的A处的局部放大图；

图10为本发明提供的PCR仪的温控系统的另一实施方式的结构示意图；

图11为图10的爆炸图。

附图标号说明：

10、基座；11、底板；12、耗材仓；13、耗材模块；

20、控温模块；21、第一加热制冷块；22、第二加热制冷块；

30、储热模组；301、容纳空间；31、储存仓；311、密封盖；32、固液相变材料；

331、第一导热面；332、第二导热面；34、导热孔；

40、第一储热块；41、第一柱部；42、第二柱部；43、连接部；441、第一凹槽；442、第二凹槽；45、螺钉孔；46、测温槽；

50、第二储热块；

61、第一滑动部；611、滑块；62、第二滑动部；621、滑槽；

70、传热模组；71、第一传热模块；72、第二传热模块；

81、传热管；82、散热翅片；83、散热风扇；84、温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

第一方面，如图1所示，本发明提供了一种PCR仪的温控系统，包括：基座10、耗材模块13、控温模块20和储热模组30。其中，基座10包括底板11和与底板11垂直连接的耗材仓12，耗材模块13连接在耗材仓12上，且耗材模块13用于容纳待测样本，耗材仓12与底板11之间可以通过螺钉进行刚性连接；控温模块20与耗材模块13相接触，且控温模块20具有第一传热端和第二传热端，能够在第一传热端与第二传热端之间定向地传导热量，从而向耗材模块13传递热量或从耗材模块13转移热量；储热模组30安装于基座10的耗材仓12上，且储热模组30构造出容纳空间301，耗材模块13与控温模块20均设于容纳空间301内；控温模块20的第一传热端与耗材模块13中的待测样本直接或间接接触，控温模块20的第二传热端与储热模组30直接或间接接触，在待测样本需要进行降温时，耗材模块13中的待测样本的热量会从控温模块20的第一传热端转移至第二传热端，进而储热模组30适于从第二传热端吸收来自耗材模块13中的待测样本的热量并储存热量；在待测样本需要进行升温时，一方面，控温模块20自身会产生热量并传导至待测样本，另一方面，储热模组30能够将储存的热量通过控温模块20的第二传热端转移至第一传热端并传导至待测样本。控温模块20通过第一传热端对耗材模块13中的待测样本进行加热或者降温，在待测样本的降温过程中，控温模块20吸收来自待测样本的热量，并将热量传导至与控温模块20相接触的储热模组30中，将多余的热量储存于储热模组30中，减少或者无需将热量散发到环境中；在待测样本进入下一个循环的加热过程时，储热模组30通过控温模块20向耗材模块13内的待测样本传递热量，为耗材模块13内的待测样本的升温提供一部分热量，提升了整体的升降温速率，并减轻了控温模块20的工作压力，有利于降低能耗。

控温模块20可以采用半导体材料，例如帕尔贴，通过控制通电方向，实现热量从第一传热端向第二传热端传导或者从第二传热端向第一传热端传导。

如图1和图7所示，在一些实施方式中，储热模组30采取相变储能式结构。储热模组30包括储存仓31，储存仓31中填充有固液相变材料32。储热模组30通过固液相变材料32的相变热来实现热量储存，耗材模块13中的待测样本通过与固液相变材料32进行热量交换来实现升温或降温。通常情况下，待测样本在进行温度调控过程中，调控速率和温控的准确性难以兼顾，为了提高调控速率，则需要扩大待测样本与控温结构之间的温度差，但是，温度差较大时，升降温过程中温度变化的“惯性”也会较大，容易出现明显的温度过冲，不利于保证温控的准确性。本发明提供的PCR仪的温控系统，储热模组30的相变传热过程缩小了温度差，因为储热模组30中的固液相变材料32在吸收热量和释放热量的过程中，固液相变材料32本身的物理状态虽然发生了变化，但是其温度变化较小，因而实现了以较小的温度差实现大量的热传递的效果，减小了变温的温度“惯性”，既加快了调控速率，又提高了温控的准确性。

固液相变材料32可以在温度不变或者较小变化幅度的状态下储存大量的相变热。固液相变材料32的相变温度根据实际性能需要而确定，使得在待测样本的降温过程中，储热模组30内的固液相变材料32吸收来自待测样本的热量并储存热量，从而转变为液态；在待测样本的升温过程中，储热模组30内的固液相变材料32释放储存的热量并传导至待测样本，从而放热转变为固态。固液相变材料32包括无机水合盐或有机相变材料，例如可以为硫酸钠、醋酸钠、氯化钙或磷酸氢二钠中的一种或多种，也可以包括石蜡、脂酸类或多元醇等有机相变材料。

在一种可能的实施方式中，如图1-图3所示，储热模组30包括第一储热块40和第二储热块50，如图4所示，第一储热块40设置有螺钉孔45，通过设置于螺钉孔45中的螺钉使第一储热块40紧定在耗材仓12的背板上，第二储热块50与第一储热块40相连，例如，可以通过螺钉连接；容纳空间301成型于第一储热块40与第二储热块50之间；控温模块20包括相对设置的第一加热制冷块21和第二加热制冷块22，第一加热制冷块21和第二加热制冷块22均具有第一传热端和第二传热端；第一加热制冷块21和第二加热制冷块22均设置于容纳空间301，耗材模块13位于第一加热制冷块21和第二加热制冷块22之间，并且，第一加热制冷块21的第二传热端与第一储热块40直接或间接接触，第二加热制冷块22的第二传热端与第二储热块50直接或间接接触。如图1-图3所示，第一储热块40和第二储热块50分布于控温模块20的两侧，扩大了储热模组30与控温模块20的接触面积，控温模块20中的第一加热制冷块21和第二加热制冷块22分布于耗材模块13的两侧，扩大了控温模块20与耗材模块13中的待测样本的接触面积，从而提高了对耗材模块13中的待测样本的控温速率和控温均匀性。

进一步地，如图3和图4所示，第一储热块40设置有第一凹槽441和第二凹槽442，第二储热块50安装于第一凹槽441内，从而使第一储热块40与第二储热块50相连接。

如图4所示，在一种可能的实现方式中，第一储热块40包括第一柱部41、第二柱部42和连接部43。其中，第一柱部41与第二柱部42相对设置，连接部43的两端分别与第一柱部41和第二柱部42相连接，从而在第一柱部41、第二柱部42与连接部43之间限定出第一凹槽441；第二凹槽442开设在连接部43与第一柱部41的连接处，如图1和图4所示，当第二储热块50安装于第一凹槽441内时，第二储热块50的侧部与第一储热块40的第一柱部41的侧部相接触，从而封闭第二凹槽442的一侧，限定出容纳控温模块20与耗材模块13的容纳空间301。

在一实施例中，第二储热块50与第一柱部41相抵接，从而与第二凹槽442一起限定出容纳空间301；在一实施例中，第二储热块50与第一柱部41之间设有间隙，该间隙及第二凹槽442一起限定出容纳空间301。

第一储热块40的第一柱部41的内部、第二柱部42的内部和连接部43的内部以及第二储热块50的内部均为中空结构，从而形成储存仓31，以填充固液相变材料32，从而扩大了耗材模块13中的待测样本与固液相变材料32的接触面积，以提高对待测样本的升温速率和降温速率。如图7所示，展示了储存仓31的部分结构，也即，展示了形成于第二储热块50上的储存仓31。

如图3和图4所示，第一储热块40的第一柱部41上设置有第一导热面331，具体的，第一导热面331位于第二凹槽442处，且第一导热面331为平面，当控温模块20的第一加热制冷块21安装在第二凹槽442形成的容纳空间301内时，第一加热制冷块21的第二传热端抵接于第一导热面331；同理，如图5所示，在第二储热块50上设有第二导热面332，具体的，第二储热块50靠近第一储热块40的第一柱部41的一侧被配置为第二导热面332，且第二导热面332为平面，当控温模块20的第二加热制冷块22安装在第二凹槽442形成的容纳空间301内时，第二加热制冷块22的第二传热端抵接于第二导热面332，从而进一步提高控温模块20与储热模组30的接触面积，提升耗材模块13中的待测样本的升温速率和降温速率。

在一种可能的实施方式中，第二储热块50可滑动地安装于第一凹槽441中，具体的，如图1、图8和图9所示，连接部43设置有第一滑动部61，第二储热块50设置有与第一滑动部61配合的第二滑动部62，第二滑动部62能够在第一滑动部61的导向下沿第一柱部41指向第二柱部42的方向或其反向滑动，使得第二储热块50可以相对于第一储热块40微动，以便于调整耗材模块13与控温模块20之间的紧固性，防止控温模块20脱离耗材模块13。具体的，第二滑动部62可以为滑槽621，第一滑动部61可以为嵌入滑槽621中的滑块611。优选地，如图8和图9所示，滑块611的横截面呈直角梯形，并且该直角梯形的直角边位于下侧，有利于第二储热块50在滑块611的导向下平稳地滑动。

在一种可能的实施方式中，如图1和图3所示，该PCR仪的温控系统还包括传热模组70，传热模组70包括第一传热模块71和第二传热模块72，第一传热模块71设置于耗材模块13与第一加热制冷块21之间，第二传热模块72设置于耗材模块13与第二加热制冷块22之间，一方面，第一传热模块71和第二传热模块72可以将耗材模块13夹紧，另一方面，可以更快地在耗材模块13与第一加热制冷块21、第二加热制冷块22之间传导热量。

在一实施方式中，如图2和图3所示，该PCR仪的温控系统还包括散热装置，散热装置包括：传热管81、散热翅片82和散热风扇83。其中，传热管81的第一端与第一储热块40或第二储热块50连接，具体的，传热管81的第一端伸入第一储热块40或第二储热块50的内部并与第一储热块40或第二储热块50相连，散热翅片82连接于传热管81的第二端，具体的，散热翅片82包括多个平行且间隔排布的散热片，传热管81的第二端从散热翅片82的一端穿入并从散热翅片82的另一端穿出，从而使传热管81依次经过每一个散热片并与每一个散热片连接；散热风扇83安装于散热翅片82上，用于产生流经散热翅片82的气流。储热模组30中的热量主要来源于控温模块20，散热装置有助于将储热模组30中多余的热量散走以避免影响相变过程，以提高温控精度，通过传热管81将储热模组30中多余的热量从传热管81的第一端传导至传热管81的第二端，从而传导至散热翅片82，经过散热翅片82将热量散布到环境中，散热风扇83产生流经散热翅片82的气流产生可以加快热量的散发。

传热管81可以为相变传热管，即传热管81中填充有相变材料。

传热管81的数量可以是一个甚至多个，在一种可能的实现方式中，当传热管81的数量为两个时，如图4和图5所示，第一储热块40和第二储热块50分别设置有导热孔34，如图2和图3所示，散热翅片82连接有两根传热管81，一一对应地插设于两个导热孔34中，增大了传热管81与第一储热块40和第二储热块50之间的接触面积，便于传热管81从储热模组30吸收热量并传导至散热翅片82。控温模块20、储热模组30及散热装置相配合，实现精准控制耗材模块13的温度。

进一步地，如图3所示，该PCR仪的温控系统还包括温度传感器84和控制系统，温度传感器84与第一储热块40或第二储热块50连接，温度传感器84和散热风扇83均与控制系统电连接，温度传感器84将检测温度反馈至控制系统，控制系统根据检测温度控制散热风扇83的运行状态。该PCR仪的控温过程包括：温度传感器84感知储热模组30内的实时温度并反馈至控制系统，如其温度超过其设定的区间上限，则控制系统发指令给散热风扇83控制其转动以给散热翅片82散热，使散热翅片82降温，并经传热管81传导，最终控制储热模组30的温度稳定在设定区间内，有利于待测样本在升温-降温的循环过程中，储热模组30中的固液相变材料的相变过程平稳地循环往复，保障待测样本在升温-降温的循环过程中的热量供给充足，并减小对控温准确度的影响。

在一种可能的实现方式中，如图4所示，第一储热块40设置有测温槽46，温度传感器84设于测温槽46，用于检测第一储热块40的温度。

在一种可能的实现方式中，如图4-图7所示，储热模组30设置有与储存仓31连通的加料口，加料口可拆卸地连接有密封盖311，打开密封盖311后，方便通过加料口向储存仓31中增添或更换固液相变材料32，具体的，密封盖311螺纹连接于加料口，以方便打开或关闭。

上面对储热模组30采取相变储能式结构的实施方式作了详细说明。如图10和图11所示，储热模组30也可以采取热沉储能式方案，储热模组30中的第一储热块40和第二储热块50分别为热沉储热块，热沉储热块可以为热容量较大的金属，包括但不限于铝、铜或镉；可以包含但不限于单一金属、双层复合金属或者金属空腔内充储热液体。储热模组30的体积根据实际仪器性能需要和结构空间而确定，使得：在待测样本的降温过程中，热沉储热块的温度变化在允许的范围内；在待测样本的升温过程中，避免储热模组30的整体温度降到允许下限以下，保障储热模组30能够提供升温所需热量。进一步地，储热模组30可以与散热装置相协作，散热装置将多余的热量散走以避免其影响温控性能。

第二方面，本发明提供了一种PCR仪，包括：光学检测系统和上述的PCR仪的温控系统，温控系统用于对待测样本进行控温处理，光学检测系统适于对温控系统控温处理后的耗材模块13内的待测样本进行光学检测，并对待测样本进行定性定量分析。该PCR仪具有上述温控系统的特征及有益效果，在此不再赘述。

该PCR仪的光学检测系统（图中未示出）可以采用现有技术。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种PCR仪的温控系统，其特征在于，包括：

基座；

耗材模块，其用于容纳待测样本；

控温模块，其具有第一传热端和第二传热端，所述控温模块能够在所述第一传热端与所述第二传热端之间定向地传导热量；

储热模组，其安装于所述基座上，所述储热模组构造出容纳空间，所述耗材模块与所述控温模块均设于所述容纳空间内；

所述第一传热端与所述耗材模块内的待测样本直接或间接接触，所述第二传热端与所述储热模组直接或间接接触，所述待测样本进行降温时，所述储热模组适于从所述第二传热端吸收来自所述耗材模块的热量并储存热量；所述待测样本进行升温时，所述储热模组能够将储存的热量通过所述第二传热端和所述第一传热端传导至所述耗材模块。

2.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于，所述储热模组包括储存仓，所述储存仓中填充有固液相变材料，所述储热模组设置有与所述储存仓连通的加料口，所述加料口可拆卸地连接有密封盖。

3.根据权利要求2所述的温控系统，其特征在于，所述固液相变材料包括无机水合盐或有机相变材料。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的温控系统，其特征在于，所述储热模组包括第一储热块和第二储热块，所述容纳空间成型于所述第一储热块与所述第二储热块之间；

所述控温模块包括相对设置的第一加热制冷块和第二加热制冷块，所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块均具有所述第一传热端和所述第二传热端；

所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块均设置于所述容纳空间，所述耗材模块位于所述第一加热制冷块和所述第二加热制冷块之间，并且，所述第一加热制冷块的第二传热端与所述第一储热块直接或间接接触，所述第二加热制冷块的第二传热端与所述第二储热块直接或间接接触。

5.根据权利要求4所述的温控系统，其特征在于，所述第一储热块设置有第一凹槽和第二凹槽，所述第二储热块安装于所述第一凹槽内，所述容纳空间至少部分成型于所述第二凹槽。

6.根据权利要求5所述的温控系统，其特征在于，所述第一储热块的所述第一凹槽内设置有第一滑动部，所述第二储热块设置有与所述第一滑动部配合的第二滑动部，所述第二滑动部能够在所述第一滑动部的导向下在所述第一凹槽中滑动。

7.根据权利要求4所述的温控系统，其特征在于，还包括：

传热模组，其包括第一传热模块和第二传热模块，所述第一传热模块设置于所述耗材模块与所述第一加热制冷块之间，所述第二传热模块设置于所述耗材模块与所述第二加热制冷块之间。

8.根据权利要求4所述的温控系统，其特征在于，还包括：散热装置，所述散热装置包括：

传热管，所述传热管的第一端与所述第一储热块或所述第二储热块连接；

散热翅片，所述传热管的第二端从所述散热翅片的一端穿入并从所述散热翅片的另一端穿出；

散热风扇，其安装于所述散热翅片上，用于产生流经所述散热翅片的气流。

9.根据权利要求8所述的温控系统，其特征在于，还包括：温度传感器和控制系统，所述温度传感器与所述第一储热块或所述第二储热块连接，所述温度传感器和所述散热风扇均与所述控制系统电连接，所述温度传感器将检测温度反馈至所述控制系统，所述控制系统根据检测温度控制所述散热风扇的运行状态。

10.一种PCR仪，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的PCR仪的温控系统，所述温控系统用于对所述耗材模块内的待测样本进行控温处理；

光学检测系统，适于对所述温控系统控温处理后的所述耗材模块内的待测样本进行光学检测，并对所述待测样本进行定性定量分析。

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