CN115851428B - 一种荧光定量pcr仪 - Google Patents

Abstract

本发明的荧光定量PCR仪，涉及检测仪器领域，由上位机和下位机构成，上位机中：通过触控屏提供人机交互的界面、通过电源提供稳定的输出功率；下位机包括装置外壳、开盖检测模块、试管检测模块、温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块，并通过顶部风扇、风道板和底部风扇实现了后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式；通过开盖检测模块和试管检测模块分别判断是否开盖和是否放管，实现了自动化随到随检，还通过装置外壳及其所配置下位机中各模块之间的结构和位置的优化配置，使仪器体积小、成本低、结构简单，而且操作简单、灵活，可实现全自动化，特别适应在POCT领域的推广应用。

Description

一种荧光定量PCR仪

技术领域

本发明涉及检测仪器领域，特别涉及到一种荧光定量PCR仪，尤其是适合于随到随检工作模式、多通道、高通量的荧光定量PCR仪。

背景技术

聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，简称PCR）是放大扩增特定的核酸片段的分子生物学技术，目前实时荧光定量PCR（Realtime Polymerase Chain Reaction，Real-time PCR）在国际上约定俗成记为qPCR，荧光定量PCR仪是使qPCR得以实现的仪器，在感染性疾病检测、肿瘤标志物检测和药物滥用等多因素筛查的POCT（point-of-caretesting，即时检验）鉴定中有广泛的应用。

目前的PCR仪大多是把样品装入样品管后全部同时放入仪器，待全部测试做完得到结果，这样的PCR仪不能实现随到随检，必须等前面的样品全部做完才能进行下一次实验。主流的荧光定量PCR仪，往往更注重精确性，因此存在反应时间长、操作步骤繁琐以及一次只能处理固定数量的样本的不足，尤其是，对于突然到来的新样本无法做到随到随检，及时检测。为了适应于POCT市场发展的需求，解决病原微生物快速筛查、健康管理、病毒检测、食品检测和环境监测等领域的即时检测的难题，亟需开发出结果准确、操作简单、可支持随到随检的高通量的荧光定量PCR仪。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种小型化、操作简单、低成本、可支持随到随检的荧光定量PCR仪。

为达到上述目的或目的之一，本发明提供了如下技术方案：

一种荧光定量PCR仪，由上位机和下位机构成，上位机包括数据交互模块和电源模块；下位机包括装置外壳、开盖检测模块、试管检测模块、温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块；其中，

数据交互模块包括触控屏和上位机的外壳，通过触控屏提供人机交互的界面；电源模块设置于上位机的下部，由电源提供稳定的输出功率；

装置外壳采用了具有导热性能的金属材料，通过顶部风扇、风道板和底部风扇实现了后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式；开盖检测模块通过霍尔元件输出的信号来判断开盖动作；试管检测模块通过试管检测电路板输出的信号来判断反应孔位中的反应试管。

本申请中，开盖检测模块通过霍尔元件输出的信号的不同来判断是否存在开盖动作；试管检测模块通过试管检测电路板输出的信号的不同来判断反应孔位中是否存在反应试管。

根据本发明的一个优选实施例，数据交互模块的上位机的外壳包括上位机固定上罩、上位机左侧固定板、上位机右侧固定板和上位机支撑件；电源模块包括电源和电源固定支架，其中，电源包括模块电源。

本发明中，模块电源可提供高达220瓦的输出功率。

根据本发明的一个优选实施例，装置外壳还包括装置底板、脚垫、上盖和4个侧板，其中4个侧板分别是左侧板、右侧板、前侧板和后侧板，风道板固定在上盖上，底部风扇嵌入固定在装置底板上；开盖检测模块包括霍尔元件、磁铁和磁铁固定件；试管检测模块包括试管检测电路板、激发元件、接收元件和辅助放管部件。

根据本发明的一个优选实施例，数据交互模块中，触控屏固定在上位机固定上罩上，上位机左侧固定板和上位机右侧固定板固定在上位机支撑件上，上位机支撑件固定在装置外壳的前侧板上；电源模块中，电源固定在电源固定支架上，电源固定支架固定在上位机支撑件上。

根据本发明的一个优选实施例，装置外壳中，装置底板和4个侧板通过螺丝连接，上盖通过合页和后侧板固定在一起，且上盖与4个侧板之间的接触位置设有磁铁孔位，顶部风扇固定在后侧板的顶部，风道板固定在上盖上，底部风扇设置在装置底板上；开盖检测模块中，磁铁固定在磁铁固定件上，霍尔元件固定在装置外壳的后侧板上；试管检测模块中，反应试管通过辅助放管部件进入反应孔位，辅助放管部件固定在试管检测电路板上；激发元件和接收元件分别置于反应孔位顶部的两侧、并固定在试管检测电路板上，试管检测电路板固定在温度控制模块上。

本发明中，辅助放管部件的内部，上部为柱状，下部为倒喇叭状。

根据本发明的一个优选实施例，试管检测模块中，辅助放管部件相对于激发元件和接收元件的两处侧壁上，均设有透光的孔隙；反应试管通过辅助放管部件放入反应孔位后，在反应试管的上部还包括一段能够被辅助放管部件包围的柱状的不透光区域。

根据本发明的一个优选实施例，温度控制模块用于控制反应试管的温度，采用铝块加热方式，且铝块外包裹有加热膜；铝块包括上加热铝块和下加热铝块，加热膜包括与铝块位置相对应的上加热膜和下加热膜，还包括上加热铝块支撑件和下加热铝块支撑件。

根据本发明的一个优选实施例，荧光采集模块包括光学模块和转盘，通过光学模块实现同时采集四种波长的荧光；其中，光学模块外部还设有电磁屏蔽。

根据本发明的一个优选实施例，驱动模块包括步进电机、滑环、电机及滑环固定架、联轴器和转盘转轴，通过步进电机驱动荧光采集模块的运动和定位。

根据本发明的一个优选实施例，执行模块包括主控电路板和电路板支架，通过主控电路板控制其他模块的运转，并提供与数据交互模块之间的数据交互。

优选地，光学模块主要包括内部光学结构组和光电检测电路，光学结构组包括可以形成特殊光路的多个光学元件和滤光片，光电检测电路包括激发光源和光电传感器。当光学模块内部的激发光源照射到反应试管内部的试剂时，试剂内的荧光基团会产生荧光，通过光学模块中的滤光片将环境中的其他波长的光滤除掉，只允许一定波长范围的荧光通过，经过内部光学结构组的作用，荧光最终被内部的光电传感器采集。光电传感器将接收到的光信号转换为电信号，再通过A/D转换，将电信号转换为数字信号，得到荧光的采集值。

优选地，辅助放管部件的内部的柱状和倒喇叭状为上下一体成型，并且柱状的截面与倒喇叭状上端扩口处截面的大小和形状一致。

优选地，激发元件和接收元件均焊制在试管检测电路板上。

优选地，上盖和左侧板、右侧板上分别设置有上盖把手和侧板把手。

优选地，在反应试管上方设置了试管挡片，试管挡片固定在上盖上，避免了风对暴露在风道处的反应试管可能产生的潜在影响。

优选地，试管检测电路板、上加热铝块和下加热铝块这3者的中间均设置有圆形空腔。

优选地，荧光采集模块中还设置有光栅片、定位光耦和光耦固定件，光栅片固定在转盘的底部，且光栅片上设有一条狭缝，定位光耦固定在光耦固定件上，光耦固定件固定在固定板上，固定板固定在固定架上，固定架固定在电机及滑环固定架上。

优选地，固定架设置有4~8个，例如可以是4个、5个、6个、7个或8个；进一步优选地，固定架设置有6个。

优选地，光栅片的狭缝宽为0.3~0.7 mm（例如可以是0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6mm或0.7 mm等），对应于定位光耦的光通道；进一步优选地，光栅片的狭缝宽为0.5 mm。

优选地，温度控制模块中，还包括隔热板，隔热板为倒置的“工”字形，设置在上加热铝块和下加热铝块之间，将上加热铝块和下加热铝块分别置于其上部和下部，并且固定在装置外壳的前侧板和后侧板上。

优选地，下加热铝块的正下方设置有挡风板。

优选地，上加热铝块上设置有上加热铝块反应孔位和上加热铝块测温传感器固定孔，下加热铝块上设置有下加热铝块反应孔位和下加热铝块测温传感器固定孔；每个反应孔位的内侧壁开有荧光采集孔位。

进一步优选地，上加热铝块和下加热铝块为圆环形，上加热膜和下加热膜紧密包裹住对应的上加热铝块和下加热铝块的外壁。

进一步优选地，隔热板的两侧分别与装置外壳的前侧板和后侧板紧密相连。

进一步优选地，隔热板的中间设置有圆形空腔，且中心向下设置有能够遮挡下加热铝块的外壁状结构。

进一步优选地，挡风板和固定板的中间均设置有圆形空腔，且固定板圆形空腔的直径小于挡风板圆形空腔的直径。

进一步优选地，挡风板设计为将下加热铝块的下部完全包住的形状，挡风板可上下移动地固定在挡风板支撑件上，可以在3~7 cm（例如可以是3 cm、4 cm、5 cm、6 cm或7 cm等）范围内调节自身所处的高度。

进一步优选地，荧光采集孔位是类长条形状的。

进一步优选地，上加热铝块反应孔位和下加热铝块反应孔位的数量相同，例如可以均为16个、32个、48个或64个等；进一步优选为均设置为32个。

根据本发明的一个优选实施例，温度控制模块中，上加热铝块和下加热铝块分别固定在对应的上加热铝块支撑件和下加热铝块支撑件上，且下加热铝块支撑件固定在上加热铝块支撑件上，上加热铝块支撑件固定在装置外壳的装置底板上；且试管检测模块的试管检测电路板固定在上加热铝块上。

根据本发明的一个优选实施例，荧光采集模块中，光学模块固定在转盘上。

根据本发明的一个优选实施例，驱动模块中，荧光采集模块的转盘通过螺丝与销钉限位固定在转盘转轴上，转盘转轴与步进电机的轴通过中间的联轴器相连接，滑环和步进电机分别固定在电机及滑环固定架的上部和下部，电机及滑环固定架固定在装置外壳的装置底板上。

根据本发明的一个优选实施例，执行模块中，主控电路板固定在电路板支架上，电路板支架固定在装置外壳的装置底板上。

优选地，主控电路板与后侧板平行设置。

根据本发明的一个优选实施例，数据交互模块中，上位机左侧固定板和上位机右侧固定板设有用于散热的上位机左侧风扇和上位机右侧风扇，并且上位机左侧固定板、上位机右侧固定板和上位机支撑件设置有散热风口；电源模块中，电源的下方正对上位机支撑件的散热风口。

根据本发明的一个优选实施例，装置外壳中，前侧板和后侧板上分别设有前侧散热片和后侧散热片；后侧板顶部设置有顶部风扇，装置底板上设置有底部风扇，且后侧散热片的中间还嵌入固定有散热片风扇。

优选地，上位机支撑件的形状类似一个方方正正的倒“P”形，电源模块包在倒“P”中间隔板的下部，散热风口位于电源的下部，也就是电源模块的下面。

优选地，后侧板的顶部风扇对称设置，数量例如可以是2个、4个或6个等，进一步优选为2个。

优选地，底部风扇对称设置，数量例如可以是2个、4个、6个或8个等，进一步优选为4个。

本发明还要求保护上述荧光定量PCR仪，在核酸检测领域的应用。

本发明的有益效果：

本发明的荧光定量PCR仪，由上位机和下位机构成，上位机包括数据交互模块和电源模块，下位机包括装置外壳、开盖检测模块、试管检测模块、温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块。其中，通过数据交互模块的触控屏提供了一个人机交互的界面，人机互动的界面接收到相关指令后，通过下位机中执行模块的主控电路板实现了对荧光定量PCR仪的自动化控制、信息的贮存、显示及反馈等功能。

本发明采用了独特的风道运行方式，通过后侧板上的顶部风扇从后部向内吹风进入下位机内，通过风道板的风向引导，能够在尽量不影响加热铝块的情况下将风向下位机内的底部带动，再通过装置底板上的4个底部风扇从底部向外抽风，即后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式，可以将下位机中的多余热量带走。风道板合理巧妙的位置设置，能够在不影响反应试管的前提下，将装置内部多余热量快速沿风道流动导出，避免堆积的热量可能对装置产生的影响。

本发明下位机特别设置了开盖检测模块，通过开盖和关盖时磁铁所处的位置不同，从而使霍尔元件输出不同的信号，传递给下位机，由此来判断装置是否开盖；同时，选用的霍尔元件结构简单，不占用仪器的空间，却能为随到随检提供支撑。

本发明下位机特别设置了试管检测模块，包括试管检测电路板、激发元件和接收元件，对于放置有反应试管和没有放置反应试管的两种情况，接收元件分别输出两种不同的信号，从而实现自动识别反应孔位的数据信息。具体地，激发元件可以发射红外光，接收元件可以接收激发元件发射的红外光；当孔位没有放置反应试管时，接收元件可以正常接收激发元件发射的红外光并输出一个信号；当孔位放置有反应试管时，激发元件发射的红外光被遮挡，接收元件无法接收到红外光，从而输出另一个不同的信号；因此，对于放置有反应试管和没有放置反应试管的两种情况，接收元件分别通过试管检测电路板输出两种不同信号传递给下位机，通过信号不同区分反应孔位的孔位信息，自动识别判断是否放管，从而实现反应孔位的自动识别。

开盖检测模块判断是否开盖，结合试管检测模块判断是否放管，为随到随检提供技术上的支持，开盖检测模块和试管检测模块能够自动识别反应孔位，自动提供温度控制，自动采集荧光，从而实现了真正自动化的随到随检。

本发明的电源为模块电源，可提供高达220瓦的输出功率，为装置提供稳定的高功率输出，确保装置能正常平稳运作。

本发明的上位机右侧固定板和上位机支撑件设置有散热风口，能帮助电源及时散热，并保证其正常运行。装置外壳采用导热性能良好的金属材料，能快速有效地将与前侧板和后侧板紧密连接的隔热板上的热量导走。前侧板和后侧板上还设有前侧散热片和后侧散热片，后侧散热片中间还设有散热片风扇，进一步加快了将多余的热量吸收导走的速度。温度控制模块中，加热铝块上各设置有两个对称的上加热铝块测温传感器固定孔和下加热铝块测温传感器固定孔，用于固定测温传感器，测温传感器用于实时检测上加热铝块和下加热铝块的温度，保证加热铝块的温度的准确；上加热膜和下加热膜为进一步为对应的加热铝块提供了稳定的温度。挡风板设计为将下加热铝块完全包住的形状，既可以给有较高温度的下加热铝块提供保温作用，又可以避免风对下加热铝块的影响，还可以避免直吹的风可能导致铝块的温度异常；挡风板可以调节高度，从而可以达到最佳的遮风保温效果。反应试管的上方设置有试管挡片，避免了后顶部向内吹的风对反应试管可能产生的影响。

荧光采集模块中，光学模块主要包括内部光学结构组和光电检测电路，光学结构组包括可以形成特殊光路的多个光学元件和滤光片，光电检测电路包括激发光源和光电传感器。当光学模块内部的激发光源照射到反应试管内部的试剂时，试剂内的荧光基团会产生荧光，通过光学模块中的滤光片将环境中的其他波长的光滤除掉，只允许一定波长范围的荧光通过，经过内部光学结构组的作用，荧光最终被内部的光电传感器采集。光电传感器将接收到的光信号转换为电信号，再通过A/D转换，将电信号转换为数字信号，得到荧光的采集值，从而实现了通过光学模块同时采集四种波长的荧光，大大提高了检测效率和灵活度，解决了多通道qPCR检测时需要复杂的光学结构所导致的、多通道的荧光定量PCR仪难以小型化集成的问题。

装置外壳上设置有多个磁铁孔位，通过磁铁吸附确保上盖的闭合度，避免外界光线可能对装置内部荧光造成的影响。温度控制模块中，每个反应孔位的内侧壁都开有长条形荧光采集孔位，确保了荧光采集的有效性和准确性。荧光采集模块中，主要包括光学模块、光栅片和定位光耦，其中，光学模块外壳采用了金属材料，形成电磁屏蔽，从而保证采集信号不受外界干扰；光学模块和光栅片均固定在转盘，通过固定在转盘的光栅片和定位光耦的配合，用于检测转盘上的光学模块是否正确复位，进而确保荧光采集的精准性。荧光采集模块在驱动模块的帮助下旋转，可以精准定位每个孔位并采集荧光信号，保证荧光采集的精准性。进一步地，辅助放管部件起到了隔离每组反应试管的作用，且辅助放管部件两侧设置有透光的孔隙，保证了检测的光通路，还可以避免了相邻两组反应试管荧光信号检测时的相互干扰；辅助放管部件设有柱状的不透光区域，可以包围反应试管的上部，不仅起到了遮光的作用，而且减小了开盖时外部环境光进入反应试管的风险，进而有效削减了开盖时外部环境光对荧光检测的影响。

本发明中，驱动模块的步进电机为荧光采集模块旋转采集信号提供动力，设置的滑环带动荧光采集模块可以持续地做圆周运动，而不受电线缠绕的干扰，转盘转轴通过联轴器与步进电机的电机轴相连接，转盘转轴与转盘通过螺丝与销钉固定和限位，保证了其旋转中心一致，并且通过转盘转轴上部将重量转移到了滑环上，并传导至电机及滑环固定架上，使得步进电机只起到传递力矩的作用而不承受力的作用，减小了步进电机的负担。辅助放管部件设置有倒喇叭状，由此限制使用者在插入反应试管时的位置，同时，倒喇叭状使得使用者在插管时更加顺畅，能准确轻松地放入反应试管，提升了使用者的放管体验的舒适性。此外，配合加热铝块中间的圆形空腔，试管检测电路板、隔热板、固定板、挡风板等都设置有与其相适应的圆形空腔，配合设置在圆形空腔中的驱动模块和荧光采集模块，不仅可以精确地检测放置在加热铝块中反应试管的情况，而且加热铝块上反应孔位的设置数量，不局限于32位，也可以是48位、96位，实现高通量的自动化检测，大大提高检测的灵活性，并能应对各种突发情况。此外反应试管置于加热铝块上，配合中央的荧光采集模块的旋转采集方式，使得反应和检测控制更加简化，优化了仪器结构，使得整体结构更加小巧紧凑。

本发明提供了一种荧光定量PCR仪，目的是实现了对各种病原体的随到随检，并且高通量、多波长大大提高了qPCR的检测效率。本发明真正实现了随时可以放入新的反应样本，而不影响扩增进行中的反应试管，实现自动化地随到随检，在保证检测准确性的前提下，有效提高了检测的灵活性。相较于一般的荧光PCR检测仪器，具有体积小、操作简单、复杂流程全自动化完成、检测准确度高、结构简单、成本低等优点，能够快速灵活地检测核酸样本，在临床和现场快速诊断中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明荧光定量PCR仪右前侧的立体图；

图2为本发明荧光定量PCR仪的上位机内部结构右前侧的立体图；

图3为本发明荧光定量PCR仪左后侧的立体图；

图4为本发明荧光定量PCR仪在开盖状态时关于开盖检测模块与装置外壳之间内部位置关系的右前侧立体图；

图5为本发明荧光定量PCR仪的下位机内部结构右前侧的立体图；

图6为本发明荧光定量PCR仪下位机内部关于驱动模块和荧光采集模块之间连接关系的侧面剖视图；

图7为图6去除滑环后，展示内部联轴器位置的侧面剖视图；

图8为本发明荧光定量PCR仪风道运行方式的右侧剖视图；

图9为本发明荧光定量PCR仪风道运行方式的俯视剖视图；

图10为本发明荧光定量PCR仪的隔热板的侧面剖视图；

图11为本发明荧光定量PCR仪的隔热板与装置外壳连接关系的右后侧的立体图；

图12为本发明荧光定量PCR仪的上加热铝块结构的俯视立体图；

图13为本发明荧光定量PCR仪的上加热铝块测温传感器固定孔的仰视图；

图14为本发明荧光定量PCR仪的下加热铝块结构的俯视立体图；

图15为本发明荧光定量PCR仪的下加热铝块测温传感器固定孔的仰视图；

图16为本发明荧光定量PCR仪的试管检测模块的左前侧立体图；

图17为本发明荧光定量PCR仪的辅助放管部件的位置及其形状放大的立体图；

图中：1-触控屏；2-上位机左侧固定板；3-上位机支撑件；4-脚垫；5-上位机右侧固定板；6-右侧板；7-上位机右侧风扇；8-侧板把手；9-上盖；10-合页；11-上盖把手；12-电源固定支架；13-电源；14-前侧散热片；15-上位机左侧风扇；16-散热片风扇；17-后侧散热片；18-顶部风扇；19-风道板；20-试管挡片；21-磁铁；22-磁铁固定件；23-霍尔元件；24-隔热板；25-反应试管；26-光学模块；27-上加热膜；28-上加热铝块；29-定位光耦；30-光耦固定件；31-电路板支架；32-主控电路板；33-装置底板；34-底部风扇；35-下加热膜；36-下加热铝块；37-滑环；38-挡风板支撑件；39-下加热铝块支撑件；40-上加热铝块支撑件；41-挡风板；42-步进电机；43-电机及滑环固定架；44-固定板；45-固定架；46-光栅片；47-转盘；48-转盘转轴；49-联轴器；50-上加热铝块反应孔位；51-荧光采集孔位；52-上加热铝块测温传感器固定孔；53-下加热铝块反应孔位；54-下加热铝块测温传感器固定孔；55-左侧板；56-前侧板；57-上位机固定上罩；58-试管检测电路板；59-激发元件；60-接收元件；61-辅助放管部件；62-磁铁孔位；63-后侧板。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

本发明要求保护一种荧光定量PCR仪及其在核酸定量检测领域的应用，其中，“核酸定量检测”属于体外诊断试剂领域。

根据本发明的总体构思，提供了一种荧光定量PCR仪，由上位机和下位机构成，上位机中，通过触控屏提供人机交互的界面、通过电源提供稳定的输出功率；下位机中，通过顶部风扇、风道板和底部风扇实现了后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式；通过开盖检测模块和试管检测模块分别判断是否开盖和是否放管，实现了自动化随到随检；温度控制模块采用铝块加热方式；荧光采集模块和驱动模块设置在温度控制模块的中央空腔中旋转采集荧光信号；执行模块通过主控电路板控制数据交互模块和其他模块之间数据信号的交互。

以下结合附图1-17对本发明做进一步详细说明。

图1、图3分别示出了本发明荧光定量PCR仪右前侧和左后侧的立体图，2图结合可以看出：本发明荧光定量PCR仪由上位机和下位机构成，上位机包括数据交互模块和电源模块；下位机包括装置外壳、开盖检测模块、试管检测模块、温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块；其中，上机位中，数据交互模块包括触控屏1、上位机固定上罩57、上位机支撑件3、上位机左侧固定板2和上位机右侧固定板5，触控屏1固定在上位机固定上罩57上，上位机支撑件3固定在装置外壳的前侧板56上，上位机左侧固定板2和上位机右侧固定板5固定在上位机支撑件3上，数据交互模块为使用者提供了友好的人机交互界面，传递相应指令给执行模块执行相应动作，并接收执行模块采集的相应数据进行处理，可以实现扩增曲线的自动实时绘制，并显示最终检测结果。同时，上位机左侧风扇15和上位机右侧风扇7能及时将触控屏1产生的热量带走，确保触控屏1能长时间平稳工作。

下机位中，装置外壳包括装置底板33、左侧板55、右侧板6、前侧板56、后侧板63、上盖9、上盖把手11、侧板把手8和脚垫4，装置底板33、左侧板55、右侧板6、前侧板56、后侧板63和上盖9通过螺丝进行连接，确保装置外壳的紧固，并且均设置有多个磁铁孔位62，通过磁吸附确保上盖9的闭合度，避免外界光线可能对装置内部荧光造成的影响。上盖把手11通过螺丝固定在上盖9上，方便使用者打开和关闭上盖9，侧板把手8通过螺丝固定在左侧板55和右侧板6上，方便使用者搬运移动装置。前侧板56和后侧板63上分别设有前侧散热片14和后侧散热片17；后侧板63顶部对称设置有2个顶部风扇18，装置底板33上对称设置有4个底部风扇34，且后侧散热片17的中间还嵌入固定有散热片风扇16；上盖9通过合页10和后侧板63固定在一起，实现上盖9的开合，脚垫4安装在装置底板33底部，为底部风扇34留出出风口，并且使装置与放置平面为软接触，避免磕碰。同时，装置外壳均采用导热性能良好的金属材料，能快速有效地将隔热板24的热量导走。

图2示出了本发明荧光定量PCR仪的上位机内部结构右前侧的立体图，主要示出了电源模块的位置设置。图中可见：电源模块包括电源13和电源固定支架12，电源13固定在电源固定支架12上，电源固定支架12固定在上位机支撑件3上，电源13为装置提供稳定的高功率输出，确保装置能正常平稳运作，同时，上位机左侧固定板2、上位机右侧固定板5和上位机支撑件3均为电源13设计了散热风口，配合位于触控屏1两侧的风扇，包括上位机左侧风扇15和上位机右侧风扇7，能帮助电源13及时散热，保证其正常运行。具体地，上位机支撑件3的形状类似一个方方正正的倒“P”形，电源模块固定在倒“P”中间隔板的下部，散热风口位于电源13的下部，也就是散热风口位于电源模块的下面。

图4为本发明荧光定量PCR仪在开盖状态时，关于开盖检测模块与装置外壳之间内部位置关系的右前侧立体图，图中可见：开盖检测模块包括霍尔元件23、磁铁21、磁铁固定件22，磁铁21固定在磁铁固定件22里，霍尔元件23固定在后侧板63上，通过开盖和关盖时磁铁21所处的位置不同，从而使霍尔元件23输出不同的信号传递给下位机，由此来判断装置是否开盖，为随到随检提供支持。

图5为本发明荧光定量PCR仪的下位机内部结构右前侧的立体图，主要展示了下位机中装置外壳的前侧板56、后侧板63和装置底板33，及由它们固定和保护的温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块的主要核心部件。图中可见：温度控制模块包括类圆环形的上加热铝块28和下加热铝块36、定制的上加热膜27和下加热膜35，上加热膜27包裹在上加热铝块28外壁，为其提供稳定的温度，下加热膜35包裹在下加热铝块36外壁，为其提供稳定的温度。图中可见上加热铝块28和下加热铝块36均设计有32个检测孔位，具体生产应用中也可以是48位、96位……可以实现高通量的检测，提高了检测效率。检测孔位能够完全贴合反应试管25，保证反应试管25的加热效果。图中加热铝块的类圆环形设计，简化了荧光采集难度，简化了检测控制难度，优化了装置结构，使得装置整体结构更加小巧紧凑。上加热铝块28通过上加热铝块支撑件40固定，下加热铝块36通过下加热铝块支撑件39固定，下加热铝块支撑件39固定在上加热铝块支撑件40上，上加热铝块支撑件40固定在装置底板33上。

图5中还可见：荧光采集模块还包括光栅片46、定位光耦29和光耦固定件30，定位光耦29固定在光耦固定件30上，光耦固定件30固定在固定板44上，固定板44通过6个固定在电机及滑环固定架43上的固定架45。光栅片46固定在转盘47底部，光栅片46设置有一道0.5mm宽的狭缝，其与定位光耦29配合实现荧光采集模块的复位功能，进而确保荧光采集的精准性。

图5中还可见：执行模块包括主控电路板32和电路板支架31，主控电路板32固定在电路板支架31上，电路板支架31固定在装置底板33上，执行模块用于接收上位机的指令并执行相应动作，进行控温、控制电机运动以及控制荧光采集等动作，保证装置的正常运作。

图6示出了本发明荧光定量PCR仪的下位机内部关于驱动模块和荧光采集模块之间连接关系的侧面剖视图，图7为图6去除滑环后，展示内部联轴器位置的侧面剖视图，图6、图7结合图5可以看出：驱动模块包括步进电机42、滑环37、电机及滑环固定架43、联轴器49和转盘转轴48，步进电机42和滑环37固定在电机及滑环固定架43上，步进电机42为荧光采集模块旋转采集信号提供动力，保证其可以平稳准确地进行采集动作。滑环37为荧光采集模块可以一直做圆周运动进行荧光采集动作、不受电线缠绕干扰提供了保证，转盘转轴48通过联轴器49与步进电机42的电机轴相连接，转盘转轴48与转盘47通过螺丝与销钉固定和限位，保证了其旋转中心一致，并且通过转盘转轴48上部将重量转移到了滑环37上，并进一步传导至电机及滑环固定架43上，使得步进电机42只起到传递力矩的作用而不承受力的作用，减小了步进电机42的负担。电机及滑环固定架43固定在装置底板33上。

结合图5、图6和图7还可以看出：荧光采集模块包括光学模块26和转盘47，其中光学模块26主要包括内部光学结构组和光电检测电路组成，光学结构组包括可以形成特殊光路的多个光学元件和滤光片，光电检测电路包括激发光源和光电传感器。当光学模块内部的激发光源照射到反应试管25内部的试剂时，试剂内的荧光基团会产生荧光，通过光学模块26中的滤光片可以将环境中的其他波长的光滤除掉，只允许一定波长范围的荧光通过，经过内部光学结构组的作用，荧光最终被内部的光电传感器采集。光电传感器将接收到的光信号转换为电信号，再通过A/D转换，将电信号转换为数字信号，得到荧光的采集值，从而实现了通过光学模块26同时采集四种波长的荧光，大大提高了检测效率。光学模块26在应用中，其外壳可以选用金属材料，形成电磁屏蔽，保证采集信号不受外界干扰。荧光采集模块在驱动模块的帮助下可以精准定位每个孔位并采集荧光信号，保证荧光采集的精准性。光学模块26固定在转盘47上，转盘47固定在转盘转轴48上。

图8、图9分别为本发明荧光定量PCR仪风道运行方式的右侧剖视图和俯视剖视图，结合图1、图2可以看出，本发明通过后侧板63上的顶部风扇18从后部向内吹风进入下位机内，通过风道板19的风向引导，能够在尽量不影响加热铝块的情况下将风向下位机内的底部带动，再通过装置底板33上的4个底部风扇34从底部向外抽风，即后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式，可以将下位机中的多余热量带走。风道运行如图8、图9中箭头所示，形成冷风进、热风出的循环。具体应用中，还在反应试管25上方加入了试管挡片20，固定在上盖9上，避免了对暴露在风道处的反应试管25可能产生的不利影响。

图10示出了本发明中荧光定量PCR仪的隔热板的侧面剖视图，图11示出了本发明中荧光定量PCR仪的隔热板与装置外壳连接关系的右后侧的立体图，图10和图11可见：上加热铝块28和下加热铝块36之间设置有隔热板24，隔热板24为倒置的“工”字形、设置在上加热铝块28和下加热铝块36之间，将上加热铝块28和下加热铝块36分别置于其上部和下部，并且固定在装置外壳的前侧板56和后侧板63上；通过隔热板24与加热铝块之间的空气层可以避免上下两层不同温度的相互干扰，保证上下两层维持各自的温度。图10、图11和图5结合起来看，可以看出：隔热板24与装置金属外壳紧密相连，配合前侧散热片14和后侧散热片17和散热风扇，可以及时将多余的热量吸收导走。同时，隔热板24设计为将下加热铝块36完全包住的形状，既可以给有较高温度的下加热铝块36起保温作用，又可以避免散热时风扇的风对下加热铝块36产生影响。特别的，下加热铝块36的正下方设置有挡风板41，其可以避免风扇的风直吹加热铝块可能导致的温度异常，挡风板41固定在挡风板支撑件38上，其可以在一定范围内调节自身所处的高度，以达到最佳的遮风效果，挡风板支撑板38固定在上加热铝块支撑件40上。

图12和图14分别为本发明中荧光定量PCR仪的上加热铝块结构和下加热铝块结构的俯视立体图，从图12和图14中可以看出：上加热铝块28设置有上加热铝块反应孔位50，对称的，下加热铝块36上也设置有下加热铝块反应孔位53，图中上加热铝块反应孔位50和下加热铝块反应孔位53均显示有32个，具体生产应用中也可以是48个、96个……进一步地，上加热铝块28的每一个上加热铝块反应孔位50的内侧壁开有类长条形状的荧光采集孔位51，确保了荧光采集的有效性和准确性。

图13和图15分别为本发明中荧光定量PCR仪的上加热铝块测温传感器固定孔52和下加热铝块测温传感器固定孔54的仰视图，从图13和图15中可以看出：上加热铝块28上设置有两个对称的上加热铝块测温传感器固定孔52，下加热铝块36上也设置有两个对称的下加热铝块测温传感器固定孔54，用于将测温传感器固定在对应的加热铝块上，可以实时监测上加热铝块28和下加热铝块36的温度，通过两个测温传感器进一步保证温度的可靠性，保证其温度为需要的温度。

图16为本发明中荧光定量PCR仪的试管检测模块的左前侧立体图，从图中可见：试管检测模块包括试管检测电路板58、激发元件59、接收元件60和辅助放管部件61，激发元件59和接收元件60均焊制在试管检测电路板58上，试管检测电路板58固定在上加热铝块28上。图中一共设置有32组激发元件59和接收元件60，分别对应32个反应通道，具体生产应用中也可以设置有48组激发元件59和接收元件60，分别对应48个反应通道；设置有96组激发元件59和接收元件60，分别对应96个反应通道96位……激发元件59和接收元件60分别位于每个反应通道的两侧，激发元件59可以发射红外光，接受元件60可以接收激发元件59发射的红外光。当孔位没有放置反应试管25时，接收元件60可以正常接收激发元件59发射的红外光并输出相应信号；当孔位放置有反应试管25时，激发元件59发射的红外光被遮挡，接受元件60无法接收到红外光，从而输出另一个不同的信号。因此，对于放置有反应试管25和没有放置反应试管25的两种情况，接收元件60分别输出不同信号的传递给下位机，实现自动识别放管孔位，进而实现自动化的随到随检。特别的，激发元件59和接收元件60设置于反应试管25顶部，避免了其信号并可能对荧光信号造成的影响。

图17示出了本发明中荧光定量PCR仪的辅助放管部件61的相关位置关系、及辅助放管部件61形状放大的立体图，图17中，辅助放管部件61固定在试管检测电路板58上；辅助放管部件61设置有32个，分别对应32个反应孔位，具体生产应用中辅助放管部件61也可以设置为64个，分别对应64个反应孔位；辅助放管部件61也可以设置为96个，分别对应96个反应孔位......其内部设计为倒喇叭状，由此限制使用者在插入反应试管25时的位置，同时，倒喇叭状使得使用者在插管时更加顺畅，方便使用者将反应试管25准确顺利地插入相应反应孔位，提升使用者放管体验。辅助放管部件61在激发元件59和接收元件60对应两侧位置设置有用于透光的孔隙，同时该辅助放管部件61也起到了隔离每组反应试管25检测元件的作用，避免了相邻两组反应试管25检测元件之间的相互干扰。特别的，辅助放管部件61巧妙地起到了遮光的作用，通过其与反应试管25之间合理的间隙设计，减小了开盖时外部环境光进入反应试管25的风险，进而有效削减了开盖时外部环境光对荧光检测的影响，同时，辅助放管部件61本身也起到了遮光的作用，反应试管25的四周都被其包围住，进一步减少了开盖时外部环境光对反应试管25的影响，使得检测结果更加准确，提高了检测结果的可靠性。

本发明所述荧光定量PCR仪的具体运行方式为：启动电源，触控屏1能够主动读取仪器状态，待上加热铝块28和下加热铝块36到达预先设定的温度过后，打开上盖9，使用者将装有反应试剂的反应试管25放入上加热铝块反应孔位50、下加热铝块反应孔位53中，关上上盖9，此时，试管检测模块会自动识别放置有反应试管25的反应孔位，驱动模块带动荧光采集模块开始读取上加热铝块反应孔位50、下加热铝块反应孔位53的荧光数据并发送给执行模块，初步处理数据后，再将数据传送给数据交互模块进行荧光扩增曲线的实时处理和绘制，反应结束后自动得到反应结果，实现样品进、结果出的便捷操作。特别的，使用者可以在反应过程中随时放入新的反应试管25，装置会自动识别开盖动作，并通过试管检测模块自动识别新加入的实验孔位，装置会自动对数据进行相应处理，不会影响其他正在反应的样本，在保证结果准确的前提下，有效提高检测的灵活性。

本发明所述荧光定量PCR仪，创造性地设置了开盖检测模块和试管检测模块，通过电磁信号或光电信号自动判断是否开盖和是否放管，实现了自动化随到随检。此外，本发明还通过装置外壳及其所配置下位机中各模块之间的结构和位置的优化设置，不仅能够有效为装置控温、保温以及散热，精准驱动荧光信号的定位和采集，还能够避免开盖动作对正在反应的样本的影响，避免一切环境光或检测荧光对反应试管的负面干扰。最终经过创新、优化的荧光定量PCR仪不仅体积小、成本低、高通量、结构简单、操作便捷、灵敏度高、结果准确，而且能够全自动化、随到随检地灵活检测核酸样本。

Claims (8)

1.一种荧光定量PCR仪，其特征在于：由上位机和下位机构成，所述上位机包括数据交互模块和电源模块；所述下位机包括装置外壳、开盖检测模块、试管检测模块、温度控制模块、荧光采集模块、驱动模块和执行模块；其中，

所述数据交互模块包括触控屏（1）和上位机的外壳，通过所述触控屏（1）提供人机交互的界面；所述上位机的外壳包括上位机固定上罩（57）、上位机左侧固定板（2）、上位机右侧固定板（5）和上位机支撑件（3），所述触控屏（1）固定在所述上位机固定上罩（57）上，上位机左侧固定板（2）和上位机右侧固定板（5）固定在上位机支撑件（3）上，上位机支撑件（3）固定在装置外壳的前侧板（56）上；

所述电源模块设置于上位机的下部，包括电源(13)和电源固定支架（12），由所述电源(13)提供稳定的输出功率；其中，所述电源(13)包括模块电源；

所述装置外壳采用具有导热性能的金属材料，通过顶部风扇（18）、风道板(19)和底部风扇（34）实现后顶部向内吹风、底部向外抽风的风道运行方式；所述装置外壳还包括装置底板（33）、脚垫（4）、上盖（9）和4个侧板，其中4个侧板分别是左侧板（55）、右侧板（6）、前侧板（56）和后侧板（63）；所述装置底板（33）和4个侧板通过螺丝连接，上盖（9）通过合页（10）和后侧板（63）固定在一起，且所述上盖（9）与所述4个侧板之间的接触位置设有磁铁孔位（62），顶部风扇（18）固定在后侧板（63）的顶部，风道板(19)固定在上盖（9）上，底部风扇（34）设置在装置底板（33）上；

所述开盖检测模块包括霍尔元件（23）、磁铁（21）和磁铁固定件（22），通过所述霍尔元件（23）输出的信号来判断开盖动作；所述磁铁（21）固定在磁铁固定件（22）上，所述霍尔元件（23）固定在装置外壳的后侧板（63）上；

所述试管检测模块包括试管检测电路板（58）、激发元件（59）、接收元件（60）和辅助放管部件（61），通过试管检测电路板（58）输出的信号来判断反应孔位中的反应试管（25）；所述反应试管（25）通过辅助放管部件（61）进入反应孔位后，在反应试管（25）的上部还包括一段能够被辅助放管部件（61）包围的柱状的不透光区域，所述辅助放管部件（61）固定在试管检测电路板（58）上、且所述辅助放管部件（61）相对于激发元件（59）和接收元件（60）的两处侧壁上，均设有透光的孔隙；激发元件（59）和接收元件（60）分别置于反应孔位顶部的两侧、并固定在试管检测电路板（58）上，所述试管检测电路板（58）固定在所述温度控制模块上；

所述温度控制模块控制反应试管（25）的温度，采用铝块加热方式，所述铝块外包裹有加热膜；所述铝块包括上加热铝块(28)和下加热铝块(36)，所述加热膜包括与铝块位置相对应的上加热膜(27)和下加热膜(35)，还包括上加热铝块支撑件（40）和下加热铝块支撑件（39）；

所述荧光采集模块包括光学模块(26)和转盘(47)，通过光学模块(26)同时采集四种波长的荧光；其中，所述光学模块(26)外部还设有电磁屏蔽；

所述驱动模块包括步进电机(42)、滑环(37)、电机及滑环固定架(43)、联轴器(49)和转盘转轴(48)，通过步进电机(42)驱动荧光采集模块的运动和定位；

所述执行模块用于控制其他模块的运转，并提供与数据交互模块之间的数据交互。

2.根据权利要求1所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述电源模块中，所述电源（13）固定在电源固定支架（12）上，所述电源固定支架（12）固定在所述上位机支撑件（3）上。

3.根据权利要求1所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述执行模块包括主控电路板（32）和电路板支架（31），通过主控电路板（32）控制其他模块的运转。

4.根据权利要求3所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述温度控制模块中，上加热铝块(28)和下加热铝块(36)分别固定在对应的上加热铝块支撑件（40）和下加热铝块支撑件（39）上，且下加热铝块支撑件（39）固定在上加热铝块支撑件（40）上，上加热铝块支撑件（40）固定在装置外壳的装置底板(33)上；且试管检测模块的试管检测电路板（58）固定在上加热铝块(28)上；

所述荧光采集模块中，光学模块(26)固定在转盘(47)上；

所述驱动模块中，荧光采集模块的所述转盘(47)通过螺丝与销钉限位固定在转盘转轴(48)上，转盘转轴(48)与步进电机(42)的轴通过中间的联轴器(49)相连接，滑环(37)和步进电机(42)分别固定在电机及滑环固定架(43)的上部和下部，所述电机及滑环固定架(43)固定在装置外壳的装置底板(33)上；

所述执行模块中，主控电路板（32）固定在电路板支架（31）上，所述电路板支架（31）固定在装置外壳的装置底板(33)上。

5.根据权利要求1所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述数据交互模块中，上位机左侧固定板(2)和上位机右侧固定板(5)设有用于散热的上位机左侧风扇（15）和上位机右侧风扇（7）,并且上位机左侧固定板(2)、上位机右侧固定板(5)和上位机支撑件(3)设置有散热风口；所述电源模块中，电源（13）的下方正对上位机支撑件(3)的散热风口；

所述装置外壳中，前侧板（56）和后侧板（63）上分别设有前侧散热片（14）和后侧散热片（17）；后侧板（63）顶部设置有顶部风扇（18），装置底板（33）上设置有底部风扇（34），且所述后侧散热片（17）的中间还设有散热片风扇（16）。

6.根据权利要求1所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述荧光采集模块中，还设置有光栅片(46)、定位光耦（29）和光耦固定件(30)，所述光栅片(46)固定在转盘(47)的底部，且光栅片(46)上设有一条狭缝，所述定位光耦（29）固定在光耦固定件(30)上，所述光耦固定件(30)固定在固定板(44)上，所述固定板(44)固定在固定架(45)上，所述固定架(45)固定在电机及滑环固定架(43)上。

7.根据权利要求1所述的荧光定量PCR仪，其特征在于：所述温度控制模块中，还包括隔热板(24)，所述隔热板(24)设置在上加热铝块(28)和下加热铝块(36)之间，将上加热铝块(28)和下加热铝块(36)分别置于其上部和下部，并且固定在装置外壳的前侧板（56）和后侧板（63）上；所述下加热铝块（36）的正下方设置有挡风板(41)；

所述上加热铝块(28)上设置有上加热铝块反应孔位(50)和上加热铝块测温传感器固定孔（52），所述下加热铝块(36)上设置有下加热铝块反应孔位(53)和下加热铝块测温传感器固定孔（54）；每个反应孔位的内侧壁开有荧光采集孔位(51)。

8.权利要求1-7任一项中所述的荧光定量PCR仪在核酸检测领域的应用。

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