CN116009617A - 微流控生化分析仪及温度控制方法 - Google Patents

微流控生化分析仪及温度控制方法 Download PDF

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CN116009617A CN202211725499.3A CN202211725499A CN116009617A CN 116009617 A CN116009617 A CN 116009617A CN 202211725499 A CN202211725499 A CN 202211725499A CN 116009617 A CN116009617 A CN 116009617A
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李�权
杨翥翔
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Shenzhen Mindray Animal Medical Technology Co Ltd
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Shenzhen Mindray Animal Medical Technology Co Ltd
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Abstract

本申请实施例公开了一种微流控生化分析仪及温度控制方法,微流控生化分析仪的上下加热器交替加热使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小。微流控生化分析仪包括反应腔、上加热器和下加热器,其可控制上加热器和下加热器交替加热,并使反应腔实时温度与反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。因此,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,从而形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。

Description

微流控生化分析仪及温度控制方法
技术领域
本申请实施例涉及医疗设备领域,具体涉及一种微流控生化分析仪及温度控制方法。
背景技术
微流控分析仪具有用于容置微流控芯片的反应腔,其采用离心微流控技术,微流控芯片(或称为检测盘片)上集成了样本腔、稀释液腔、样本定量腔、稀释液定量腔、样本混匀腔、比色腔、质控腔、废液腔以及液路微流道,生化分析过程中的样本分离、样本定量、稀释液定量、样本与稀释液混匀、样本反应、光学检测等过程都基于微流控芯片的离心运动实现,生化分析过程中需要的试剂以冻干小球的形式预封装在微流控芯片的比色腔内。
温度对反应腔内的生化反应的反应速率有较大的影响,高精度的温度控制系统是保证生化分析结果准确性和重复性的关键技术。反应腔的腔壁可设置加热器,如设置在反应腔顶部的上加热器以及设置在反应腔底部的下加热器,加热器持续加热以对反应腔内进行升温,在微流控芯片放置到反应腔内时进一步通过空气热传导对微流控芯片进行加热。已有的控制策略为温度控制系统根据反应腔实时温度T_chamber的值对比反应腔目标温度T_target0,根据对比结果输出相应的上加热器电压U_heat_up和下加热器电压U_heat_down来控制加热器,实现对反应腔温度的控制。
然而,上下加热器的结构并不一致,如图1所示,上加热器的结构与反应腔的顶部结构匹配,下加热器由于反应腔腔体下部存在转动电机的原因,其整体形状呈围绕转动电机的倒U字形,因而上加热器在反应腔顶部的投影面积大于下加热器在反应腔底部的投影面积,在上下加热器同时持续加热时,上加热器对反应腔顶部区域和对微流控芯片上表面的加热效果,与下加热器对反应腔底部区域和对微流控芯片下表面的加热效果不一致,反应腔内部各区域之间受热不均匀,微流控芯片的各个表面同样受热不均匀,影响微流控芯片的生化反应结果。
发明内容
本申请实施例提供了一种微流控生化分析仪及温度控制方法,微流控生化分析仪的上下加热器交替加热使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小。
本申请实施例第一方面提供了一种微流控生化分析仪,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
加热器温度传感器,以用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度;
温度控制器,以用于控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度,当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热。
本申请实施例第二方面提供了一种微流控生化分析仪,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
加热器温度传感器,以用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度;
温度控制器,以用于控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度、第二反应腔目标温度,当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热;
在停止所述第一阶段的交替加热且所述反应腔已加载微流控芯片时,所述温度控制器还用于控制所述上加热器和所述下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
本申请实施例第三方面提供了一种微流控生化分析仪,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
温度控制器,用于获取预设的反应腔目标温度,获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,控制所述上加热器和所述下加热器执行交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
本申请实施例第四方面提供了一种温度控制方法,所述方法应用于微流控生化分析仪,所述微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于所述反应腔的一侧的上加热器、相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧的下加热器以及用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度的加热器温度传感器;
所述方法包括:
控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度;
当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热;
获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热。
本申请实施例第五方面提供了一种温度控制方法,所述方法应用于微流控生化分析仪,所述微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于所述反应腔的一侧的上加热器、相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧的下加热器以及用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度的加热器温度传感器;
所述方法包括:
控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度、第二反应腔目标温度;
当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热;
获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热;
在停止所述第一阶段的交替加热且所述反应腔已加载微流控芯片时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
本申请实施例第六方面提供了一种温度控制方法,所述方法应用于微流控生化分析仪,所述微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于所述反应腔的一侧的上加热器、相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧的下加热器;
所述方法包括:
获取预设的反应腔目标温度,获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度;
控制所述上加热器和所述下加热器执行交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
从以上技术方案可以看出,本申请实施例具有以下优点:
微流控生化分析仪包括反应腔、上加热器和下加热器,其可控制上加热器和下加热器交替加热,并使反应腔实时温度与反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。因此,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,从而形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
附图说明
图1为本申请实施例中微流控生化分析仪的上加热器和下加热器一种结构示意图;
图2为本申请实施例中微流控生化分析仪一种结构示意图;
图3为本申请实施例中微流控生化分析仪的控制器一种结构示意图;
图4为本申请实施例中反应腔与各加热器、各温度传感器和控制器的连接关系示意图;
图5为本申请实施例中上下加热器交替加热在反应腔内形成自然对流一种效果示意图;
图6为本申请实施例中温度控制方法一个流程示意图;
图7为本申请实施例中温度控制方法另一流程示意图;
图8为本申请实施例中温度控制方法另一流程示意图;
图9为本申请实施例中微流控生化分析仪另一结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种微流控生化分析仪及温度控制方法,微流控生化分析仪的上下加热器交替加热使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请实施例中,微流控生化分析仪是指用于对待测样本进行检测分析以获得该待测样本的检测结果的仪器。图2提供了本申请实施例中一种微流控生化分析仪的结构示意图,如图2所示,微流控生化分析仪100至少包括检测装置130和控制器150,以及用于容纳微流控芯片的反应腔,该反应腔与各加热器和各温度传感器的连接关系的具体示意如图4。
在图2所示的微流控生化分析仪中,可设置用于容纳微流控芯片的反应腔,以及用于将微流控芯片输送至反应腔内的进样通道,从而用户可将微流控芯片放置在该进样通道中以便进样通道将微流控芯片输送至反应腔内。
检测装置130用于对输送至反应腔内的微流控芯片中的待测样本液进行检测以获得检测分析结果。例如,待测样本为血液样本时,检测装置130可以对微流控芯片中的待测样本液进行检测以获得血液样本的生化参数。
除此之外,在一些优选的实施方式中,微流控生化分析仪还可设置采样装置110或者样本制备装置120等组件,以便用户使用采样装置110和样本制备装置120制备待测样本液。其中,采样装置110具有带吸移管嘴的吸移管(例如采样针)并且具有驱动部,该驱动部用于驱动所述吸移管通过所述吸移管嘴定量吸取待测样本,例如采样针在驱动部的驱动下移动到装有血液样本的样本容器中吸取待测血液样本。
样本制备装置120具有至少一个反应池和试剂供应装置(未示出)。所述至少一个反应池用于接收由采样装置110吸取的待测样本,所述试剂供应装置将处理试剂提供给所述至少一个反应池,从而由所述采样装置110所吸取的待测样本与由所述试剂供应装置提供的处理试剂在所述反应池中混合,以制备成待测样本液。在制备待测样本液时,若待测样本的浓度过高,样本制备装置120还可吸取稀释液并使用该稀释液稀释待测样本,以防止待测样本浓度过高导致检测结果不准确。
检测装置130用于对由样本制备装置120制备的待测样本液进行检测以获得检测分析结果。例如,待测样本为血液样本时,检测装置130可以对由样本制备装置120制备的待测样本液进行检测以获得血液样本的生化参数。
需要说明的是,由于微流控芯片可装载预先制备好的待测样本液,因此,本申请实施例的微流控生化分析仪也可无需配置采样装置110和样本制备装置120,本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例中,微流控生化分析仪还可增设一显示器用于显示工作界面。显示器可与微流控生化分析仪的组成部件设置在同一台仪器中,如图2所示,显示器140与采样装置110、样本制备装置120、检测装置130等组成部件共同设置在同一台微流控生化分析仪上;也可独立于微流控生化分析仪,并与微流控生化分析仪通信连接以接收其传输的数据,即设置于微流控生化分析仪的组成部件所在的仪器之外,并与该组成部件保持通信连接。
显示器显示的工作界面可显示各个测试项目的测试结果、设备状态、样本检测状态等信息,例如显示由检测装置130获得的待测样本的检测分析结果。进一步地,工作界面还可配置为用户交互界面,用户可直接在该用户交互界面输入触控操作以向微流控生化分析仪发出指令。
本申请实施例中,微流控生化分析仪还包括控制器,该控制器可与微流控生化分析仪的组成部件设置在同一台仪器中,如图2所示,控制器150与采样装置110、样本制备装置120、检测装置130等组成部件共同设置在同一台微流控生化分析仪上;控制器也可以设置于微流控生化分析仪的组成部件所在的仪器之外,并与该组成部件保持通信连接。
以控制器与微流控生化分析仪的组成部件设置在同一台仪器这一场景为例说明控制器的结构。如图3所示,控制器150与采样装置110、样本制备装置120、检测装置130等微流控生化分析仪的组成部件以及显示器140连接,可接收各个组成部件反馈的状态信息。控制器150至少包括处理组件151、RAM152、ROM153、通信接口154、存储器156和I/O接口155。处理组件151、RAM152、ROM153、通信接口154、存储器156和I/O接口155通过总线157进行通信。处理组件可以为CPU,GPU或其它具有运算能力的芯片。存储器156中装有操作系统和应用程序等供处理组件151执行的各种计算机程序及执行该计算机程序所需的数据。另外,在样本分析过程中,如有需要本地存储的数据,均可以存储到存储器156中。I/O接口155由比如USB、IEEE1394或RS-232C等串行接口、SCSI、IDE或IEEE1284等并行接口以及由D/A转换器和A/D转换器等组成的模拟信号接口构成。I/O接口155上连接有由键盘、鼠标、触摸屏或其它控制按钮构成的输入设备,用户可以用输入设备直接向控制器150输入数据。另外,I/O接口155上还可以连接具有显示功能的显示器140,例如:液晶屏、触摸屏、LED显示屏等。控制器150可以将处理的数据以图像显示数据输出到显示器140上进行显示,例如:分析数据、仪器运行参数等。通信接口154可以是目前已知的任意通信协议的接口。通信接口154通过网络与外界进行通信。控制器150可以通过通信接口154以一定的通信协议,与通过该网络连接的任意装置之间传输数据。
如图4所示,微流控生化分析仪的反应腔与加热器1和加热器2连接,该加热器1可以是设置在反应腔的一侧的上加热器,则加热器2相对应地可以是下加热器,下加热器相对于该上加热器设置且位于反应腔的另一侧。例如,上加热器设置于反应腔的顶部,与反应腔的顶壁接触;下加热器设置于反应腔的底部,与反应腔的底部接触。
此外,为提升加热器对反应腔的加热效果,减少热量损失,各加热器朝向外部环境的一侧可增设保温棉,从而利用保温棉隔绝加热器与外部环境的接触,减少加热器的热量散失,提升加热器的加热效果。
微流控生化分析仪还可设置加热器温度传感器和反应腔温度传感器,反应腔温度传感器设置于反应腔内,以用于采集反应腔的实时温度;加热器温度传感器,与各加热器连接,以用于分别检测上加热器和/或下加热器的温度。例如,加热器温度传感器1设置在加热器1与反应腔顶部之间的夹层中,以用于采集加热器1的温度;加热器温度传感器2设置在加热器2与反应腔底部之间的夹层中,以用于采集加热器2的温度。
上述的各加热器和各温度传感器可分别与微流控生化分析仪的温度控制器连接,该温度控制器可以是图2和图3所示的控制器150,或者说,后文所述的温度控制器的功能可集成在图2和图3所示的控制器150中。
温度控制器获取各温度传感器采集的实时温度,如获取加热器温度传感器1采集的上加热器的实时温度T_heat_up,获取加热器温度传感器2采集的下加热器的实时温度T_heat_down,获取反应腔温度传感器采集的反应腔的实时温度T_chamber,获取环境温度传感器采集的环境温度T_ambient;以及温度控制器将控制指令发送至各加热器以指示各加热器对反应腔进行加热,如将加热电压U_heat_up发送至上加热器以指示其按照该电压进行加热,将加热电压U_heat_down发送至下加热器以指示其按照该电压进行加热。
下面将基于前述的微流控生化分析仪的结构及其温度控制器,进一步详细说明微流控生化分析仪的各组成部件以及每个组成部件所执行的功能和操作。
在本申请实施例微流控生化分析仪的第一个实施例中,温度控制器可控制上加热器和/或下加热器的加热,并获取加热器温度传感器和反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度,当上加热器的实时温度和/或下加热器的实时温度达到该加热器目标温度时,控制上加热器和下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当反应腔实时温度与第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止该第一阶段的交替加热。
其中,所谓的交替加热,是指在每个时间段内上加热器和下加热器中仅有一个加热而另一个停止加热,且相邻的时间段执行加热的加热器不同。例如,某个时段,上加热器加热而下加热器停止加热;则下一个时段,上加热器停止加热而下加热器启动加热;再下一个时段,上加热器加热而下加热器停止加热……如此循环反复,实现上加热器与下加热器交替加热。
因此,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
本实施例一种优选的实施方式中,该第一阶段的交替加热可以是反应腔尚未加载微流控芯片时的预热阶段。也就是说,在进入预热阶段的交替加热之前,温度控制器可控制上加热器和下加热器进行加热,使得上加热器和下加热器中任意一个的实时温度达到该加热器目标温度,或者上加热器和下加热器的实时温度均达到该加热器目标温度。此时,可进入预热阶段的交替加热,温度控制器可控制上加热器和下加热器执行预热阶段的交替加热,反应腔继续升温,使得反应腔实时温度与第一反应腔目标温度的差值落在预设温差范围内。
本实施例一种优选的实施方式中,可通过控制各加热器的电压来控制各加热器的交替加热。具体的,在第一阶段的交替加热过程,上加热器或者下加热器的每一次加热为一个加热周期,第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行,则在第一阶段的任一加热周期,温度控制器具体用于获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,根据该任一加热周期的反应腔实时温度和第一反应腔目标温度分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压,以及下加热器在该任一加热周期的输出电压。
在确定各加热器在第一阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法(proportional-integral-derivative,比例-积分-微分)确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可计算该任一加热周期的反应腔实时温度与第一反应腔目标温度的差值,将此差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压,以及下加热器在该任一加热周期的输出电压。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,在上述控制方式中,根据反应腔的实时温度确定各加热器的输出电压,进而根据该输出电压控制上下加热器交替加热,使得反应腔的升温能够根据反应腔的实际温度进行精准地控制,也使得各加热器的控制更加方便易行,提升方案的可行性。
以上方式在计算各加热器的输出电压时未考虑环境因素的影响,而在本实施例另一优选的实施方式中,计算各加热器的输出电压时也可以考虑环境因素对反应腔温度的影响。具体的,微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,以用于采集微流控生化分析仪所在的环境温度。在第一阶段的该任一加热周期,温度控制器具体用于获取环境温度传感器采集到的该任一加热周期的环境温度,以及获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,根据该任一加热周期的环境温度、该任一加热周期的反应腔实时温度和第一反应腔目标温度,分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。
在确定各加热器在第一阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可将该任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到该预设函数的函数值,计算该预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对该任一加热周期的反应腔实时温度与乘积作差得到综合探测温度,计算第一反应腔目标温度与该综合探测温度的差值,将差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。其中,该系统经验增益系数为预设的常数。
使用公式表示如下:
T_in=T_chamber-k*f(T_ambient);
其中,T_in为综合探测温度,k为系统经验增益系数,为预设的经验值,f(T_ambient)为以环境温度为自变量的预设函数,其函数值与环境温度相关。
该预设函数可以是以环境温度为自变量的任意形式的函数,只要该预设函数能够表征环境温度对反应腔温度的影响即可,其具体的表达式内容不作限定。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,根据环境温度确定各加热器的输出电压,可使各加热器的加热控制更加精准,反应腔的升温控制更贴合实际情况,实现更精准的升温控制。
在上述计算各加热器的输出电压并据此控制各加热器交替加热的各实施方式中,温度控制器具体用于根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位,确定上加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定下加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压。当上加热器的目标输出电压不为0,下加热器的目标输出电压为0时,控制上加热器在该任一加热周期按照上加热器的目标输出电压进行加热,且控制下加热器在该任一加热周期停止加热。而当上加热器的目标输出电压为0,下加热器的目标输出电压不为0时,控制下加热器在该任一加热周期按照下加热器的目标输出电压进行加热,且控制上加热器在该任一加热周期停止加热。
其中,根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压,其一种方式可以是,上加热器的目标输出电压U_heat_up与上加热器的输出电压U1(P,I,D)满足:
U_heat_up=F(G1(n))*U1(P,I,D);
其中,G1(n)=sin(nπ+kπ),n为该任一加热周期在该先后顺序中的序位,n为正整数;k为非整数;F(G1(n))为判断函数,当G1(n)值大于0时,F(G1(n))=1;当G1(n)值小于等于0时,F(G1(n))=0。
也就是说,在根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压U1(P,I,D)之后,可根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定该上加热器对应的目标输出电压U_heat_up。
例如,可设k=0.5,若该任一加热周期为该第一阶段的多个加热周期中的第一个加热周期,即此时n的值为1,则可计算得到G1(n)=-1,当G1(n)值小于0时,F(G1(n))=0,则最终计算得到上加热器的目标输出电压U_heat_up为0,表示该任一加热周期上加热器停止加热。
同理,若该任一加热周期为该第一阶段的多个加热周期中的第二个加热周期,即此时n的值为2,则可计算得到G1(n)=1,当G1(n)值大于0时,F(G1(n))=1,则最终计算得到上加热器的目标输出电压U_heat_up为U1(P,I,D),表示该任一加热周期上加热器按照该电压U1(P,I,D)进行加热。
而下加热器的目标输出电压U_heat_down与下加热器的输出电压U2(P,I,D)满足:
U_heat_down=F(G2(n))*U2(P,I,D);
其中,G2(n)=sin((n+1)*π+kπ),n为该任一加热周期在该先后顺序中的序位,n为正整数;k为非整数;F(G2(n))为判断函数,当G2(n)值大于0时,F(G2(n))=1;当G2(n)值小于等于0时,F(G2(n))=0。
也就是说,在根据PID算法计算得到下加热器在该任一加热周期的输出电压U2(P,I,D)之后,可根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定该下加热器对应的目标输出电压U_heat_down。
例如,可设k=0.5,若该任一加热周期为该第一阶段的多个加热周期中的第一个加热周期,即此时n的值为1,则可计算得到G2(n)=1,当G2(n)值大于0时,F(G2(n))=1,则最终计算得到上加热器的目标输出电压U_heat_down为U2(P,I,D),表示该任一加热周期下加热器将按照该电压U2(P,I,D)进行加热。
同理,若该任一加热周期为该第一阶段的多个加热周期中的第二个加热周期,即此时n的值为2,则可计算得到G2(n)=-1,当G2(n)值小于0时,F(G2(n))=0,则最终计算得到下加热器的目标输出电压U_heat_down为0,表示该任一加热周期下加热器停止加热。
当k设为0.5时,上下加热器的目标输出电压与该任一加热周期在该先后顺序中的序位之间的关系可如下表所示:
Figure BDA0004029664110000131
当然,以上G1(n)和G2(n)为sin函数,但也可以是cos函数,或者其他周期函数,如G1(n)=cos(nπ+kπ),G2(n)=cos((n+1)*π+kπ),同样能实现对上下加热器的交替加热控制。
其中,第一阶段的交替加热过程中每个加热周期的加热时长可依据以下方式确定,设反应腔温度传感器每隔T时长采集一次反应腔的实时温度,T时长可以为任意时长,如2秒、3秒等时长,且每经过N个温度采集周期n的值加1(N≥1),即一个加热周期内经过了N个温度采集周期,就进入下一个加热周期。例如,假设N为1,则第一个加热周期完成了1次温度采集之后进入第二个加热周期,第二个加热周期完成了1次温度采集之后进入第三个加热周期,以此类推。也就是说,当N=1时,能够实现上下加热器每隔1个温度采集周期实现一次加热器加热交替;N=2时,能够实现上下加热器每隔2个温度采集周期实现一次加热器加热交替;N=i时,能够实现上下加热器每隔i个温度采集周期实现一次加热器加热交替。因此,可推导出每个加热周期的加热时长为N×T。
确定每个加热周期下进行加热以及停止加热的加热器,其方式除了根据上述的周期函数进行确定这一方式之外,也可以通过其他方式确定,如设置该任一加热周期在该先后顺序中的序位为奇数序位时由上加热器加热而下加热器停止加热,该序位为偶数序位时由下加热器加热而上加热器停止加热,则在第一个加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热;在第二个加热周期,下加热器加热而上加热器停止加热……以此类推。本实施例对确定每个加热周期下进行加热和停止加热的加热器的方式不作限定。
本实施例一种优选的实施方式中,在完成预热阶段的交替加热之后,微流控芯片可放入反应腔内,此时可启动第二阶段的交替加热。因此,在停止第一阶段的交替加热且反应腔已加载微流控芯片时,温度控制器还用于获取预设的第二反应腔目标温度,控制上加热器和下加热器执行第二阶段的交替加热,以对反应腔内的微流控芯片进行升温,并使反应腔实时温度与第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
本实施例中,第一阶段所依据的预设温差范围,与第二阶段所依据的预设温差范围,可以是相同的数值范围,也可以是不同的数值范围,此处不作限定。并且,第一阶段所依据的第一反应腔目标温度,与第二阶段所依据的第二反应腔目标温度,可以是相同的温度数值,也可以是略有区别的温度数值,此处不作限定。
其中,在第二阶段的交替加热过程,上加热器或者下加热器的每一次加热为一个加热周期,第二阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,在第二阶段的任一加热周期,温度控制器具体用于获取环境温度传感器采集到的该任一加热周期的环境温度,以及获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,并根据该任一加热周期的环境温度、该任一加热周期的反应腔实时温度和第二反应腔目标温度,分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。
因此,在确定各加热器在第二阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可将该任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到该预设函数的函数值,计算该预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对该任一加热周期的反应腔实时温度与乘积作差得到综合探测温度,计算第二反应腔目标温度与该综合探测温度的差值,将差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。其中,该系统经验增益系数为预设的常数。
使用公式表示如下:
T_in=T_chamber-k*f(T_ambient);
其中,T_in为综合探测温度,k为系统经验增益系数,为预设的经验值,f(T_ambient)为以环境温度为自变量的预设函数,其函数值与环境温度相关。
该预设函数可以是以环境温度为自变量的任意形式的函数,只要该预设函数能够表征环境温度对反应腔温度的影响即可,其具体的表达式内容不作限定。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,根据环境温度确定各加热器的输出电压,可使各加热器的加热控制更加精准,反应腔的升温控制更贴合实际情况,实现更精准的升温控制。
在第二阶段的交替加热过程中,可通过以下方式来确定第二阶段下的每个加热周期中需要加热的加热器以及需要停止加热的加热器,即温度控制器可根据该任一加热周期在先后顺序中的序位,确定上加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定下加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压。当上加热器的目标输出电压不为0,下加热器的目标输出电压为0时,控制上加热器在该任一加热周期按照上加热器的目标输出电压进行加热,且控制下加热器在该任一加热周期停止加热;当上加热器的目标输出电压为0,下加热器的目标输出电压不为0时,控制下加热器在该任一加热周期按照下加热器的目标输出电压进行加热,且控制上加热器在该任一加热周期停止加热。
其中,第二阶段下根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压,其具体方式与前述第一阶段下根据任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压的具体方式类似,此处不再赘述。
因此,通过本实施例,上下加热器根据各自对应的输出电压交替加热,在反应腔内不同位置处形成空气温差,可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
基于前述的微流控生化分析仪的结构及其温度控制器,本申请实施例还提供了微流控生化分析仪的第二个实施例,以下将进一步详细说明。
在微流控生化分析仪的第二个实施例中,温度控制器可控制上加热器和/或下加热器的加热,并获取加热器温度传感器和反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度、第二反应腔目标温度,当上加热器的实时温度和/或下加热器的实时温度达到加热器目标温度时,控制上加热器和下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当反应腔实时温度与第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止该第一阶段的交替加热。在停止第一阶段的交替加热且反应腔已加载微流控芯片时,温度控制器还用于控制上加热器和下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得反应腔实时温度与第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
其中,第一阶段所依据的预设温差范围,与第二阶段所依据的预设温差范围,可以是相同的数值范围,也可以是不同的数值范围,此处不作限定。并且,第一阶段所依据的第一反应腔目标温度,与第二阶段所依据的第二反应腔目标温度,可以是相同的温度数值,也可以是略有区别的温度数值,此处不作限定。
因此,通过本实施例,无论是第一阶段还是第二阶段,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
本实施例一种优选的实施方式中,在第二阶段的交替加热过程,上加热器或者下加热器的每一次加热为一个加热周期,第二阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,在第二阶段的任一加热周期,温度控制器具体用于获取环境温度传感器采集到的该任一加热周期的环境温度,以及获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,并根据该任一加热周期的环境温度、该任一加热周期的反应腔实时温度和第二反应腔目标温度,分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。
因此,在确定各加热器在第二阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可将该任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到该预设函数的函数值,计算该预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对该任一加热周期的反应腔实时温度与乘积作差得到综合探测温度,计算第二反应腔目标温度与该综合探测温度的差值,将差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。其中,该系统经验增益系数为预设的常数。
使用公式表示如下:
T_in=T_chamber-k*f(T_ambient);
其中,T_in为综合探测温度,k为系统经验增益系数,为预设的经验值,f(T_ambient)为以环境温度为自变量的预设函数,其函数值与环境温度相关。
该预设函数可以是以环境温度为自变量的任意形式的函数,只要该预设函数能够表征环境温度对反应腔温度的影响即可,其具体的表达式内容不作限定。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,根据环境温度确定各加热器的输出电压,可使各加热器的加热控制更加精准,反应腔的升温控制更贴合实际情况,实现更精准的升温控制。
在上述计算各加热器的输出电压并据此控制各加热器交替加热的各实施方式中,温度控制器具体用于根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位,确定上加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定下加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压。当上加热器的目标输出电压不为0,下加热器的目标输出电压为0时,控制上加热器在该任一加热周期按照上加热器的目标输出电压进行加热,且控制下加热器在该任一加热周期停止加热。而当上加热器的目标输出电压为0,下加热器的目标输出电压不为0时,控制下加热器在该任一加热周期按照下加热器的目标输出电压进行加热,且控制上加热器在该任一加热周期停止加热。
在第二阶段的交替加热过程中,可通过以下方式来确定第二阶段下的每个加热周期中需要加热的加热器以及需要停止加热的加热器,即温度控制器可根据该任一加热周期在先后顺序中的序位,确定上加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定下加热器在该任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压。当上加热器的目标输出电压不为0,下加热器的目标输出电压为0时,控制上加热器在该任一加热周期按照上加热器的目标输出电压进行加热,且控制下加热器在该任一加热周期停止加热;当上加热器的目标输出电压为0,下加热器的目标输出电压不为0时,控制下加热器在该任一加热周期按照下加热器的目标输出电压进行加热,且控制上加热器在该任一加热周期停止加热。
本实施例中,第二阶段下根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压,其具体方式与微流控生化分析仪第一个实施例中,第一阶段下根据任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压的具体方式类似,此处不再赘述。
本实施例另一优选的实施方式中,在第一阶段的交替加热过程,上加热器或者下加热器的每一次加热为一个加热周期,第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,在第一阶段的该任一加热周期,温度控制器具体用于获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,根据该任一加热周期的反应腔实时温度和第一反应腔目标温度分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压,以及下加热器在该任一加热周期的输出电压。
在确定各加热器在第一阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法(proportional-integral-derivative,比例-积分-微分)确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可计算该任一加热周期的反应腔实时温度与第一反应腔目标温度的差值,将此差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压,以及下加热器在该任一加热周期的输出电压。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,在上述控制方式中,根据反应腔的实时温度确定各加热器的输出电压,进而根据该输出电压控制上下加热器交替加热,使得反应腔的升温能够根据反应腔的实际温度进行精准地控制,也使得各加热器的控制更加方便易行,提升方案的可行性。
在第一阶段的交替加热控制中,也可以同时考虑环境因素对反应腔温度的影响以计算各加热器在第一阶段的该任一加热周期的输出电压。具体的,微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,以用于采集微流控生化分析仪所在的环境温度。在第一阶段的该任一加热周期,温度控制器具体用于获取环境温度传感器采集到的该任一加热周期的环境温度,以及获取反应腔温度传感器采集到的该任一加热周期的反应腔实时温度,根据该任一加热周期的环境温度、该任一加热周期的反应腔实时温度和第一反应腔目标温度,分别确定上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。
在确定各加热器在第一阶段的该任一加热周期的输出电压之后,若在该任一加热周期,上加热器加热而下加热器停止加热,则温度控制器可控制上加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制下加热器停止加热。若在该任一加热周期,上加热器停止加热而下加热器加热,则温度控制器可控制下加热器按照其在该任一加热周期的输出电压进行加热,且控制上加热器停止加热。
其中,可根据PID算法确定各加热器在该任一加热周期的输出电压。温度控制器可将该任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到该预设函数的函数值,计算该预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对该任一加热周期的反应腔实时温度与乘积作差得到综合探测温度,计算第一反应腔目标温度与该综合探测温度的差值,将差值作为PID算法的输入,根据PID算法计算得到上加热器在该任一加热周期的输出电压和下加热器在该任一加热周期的输出电压。其中,该系统经验增益系数为预设的常数。
使用公式表示如下:
T_in=T_chamber-k*f(T_ambient);
其中,T_in为综合探测温度,k为系统经验增益系数,为预设的经验值,f(T_ambient)为以环境温度为自变量的预设函数,其函数值与环境温度相关。
该预设函数可以是以环境温度为自变量的任意形式的函数,只要该预设函数能够表征环境温度对反应腔温度的影响即可,其具体的表达式内容不作限定。
当然,也可计算各加热器的输出功率并控制各加热器按照该输出功率进行加热,本实施例对此不作限定。
因此,根据环境温度确定各加热器的输出电压,可使各加热器的加热控制更加精准,反应腔的升温控制更贴合实际情况,实现更精准的升温控制。
本实施例中,第一阶段下根据该任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压,其具体方式与微流控生化分析仪第一个实施例中,第一阶段下根据任一加热周期在该先后顺序中的序位确定各加热器对应的目标输出电压的具体方式类似,此处不再赘述。
基于前述的微流控生化分析仪的结构及其温度控制器,本申请实施例还提供了微流控生化分析仪的第三个实施例,以下将进一步详细说明。
在微流控生化分析仪的第三个实施例中,微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于反应腔内以用于采集反应腔实时温度的反应腔温度传感器、设置于反应腔的一侧的上加热器、相对于上加热器设置且位于反应腔另一侧的下加热器以及温度控制器。其中,该温度控制器用于获取预设的反应腔目标温度,获取反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,控制上加热器和下加热器执行交替加热,以使得反应腔实时温度与反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
其中,上加热器和下加热器交替加热的时段,不限于是反应腔未加载微流控芯片的预热阶段,也不限于是反应腔已加载微流控芯片的加热阶段,其可以是任意的需要对反应腔升温或者对反应腔内微流控芯片升温的时段,此处不作限定。
因此,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
下面将基于前述微流控生化分析仪的结构及其温度控制器,以微流控生化分析仪为描述对象,进一步描述微流控生化分析仪执行的温度控制方法。
请参阅图6,本申请实施例中温度控制方法一个实施例包括:
601、控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;
602、获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度;
603、当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热;
604、获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热;
本实施例的方法可应用于微流控生化分析仪,微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于反应腔内以用于采集反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于反应腔的一侧的上加热器、相对于上加热器设置且位于反应腔的另一侧的下加热器以及用于分别检测上加热器和/或下加热器的温度的加热器温度传感器。微流控生化分析仪的具体结构以及各组件之间的连接关系已在前文详细说明,此处不再赘述。
本实施例微流控生化分析仪所执行的操作的具体解释说明与前述实施例中微流控生化分析仪各组件所执行的功能和作用的具体解释说明类似,具体可参见本申请实施例中微流控生化分析仪前述多个实施例中的描述,此处不再赘述。
因此,本实施例中,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
请参阅图7,本申请实施例中温度控制方法另一个实施例包括:
701、控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;
702、获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度、第二反应腔目标温度;
703、当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热;
704、获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热;
705、在停止所述第一阶段的交替加热且所述反应腔已加载微流控芯片时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内;
本实施例的方法可应用于微流控生化分析仪,微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于反应腔内以用于采集反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于反应腔的一侧的上加热器、相对于上加热器设置且位于反应腔的另一侧的下加热器以及用于分别检测上加热器和/或下加热器的温度的加热器温度传感器。微流控生化分析仪的具体结构以及各组件之间的连接关系已在前文详细说明,此处不再赘述。
本实施例微流控生化分析仪所执行的操作的具体解释说明与前述实施例中微流控生化分析仪各组件所执行的功能和作用的具体解释说明类似,具体可参见本申请实施例中微流控生化分析仪前述多个实施例中的描述,此处不再赘述。
因此,本实施例中,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
请参阅图8,本申请实施例中温度控制方法另一个实施例包括:
801、获取预设的反应腔目标温度,获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度;
802、控制所述上加热器和所述下加热器执行交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内;
本实施例的方法可应用于微流控生化分析仪,微流控生化分析仪包括用于容纳微流控芯片的反应腔、设置于反应腔内以用于采集反应腔的实时温度的反应腔温度传感器、设置于反应腔的一侧的上加热器、相对于上加热器设置且位于反应腔的另一侧的下加热器。微流控生化分析仪的具体结构以及各组件之间的连接关系已在前文详细说明,此处不再赘述。
本实施例微流控生化分析仪所执行的操作的具体解释说明与前述实施例中微流控生化分析仪各组件所执行的功能和作用的具体解释说明类似,具体可参见本申请实施例中微流控生化分析仪前述多个实施例中的描述,此处不再赘述。
因此,本实施例中,上下加热器交替加热,可使反应腔内空气的不同位置处交替受热,使得反应腔内空气密度在反应腔内不同位置处发生较大差别,如图5所示,根据自然对流理论,自然对流是由流体自身温度场的不均匀所引起的流动,因而反应腔内不同位置处的空气温差可使反应腔内形成自然对流,在自然对流作用下空气扰动更大,在空气导热和自然对流共同作用下使得微流控芯片上下表面的受热更均匀,温差更小,其加热效果更优于同时加热,更小的温差有助于提升微流控芯片中生化反应的准确性。
下面对本申请实施例中的微流控生化分析仪进行描述,请参阅图9,本申请实施例中微流控生化分析仪一个实施例包括:
该微流控生化分析仪900可以包括一个或一个以上中央处理器(centralprocessing units,CPU)901和存储器905,该存储器905中存储有一个或一个以上的应用程序或数据。
其中,存储器905可以是易失性存储或持久存储。存储在存储器905的程序可以包括一个或一个以上模块,每个模块可以包括对微流控生化分析仪中的一系列指令操作。更进一步地,中央处理器901可以设置为与存储器905通信,在微流控生化分析仪900上执行存储器905中的一系列指令操作。
微流控生化分析仪900还可以包括一个或一个以上电源902,一个或一个以上有线或无线网络接口903,一个或一个以上输入输出接口904,和/或,一个或一个以上操作系统,例如Windows ServerTM,Mac OS XTM,UnixTM,LinuxTM,FreeBSDTM等。
该中央处理器901可以执行本申请实施例中微流控生化分析仪前述多个实施例中温度控制器所执行的操作,具体此处不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机存储介质,其中一个实施例包括:该计算机存储介质中存储有指令,该指令在计算机上执行时,使得该计算机执行本申请实施例中微流控生化分析仪前述多个实施例中温度控制器所执行的操作。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统,装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
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。例如,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,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,在本申请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。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,read-onlymemory)、随机存取存储器(RAM,random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (16)

1.一种微流控生化分析仪,其特征在于,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
加热器温度传感器,以用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度;
温度控制器,以用于控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度,当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热。
2.根据权利要求1所述的微流控生化分析仪,其特征在于,在所述第一阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,
在所述第一阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述反应腔温度传感器采集到的任一加热周期的反应腔实时温度,根据所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第一反应腔目标温度分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压,以及所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
3.根据权利要求2所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于计算所述任一加热周期的反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值,将所述差值作为PID算法的输入,根据所述PID算法计算得到所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压,以及所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压。
4.根据权利要求1所述的微流控生化分析仪,其特征在于,在所述第一阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;
所述微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,以用于采集所述微流控生化分析仪所在的环境温度;
在所述第一阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述环境温度传感器采集到的任一加热周期的环境温度,以及获取所述反应腔温度传感器采集到的任一加热周期的反应腔实时温度;
根据所述任一加热周期的环境温度、所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第一反应腔目标温度,分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
5.根据权利要求4所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于,将所述任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到所述预设函数的函数值,计算所述预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对所述任一加热周期的反应腔实时温度与所述乘积作差得到综合探测温度;其中,所述系统经验增益系数为预设的常数;
计算所述第一反应腔目标温度与所述综合探测温度的差值,将所述差值作为PID算法的输入,根据所述PID算法计算得到所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压。
6.根据权利要求2至5任一项所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于根据所述任一加热周期在所述先后顺序中的序位,确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压;
当所述上加热器的目标输出电压不为0,所述下加热器的目标输出电压为0时,控制所述上加热器在所述任一加热周期按照所述上加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述下加热器在所述任一加热周期停止加热;
当所述上加热器的目标输出电压为0,所述下加热器的目标输出电压不为0时,控制所述下加热器在所述任一加热周期按照所述下加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述上加热器在所述任一加热周期停止加热。
7.根据权利要求1至6任一项所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,以用于采集所述微流控生化分析仪所在的环境温度;
在停止所述第一阶段的交替加热且所述反应腔已加载微流控芯片时,所述温度控制器还用于获取预设的第二反应腔目标温度,控制所述上加热器和所述下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内;
其中,在所述第二阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第二阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,
在所述第二阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述环境温度传感器采集到的所述任一加热周期的环境温度,以及获取所述反应腔温度传感器采集到的所述任一加热周期的反应腔实时温度;
根据所述任一加热周期的环境温度、所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第二反应腔目标温度,分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
8.根据权利要求7所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于,将所述任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到所述预设函数的函数值,计算所述预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对所述任一加热周期的反应腔实时温度与所述乘积作差,得到综合探测温度;其中,所述系统经验增益系数为预设的常数;
计算所述第二反应腔目标温度与所述综合探测温度的差值,将所述差值作为PID算法的输入,根据所述PID算法计算得到所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压。
9.根据权利要求7或8所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于根据所述任一加热周期在所述先后顺序中的序位,确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压;
当所述上加热器的目标输出电压不为0,所述下加热器的目标输出电压为0时,控制所述上加热器在所述任一加热周期按照所述上加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述下加热器在所述任一加热周期停止加热;
当所述上加热器的目标输出电压为0,所述下加热器的目标输出电压不为0时,控制所述下加热器在所述任一加热周期按照所述下加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述上加热器在所述任一加热周期停止加热。
10.一种微流控生化分析仪,其特征在于,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
加热器温度传感器,以用于分别检测所述上加热器和/或所述下加热器的温度;
温度控制器,以用于控制所述上加热器和/或所述下加热器的加热,并获取所述加热器温度传感器和所述反应腔温度传感器采集的实时温度;以及,
获取预设的加热器目标温度和第一反应腔目标温度、第二反应腔目标温度,当所述上加热器的实时温度和/或所述下加热器的实时温度达到所述加热器目标温度时,控制所述上加热器和所述下加热器执行第一阶段的交替加热,并获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,当所述反应腔实时温度与所述第一反应腔目标温度的差值在预设温差范围内时停止所述第一阶段的交替加热;
在停止所述第一阶段的交替加热且所述反应腔已加载微流控芯片时,所述温度控制器还用于控制所述上加热器和所述下加热器执行第二阶段的交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述第二反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
11.根据权利要求10所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,所述环境温度传感器用于采集所述微流控生化分析仪所在的环境温度;
在所述第二阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第二阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,
在所述第二阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述环境温度传感器采集到的所述任一加热周期的环境温度,以及获取所述反应腔温度传感器采集到的所述任一加热周期的反应腔实时温度;
根据所述任一加热周期的环境温度、所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第二反应腔目标温度,分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
12.根据权利要求11所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于,将所述任一加热周期的环境温度代入以环境温度为自变量的预设函数以计算得到所述预设函数的函数值,计算所述预设函数的函数值与系统经验增益系数的乘积,再对所述任一加热周期的反应腔实时温度与所述乘积作差,得到综合探测温度;其中,所述系统经验增益系数为预设的常数;
计算所述第二反应腔目标温度与所述综合探测温度的差值,将所述差值作为PID算法的输入,根据所述PID算法计算得到所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压。
13.根据权利要求11或12所述的微流控生化分析仪,其特征在于,所述温度控制器具体用于根据所述任一加热周期在所述先后顺序中的序位,确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压,以及确定所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压对应的目标输出电压;
当所述上加热器的目标输出电压不为0,所述下加热器的目标输出电压为0时,控制所述上加热器在所述任一加热周期按照所述上加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述下加热器在所述任一加热周期停止加热;
当所述上加热器的目标输出电压为0,所述下加热器的目标输出电压不为0时,控制所述下加热器在所述任一加热周期按照所述下加热器的目标输出电压进行加热,且控制所述上加热器在所述任一加热周期停止加热。
14.根据权利要求13所述的微流控生化分析仪,其特征在于,在所述第一阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;则,
在所述第一阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述反应腔温度传感器采集到的任一加热周期的反应腔实时温度,根据所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第一反应腔目标温度分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压,以及所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
15.根据权利要求13所述的微流控生化分析仪,其特征在于,在所述第一阶段的交替加热过程,所述上加热器或者所述下加热器的每一次加热为一个加热周期,所述第一阶段的多个加热周期按照先后顺序依次进行;
所述微流控生化分析仪还包括环境温度传感器,所述环境温度传感器设置在所述微流控生化分析仪的外部,用于采集所述微流控生化分析仪周边的环境温度;
在所述第一阶段的任一加热周期,所述温度控制器具体用于获取所述环境温度传感器采集到的任一加热周期的环境温度,以及获取所述反应腔温度传感器采集到的任一加热周期的反应腔实时温度;
根据所述任一加热周期的环境温度、所述任一加热周期的反应腔实时温度和所述第一反应腔目标温度,分别确定所述上加热器在所述任一加热周期的输出电压和所述下加热器在所述任一加热周期的输出电压;
控制所述上加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述下加热器停止加热;或者,控制所述下加热器按照其在所述任一加热周期的输出电压进行加热,且控制所述上加热器停止加热。
16.一种微流控生化分析仪,其特征在于,包括:
反应腔,以用于容纳微流控芯片;
反应腔温度传感器,设置于所述反应腔内以用于采集所述反应腔的实时温度;
上加热器,设置于所述反应腔的一侧;
下加热器,相对于所述上加热器设置且位于所述反应腔的另一侧;
温度控制器,用于获取预设的反应腔目标温度,获取所述反应腔温度传感器采集到的反应腔实时温度,控制所述上加热器和所述下加热器执行交替加热,以使得所述反应腔实时温度与所述反应腔目标温度的差值维持在预设温差范围内。
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