CN116254178A - 一种直插式qcm技术检测rna病毒的恒温控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，包括：金属小型测量池、热敏电阻、半导体制冷片、散热器、LCD显示屏、控制电路板和主控芯片电路板；半导体制冷片的上表面通过导热硅脂与金属小型测量池底部贴合，下表面通过导热硅脂与散热器相连接，热敏电阻放置于金属小型测量池内部，主控芯片电路板反面设置多组排针用于插入到控制电路板，主控芯片电路板与控制电路板组成直插式结构，控制电路板分别与所述的热敏电阻、半导体制冷片、散热器、LCD显示屏连接，温度采集电路可滤除杂波，驱动电路可控制半导体制冷片的制冷制热的转换以及工作效率。本发明提供的恒温控制装置可用于QCM技术检测RNA病毒，实现对RNA病毒的高精度检测。

Description

一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置
技术领域
本发明涉及一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，属于恒温控制设备技术领域。
背景技术
QCM技术检测RNA病毒的原理是通过在石英晶体传感器芯片表面引入高度特异的DNA引物，形成DNA探针，根据核酸分子的双链碱基互补配对原理，RNA病毒特异性地与石英晶体表面的DNA探针进行结合，石英晶体的表面载荷量就会发生变化，从而促使石英晶体的振荡频率随之改变，即可检测出RNA病毒。
在采用QCM技术对RNA病毒的核酸分子进行检测时，DNA探针与RNA病毒的核酸分子只有在特定的温度范围内才具有高速且稳定的杂交效率，而且温度对于石英晶体振荡频率的稳定性也具有较大影响，因此温度不合适会导致传感器检测过程中检测精度低以及假阴性出现率高等问题。现有的QCM检测温控技术无法兼具高精度的温度分辨率和稳定的恒温控制能力，严重影响QCM技术检测RNA病毒的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，以解决因对生物样液温度控制不精准、不稳定导致QCM技术检测RNA病毒的准确性较低的技术问题以及设备装置体积较大、不易携带的问题。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，包括：金属小型测量池、热敏电阻、半导体制冷片、散热器、LCD显示屏、控制电路板和主控芯片电路板；所述金属小型测量池的腔室底部嵌有AT切型压电石英晶片，所述石英晶体具备优良温度频率特性；所述主控芯片电路板设置于所述控制电路板上；所述金属小型测量池设置于所述半导体制冷片的上表面；所述半导体制冷片的下表面设置于所述散热器上；所述热敏电阻固定于所述金属小型测量池中；所述热敏电阻和半导体制冷片通过杜邦线与所述控制电路板连接；所述LCD显示屏通过排线与所述控制电路板连接；
所述控制电路板包括温度采集电路、半导体制冷片驱动电路、按键电路以及LCD显示屏；所述温度采集电路分别与热敏电阻、主控芯片电路板连接，用于将所述热敏电阻采集到的温度模拟信号转化主控芯片可识别的数字信号；所述半导体制冷片驱动电路分别与半导体制冷片、主控芯片电路板连接，所述半导体制冷片驱动电路根据主控芯片电路板的控制信号来控制半导体制冷片制冷或制热；所述按键电路与主控芯片电路板连接，用于输入设定温度值；所述LCD显示屏与主控芯片电路板连接，用于显示样液的实时温度值和设定温度值；
所述温度采集电路由分压采集电路、电压跟随器以及低通滤波电路组成；所述分压采集电路输出温度信号至电压跟随器，电压跟随器输出信号至低通滤波电路，低通滤波电路输出将电压信号中的低频杂波滤除；
所述半导体制冷片驱动电路包括分压缓冲器模块、同相放大模块、功率放大模块、反馈分压缓冲模块，所述分压缓冲器模块的输出端接入同相放大模块，所述同相放大模块的输出端接入功率放大模块，所述功率放大模块的分压输入到反馈分压缓冲模块，所述反馈分压缓冲模块的输出端也接入同相放大模块，功率放大模块输出电压控制半导体制冷片工作。
进一步地，所述半导体制冷片的上表面通过导热硅脂与所述金属小型测量池连接；所述半导体制冷片的下表面通过导热硅脂与所述散热器连接；所述半导体制冷片的周围设置隔热棉。
进一步地，所述主控芯片电路板的反面设置多组排针，用于直插到所述控制电路板的基座，构成直插式结构，缩小恒温控制装置的体积，提高其便携性。
进一步地，所述半导体制冷片的主要材料为碲化铋，温度控制范围为10℃～80℃。
进一步地，所述热敏电阻采用DS18B20温度传感器，测温分辨率可达0.0625℃，误差范围为±0.2℃。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用直插式结构，将原有的温度控制电路板拆分成双层直插式结构，即主控芯片电路板直插入到控制电路板的基座上，缩小整个装置的体积，具有小型化和便携性的技术优势。
2.本发明的温度采集电路中的低通滤波器能够滤除杂波信号，大大提高温度测量的准确度，温度测量分辨率可达0.0625℃，能够有效地提高温度的控制精度，从而提高压电传感器频率信号的稳定性。
3.本发明的半导体制冷片驱动电路能够控制半导体制冷片制冷、制热的工作状态转换以及工作效率，一片半导体制冷片即可完成控温，也极大提高了装置的便携性。
4.本发明的温度控制范围为10℃～80℃，误差范围为±0.2℃，能够有效地提高DNA探针与RNA病毒的核酸分子的杂交效率，使检测精度更高，降低假阴性出现的概率。
5.本发明的半导体制冷片上下面均涂有导热硅脂且周围设置隔热棉，提高热量传递效率，从而减少能源的损耗，增加设备的使用时间。
附图说明
图1为本发明的直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置的结构示意图；
图2为本发明的制冷组件和测温组件与控制电路板的连接结构示意图；
图3为本发明的直插式主控芯片电路板的结构示意图；
图4为本发明的温度采集电路示意图；
图5为本发明的半导体制冷片的驱动电路示意图；
图6为本发明的测温电路和控温电路控制结构框图。
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。
如图1、3所示，本发明实例提供一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，包括：主控芯片电路板1、控制电路板2、散热器3、半导体制冷片5、热敏电阻6、金属小型测量池7、LCD显示屏9；主控芯片电路板1反面设置排针直插到控制电路板2的基座上；半导体制冷片5的上下表面均涂有导热硅脂4，用于减少接触面的缝隙，提高热量传递效率，其上下表面分别与金属小型测量池7、散热器3贴合，半导体制冷片5的周围设置隔热棉8，用于隔热，热敏电阻6固定于金属小型测量池7内，用于采集样液实时温度。
如图2所示，控制电路板2通过杜邦线连接半导体制冷片5、热敏电阻6，通过排线连接LCD显示屏9，用于显示设定温度和实时温度。
控制电路板2采用增量式PID算法，使样液的温度保持恒定，增量式PID算法的表达式为：
Δu(k)＝KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
公式中Δu(k)为控制系统的输出增量，KP是比例系数，KI是积分系数，KD是微分系数，e(k)为控制系统的输入与输出的偏差。
热敏电阻6的温度测量分辨率可达0.0625℃，误差范围为±0.2℃，具有较高温度的控制精度，保证压电传感器中的石英晶片振荡频率的稳定性。
温度采集电路包括分压采集电路、电压跟随器以及低通滤波电路。先在分压采集电路中采集到电压值；再将电压值通过电压跟随器，电压跟随器可使输入输出级电路互不影响；最后通过低通滤波电路，将电压信号中的低频杂波滤除。
如图4所示，分压采集电路具体实施例中包括热敏电阻NTC和电阻R16；电压跟随器包括放大器U6A、电阻R17和电阻R18；低通滤波器包括放大器U6B、电阻R19、R20、R21、R22以及电容C11、C12。
半导体制冷片驱动电路包括分压缓冲器模块、同相放大模块、功率放大模块以及反馈分压缓冲模块。先将参考电压输入到分压缓冲器模块，其次接入到同相放大模块的同相端，再将放大电压输入到功率放大模块，输出电压来控制半导体制冷片工作，最后反馈分压缓冲模块将输出电压的分压反馈到同相放大模块的同相端，形成闭环反馈电路。
如图5所示，半导体制冷片驱动电路具体实施例中，分压缓冲器模块包括放大器U1、电阻R1、R2、R3、R4、R5以及电容C1、C2、C3；同相放大模块包括放大器U2、电阻R6、R7以及电容C4；功率放大模块包括放大器U5、电阻R8、R9以及半导体制冷片；反馈分压缓冲模块包括放大器U3、U4、电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15以及电容C5、C6。
如图6所示，分压采集电路根据热敏电阻的特性采集热敏电阻两端的电压Ua，电压Ua通过电压跟随器，电压值不改变，Ua再通过低通滤波电路，滤除低频杂波，获得纯净的电压信号Up，送入到主控芯片的AD模块，将电压信号转化为温度值。主控芯片将采集到的温度值与目标温度值送入到增量式PID算法中进行数据处理，再由DA模块将计算得到的控制量转换成电压UDA，送入到功率放大器的同相端，5V电压Ui在分压缓冲器中进行分压，得到参考电压Ur，同时功率放大器输出的电压Ud，进入到反馈分压缓冲器产生反馈电压Uf，Ur和Uf输入到同相放大器的同相端进行放大得到电压Um，Um输入到功率放大器的反相端，最终将功率放大器的输出电压Ud接到半导体制冷片两端，控制半导体制冷片的制冷制热转换以及工作效率的大小。
温度控制范围为10℃～80℃，能够满足生化反应对温度的要求，保证DNA探针与RNA病毒的核酸分子杂交速率达到最优，实现对RNA病毒的高精度检测。
本发明的一个具体实现及其工作方法如下：
首先用移液枪将RNA病毒样液注入金属小型测量池7，然后在控制电路板2上通过按键设置生化反应所需的温度值，热敏电阻6通过温度采集电路实时检测金属小型测量池7内的温度，控制电路板2接收设置温度值和实时检测的温度值并在LCD显示屏9上显示，同时主控芯片电路板1将两个温度值送入到增量式PID算法中进行数据处理，再将计算所得的控制量转换成相应的电压，最后将此电压输入到驱动电路中，进而控制半导体制冷片的制冷制热转换以及工作效率的大小，最终实现温度精准控制。若实时检测温度值等于设定温度值，控制半导体制冷片5小功率工作来保持金属小型测量池7内温度恒定；若超过设定温度值，控制半导体制冷片5制冷，由于金属小型测量池7温度高于半导体制冷片5，热量通过导热硅脂4传到半导体制冷片5，金属小型测量池7温度下降，使其处于设定温度偏差范围内，同时半导体制冷片5下表面散发的热量通过导热硅脂4传到散热器3，防止温度过高烧坏装置；若低于设定温度值，控制半导体制冷片5制热，热量通过导热硅脂4传到金属小型测量池7，使其处于设定温度偏差范围内。

Claims (5)

1.一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，其特征在于，包括：金属小型测量池、热敏电阻、半导体制冷片、散热器、LCD显示屏、控制电路板和主控芯片电路板；所述金属小型测量池的腔室底部嵌有AT切型压电石英晶片，所述石英晶体具备优良温度频率特性；所述主控芯片电路板设置于所述控制电路板上；所述金属小型测量池设置于所述半导体制冷片的上表面；所述半导体制冷片的下表面设置于所述散热器上；所述热敏电阻固定于所述金属小型测量池中；所述热敏电阻和半导体制冷片通过杜邦线与所述控制电路板连接；所述LCD显示屏通过排线与所述控制电路板连接；
所述控制电路板包括温度采集电路、半导体制冷片驱动电路、按键电路以及LCD显示屏；所述温度采集电路分别与热敏电阻、主控芯片电路板连接，用于将所述热敏电阻采集到的温度模拟信号转化主控芯片可识别的数字信号；所述半导体制冷片驱动电路分别与半导体制冷片、主控芯片电路板连接，所述半导体制冷片驱动电路根据主控芯片电路板的控制信号来控制半导体制冷片制冷或制热；所述按键电路与主控芯片电路板连接，用于输入设定温度值；所述LCD显示屏与主控芯片电路板连接，用于显示样液的实时温度值和设定温度值；
所述温度采集电路由分压采集电路、电压跟随器以及低通滤波电路组成；所述分压采集电路输出温度信号至电压跟随器，电压跟随器输出信号至低通滤波电路，低通滤波电路输出将电压信号中的低频杂波滤除；
所述半导体制冷片驱动电路包括分压缓冲器模块、同相放大模块、功率放大模块、反馈分压缓冲模块，所述分压缓冲器模块的输出端接入同相放大模块，所述同相放大模块的输出端接入功率放大模块，所述功率放大模块的分压输入到反馈分压缓冲模块，所述反馈分压缓冲模块的输出端也接入同相放大模块，功率放大模块输出电压控制半导体制冷片工作。
2.如权利要求1所述的一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，其特征在于，所述半导体制冷片的上表面通过导热硅脂与所述金属小型测量池连接；所述半导体制冷片的下表面通过导热硅脂与所述散热器连接；所述半导体制冷片的周围设置隔热棉。
3.如权利要求1所述的一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，其特征在于，所述主控芯片电路板的反面设置多组排针，用于直插到所述控制电路板的基座，构成直插式结构，缩小恒温控制装置的体积，提高其便携性。
4.如权利要求1所述的一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，其特征在于，所述半导体制冷片的主要材料为碲化铋，温度控制范围为10℃～80℃。
5.如权利要求1所述的一种直插式QCM技术检测RNA病毒的恒温控制装置，其特征在于，所述热敏电阻采用DS18B20温度传感器，测温分辨率可达0.0625℃，误差范围为±0.2℃。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117737204A (zh) * 2023-12-20 2024-03-22 北京大学 生物传感器以及检测装置

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