CN117074656A - 一种快速加热反应液的孵育装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速加热反应液的孵育装置及方法，属于医疗仪器设计领域。孵育装置主要由四部分组成，分别是提供孵育环境的孵育盘、用于加热孵育盘的加热膜、测量孵育盘温度的热敏电阻和控制整个装置的控制模块。本发明通过在孵育盘表面喷涂石墨烯涂层的方式提高了孵育盘的热导率和热辐射率，进而加快了反应液的升温速度。本发明优点在于不仅可以缩短反应液的孵育时长，提高检测速度，还能够减少反应液在其它温度下停留的时间，减少副反应发生，提高检测结果准确性。

Description

一种快速加热反应液的孵育装置及方法

技术领域

本发明属于医疗仪器设计领域，具体涉及一种用于医疗仪器中的恒温孵育装置及方法。

背景技术

免疫分析(immunoassay,IA)是一种基于抗原与其配对抗体能够发生特异性反应，用已知的抗原或抗体检测体液中的抗体或抗原浓度的检测方法。免疫分析的主要测试步骤包括加注样本和试剂、反应物混匀、孵育、分离清洗、加注信号试剂、测量信号值等。其中，孵育的作用是加热反应液，使反应液中的抗原抗体在特定温度下(通常是37℃)进行特异性结合，而该过程根据测试原理和模式的不同需要进行一次或多次。一般来说，反应液在孵育前都保持在2～8℃的低温状态，所以提高反应液的升温速度对缩短孵育时间、提高检测效率具有重要意义。

常见的免疫分析仪器，比如生化免疫分析仪、化学发光免疫分析仪都设有专门的孵育模块对反应液进行孵育。目前国内外免疫分析仪器的孵育系统主要采用三种方式对反应液进行加热，分别是：空气浴恒温加热、水浴循环加热和固体直接加热。空气浴恒温加热方式的反应杯和恒温槽之间留有间隙，通过空气对流和热辐射的方式传递热量。这种方式优点是结构简单、成本低、温度均匀性好，缺点是反应液升温速度慢，反应液温度容易受环境影响。水浴循环加热方式通过恒温水直接接触反应杯，通过水对流方式传递热量。这种加热方式优点是传热速度快，缺点是恒温槽中的水需要定期清理，产生的气泡和杂质残存在反应杯外壁也会对检测结果产生影响。固体直热加热方式的孵育盘由导热性较好的金属制成(通常是铝或铜)，孵育盘直接与反应杯接触，通过热传导的方式传递热量。这种加热方式导热速度快、不易受环境温度的影响，加热速度比空气浴恒温加热方式快，而且不存在水浴循环加热影响检测结果的缺点，是应用最广泛的一种方案。

目前固体直接加热方式是免疫分析仪器孵育系统中应用最为广泛的一种方案。该种方案相比于空气浴恒温加热升温速度有了提高，但由于存在以下两点缺点，依然制约着反应液的升温速度：

一是孵育盘材料的热导率不高。在固体直接加热方式下，孵育盘和反应杯主要靠热传导的方式传递热量，孵育盘材料的热导率对反应液的升温速度有显著影响。综合热导率、成本、机械强度等因素，通常采用导热性能较高的铝和铜作为孵育盘材料。铜的热导率为401W/m·K，而铝仅为237W/m·K，而自然界中还存在很多热导率大于铜和铝的材料。传统孵育盘材料热导率的不足制约着孵育盘的传热能力。

二是忽略了热辐射对传热的影响。理论上孵育盘直接与反应杯接触，只有热传导一种传热方式。但由于孵育盘和反应杯之间或多或少存在间隙，实际上在两者之间还存在热辐射的传热方式。由于金属的热辐射系数普遍较低，通常小于0.3，所以孵育盘通过热辐射传递给反应杯的热量很少，进而影响了反应液的升温速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种快速加热反应液的孵育装置及方法，该装置能使反应杯内的反应液能够快速达到预设温度。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种快速加热反应液的孵育装置，包括：

孵育盘，用于为反应液提供孵育环境；所述孵育盘包括铝制孵育盘体和石墨烯涂层，孵育盘体的一面上开设有若干用于放置反应杯的孵育孔，孵育孔内壁与反应杯直接接触处喷涂有石墨烯涂层；

加热膜，用于加热孵育盘；

热敏电阻，用于测量孵育盘温度；

控制模块，与加热膜和热敏电阻相连，用于控制整个孵育装置。

作为优选，所述孵育盘的制作方法如下：

通过绘图软件设计孵育盘的结构，用CNC数控加工出铝制孵育盘体，接着在孵育孔内壁上少量多次喷涂石墨烯浆料，最后将孵育盘体放在80℃的环境下固化两小时，形成表面附着有石墨烯涂层的铝制孵育盘体。

作为优选，所述孵育盘体表面也喷涂有石墨烯涂层。

作为优选，所述加热膜一侧带有背胶，加热膜通过背胶粘贴在孵育盘四周用于对其进行加热。

作为优选，所述热敏电阻通过打孔的方式嵌入到孵育盘内部，在热敏电阻和孵育盘的间隙内注入导热硅脂，以确保两者之间良好的热传递。

作为优选，所述控制模块包括：

采集电路：用于采集热敏电阻测量的孵育盘温度；

驱动电路：用于驱动加热膜工作；

控制器：用于根据获取采集电路所得孵育盘温度，通过控制驱动电路调节加热膜的输出功率以实现对孵育盘温度的精准调节。

进一步的，所述采集电路通过恒流源电路或者桥式分压电路将热敏电阻的电阻值转化为电压值。

进一步的，所述控制器通过PID算法调节PWM信号的占空比，进而调节加热膜的输出功率。

第二方面，本发明提供了一种采用第一方面任一所述快速加热反应液的孵育装置的孵育方法，具体如下：

设定孵育盘的目标温度和反应液的孵育时间，启动孵育装置，开始预热；

待孵育盘温度稳定到预设温度后，机械手依次夹取装有反应液的反应杯到孵育孔位中进行孵育；

待到达预设孵育时间后，机械手依次从孵育盘中夹出反应杯进行下一步操作，此次孵育结束。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明通过在孵育盘表面喷涂石墨烯涂层的方式提高了孵育盘的热导率和热辐射率，进而加快了反应液的升温速度。优点是不仅可以缩短孵育时长，提高检测速度，还能够减少反应液在其他温度下停留的时间，减少副反应发生，提高检测结果准确性。

附图说明

图1系统结构框图；

图2孵育盘结构图；

图3PWM信号示意图；

图4喷涂石墨烯层对反应液升温速度的影响。

图中附图标记为：孵育盘体201，石墨烯涂层202。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明提供的一种快速加热反应液的孵育装置，该孵育装置主要由四部分组成，分别是用于为反应液提供孵育环境的孵育盘、用于加热孵育盘的加热膜、用于测量孵育盘温度的热敏电阻和控制整个装置的控制模块。其中，孵育盘是本发明的核心设计。如图2所示，孵育盘主要包括铝制的孵育盘体201和石墨烯涂层202，孵育盘体201的一面上开设有多个用于放置反应杯的孵育孔，孵育孔内壁与反应杯直接接触的表面喷涂有石墨烯涂层202。也就是说，孵育盘采用金属铝作为盘体主要材料，在盘体表面特别是与反应杯直接接触的孵育孔位内壁上喷涂石墨烯浆料，待其干燥后形成石墨烯涂层附着在孵育盘表面。

本发明的设计原理如下：

石墨烯作为二维片面结构的纳米材料，在传热方面的性能表现远远胜于铜铝等传统材料，热导率高达5300W/m·K，同时热辐射率大于0.95。作为加热材料时可以与复合材料很好地贴合，同时具有柔性好、重量轻、加热均匀、热响应快等优点。但由于其脆性较大，所以容易发生断裂、破碎等情况，而且生产工艺相对较为复杂、价格较高。传统材料铜和铝虽然传热性能不如石墨烯好，但其具有较好的加工性和成型性，且有较好的韧性和强度，相比石墨烯来说价格更便宜。

本发明充分结合石墨烯和金属铝的优点，利用铝易加工、韧性好的优点作为孵育盘体，利用石墨烯热导率高、热辐射率高的特点作为盘体表面涂层。设计的核心在于通过在孵育盘孔内壁上喷涂石墨烯浆料提高孵育盘和反应杯之间的热导率和热辐射率。

由于反应杯和孵育孔位之间或多或少存在空气，所以二者之间存在热传导和热辐射两种传热方式。根据传热学计算公式，热传导的热流量：

式中，λ为热导率，单位为W/(m·K)；Δt为导热温差，单位为℃或K；A是导热面积；δ是导热介质厚度。

热辐射传热量为：

式中，∈是热辐射率，其值介于0和1之间；A是导热面积；C₀为辐射系数，其值为5.67W/m²·K⁴)；T₁为传热体温度，T₂为受热体温度，单位为℃或K。

从式(1)和式(2)可以看出，在温度差、导热面积、导热介质厚度不变的前提下，提高加热体的热导率λ和热辐射率∈可以增大热流量。

反应液的升温过程比较复杂，为简化运算，假设反应杯接收热量完全被反应液吸收。忽略反应杯厚度和反应液的温度梯度，此时可以用集总热容法分析反应液升温过程：

式中，T₁是孵育盘内壁温度；ρ是反应液密度；V是反应液体积；c是反应液比热容。等式左边是孵育盘通过热传导和热辐射传递的热量，等式右边是反应液吸收的热量。通过求解该微分方程可以粗略计算反应液从起始温度上升到目标温度所需的时间。

在实际使用时，孵育盘可以采用如下的制作方法：

首先在电脑上用Solidworks等绘图软件设计孵育盘的结构，然后用CNC数控加工出铝制孵育盘体201，接着在孵育孔内壁上少量多次的喷涂石墨烯浆料，最后将孵育盘体201放在80℃的环境下固化两小时，使石墨烯浆料均匀附着在孵育盘表面，形成表面附着有石墨烯涂层的铝制孵育盘体201。

在本实施例中，加热膜一侧带有背胶，加热膜通过背胶粘贴在孵育盘四周用于对其进行加热。加热膜的主要作用是通过内部电阻丝发热给孵育盘提供热量。加热膜根据电阻丝外部绝缘材料的不同分为聚酰亚胺加热膜、PET加热膜、硅胶加热膜等。加热膜内电阻丝排布紧密，电阻均匀，且加热膜一侧带有背胶，可以很好地贴合到孵育盘上，保证热量的均匀性。

在本实施例中，热敏电阻通过打孔的方式嵌入到孵育盘内部，在热敏电阻和孵育盘的间隙内注入导热硅脂，以确保两者之间良好的热传递。热敏电阻优选采用铂热电阻或NTC电阻，作用是测量孵育盘温度并实时反馈给控制模块。

在本实施例中，控制模块主要包括采集电路、驱动电路和控制器等。具体的，采集电路的作用是采集热敏电阻测量的孵育盘温度。热敏电阻通过阻值的变化来反映温度的变化，所以采集电路一般是通过恒流源电路或者桥式分压电路将热敏电阻的电阻值转化为电压值。控制器通过ADC接口读取采集电路的电压值，进而计算出电阻值及其对应的温度。由于加热膜的功率比较大，一般达到几十到上百瓦，而控制器引脚的带载能力一般比较弱，所以需要外接驱动电路驱动加热膜工作。控制器可以是单片机或其他控制器，主要通过调节PWM信号的占空比来控制升温速度。PWM控制原理如图3所示，在一个PWM周期Tc内，控制器通过调节高电平的时间与整个周期Tc时间的比例进而实现对输出电压的模拟控制。假设驱动模块的电压是24V，当PWM信号的占空比是100％时，加热膜得到的驱动电压是24V，此时加热膜全功率加热；当PWM信号的占空比是50％时，加热膜得到的驱动电压是12V，此时加热膜半功率加热；当PWM信号的占空比是0％时，加热膜得到的驱动电压是0V，此时加热膜停止加热。控制器通过采集电路获取孵育盘当前温度并与设定温度进行比较，根据PID温度控制算法调节PWM信号的占空比，实现对孵育盘温度的精准控制，确保在反应液孵育过程中孵育盘温度保持恒定。

通过实验测试石墨烯涂层对反应液升温速度的影响。取相同的装有初始温度7℃、300μL反应液的反应杯置入到未喷涂石墨烯层的孵育盘和喷涂了石墨烯层的孵育盘中进行加热，测量反应液的温度，得到反应液的升温曲线如图4所示。从图4中可以看到反应液在未喷涂石墨烯层的孵育盘中达到稳态的时间约为240s，反应液在喷涂了石墨烯层的孵育盘中达到稳态的时间约为180s，升温速度提高25％。从实验结果可以看出在孵育盘表面喷涂石墨烯层可以明显加快反应液升温速度。

采用上述快速加热反应液的孵育装置的孵育方法，具体如下：

1.设定孵育盘的目标温度和反应液的孵育时间，启动孵育装置，开始预热；

2.待孵育盘温度稳定到预设温度后，机械手依次夹取装有反应液的反应杯到孵育孔位中进行孵育；

3.待到达预设孵育时间后，机械手依次从孵育盘中夹出反应杯进行下一步操作，此次孵育结束。

4.如需多次孵育，则依次重复步骤2和3。

本发明通过在孵育盘表面喷涂石墨烯涂层的方式提高了孵育盘的热导率和热辐射率，进而加快了反应液的升温速度。本发明优点在于不仅可以缩短反应液的孵育时长，提高检测速度，还能够减少反应液在其它温度下停留的时间，减少副反应发生，提高检测结果准确性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，包括：

孵育盘，用于为反应液提供孵育环境；所述孵育盘包括铝制孵育盘体(201)和石墨烯涂层(202)，孵育盘体(201)的一面上开设有若干用于放置反应杯的孵育孔，孵育孔内壁与反应杯直接接触处喷涂有石墨烯涂层(202)；

加热膜，用于加热孵育盘；

热敏电阻，用于测量孵育盘温度；

控制模块，与加热膜和热敏电阻相连，用于控制整个孵育装置。

2.根据权利要求1所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述孵育盘的制作方法如下：

通过绘图软件设计孵育盘的结构，用CNC数控加工出铝制孵育盘体(201)，接着在孵育孔内壁上少量多次喷涂石墨烯浆料，最后将孵育盘体(201)放在80℃的环境下固化两小时，形成表面附着有石墨烯涂层的铝制孵育盘体(201)。

3.根据权利要求1所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述孵育盘体(201)表面也喷涂有石墨烯涂层(202)。

4.根据权利要求1所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述加热膜一侧带有背胶，加热膜通过背胶粘贴在孵育盘四周用于对其进行加热。

5.根据权利要求1所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述热敏电阻通过打孔的方式嵌入到孵育盘内部，在热敏电阻和孵育盘的间隙内注入导热硅脂，以确保两者之间的热传递。

6.根据权利要求1所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述控制模块包括：

采集电路：用于采集热敏电阻测量的孵育盘温度；

驱动电路：用于驱动加热膜工作；

控制器：用于根据获取采集电路所得孵育盘温度，通过控制驱动电路调节加热膜的输出功率以实现对孵育盘温度的精准调节。

7.根据权利要求6所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述采集电路通过恒流源电路或者桥式分压电路将热敏电阻的电阻值转化为电压值。

8.根据权利要求6所述的一种快速加热反应液的孵育装置，其特征在于，所述控制器通过PID算法调节PWM信号的占空比，进而调节加热膜的输出功率。

9.一种采用权利要求1～8任一所述快速加热反应液的孵育装置的孵育方法，其特征在于，具体如下：

设定孵育盘的目标温度和反应液的孵育时间，启动孵育装置，开始预热；

待孵育盘温度稳定到预设温度后，机械手依次夹取装有反应液的反应杯到孵育孔位中进行孵育；

待到达预设孵育时间后，机械手依次从孵育盘中夹出反应杯进行下一步操作，此次孵育结束。