CN117427698A - 数字微流控芯片的控温结构及数字微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字微流控技术领域，具体公开了一种数字微流控芯片的控温结构及数字微流控芯片。数字微流控芯片的控温结构包括微流控芯片本体，微流控芯片本体上设有腔体，腔体外侧的底部设有升降温单元；腔体内侧的底部设有温度检测件和反应池，反应池用于盛放反应物。本发明提供的数字微流控芯片的控温结构，温度检测件和反应池均设置于微流控芯片本体的腔体内，实现了接触式测量温度，腔体的底部由同一升降温单元加热或降温，保证温度检测件检测的温度和反应池内反应物的温度具有一致性，能获取反应物的温度的真实值并能进行精确的温度控制，且不污染反应物，提高了RT‑PCR检测的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，尤其涉及一种数字微流控芯片的控温结构及数字微流控芯片。
背景技术
聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，如今已成为生物学领域基因分析不可或缺的重要手段。实时定量PCR(realtime PCR，RT-PCR)，是在传统PCR基础上在样品中添加荧光探针，通过荧光检测装置，对未知样品的初始DNA数量进行估算，从而实现定量检测。在应用RT-PCR技术进行临床检测或实验研究时，实际样品十分宝贵，且试剂材料价格高昂，因此提高检测或实验的成功率显得尤为重要。而RT-PCR检测技术的关键在于准确的温度控制，1摄氏度的系统温差都将决定实验的成败；另外，在多通道检测中，还须保证各通道温度条件一致，以使样品扩增效率相同、结果具有可对比性。为此，许多研究者围绕着温度控制、热循环系统仿真分析等展开了一系列研究，来提高系统的温控效率和准确度。
目前，国内外常用的RT-PCR的控温方式主要有以下几种：(1)采用半导体变温方式；(2)采用变温气流方式；(3)采用变温铝块方式；上述控温平台皆是基于非接触式测温技术与传统封闭式的PCR仪，而非接触式测温方式具有诸多缺点，如：(1)传感器探头未直接接触试剂，因此难以测量试剂真实温度；(2)传感器探头须与接触面温度达到热平衡后，才能准确反映接触面温度，因此存在一定迟滞。因此基于非接触式测温技术的控制算法，难以直接准确测得试剂温度的真实值并进行精确的温度控制。
综上所述，亟需提供一种数字微流控芯片的控温结构以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字微流控芯片的控温结构及数字微流控芯片，克服了非接触式测温方式的缺点，能快速准确的检测试剂温度并进行精确的温度控制，且结构简单，成本低。
为达此目的，
一方面，本发明提供一种数字微流控芯片的控温结构，包括：
微流控芯片本体，所述微流控芯片本体上设有腔体，所述腔体外侧的底部设有升降温单元；
温度检测件，设置于所述腔体内侧的底部；
反应池，用于盛放反应物，所述反应池设置于所述腔体内侧的底部。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述温度检测件和所述腔体内侧底部的底面粘接或焊接。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述腔体内侧底部的底面设有基底连接部，所述温度检测件固定于所述基底连接部上。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述基底连接部的材质为聚酰亚胺、聚酯、金属、非金属或相变导热材料。所述金属材质为金、银、铝、铜等材质。所述非金属材质为石墨、硅橡胶等材质。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述基底连接部与所述腔体内侧底部的底面粘接或焊接，所述温度检测件与所述基底连接部粘接或焊接。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述微流控芯片本体包括电路基板和盖板，所述电路基板和所述盖板围合成所述腔体，所述电路基板作为腔体的底部。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述电路基板表面设有疏水介电层。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述电路基板靠近所述腔体的一端设有疏水介电层。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述电路基板为印制电路板(PCB)或玻璃电路。
所述电路基板上设有贯穿所述电路基板的若干导热孔，但不贯穿疏水介电层。在一些实施方案中，所述导热孔位于所述温度检测件和反应池的底部及底部周围位置。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述腔体内填充有导热液体。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述温度检测件为热电偶温度传感器或热敏电阻温度传感器。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述腔体内侧的底部设有液体进出通道，所述液体进出通道与所述反应池连通。
作为上述的数字微流控芯片的控温结构的一种可选技术方案，所述温度检测件和所述反应池设置于同一所述升降温单元上。
提供一种数字微流控芯片，包括上述任一项所述的数字微流控芯片的控温结构。
本发明的另一方面，提供一种数字微流控芯片的控温结构，相对于本发明的第一方面，所述温度检测件设置于腔体内的其它位置，例如设置于盖板上。
本发明的有益效果：
本发明提供的数字微流控芯片的控温结构，温度检测件和反应池均设置于微流控芯片本体的腔体内，实现了接触式测量温度，腔体的底部被同一升降温单元加热或降温，保证温度检测件检测的温度和反应池内反应物的温度具有一致性，能获取反应物的温度的真实值并能进行精确的温度控制，且不污染反应物，提高了RT-PCR检测的成功率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的腔体内部的局部结构示意图；
图2是本发明实施例提供的腔体内部的局部剖视图；
图3是本发明实施例提供的数字微流控芯片腔体内部的导热层的分布图；
图4是本发明实施例提供的温度检测件实际检测温度的效果分析图。
图中：
1、温度检测件；2、基底连接部；3、反应池；4、液体进出通道；5、腔体；6、升降温单元；7、反应物；8、导热孔；9、电路基板；10、疏水介电层；100、微流控芯片本体。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征连接。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
针对现有技术中，基于非接触式测温技术的控制算法，难以直接准确测得试剂温度的真实值并进行精确的温度控制的问题，本实施例提供了一种数字微流控芯片的控温结构及数字微流控芯片以解决上述技术问题。
具体地，如图1和图2所示，本实施例提供的数字微流控芯片的控温结构包括微流控芯片本体100，微流控芯片本体100上设有腔体5，腔体5外侧的底部设有升降温单元6。腔体5内侧的底部设有温度检测件1和反应池3，反应池3内用于盛放反应物7。
本实施例提供的数字微流控芯片的控温结构，温度检测件1和反应池3均设置于微流控芯片本体100的腔体5内，实现了接触式测量温度，腔体5的底部被同一升降温单元6加热或降温，保证温度检测件1检测的温度和反应池3内反应物7的温度具有一致性，能获取反应物7的温度的真实值并能进行精确的温度控制，且不污染反应物7，提高了RT-PCR检测的成功率。
微流控芯片本体100包括电路基板9和盖板，盖板与电路基板9连接形成腔体5，电路基板9作为腔体5的底部，电路基板9靠近腔体5的一端设有疏水介电层10。将温度检测件1和反应池3设置于腔体5内。温度检测件1可以设置为一个或者多个，在此不作具体限定。反应池3设有一个或多个，根据实际需求进行设定。温度检测件1优选靠近反应池3设置，以提高检测的温度与反应池3内反应物7的温度的一致性。其中电路基板9为印制电路板(PCB)或玻璃电路。
为了便于向反应池3内注入反应物7，在本实施例中，腔体5的底部设有液体进出通道4，液体进出通道4与反应池3连通。每个反应池3可以对应设置一个液体进出通道4。或者多个反应池3对应一个液体进出通道4，以简化结构。
温度检测件1和腔体5内侧底部的底面粘接或焊接，连接结构简单，成本低。
由于温度检测件1体积较小，为了进一步便于固定温度检测件1于腔体5内侧的底部，在本实施例中，腔体5内侧底部的底面设有基底连接部2，温度检测件1固定于基底连接部2上。基底连接部2起到了桥接温度检测件1的作用，相较于现有技术中将温度检测件1集成于数字微流控芯片上的结构简单，降低了生产成本，且能实现接触测量温度。
若是温度检测件1设有多个，则每个温度检测件1分别对应设有基底连接部2。
基底连接部2与腔体5内侧底部的底面通过粘接的方式连接，粘接剂为胶水但不限于胶水，连接结构简单，成本低，且便于操作。
在另一实施例中，基底连接部2与腔体5内侧底部的底面通过焊接的方式连接，使用焊接剂但不限于焊接剂，连接稳定性好，成本低。
温度检测件1与基底连接部2通过粘接的方式连接，粘接剂为胶水但不限于胶水，连接结构简单，成本低，且便于操作。
在另一实施例中，温度检测件1与基底连接部2通过焊接的方式连接，使用焊接剂但不限于焊接剂，连接稳定性好，成本低。
在本实施例中，上述的基底连接部2为板状结构，基底连接部2的材质为聚酰亚胺。在另一些实施例中，基底连接部2材质为聚酯、金属、非金属或相变导热材料。金属材质为金、银、铝、铜等材质。非金属材质为石墨、硅橡胶等材质。
进一步地，如图3所示，电路基板9上设有贯穿电路基板9的若干导热孔8，以加强腔体5内侧底部热量的传导，并且温度检测件1和反应池3的底部和周围位置处均设有导热孔8，确保温度检测件1检测的温度和反应池3内反应物的温度的一致性，提高温度检测的精度，进而提高温度控制的精确度。
在本实施例中，腔体5内填充有导热液体，以辅助腔体5底部热量的传导，并且导热液体充满腔体5，可以确保温度检测件1检测的温度和反应池3内反应物的温度的一致性，进而可以确保温度控制的精确度。
导热液体可以为硅油、矿物油和氟化油中的任意一种或者至少两种的组合，在此不作具体限定。
在本实施例中，上述的温度检测件1为热电偶温度传感器，检测精度高。
在另一实施例中，上述的温度检测件1为热敏电阻温度传感器，提高了控制精度，且减小了温度控制系统的成本。
为了证明本实施例中温度检测件1检测的温度与反应池3内反应物的实际温度的一致性，将另一个温度检测件放置于反应池3中的反应物表面，按照95摄氏度加热温度为例，并将设置于腔体5底部的温度检测件1检测的温度值与反应池3中的反应物表面的温度值绘制成图形，反应池3中的反应物7表面的温度检测件检测的温度可视为反应物7的实际温度，与之相比，图4中曲线所表示的是反应物7表面的温度检测件检测的温度与腔体5底部的温度检测件1检测的温度的差值，腔体5底部的温度检测件1测量的温度与反应物7表面的温度检测件检测的温度的差值在±0.5℃范围内，表明本实施例提供的设置于腔体5底部的温度检测件1能够准确反映出反应池3中反应物7的实际温度。
本实施例还提供了一种数字微流控芯片，包括上述的数字微流控芯片的温控结构。
本实施例中使用温控模块为腔体5的底部提供热源并控制温度，温控模块和数字微流控芯片组成数字微流控芯片系统。
参见图2所示，温控模块包括升降温单元6和控温单元(未示出)，其中，升降温单元6用于对腔体5外侧的底部进行加热或者降温，控温单元包括PID控制器、继电器和开关电源，用于控制升降温单元6。
在使用本实施例提供的数字微流控芯片系统时，将数字微流控芯片的腔体5底部放置于升降温单元6上，温度检测件1获取温度信号，控温单元根据温度检测件1检测的温度信号控制升降温单元6的工作功率，进而实现温度控制，以达到反应物7所需温度。
为了再进一步地提高对反应池3内反应物7的温度控制的精度，在本实施例中，控温单元对温度检测件1采集的温度信号进行滤波处理。
具体地，滤波处理包括采用离散线性卡尔曼滤波器对温度信号滤波。控温单元根据滤波后的温度信号通过PID算法计算升降温单元6所需的功率。
温度检测件1采集的温度信号的噪声为高斯白噪声，在PCR循系统中，温度系统特性为非线性，温控的误差不仅来自于温度检测件1的噪声，还与环境温度、试剂特性、实际初始温度有关，采用离散线性卡尔曼滤波滤波算法，先辨识系统状态，评估系统参数，再对采集的数据滤波，在低微处理器占用率的情况下，也可保证滤波的实时性和准确性；在PCR中，温度预设值频繁地在两个值之间发生变化，导致积分因子整定困难，如果积分因子过大会使得控制器出现积分饱和而带来严重的滞后超调，过小会使升温过慢不能满足系统要求，采用增量型PID控制器(PID算法)即仅计算当前以及前两次的误差，有利于减少由于积分器误差的高度累积带来的饱和效应。
本实施例提供的数字微流控芯片在被应用于PCR反应时，能够快速、准确控制反应体系温度，常规的PCR设备为了通过监控容纳反应管的金属块的温度进行温度控制，因此无法直接监控反应管中反应液的实际温度，为了避免反应液温度不准确，在升温和降温的过程中需要提前减速以避免温度过冲和确保金属块保持指定温度足够长的时间，从而使反应管中的反应液达到指定温度。本实施例提供的数字微流控芯片能够直接监控腔体5内的温度，无需在升降温的过程中提前减速，因此在不损失温度精度的前提下大幅提升升降温速度，从而利于简化反应程序控制，显著缩短PCR反应时间，对于快速PCR检测具有重要意义。
示例性的，以58摄氏度至95摄氏度温度循环为例，传统PCR设备从58摄氏度加热到95摄氏度需要17s，从95摄氏度降温至58摄氏度需要20s，而数字微流控芯片从58摄氏度加热到95摄氏度仅需要6s，从95摄氏度降温至58摄氏度需要15s，本实施例提供的数字微流控芯片温度循环速度较传统PCR设备有显著提升。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，包括：
微流控芯片本体(100)，所述微流控芯片本体(100)上设有腔体(5)，所述腔体(5)外侧的底部设有升降温单元(6)；
温度检测件(1)，设置于所述腔体(5)内侧的底部；
反应池(3)，用于盛放反应物(7)，所述反应池(3)设置于所述腔体(5)内侧的底部。
2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述温度检测件(1)和所述腔体(5)内侧底部的底面粘接或焊接。
3.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述腔体(5)内侧底部的底面设有基底连接部(2)，所述温度检测件(1)固定于所述基底连接部(2)上。
4.根据权利要求3所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述基底连接部(2)的材质为聚酰亚胺、聚酯、金属、非金属或相变导热材料。
5.根据权利要求3所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述基底连接部(2)与所述腔体(5)内侧底部的底面粘接或焊接，所述温度检测件(1)与所述基底连接部(2)粘接或焊接。
6.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述微流控芯片本体(100)包括电路基板(9)和盖板，所述电路基板(9)和所述盖板围合成所述腔体(5)，所述电路基板(9)作为所述腔体(5)的底部。
7.根据权利要求6所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述电路基板(9)靠近所述腔体(5)的一端设有疏水介电层(10)。
8.根据权利要求6所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述电路基板(9)为印制电路板或玻璃电路。
9.根据权利要求6所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述电路基板(9)上设有贯穿所述电路基板(9)的若干导热孔(8)。
10.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述腔体(5)内填充有导热液体。
11.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述温度检测件(1)为热电偶温度传感器或热敏电阻温度传感器。
12.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述腔体(5)内侧的底部设有液体进出通道(4)，所述液体进出通道(4)与所述反应池(3)连通。
13.根据权利要求1所述的数字微流控芯片的控温结构，其特征在于，所述温度检测件(1)和所述反应池(3)设置于同一所述升降温单元(6)上方。
14.一种数字微流控芯片，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的数字微流控芯片的控温结构。
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