CN1687391A - 用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列的温度控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的方法及其装置，其特征在于该温度控制装置包括PC控制软件、数据采集卡、电源模块、信号转换电路及信号处理电路，各电路部分与供电电路相连。其温度控制原理是：温度信号转换电路把芯片的Pt温度传感器的电阻信号变成电压信号，经过信号处理电路将弱电压信号放大并滤波，经过A/D变换传入PC控制软件，在PC窗口显示实时温度—时间曲线，PC程序进行PID控制运算，经I/O输出反馈信号，调节芯片微加热器的电源开/关，实现对PCR微芯片的升、降温自动控制。提供的装置体积小、功耗低、热循环速度快、PCR扩增的效率高，是一种便携式的检测分析设备。

Description

用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列的温度控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种温度控制的方法和装置，具体的说，涉及一种用于驱动聚合酶链式(PCR)反应微芯片或芯片阵列的温度控制的方法和小型化装置。
背景技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)，是20世纪80年代中期发展起来的一种体外特异性扩增DNA片段的方法。它具有特异性高、灵敏度高、简便、重复性好等突出优点，能将DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，便于直接检测和分析，已经广泛应用于分子生物学、医疗诊断、法医学等各个领域。PCR技术是生物科学领域中的一项革命性创举和里程碑。然而传统的PCR热循环仪加热块体积大，热容大，功耗低，加热和冷却的速度慢，同时需耗用大量昂贵的生化试剂，因此工作效率较低。此外，随着微加工技术的发展，基于MEMS微加工技术的微传感器、微执行器以及流体控制等技术得到了飞速发展，其特点是体积小，成本低，可批量生产，可自动控制，生化分析设备的小型化、微型化是MEMS技术最具有发展前景的应用领域之一。此外，近年来随着人们的健康和安全意识日益提高，迫切需要一种简便快速的便携式检测分析设备，以满足疾病的便携诊断检测、环境的实时监测控制、战场病毒快速检测、公共安全监测等多领域的要求。
近年来，基于微细加工技术制作的微全分析系统(Micro Total Analysissystem，μTAS)已成为分析化学、临床医学、生物学的研究热点，作为μTAS的重要组成部分PCR微芯片也取得了重大进展，随着PCR微芯片体积的越加缩小、热循环反应越加迅速，对温度控制的要求也越高。在芯片背面直接集成微加热器和温度传感器进行在片实时控制，可以满足高灵敏、高准确性的温度控制的要求，因此外围控制装置主要围绕芯片集成的加热器和温度传感器的控制来设计。2001年申请号为01103687.7的发明专利申请中提出了一种基于单片机的微型温度控制装置，该装置体积小，温度控制自动化，但是该系统的程序固定，功能简单，不能有效的进行实时温度显示，该芯片采用空气散热，降温速度较低，尤其是系统只能控制单个芯片，不能满足现代生物和化学分析中高通量信号快速检测的要求。
发明内容
本发明的目的是克服以上缺点和不足，提出一种用于驱动PCR微芯片阵列的温度控制方法及装置，该装置不仅能用于对多个样品不同温控条件下的并行温度控制，同时由于芯片采用整体散热的方法，提高了升降温的速度和温度控制的效率，从而可实现快速、稳定的检测。
本发明提供的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于：
(1)该装置是由PC控制软件、数据采集卡、低压基准电压模块、信号处理模块和信号转换电路、固态继电器、稳压可调电源、金属散热片、印刷电路板以及接口部件构成；
(2)印刷电路板直接固定在金属散热片上，采用插卡式结构，边缘有金属插槽，对应接口部件的金属弹片，直接插入接口部件中，接口部件与信号处理模块和信号转换电路中信号转换电路相连；
(3)低压基准电压模块与信号处理模块和信号转换电路相连，信号处理模块和信号转换电路通过数据采集卡与PC控制软件；经I/O输出控制固态继电器，驱动微加热器的稳压电源的开关。实现对PCR微芯片的升、降温自动控制。整个装置采用微电子器件焊接封装，体积小、功耗低、稳定性好且便于携带。
所述的印刷电路板PCB上封装有多个芯片，形成PCR微芯片封装阵列；每个芯片采用集成化结构，正面是密封的微反应室，反面微微加热器和Pt温度传感器，每个芯片具有独立的微加热器和Pt温度传感器，它们通过焊接窗口焊接到焊接点上，金属引线延伸到外圈控制电路中。
所述的金属散热片可通过风扇辅助散热；而风扇是由I/O输出控制的继电器控制的。
所述的输入电压经过LM317 3端可调稳压块形成+8-+12V可调的稳压直流电源；作为稳加热器的加热电源。
所述的低压基准电压模块是由输入电压经78LO5 3端正电压稳压块形成+5V的基准电压，基准正电压经过7660CMOS开关电容电压转换成-5V基准负电压。
所述的信号处理模块和信号转换电路是通过桥式电路将电阻信号转化成弱电压信号，转化后的弱电压信号经信号放大电路成可检测的电压信号并通过低通滤波电路去除背景噪声，最后经数据采集卡进行A/D转换成数字电压信号，由PC机进行数据处理分析。
所述数据采集卡为PC 6315型号。
本发明提供的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制装置的温控方法是将温度信号转换电路把每个芯片的Pt温度传感器的电阻信号变成电压信号，经过信号处理电路将弱电压信号放大并滤波，经过A/D变换输入PC控制软件，将数字电压信号还原成温度信号，在PC窗口显示实时温度-时间曲线，PC程序进行PID控制运算，经I/O输出反馈信号，调节芯片微加热器的电源开/关，实现对PCR微芯片的升、降温自动控制。
所述的PC控制软件，采用界面对话窗口，对多个芯片的温度传感器进行实时温度信号处理、采集、计算和分析，实时显示芯片温度曲线，并输出多个反馈信号同时驱动这些芯片的微加热器进行升降温操作，实现对多个生物样品不同温控条件下的PCR扩增反应。
所述的基准电压模块的5V正电压作为Pt温度传感器测温的参考电压。
本发明所述的PCR微芯片阵列的温度控制方法是基于PC软件程序，采用界面对话窗口，操作简单，直观性好，并对多个芯片的温度传感器进行实时温度信号处理、采集、计算和分析，输出多个反馈信号同时驱动这些芯片的微加热器进行升降温操作，实现对多个生物样品不同温控条件下的PCR扩增反应。
本发明所述的PC控制软件采用通用程序编写，兼容性好，数据处理和计算的能力强，温度信号的校准用更准确的二次方程拟合，反馈信号采用PID运算控制，提高了温度控制的准确性和智能化。
本发明提供了一种简便、快速、准确的温度控制方法和小型化装置，该装置体积小，功耗低，热循环速度快，PCR扩增的效率高，是一种便携式的检测分析设备。
本发明提供的用于驱动PCR微芯片阵列的温度控制装置和相应的温度控制方法具有以下特点：
1.本发明的温度控制装置结构简单，温度控制反应迅速准确，灵敏度高，芯片加热和冷却的速度的快，并且由PC机控制软件实现了整个PCR反应过程的程序化、智能化，软件操作界面友好便于人机对话。
2.本发明的温度控制装置可驱动PCR微芯片阵列进行独立温度控制的PCR反应，在不同的温度控制条件下同时扩增检测多个DNA样品，缩短检测分析的时间，提高了检测的信息通量。
3.本发明采用的散热方式，摒弃了常规的低效率的空气对流散热的方法，采用基于PCB板的整体热传导散热方式，降温速度迅速并且降温均匀。
4.本发明采用微型化的电源和电路装置，结构简单，功耗低，电压要求低，是一种便携化检测分析设备。
5.本发明的PCR微芯片阵列采用插卡式结构，可直接插拔，便于芯片的更换。
附图说明
图1是一种PCR微芯片及其封装阵列的结构示意图。(A)芯片正面，(B)芯片反面，(C)封装好的芯片阵列。
图2为本发明实施例的PCR微芯片阵列的温度控制方法的流程图。
图3为接口部件示意图
图4为供电电路的结构示意图
图5为温度传感器的信号转换和信号处理电路的结构示意图
图6根据本发明实施例的程序操作某一瞬时的动态界面
图中：1-反应室，2-加热器，3-温度传感器，4-焊接窗口，5-芯片，6-印刷电路板PCB，7-金属引线，8-焊接点，9-接口部分，10-信号转换电路和信号处理模块，11-低压基准电压模块，12-数据采集卡，13-PC控制软件，14-固态继电器SSR，15-稳压可调电源，16-继电器，17-风扇，18-金属散热片，19-3端可调稳压块，20-3端正电压稳压块，21-CMOS开关电容电压转换器
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的具体实施方案，从而阐述本发明实质性特点和显著的进步。
图1为PCR微芯片及其封装成2×2阵列的结构示意图，每个芯片采用集成化结构，正面为密封的微反应室1，用于样品的密封和存贮；反面为微加热器2和Pt温度传感器3，用于实时温度检测控制；每个单芯片5具有独立的微加热器和温度传感器，它们通过焊接窗口4焊接到印刷电路(PCB)板6的焊接点8上，金属引线7延伸连接到外围控制电路中。同时在一块PCB板上封装有多个芯片，形成PCR微芯片封装阵列。
本发明提供的PCR微芯片阵列的温度控制装置是以PC控制软件为核心，包含了芯片接口部件9、信号转换电路及信号处理模块10、低压基准模块11、数据采集卡PC-6315 12、PC机13，固态继电器SSR14，可调稳压电源模块15，风扇17和金属散热片18。整个装置的硬件示意图如图2所示。其温控原理是芯片Pt温度传感器3测定温度的原始信号，通过接口部件9连接到信号转换电路及信号处理模块10，信号经过转换、放大和滤波处理，经过数据采集卡PC-6315的A/D变换传入PC机13控制软件，软件计算出实际温度，在输出设备上显示出实时的温度-时间曲线，通过与初始设定的条件比较分析、PID运算得到反馈信号，经I/O输出到控制SSR固态继电器14，从而驱动微加热器2的稳压电源15的开关，实现对PCR微芯片的升、降温热循环控制。
本发明的PCR微芯片阵列采用整体热传导散热的方法，封装了PCR微芯片阵列的PCB板固定在金属散热片18上，风扇17起辅助散热降温作用，风扇是由I/O输出控制的继电器16控制。由于芯片与散热片之间通过PCB板传热，该散热速度比空气对流散热快很多，可以实现快速的升温和降温过程。
本发明的封装好的PCR微芯片阵列采用插卡式结构(图3)，PCB板一边有金属插槽，它对应接口部件9的金属弹片，PCB板可以直接插入接口部件，方便芯片的更换。
本发明的电源采用微型化的结构，以+12V直流电源，经过多次分压、稳压以及电压转换满足各部件的供电要求。整个流程如图4所示。输入电压经过LM317 3端可调稳压块19形成+8V～+12V可调的稳压直流电源，作为微加热器2的加热电源；此外，另一部分输入电压经过78L05 3端正电压稳压块20形成+5V的基准正电压，基准正电压经过7660CMOS开关电容电压转换器21形成-5V基准负电压，基准正负电压给运放供电，同时基准正电压作为温度传感器3测温的参考电压。
本发明的芯片的温度测定由信号转换电路和信号处理模块10完成，整个信号采集硬件过程包括：桥式电路、信号放大、低通滤波、最后经A/D转换成数字信号输入(如图5)。随着芯片温度的变化，芯片上的温度传感器电阻也逐渐变化；该电阻变化信号通过桥式电路转化成电压信号；但是该电压信号比较小，不能直接测量，因此电压信号通过信号放大电路将微弱的电压信号放大成可检测的电压信号；为了提高电压信号的信噪比，放大的电压信号进一步通过低通滤波电路去除背景噪声；最后该电压信号通过数据采集卡进行模数转换成为数字电压信号，并由计算机进行数据处理分析，将该数字电压信号最终还原成温度传感器检测的温度信号，从而实现对芯片温度的测定。
图6是PC软件控制的操作界面。控制界面用于初始温度、时间条件的设定，温度控制过程的开始和结束、中断等设定并实时显示芯片的实际温度和控制时间等信息。

Claims (10)

1、一种用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于：
(a)该装置是由PC控制软件(13)、数据采集卡(12)、低压基准电压模块(11)、信号处理模块和信号转换电路(10)、固态继电器(14)、稳压可调电源(15)、金属散热片(18)、印刷电路板(6)以及接口部件(9)构成；
(b)印刷电路板(6)直接固定在金属散热片(18)上，采用插卡式结构，边缘有金属插槽，对应接口部件(9)的金属弹片，直接插入接口部件(9)中，接口部件(9)与信号处理模块和信号转换电路(10)中信号转换电路相连；
(c)低压基准电压模块(11)与信号处理模块和信号转换电路(10)相连，信号处理模块和信号转换电路(10)通过数据采集卡(12)与PC控制软件；经I/O输出控制固态继电器，驱动微加热器(2)的稳压电源(15)的开关。
2、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于印刷电路板上封装有多个芯片，形成PCR微芯片封装阵列；每个芯片采用集成化结构，正面是密封的微反应室，反面微微加热器和Pt温度传感器，每个芯片具有独立的微加热器和Pt温度传感器，它们通过焊接窗口焊接到焊接点上，金属引线延伸到外圈控制电路中。
3、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于金属散热片(18)可通过风扇(17)辅助散热；而风扇(17)是由I/O输出控制的继电器(16)控制的。
4、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于输入电压经过LM3173端可调稳压块形成+8-+12V可调的稳压直流电源(15)；作为稳加热器(2)的加热电源。
5、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于所述的低压基准电压模块是由输入电压经78LO53端正电压稳压块形成+5V的基准电压，基准正电压经过7660CMOS开关电容电压转换成-5V基准负电压。
6、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于所述的信号处理模块和信号转换电路是通过桥式电路将电阻信号转化成弱电压信号，转化后的弱电压信号经信号放大电路成可检测的电压信号并通过低通滤波电路去除背景噪声，最后经数据采集卡进行A/D转换成数字电压信号，由PC机进行数据处理分析。
7、按权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制的装置，其特征在于所述数据采集卡为PC6315型号。
8、使用权利要求1所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制装置的温控方法，其特征在于温度信号转换电路把每个芯片的Pt温度传感器的电阻信号变成电压信号，经过信号处理电路将弱电压信号放大并滤波，经过A/D变换输入PC控制软件，将数字电压信号还原成温度信号，在PC窗口显示实时温度-时间曲线，PC程序进行PID控制运算，经I/O输出反馈信号，调节芯片微加热器的电源开/关，实现对PCR微芯片的升、降温自动控制。
9、按权利要求8所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制装置的温控方法，其特征在于所述PC控制软件，采用界面对话窗口，对多个芯片的温度传感器进行实时温度信号处理、采集、计算和分析，实时显示芯片温度曲线，并输出多个反馈信号同时驱动多个芯片的微加热器进行升降温操作，实现对多个生物样品不同温控条件下的PCR扩增反应。
10、按权利要求8所述的用于驱动聚合酶链式反应微芯片阵列温度自动控制装置的温控方法，其特征在于基准电压模块的5V正电压作为Pt温度传感器测温的参考电压。
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