CN1995319A - 面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置 - Google Patents

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左铁钏
姚李英
孔峥
刘勋
陈涛
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面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置属于面向生物芯片微型化集成化自动控制领域。包括三个温度传感器(3)、三个电热膜(4)、芯片固定装置(1)和温度采集控制装置(2)。芯片固定装置由三个恒温区(6)、隔热槽(7)以及恒温区上的引脚组成，芯片固定装置上表面安装PCR微流控芯片(5)。所述的温度采集控制装置主要由多路模拟开关、A/D转换器、单片机、D/A转换器、驱动电路以及显示器组成。采用本装置温控装置的体积减小，由原来台式机大小的体减小到手掌大。温控装置可同时对三路温区进行独立设置、控制和实时显示。实验证明该装置能起到隔热效果，能满足对DNA进行体外放大的温度梯度的要求。

Description

面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置
技术领域
面向聚合酶链式反应(PCR)微流控芯片的多通道智能温控装置属于面向生物芯片微型化集成化自动控制领域。该装置主要应用于PCR微流控芯片上对DNA进行扩增的三个恒温区分别进行独立设置和控温，整个系统要求加热时间短、体积小、成本低且能够与PC机进行通信。
背景技术
PCR微流控芯片是一种新型的可以对多种不同长度的DNA片段进行快速高效体外扩增的技术。其原理就是将PCR反应混合物在精密注射泵的作用下，以nl/s的流速注入到基片上分别处于三个恒温区的微通道，通过控制微通道的长度，从而实现PCR的变性、复性和延伸。其结构一般由入口、出口、三个恒温区、微通道以及隔热网格组成。因此对于PCR微流控芯片其三个恒温区温度的控制、隔热网格的设计是影响DNA能否扩增成功的关键因素。
目前PCR微流控芯片温度控制普遍采用的装置是：①铜块加热；②温度传感器测量温度；③微型温控仪控制温度。该装置的缺点是：铜块加热效率低、整个系统体积庞大、不利于芯片的在片检测与集成。
PCR微流控芯片温度控制采用的另外一种装置是：①基片(硅/玻璃)下表面沉积薄膜加热；②基片下表面同时沉积温度传感器测量温度；③通过采用相应的温度采集控制电路实现控温。该装置的缺点是：加热薄膜，温度传感器，PCR微流控芯片一体集成，成本高，芯片的键合难度大。
发明内容
本发明的目的在于解决目前PCR微流控芯片温控系统存在的问题，开发一套加热效率高、体积小、加热、温度采集与PCR微流控芯片分离集成，不但降低了成本还利于在片检测，是一套可对三个恒温区的温度进行独立设置和控制的高度集成的温控系统。基于上述目的本发明设计了一套多通道智能温控装置，该装置包括两部分：加热装置和温度采集控制装置2。加热装置参见图3。温度采集控制装置2的逻辑图如图4所示。
加热装置由芯片固定装置1、三个温度传感器3、三个电热膜4组成。三个温度传感器3、三个电热膜4通过耐高温导热胶分别粘接在芯片固定装置1下表面的三个恒温区，其中三个电热膜4分别与第二引脚17相连，三个温度传感器3分别与第一引脚8相连，芯片固定装置1通过导线与温度采集控制装置2连接，第一引脚8和第二引脚17通过导线与温度采集控制装置2连接。另外PCR微流控芯片5通过导热胶粘接在芯片固定装置1的上表面。其中PCR微流控芯片5包括：三个恒温区9、隔热孔10、微通道11、入口12以及出口13，PCR微流控芯片5的恒温区9、隔热孔10分别与芯片固定装置1的恒温区6、隔热槽7分别对应。另外芯片固定装置1上三个恒温区之间采用空气隔热槽进行隔热，槽的宽度不小于4mm，芯片固定装置1采用金属材料，材料厚度不小于1mm，可采用导热性能好的铜。PCR微流控芯片5上面采用不小于2mm的隔热孔进行隔热，PCR微流控芯片5选择高聚物材料作为基片。其中PCR微流控芯片5的俯视图如图3所示。
温度采集控制装置2的特征在于：由多路模拟开关、A/D转换器、单片机、D/A转换器、驱动电路以及显示器组成。三路温度传感器采集的信号经放大电路，送到多路模拟开关上，多路模拟开关选择某一路的信号送给A/D转换器，A/D转换器将数字信号传送给单片机，单片机将采集到的信号与该路的设置温度进行比较，如果采集信号小于设置温度，则单片机输出控制信号给D/A芯片，D/A芯片则输出设定的电压给驱动电路，驱动电路输出电热膜需要的电压，并对其进行加热。反之，如果大于设置温度，则单片机输出控制信号给D/A芯片，D/A芯片则输出设定的电压给驱动电路，停止对电热膜的加热。单片机对温度采集控制装置的逻辑图见图5，温度采集控制装置主程序流程图以及温度采集控制装置判断转移子程序流程图分别见图6和图7。
采用上述装置后的优势是：
1)温控装置的体积减小，由原来台式机大小的体减小到手掌大。
2)温控装置可同时对三路温区进行独立设置、控制和实时显示。
3)实验证明该装置能起到隔热效果，能满足对DNA进行体外放大的温度梯度的要求。
附图说明：
图1：芯片固定装置俯视图
图中：6、恒温区，7、隔热槽，8、第一引脚，17、第二引脚
图2：PCR微流控芯片俯视图
图中：9、恒温区，10、隔热孔，11、微通道，12、入口，13、出口
图3：芯片固定装置剖面图
图中：1、芯片固定装置，3、温度传感器，4、电热膜5、PCR微流控芯片，11、PCR微流控芯片上的微通道
图4：温度采集控制装置原理图
图中：2、温度采集控制装置
图5：温度采集控制装置逻辑图
图6：温度采集控制装置主程序流程图
图7：温度采集控制装置统判断转移子程序流程图
图8：芯片固定装置隔热槽数温度场值模拟图
图中：14、入口，15、出口，16、管壁
图9：芯片固定装置隔热槽红外热像仪图
具体实施方式：
面向PCR微流控芯片的多通道智能温控装置的芯片固定装置本发明应用导热性能良好的铜片作为基体材料。该芯片固定装置采用宽4mm、长60mm的隔热槽间的空气带进行隔热。本发明从理论计算、数值模拟、实验检测三个方面论证该装置的可行性。
理论计算：隔热槽的传热问题主要分三个部分：①隔热槽相邻铜片各自的热辐射 q = ϵσ ( T 100 ) 4 ; ②隔热槽相邻铜片之间的辐射换热q1，2＝q2，1＝X2，1(qr1-qr2)；③隔热槽相邻铜片之间空气的对流换热qair＝αΔT。其中ε是黑度，本实施例中为0.22；σ是黑体辐射常数5.67w/(m2·k4)；T为热平衡时物体的温度；X1，2是两个面之间的角系数，本实施例中为0.4。α是空气的对流换热系数，本实施例中为6；空气的温度为25℃。根据上述公式结合各物质的物性参数，可计算出隔热槽相邻铜片之间的传热情况见表1。表1中：对于隔热槽1，Tw1和Tw2是隔热槽1所包括的相邻两个铜片表面的温度，分别为94℃和72℃，两个表面的热辐射分别为q1(229.8w/m2)和q2(179.5w/m2)。对于隔热槽2，Tw1和Tw2是是隔热槽2所包括的相邻两个铜片表面的温度，分别为72℃和55℃。两个表面的热辐射分别为q1(179.5w/m2)和q2(142.6w/m2)，。则由表1可以看出，隔热槽1和2的净辐射热流密度(q1+q2-2q1，2)分别为368.2w/m2和292.2w/m2，而隔热槽1和2狭窄空间的空气因自然对流带走的热流密度分别为：696w/m2和462w/m2，因此宽度4mm、长60mm隔热槽间的空气带可以起到隔热的作用。
表1相邻铜片之间的传热
    Tw1  Tw2     q1     q2     2q1，2     q1+q2-2q1，2     qair
隔热槽     (℃)     (℃)  (w/m2)  (w/m2)     (w/m2)     (w/m2)     (w/m2)
    12     9472     7255  229.8179.5  179.5142.6     41.129.8     368.2292.2     696462
数值模拟：应用GAMBIT所创建了长60mm，宽4mm，深2mm的模型，模型由入口14、出口15及管壁16组成。应用FLUENT6.1读取该工程后，设置边界条件如下：管壁材料铜，管壁左侧的温度设置为345K，右侧的温度设置为367K，工作流体为空气，采用空气自然对流进行隔热，空气入口处温度为300K，空气自然对流的速度一般小于0.3m/s时，本实施例中选择0.03m/s，自然对流的方向垂直于水平方向沿Z轴向下。模拟结果见图9。由该图可以看出当速度为0.03m/s，温度为300K的空气经过长60mm，宽4mm，深2mm的隔热带后，利用空气的自然对流可以带走由两个恒温面热辐射所产生的热量，即该隔热带可以起到隔热的效果。对于同一工程，当其它模拟条件不变的条件下，将右侧面温度值改为328K，则345K和328K相邻温区的温度场分布的数值模拟结果与图9一致。数值模拟的结果表示本实施例采用的隔热槽能满足进行DNA扩增反应温度梯度的试验要求。
实验验证：对于宽4mm、长60mm的隔热槽的隔热效果，本实施例应用NECTH5102红外热成像仪测量了整个铜片上的温度场分布见图10。由图10可以看出铜片上的温度场明显地分为了三个恒温区，三个恒温区的平均温度分别为：94.3℃、72.1℃和55.6℃；相邻温区间的温度梯度为22.2℃和16.5℃。这说明理论计算、数值模拟结果是正确的。即发明中所采用的宽4mm，长60mm的隔热槽能起到隔热的效果，能满足DNA体外放大的对温度梯度的要求。
面向PCR微流控芯片的多通道智能温控装的控温装置为：采用3路AD590作为温度传感器，其采集的信号经过放大器进行放大转换为电压信号，三路电压信号与多路模拟开关连接，经过MCS-2051单片机控制选择一路电压信号，将该信号经过A/D转换芯片转换成数字信号，该信号与设置的温度值进行比较，如果小于设置温度MCS-2051单片机输出控制信号给D/A转换芯片，D/A芯片输出“5V”电压给驱动电路，驱动电路对输入电压进行放大，输出给电热膜进行加热；反之如果大于设置的温度，则MCS-2051单片机输出控制信号给D/A转换芯片，D/A芯片输出“0v”给驱动电路，对电热膜停止加热。该装置对温度的采集和控制通过对2051单片机进行汇编语言编成而实现，其中温度采集控制装置主程序流程图以及温度采集控制装置判断转移子程序流程图分别见图6和图7。
控温装置中温度传感器信号将非电温度信号转换为电量信号，电量信号接放大器反向输入端2，正向输入端3接地，6为输出端。采样电路的调节包括调零和调满。其中调零是指：调节滑动变阻器R3，使得加在电阻R(VR3+R5)上的电压为+5V，其产生的电流与温度传感器在0℃时输出的电流相抵消，使得运算放大器的输入端2为零，则输出端6为零伏。调满是指：在100℃时，调节滑动变阻器R4，使得输出电压为5V。为了得到稳定的电压值，电阻R应使用温度系数小的精密电阻并且使用+5v稳压管以稳定输入电压。
从三路采样电路得到的电压信号分别接多路模拟开关的X0，X1，X2端口，多路模拟开关的A，B控制端口接MCS-51系列单片机的P1.6和P1.7端口，引脚X3～X7，INH，GND、VEE、C接地，VDD接+12V电源，3接A/D转换芯片的输入引脚CH1。A/D转换芯片的CH0和DI以及GND接地，VCC接+5V的电源，CH1接输入信号，DO、CLK、CS分别接2051芯片的P1.5、P1.4和P1.3，以方便2051芯片对其进行控制。
MCS-51系列单片机的引脚接线方式为：VCC接+5V的工作电源，GND接地，RST作为复位信号输入端，外面通过10μF的电容和+5V的电源相接，P1.7、P1.6和多路模拟开关的A和B控制输入(输出)端相连，P1.5、P1.4和P1.3分别和TLC0832型A/D转换芯片的DO、CLK、CS分相接，XTAL1、XTAL2和时钟发生器相接，外接的晶振频率为11.0592MHz，P3.2、P3.3、P3.7和液晶显示器的显示端口相接，P1.2、P3.4、P3.5分别和D/A转换芯片的LOAD、CLK、DATA端口相接。另外2051单片机可通过P3.0、P3.1和串口通信芯片MAX232的ROUT、TIN端口相接，从而实现和PC机的通信。
D/A转换芯片引脚的接线方式为：引脚(LOAD)和引脚(LDAC)是输出的控制端，引脚(LDAC)接地，使其失去控制功能，这样D/A芯片的输出信号只由引脚(LOAD)进行控制，下降沿输出数据。D/A转换芯片的通道选择由串行输入信号的第4位和第5位控制。将DS5620芯片的参考电压都设置为+5V，其D/A转换的公式见(1)：
V＝REF*CODE*(1+RNG)/256    (1)
其中CODE为2051单片机输出的数字信号，设RNG的值为1，这样在输入的数字量达到80H(十进值128)时，输出的模拟量为+5V。当输入的数字量大于80H时，输出的模拟量为最大值+5V。
D/A芯片输出的电压经过由两片集成运算放大器所构成的放大倍数为2.4倍的正向电压放大电路，然后由中功率NPN型三极管组成的共集放大电路提供电流放大输出。驱动电路设计取决于电热膜的额定工作电压和电流。
该装置的显示器通过一个8个头的插座和MCS-51系列单片机相连接。其在系统中的接线方式如下：引脚1VSS接电源地，2VCC接+5V的电源，3VEE通过滑动变阻器接-12V的电源，4CLK接MCS-51系列单片机的P3.2引脚，5SID接2MCS-51系列单片机的P3.3引脚，6CS片选端接MCS-51系列单片机的P3.7引脚，7背光源电压接+5V，8背光源公共端。

Claims (5)

1、面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置，其特征在于：包括三个温度传感器(3)、三个电热膜(4)、安装三个温度传感器(3)、三个电热膜(4)、PCR微流控芯片(5)的芯片固定装置(1)和温度采集控制装置(2)；其中，芯片固定装置(1)由三个恒温区(6)、恒温区之间的隔热槽(7)以及恒温区上的第一引脚(8)和第二引脚(17)组成，芯片固定装置上表面安装PCR微流控芯片(5)，恒温区(6)、隔热槽(7)与PCR微流控芯片(5)的恒温区(9)、隔热孔(10)分别对应；三个电热膜(4)和三个温度传感器(3)分别设置在芯片固定装置(1)下表面的三个恒温区，其中三个电热膜(4)分别与第二引脚(17)相连，三个温度传感器(3)分别与第一引脚(8)相连，芯片固定装置(1)通过导线与温度采集控制装置(2)连接。
2、根据权利要求1所述的面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置，其特征在于：芯片固定装置(1)采用金属材料，材料厚度大于等于1mm，隔热槽(7)的宽度大于等于4mm。
3、根据权利要求2所述的面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置，其特征在于：所述的金属材料为铜。
4、根据权利要求1所述的面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置，其特征在于：三个电热膜(4)通过耐高温导热胶分别粘贴在芯片固定装置(1)下表面的三个恒温区。
5、根据权利要求1所述的面向聚合酶链式反应微流控芯片的多通道智能温控装置，其特征在于：所述的温度采集控制装置(2)主要由多路模拟开关、A/D转换器、单片机、D/A转换器、驱动电路以及显示器组成：三路温度传感器采集的信号经放大电路，送到多路模拟开关上，多路模拟开关用于选择某一路的信号送给A/D转换器，A/D转换器将数字信号传送给单片机，单片机将采集到的信号与该路的设置温度进行比较，D/A转换器用于将单片机输出的控制信号转换为电压信号来输出给驱动电路；当单片机采集信号小于设置温度，D/A转换器则输出设定的电压给驱动电路，驱动电路输出电热膜需要的电压，并对其进行加热；当采集信号大于设置温度，D/A转换器则输出另一设定的电压给驱动电路，使其停止对电热膜的加热；显示器与单片机相连，用于显示实时采集的某温区的温度。
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