CN214781825U - 一种生物荧光模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物荧光模拟装置，用于进行qPCR仪光学特性的计量校准，包括光学探头板和与所述光学探头板配套的控制电路；所述光学探头板包括测温荧光探头和设有所述控制电路的控制电路板；所述测温荧光探头包括壳体和设置在壳体内部的温度传感器和光学组件；所述光学组件包括从下至上依次设置的发光板、光学透镜、滤光片和漫反射片；所述控制电路包括微处理器和与所述微处理器信号连接的发光板驱动模块。本实用新型通过使用发光板光源模拟生物荧光，从而实现对qPCR仪等生物仪器的光学检测，无需配制和存储qPCR反应的标准溶液，同时克服了现有技术中温度系统的校准不能与样本示值误差和样本线性的校准同步进行的问题。

Description

一种生物荧光模拟装置

技术领域

本实用新型属于测试计量技术领域，具体涉及一种生物荧光模拟装置。

背景技术

实时荧光定量PCR（qPCR）是一种在DNA扩增反应中，以荧光化学物质测每次聚合酶 链式反应（PCR）循环后产物总量的方法，通过在PCR反应体系中加入荧光基团，随着PCR反应的进行，PCR反应产物不断累计，荧光信号强度也等比例增加，因此可以利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析。随着生物技术的发展，实时荧光定量PCR分析仪器及技术在生物学及医学等诸多研究应用领域发挥着越来越重要的作用，由于其极高的检测灵敏度和特异性，现已经广泛应用于基因表达、转基因检测、病毒检验、药物疗效、临床诊断、病原体检测、基因成分检测、刑侦物证、考古研究等领域。

目前实时荧光定量PCR仪的校准依据JJF 1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》采用已知浓度质粒DNA标准物质或核糖核酸标准物质和温度传感器进行，这种方法与实时荧光定量PCR扩增过程保持一致，可以获得较好的校准结果，但仍存在以下问题，主要是：配制qPCR反应的标准溶液程序复杂，存储的要求高且温度系统的校准不能与样本示值误差和样本线性的校准同步进行；虽然行业标准YY/T 1173-2010《聚合酶链反应分析仪》提供了光学系统荧光检测精密度和荧光线性的检测方法，但是光学系统核心参数Ct值的校准不完善，qPCR扩增过程中，扩增产物的荧光信号达到设定的荧光阈值时的所对应的扩增循环数（Cycle Threshold）。C代表Cycle，T代表Threshold。简单讲，Ct值就是qPCR中起始模板扩增达到一定产物量时，所对应的循环数。

因此有必要研制出一种稳定的、可溯源的、能准确反应光学系统的qPCR生物荧光模拟系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种生物荧光模拟装置，用于进行qPCR仪光学特性的计量校准。

为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本实用新型提供一种生物荧光模拟装置，包括光学探头板和与所述光学探头板配套的控制电路；所述光学探头板包括测温荧光探头和设有所述控制电路的控制电路板；所述测温荧光探头包括温度传感器和用于生成荧光的光学组件；所述控制电路分别与所述光学组件和所述温度传感器连接，用于根据所述温度传感器采集到的温度以及当前温度的循环次数控制控制所述光学组件的发光亮度。

进一步的，所述光学组件包括从下至上依次设置的发光板、光学透镜、滤光片和漫反射片；所述控制电路包括微处理器、与所述微处理器信号连接的发光板驱动模块、存储模块和电源管理模块；所述发光板驱动模块与所述发光板连接；所述微处理器内预设有预设Ct值，并根据所述预设Ct值和所述温度传感器采集到的温度以及当前温度的循环次数，控制所述发光板驱动模块输出对应电流，从而控制所述发光板的发光亮度；Ct值为qPCR扩增过程中起始模板扩增达到一定产物量时所对应的循环数；所述存储模块用于存储产品相关的信息、配置参数、工作数据；所述电源管理模块用于将主电源通过电源转换芯片转换成系统各个模块所需的电压，给各个模块供电。

进一步的，所述测温荧光探头包括用于固定所述温度传感器和所述光学组件的壳体；所述壳体采用遮光性材料，包括主体结构和探头部分；所述主体结构为中空的圆筒形，顶端设置有所述漫反射片，侧壁中部上从下到上依次开设有LED槽、透镜槽和滤光片槽；所述LED槽用于安装所述发光板；所述透镜槽用于安装所述光学透镜；所述滤光片槽用于安装所述滤光片；所述探头部分为金属结构，所述金属结构为圆锥形的中空腔体结构，且所述温度传感器设置于所述金属结构内部；所述探头部分的上端设置有螺杆，所述主体结构的内壁下端设置有与所述螺杆相适配的螺纹，所述探头部分和所述主体结构通过所述螺杆和螺纹相连接。

进一步的，所述主体结构上还设置有探头固定凸起和缺口；所述探头固定凸起用于将所述主体结构固定在所述控制电路板上；所述控制电路板通过穿过所述缺口的导线与所述温度传感器、所述发光板连接。

进一步的，所述控制电路板的边缘设有qPCR的排线接口、电源接口以及通信接口；所述光学探头板还包括设有测温荧光探头孔位的上盖板。

进一步的，所述发光板为白色发光板或绿色发光板或红色发光板；所述滤光片为窄带滤光片，且所述滤光片的中心波长与荧光染料的发射荧光波长一致。

进一步的，所述滤光片的中心波长范围至少包括以下范围之一：515-530nm、560-580nm、610-650nm、675-730nm。

进一步的，所述微处理器包括MCU芯片和外围电路，所述外围电路包括电源芯片、晶体振荡器、电阻、无线通讯组件和电容；所述MCU芯片为具有无线通讯功能的MCU芯片，所述无线通讯组件还包括天线。

进一步的，所述发光板驱动模块包括高精度的电压基准源、DAC转换器和可变恒流源；每一个所述发光板都由一个独立的所述发光板驱动模块控制；在所述微处理器的控制下，所述DAC转换器输出模拟电压给所述可变恒流源，从而控制所述可变恒流源输出多档位线性连续可调的电流，从而控制所述发光板的发光亮度。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：

1、本实用新型通过使用发光板光源模拟生物荧光，从而实现对qPCR仪等生物仪器的光学检测，无需配制和存储qPCR反应的标准溶液，同时克服了现有技术中温度系统的校准不能与样本示值误差和样本线性的校准同步进行的问题和光学系统核心参数Ct值的校准不完善的问题；

2、本实用新型提供的测试点位多，光强、波长等的控制精度高、模拟的发光波长能充分覆盖多种常见荧光波段且能同时支持多Ct值的模拟；

3、探头的外形尺寸与荧光定量qPCR仪、荧光酶标仪孔板相适配，壳体的大小、每个探头的位置跟荧光定量qPCR仪、荧光酶标仪孔板相适配，固定稳定，整体性好；

4、光学组件包括一个小型发光板、光学透镜、窄带滤光片、漫反射片，分别内嵌于探头结构内的不同位置，整体作为模拟生物荧光的光源，发光平稳，模拟效果好。

5、采用高精度的基于DAC的发光板恒电流亮度控制电路，可将LED的驱动电流在0~20mA范围内进行不少于16000个档位的细分调节，实现LED亮度的连续控制，其亮度控制的精度更好，一致性更好。

6、所述探头壳体采用遮光性材料，避免不同探头之间的荧光干扰，提高光学模拟和测试的准确性。

附图说明

图1是本实用新型的探头部分的俯视角度结构示意图；

图2是本实用新型的探头部分的侧视图；

图3是本实用新型的探头部分的倒置角度结构示意图；

图4是本实用新型的探头板的俯视角度结构示意图；

图5是本实用新型的探头板的倒置角度结构示意图；

图6是本实用新型的控制电路结构设计图；

图7是本实用新型的LED驱动单元结构设计图。

图中：

1、探头部分；2、螺杆；3、发光板；4、光学透镜；5、滤光片；6、漫反射片；7、LED槽；8、透镜槽；9、滤光片槽；10、探头固定凸起；11、主体结构；12、缺口；13、上盖板；14、控制电路板；15、测温荧光探头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例一：

本实施例提供一种生物荧光模拟装置，如图1-5所示，包括光学探头板和与所述光学探头板配套的控制电路；所述光学探头板包括测温荧光探头和设有所述控制电路的控制电路板14；所述测温荧光探头包括壳体和设置在壳体内部的温度传感器和光学组件。如图1-2所示，所述光学组件包括从下至上依次设置的发光板3、光学透镜4、滤光片5和漫反射片6；所述控制电路包括微处理器和与所述微处理器信号连接的发光板驱动模块；发光板可以为一个包含发光二极管的小电路板，发光二极管可以为LED二极管，也可以为其他发光二极管。

所述发光板驱动模块与所述发光板3连接，用于通过可调的恒流源电路精确控制流经所述发光板3的电流，精确控制所述发光板3的发光亮度；

所述微处理器内预设有光学系统核心参数Ct值，并根据所述温度传感器采集到的温度以及当前温度的循环次数，控制所述发光板驱动模块输出对应电流。

实施原理：本实施例可通过上位机在每个微处理器上设定预设Ct值；

由于Ct值代表了每个反应管内的荧光信号到达设定的域值时所经历的循环数，而荧光阈值一般设置为3-15个PCR循环的荧光信号的标准偏差的10倍,因此可以通过电路控制每个PCR循环的LED的发光亮度，来实现跟所设定Ct值对应的每个PCR循环的荧光信号强度的模拟。

通过所述微处理器控制发光板驱动模块在qPCR仪的每个温度循环周期按所述预设Ct值对应的亮度值驱动发光板3发光；

通过将qPCR仪读到的每个通道的Ct值与所述预设Ct值对比，得到qPCR仪测试的准确性，从而完成qPCR仪光学特性的计量校准。

本实施例通过使用发光板3光源模拟生物荧光，从而实现对qPCR仪等生物仪器的光学检测，无需配制和存储qPCR反应的标准溶液，同时克服了现有技术中温度系统的校准不能与样本示值误差和样本线性的校准同步进行的问题和光学系统核心参数Ct值的校准不完善的问题。

实施例二：

本实施例提供一种生物荧光模拟装置，其包括光学探头板和配套的控制电路；光学探头板包含：多个温度传感器、光学组件（含发光板3及相关光学器件）、跟仪器内部空间适配的壳体。

如图1-3所示，其中：每个温度传感器和光学组件同处于一个独立的测温荧光探头内，测温荧光探头的外形尺寸与荧光定量qPCR仪、荧光酶标仪孔板相适配；温度传感器位于测温荧光探头头部的金属结构内部，金属结构为圆锥形，以更好地贴合孔壁，提高温度传感的准确性；光学组件包括一个小型发光板3、光学透镜4、窄带滤光片5、漫反射片6，分别内嵌于测温荧光探头结构内的不同位置，整体作为模拟生物荧光的光源。

测温荧光探头的壳体的大小、每个测温荧光探头的位置跟荧光定量qPCR仪、荧光酶标仪孔板相适配，长宽一般不超过130mm*85mm；多个测温荧光探头探头通过壳体结构件紧固，并作为一个整体使用。

所述控制电路还包括存储模块和电源管理模块；所述存储模块用于存储产品相关的信息、配置参数、工作数据，采用非易失性Flash，用于存储产品相关的信息、配置参数、工作数据等。

所述电源管理模块用于将主电源通过电源转换芯片（DC/DC芯片或LDO芯片）转换成系统各个模块所需的电压，给各个模块供电。

光学探头板整体（电子器件、光学器件、结构件）须选用耐受温度不低于120摄氏度的器件，使本装置在进行试验时不会因高温产生误差。

光学探头板分为3部分，如图4和图5。

第1部分为装置的上盖板13，长宽高为122*82*17mm，上面按照标准排列有测温探头孔位，测温荧光探头的漫反射片6穿过孔位。第2部分为控制电路板，控制电路在此部分上，同时测温荧光探头15也固定在此部件上。部件正视图左侧缺口12部分为qPCR的排线接口，电源以及通信接口。第3部分为测温荧光探头15，此部件采用圆锥形结构，包含测温部件和荧光模拟发射部件，为本装置中的最重要的部件。

所述测温荧光探头15包括用于固定所述温度传感器和所述光学组件的壳体；所述探头壳体采用遮光性材料，避免不同探头之间的荧光干扰，提高光学模拟和测试的准确性。所述壳体包括主体结构11和探头部分1；所述探头部分1为金属结构，所述金属结构为圆锥形的中空腔体结构，且所述温度传感器设置于所述金属结构内部；所述探头部分1的上端设置有螺杆2，所述主体结构11的内壁下端设置有与所述螺杆2相适配的螺纹，所述探头部分1和所述主体结构11通过所述螺杆2和螺纹相连接。温度传感器位于探头部分1的金属结构内部。金属结构（部位1）为圆锥形，中空腔体直径3mm，内部放置温度传感器芯片，材料金属不限于铜镀金等抗腐蚀金属材质，上端采用螺纹方式与主体结构11装配，螺纹采用M3直径，长度8-10mm，以更好地贴合孔壁，提高温度传感的准确性。

所述主体结构11上还设置有探头固定凸起10和缺口12；所述探头固定凸起10用于将所述主体结构11固定在所述控制电路板14上；所述控制电路板14通过穿过所述缺口12的导线与所述温度传感器、所述发光板3连接。

所述控制电路板的边缘设有qPCR的排线接口、电源接口以及通信接口；所述光学探头板还包括设有测温荧光探头孔位的上盖板13。

所述发光板3为白色发光板3或绿色发光板3或红色发光板3；所述滤光片5为窄带滤光片5，且所述滤光片5的中心波长与荧光染料的发射荧光波长一致。

所述主体结构11为中空的圆筒形，顶端设置有所述漫反射片6，侧壁中部上从下到上依次开设有LED槽7、透镜槽8和滤光片槽；所述LED槽7用于安装所述发光板3；所述透镜槽8用于安装所述光学透镜4；所述滤光片槽用于安装所述滤光片5；所述发光板3为特殊发光二极管电路板，电路板长宽厚为3mm*3mm*0.5mm；所述光学透镜4为平行光透镜，直径为4mm,此部件作用是将发光二极管产生的光转化为平行光，安装在透镜槽8中。滤光片5直径4mm，作用是选择特定波长的光，常用的滤光片5中心波长范围包括：515-530nm、560-580nm、610-650nm、675-730nm，与常用的荧光染料的发射荧光波长一致。滤光片5安装在滤光片槽中。漫反射片6直径9mm，作用是将平行光转化为均匀光源，用于荧光定量qPCR仪器检测校准。探头的固定凸起为圆柱形，直径1mm，高度0.5mm，将测温荧光探头主体结构11固定在控制板上。测温荧光探头主体结构11的材质为塑料材质，而不限于金属材质，长度12mm，直径5mm。主体结构11上缺口12部分直径2mm，所述缺口12可便于将温度传感器、发光板上的线束（细导线或FPC排线）从该小孔穿过，引到控制电路板上。

微处理器的电路结构由一颗MCU芯片及其外围电路组成，MCU芯片外围电路一般包括电源芯片、晶体振荡器、电阻、电容等；针对无线收发的需求，可通过采用支持无线通讯协议（较优的，支持蓝牙或ZigBee协议）的MCU芯片，并在其外围增加无线通讯组件（含天线）来实现。所述微处理器能够接收上位机的指令，实现各个探头温度采集、LED驱动控制，及综合的运行控制。MCU芯片会根据当前采集到探头的温度、当前温度的循环次数，控制发光板驱动模块，输出跟当前探头温度和当前温度的循环次数相适配的电流。

发光板驱动模块是精确模拟生物荧光发光的核心，包含一个高精度的电压基准源、DAC转换器、可变恒流源组成。每一个LED都由一个独立的发光板驱动模块控制，通过可调的恒流源电路精确控制流经LED的电流，从而精确控制LED的发光亮度。

在微处理器的控制下，DAC转换器输出精确的、线性连续可调的模拟电压，该模拟电压输出给精密恒流源，从而控制恒流源输出多档位线性连续可调的电流；由于LED的发光亮度跟其驱动电流有对应关系，通过调节恒流源的电流，就可以控制发光板3的发光亮度。

所述发光板驱动模块包括高精度的电压基准源、DAC转换器和可变恒流源；每一个所述发光板3都由一个独立的所述发光板驱动模块控制；在所述微处理器的控制下，所述DAC转换器输出模拟电压给所述可变恒流源，可将LED的驱动电流在0~20mA范围内进行不少于16000个档位的细分调节，实现LED亮度的连续控制，其亮度控制的精度更好，一致性更好。

从而控制所述发光板3的发光亮度。

以上模块的器件，都须耐受120℃高温工作。

上述实施例，只列举了针对96板的模拟生物荧光装置的实现方式，类似的针对其它反应孔数（如48孔、32孔、60孔、384孔等）的荧光定量qPCR仪、荧光酶标仪孔板内部空间的实际情况，通过改变探头的数量和位置、改变装置的外形尺寸、改变内部的器件位置和布局、和大小来进行适配，不在此赘述。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，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接触。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上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种生物荧光模拟装置，其特征在于，包括光学探头板和与所述光学探头板配套的控制电路；

所述光学探头板包括测温荧光探头和设有所述控制电路的控制电路板；所述测温荧光探头包括温度传感器和用于生成荧光的光学组件；

所述控制电路分别与所述光学组件和所述温度传感器连接，用于根据所述温度传感器采集到的温度以及当前温度的循环次数控制所述光学组件的发光亮度。

2.根据权利要求1所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述光学组件包括从下至上依次设置的发光板、光学透镜、滤光片和漫反射片；

所述控制电路包括微处理器、与所述微处理器信号连接的发光板驱动模块、存储模块和电源管理模块；

所述发光板驱动模块与所述发光板连接；所述微处理器内预设有预设Ct值，并根据所述预设Ct值和所述温度传感器采集到的温度以及当前温度的循环次数，控制所述发光板驱动模块输出对应电流，从而控制所述发光板的发光亮度；Ct值为qPCR扩增过程中起始模板扩增达到一定产物量时所对应的循环数；

所述存储模块用于存储产品相关的信息、配置参数、工作数据；

所述电源管理模块用于将主电源通过电源转换芯片转换成系统各个模块所需的电压，给各个模块供电。

3.根据权利要求2所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述测温荧光探头包括用于固定所述温度传感器和所述光学组件的壳体；

所述壳体采用遮光性材料，包括主体结构和探头部分；

所述主体结构为中空的圆筒形，顶端设置有所述漫反射片，侧壁中部上从下到上依次开设有LED槽、透镜槽和滤光片槽；所述LED槽用于安装所述发光板；所述透镜槽用于安装所述光学透镜；所述滤光片槽用于安装所述滤光片；

所述探头部分为金属结构，所述金属结构为圆锥形的中空腔体结构，且所述温度传感器设置于所述金属结构内部；

所述探头部分的上端设置有螺杆，所述主体结构的内壁下端设置有与所述螺杆相适配的螺纹，所述探头部分和所述主体结构通过所述螺杆和螺纹相连接。

4.根据权利要求3所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述主体结构上还设置有探头固定凸起和缺口；

所述探头固定凸起用于将所述主体结构固定在所述控制电路板上；

所述控制电路板通过穿过所述缺口的导线与所述温度传感器、所述发光板连接。

5.根据权利要求2所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述控制电路板的边缘设有qPCR的排线接口、电源接口以及通信接口；

所述光学探头板还包括设有测温荧光探头孔位的上盖板。

6.根据权利要求2所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述发光板为白色发光板或绿色发光板或红色发光板；

所述滤光片为窄带滤光片，且所述滤光片的中心波长与荧光染料的发射荧光波长一致。

7.根据权利要求6所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述滤光片的中心波长范围至少包括以下范围之一：515-530nm、560-580nm、610-650nm、675-730nm。

8.根据权利要求2所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述微处理器包括MCU芯片和外围电路，所述外围电路包括电源芯片、晶体振荡器、电阻、无线通讯组件和电容；

所述MCU芯片为具有无线通讯功能的MCU芯片，所述无线通讯组件还包括天线。

9.根据权利要求2所述的生物荧光模拟装置，其特征在于，所述发光板驱动模块包括高精度的电压基准源、DAC转换器和可变恒流源；每一个所述发光板都由一个独立的所述发光板驱动模块控制；

在所述微处理器的控制下，所述DAC转换器输出模拟电压给所述可变恒流源，从而控制所述可变恒流源输出多档位线性连续可调的电流，从而控制所述发光板的发光亮度。

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