CN108602068B - 用于进行试验的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于进行试验的设备，其中，该设备包括转盘(1)，其用于接收试验盘(100)并通过所述转盘的旋转运动来控制所述试验盘上的试验，其中，所述转盘包括：一个或多个加热器模块(4)，用于在旋转期间对所述试验盘的一个或多个特定部分加热；加热器控制器(54)，用于选择所需加热器并控制其温度；以及IR收发器(30、55)，用于使指令和/或加热参数无线传输至加热器控制器。更具体地，本发明公开了一种用于进行试验的设备，其中，可以控制试验盘上的加热位置和特定位置处的加热/冷却速率。

Description

用于进行试验的设备
技术领域
本发明涉及一种用于进行试验的设备，并且具体地，涉及一种控制所谓的“盘上实验室(lab-on-a-disc)”***所经受的条件的设备。
背景技术
“盘上实验室”或“CD上实验室”***通常使用盘形反应容器，其包含通道、腔体和其他特征，例如阀和疏水性改变的区域。它们尤其适用于进行涉及盘内微流体转移和反应的生物试验。试验盘与实现旋转运动以利用离心力控制反应流体流动的设备一起使用。
用于在试验盘中进行试验的一些已知设备包括用于加热试验盘周围环境的装置，使得整个试验盘及其内容物可以经受特定的温度。还已知的是包括加热元件的试验盘，该加热元件可以引起试验盘特定位置处的温度变化。
本发明人已经认识到已知设备的缺点，并且开发了一种实现更受控的试验盘工序并带来更多优点的新***。
发明内容
本发明的第一方面提供一种用于接收试验盘的转盘，通过所述转盘的旋转运动来控制所述试验盘上的试验，其中，所述转盘包括：一个或多个加热器模块，用于在旋转期间对所述试验盘的一个或多个特定部分加热；加热器控制器，用于选择所需加热器并控制其温度；以及IR收发器，用于使指令和/或加热参数无线传输至加热器控制器。
与加热试验盘周围环境并通过对流将热量传递至整个盘的现有技术设备相比，本发明允许对加热进行更加具体的控制。在本发明中，所述控制不仅特指通过传导所加热的位置方面，而且还特指上升/下降时间方面，即盘上特定位置处的反应介质的温度变化率。
本发明的设备可以配置为进行等温试验(例如，加热器元件基本连续地设置在整个试验区域上，使得所有试验都在基本相同的温度下进行，或者替代地，在不加热的情况下进行)。然而，当配置为进行非等温试验时，即在试验盘的不同部分以及因此反应介质的不同部分经受或可能经受不同温度的情况下，本发明的设备可能甚至更有用。离心力和特定加热的组合允许有效且可调整的操作。与在试验盘内包括加热元件的一些现有技术设备不同，热量来自转盘。因为通过传导将热量特定地施加到试验盘的特定部分，所以需要少量功率，并且可以快速调整温度，这不仅可以在试验持续时间方面提高效率，而且可以在需要使用加热元件的时间量方面提高效率。
在试验期间，试验盘相对于转盘保持固定。当放置在转盘上的固定位置时，转盘上的一个或多个加热器可以与盘的可能需要进行受控的局部加热的一个或多个区域对准。
可以设置装置以有助于使试验盘相对于转盘正确定位。例如，转盘可以包括与试验盘中的轴孔对应的中心轴。轴上的纵向凹槽和试验盘的盘毂的对应纵向凸起使得试验盘的角位置能够相对于转盘固定。可以设置引导装置以将试验盘引导至正确的角位置。例如，轴的凹槽的水平尺寸和盘上互补凸起的水平尺寸可以沿纵向向下方向减小：这意味着当盘刚好在转盘上方时，试验盘相对于转盘的角度定位有一定的容差，随着试验盘向转盘下降，该容差减小。
可以提供另外的装置以使试验盘相对于转盘定位。例如，可以分别在转盘和试验盘上设置定位凸起(例如，销或凸台)和对应的定位凹部(例如，孔或切口部分)，反之亦然。这些定位特征可以位于或靠近试验盘的周边。
因此可以存在相对于转盘定位试验盘的角位置的两个或更多个装置。例如，中心轴定位装置可以用作主***和引导装置，并且位于或靠近试验盘周边的凸起和凹部特征可以用作更精确的定位装置。
可以设置夹持装置以将试验盘稳固至转盘上。
夹持装置可以包括机械球轴承夹持机构以将试验盘保持在转盘上，例如在中心盘毂处。
替代地或附加地，夹持装置可以包括磁性装置，用于将试验盘相对于转盘保持在固定位置。磁性装置也可以用于将盘对准并引导至正确位置。因此，例如，用户可以将盘放置在转盘上方，随后设备将自动对准盘并将其稳固地保持在转盘上的正确位置处。磁性装置可以包括在转盘中(例如，在转盘的盘毂中)以相反极性方向布置的盘式磁体和在试验盘中(例如，在试验盘的盘毂中)以相反极性方向布置的盘式磁体。
无线功率传输装置可以用于将功率传输至转盘中的加热器元件和/或传输至加热器控制器。一种可能的功率传输机构可以包括以同轴方式布置的盘式线圈。该设备可以包括初级盘式线圈和次级盘式线圈。例如，可以驱动初级盘式线圈(其可以固定在转盘下方)以产生交变电磁场，然后该交变电磁场将在次级盘式线圈(其可以固定至转盘并且在初级盘式线圈上方以小间隙隔开)上感应电流。
该设备还可以包括用于双向通信的IR(红外)收发器。IR双向通信可以用于使指令和加热参数无线传输至加热器控制器，并且还可以通过在主机和加热器控制器之间建立握手使得加热器控制器与主机进行通信。每个收发器可以可选地包含四个IR发射器和一个IR接收器。四个IR发射器可以围绕转盘的中心盘毂等间隔布置。来自四个IR发射器的总发射场使得另一端的IR接收器能够360°全方位接收IR发射信号，从而无论转盘位置如何，都可以进行通信。
主机可以经由IR双向链路与转盘上的加热器控制器进行通信。因此，主机可以指示加热器控制器选择所需加热器并将目标温度传递至加热器控制器。然后加热器控制器可以启动加热器。
可选地，受控加热器可能能够使用温度传感器连续监测温度。因此，加热器控制器可能能够达到目标温度并随后保持目标温度。可选地，可以由加热器控制器实现感测、达到以及保持目标温度，而不需要从主机接收进一步的指令。
加热器的温度可以通过改变加热器的功率来控制。这可以通过任何合适的手段来实现，包括但不限于接通和断开电源、功率或模拟电压的脉宽调制、模拟电流控制或其任何组合。
可选地，主机可能能够选择多于一个加热器并为每个加热器设定不同的目标温度，从而使得不同的试验区域保持不同的温度。替代地，或者另外，主机可能能够选择多于一个加热器并为每个加热器设定不同的加热或冷却速率。
可选地，主机可能能够选择多于一个加热器并为每个加热器设定不同的加热和/或冷却程序，使得不同的试验区域的温度可以根据不同的加热情况而变化。
因此，温度上升(或下降)的速率，即上升(和下降)时间可以由主机控制。这可以通过将控制器目标温度设定为比当前温度更高(或更低)的温度来实现。可选地，可以将目标温度设定为比当前温度高(或低)1度的温度。替代地，可以将目标温度设定为比当前温度高(或低)一度以上或以下。在特定时间延迟后，目标温度可以逐渐增加(或降低)，重复这些步骤直到达到期望的最终温度。
替代地，主机可以通过将开始温度、结束温度、温度升高量、温度降低量和变化速率中的一个或多个传递至加热器控制器来指示加热器控制器执行相同的任务。在另一变型方案中，主机或可以通过以固定间隔向控制器传递一系列升高或降低的目标温度来指示加热器控制器执行相同的任务。
因此，本发明在试验盘旋转的同时对试验盘进行加热。可以以连续方式进行加热和/或可以以定制方式进行加热。
试验盘中可能出现的已知问题涉及液体被加热时的状态。可能会出现气泡和/或可能发生空气的膨胀和/或室之间的压力差可能导致不期望的结果，例如，使液体回流。液体的变形状态可能影响试验，例如，通过影响光学读出。本发明带来的优点在于，通过在加热液体的同时借助离心旋转来恢复反应容器中液体的原始状态。因此，本发明避免了使对液体的加热做出让步，并且可以获得一致的光学读出。
加热器模块可以例如是箔加热器。
转盘可以安装有一个或多个加热器模块，可选地安装有两个或更多个加热器模块。
可以设置实现磁体转送的装置。对试验盘中的样品进行的提取过程可能需要使用磁珠转移来提取核酸(例如，DNA或RNA)以获得干净的核酸。例如，这可以通过使用位于转盘下方一定距离处的可以竖直提升的磁体(例如，两个磁体)，或者通过可以被控制为径向移动并竖直提升的磁体来完成。当需要转移过程时，可以将磁体升起以与试验盘接触或靠近试验盘，从而吸引磁珠。转盘中的槽可以设置成使得两个磁体升起，而在试验盘和磁体之间没有任何障碍物。通过旋转转盘可以将槽定位成与两个磁体的位置对准。关于径向运动受控磁体，磁体可以沿磁珠需要被转移到的路径移动。
该设备包括用于控制多个加热器模块的电路，该加热器模块可以被独立地控制以加热到目标温度。加热器可以由薄铝板构成，以便在试验盘的特定区域上均匀分布式加热。RTD(电阻温度检测器)可以安装在薄铝板上以监测铝板的温度。RTD可以连接至加热器控制器电路以提供反馈，从而调节加热器以随着时间的推移使温度稳定。
就功率生成而言，可以存在无线功能以便为电路和加热器供电，并且无线通信还可以与360°IR收发器配置一起使用。无线特征使转盘能够自由旋转；同时可以供电以操作加热器和IR通信。
加热器模块可以配置为使用轻微弹簧压力从转盘的表面突出，以便与试验盘接触，从而可以有效地传递热量。
可选地，可以在加热器模块下方使用绝缘体以防止向下的热量损失。结果，它们可以改善热传递效率和对加热速率的控制。
在一个实施例中，转盘上有两个加热器模块：一个可以用于加热样品室中的样品；另一个可以用于反应容器进行试验。可以添加附加的加热器模块以用于其他加热需求：例如，可以使用附加的加热器以通过产生压力差来辅助流体转移，使得流体从加热区域转移到冷区域。
初级线圈组件可以包含附接至铁氧体片上的初级线圈，该铁氧体片夹在可以方便地由塑料制成的两个保持件之间。相同的配置可以用于次级线圈组件。初级和次级线圈配置可以用于向加热器供电。生成的功率(例如，5瓦及以上)可以根据应用需求通过改变初级和次级线圈的配置和/或提供至初级线圈的信号频率进行定制。例如，通过调整提供至初级线圈的信号的频率，产生并输送至加热器和控制器的功率可以被调整至介于5瓦和7瓦之间。功率可以用于驱动加热器以及包括IR收发器和加热器控制器的相关电路。在另一示例中，功率可以配置为分布在加热器之间，例如，同时操作的4瓦加热器和2瓦加热器。
整个转盘组件可以附接至电动机的轴上，以在转盘上建立旋转运动以用于控制流体的移动。在本示例中，可以使用BLDC(无刷DC)电动机。电动机可以安装在固定至底座上的金属基座(电动机安装座)上。在电动机安装座的顶部上，可以安装初级IR(红外)收发器板，然后安装初级线圈。两个部件均可以安装，使得它们保持固定。初级线圈上方是次级线圈以及次级IR收发器和加热器控制器的电路板。它们可以安装在转盘上。它们可以与转盘一起旋转而不中断主机和加热器控制器之间的供电和IR通信。
可选地，除了转盘上的加热器模块之外，本发明的设备还可以包括用于在试验期间加热和/或冷却试验盘所处的室的环境温度的装置。因此，尽管初级加热***从转盘提供局部加热，但是可选的次级加热***使得试验盘(并且因此，试验盘及其内容物)周围的环境温度发生改变。可选地，可以使用风扇加热器或冷却器。例如，可以使用利用风扇的鼓风机。
附图说明
现在将参考以下示例和附图进一步非限制性地详细描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的转盘盘片的一个示例的示意性图示；
图2示出在本发明中可以如何使用磁性定位和夹持装置；
图3示出根据本发明的转盘的侧视图；
图4示出根据本发明的转盘的透视图；
图5以分解示意图示出根据本发明的转盘的一些可能的元件；以及
图6至图11示出根据本发明的转盘的一些部件。
具体实施方式
参照图1，转盘盘片2包括加热器4和绝缘体6。绝缘体6插在加热器4和转盘之间，并减少了由于传导导致的热损失。结果，它们改善了加热效率和加热速率。
转盘盘片2包括中心轴8，该中心轴本身包括纵向凹槽10，该纵向凹槽用作内部引导特征以使试验盘100在轴8上粗略对准。转盘盘片2包括用作更精细对准特征的凸台12。
在图2中最清楚地示出将试验盘100定位并稳固至转盘盘片2上的磁性装置。为了清楚起见，该图中省略了转盘盘片2和试验盘100的大部分特征。试验盘100包括用于定位在转盘盘片2的轴8上的轴孔102。转盘包括具有N极16和S极18的盘式磁体组件14。试验盘100包括由N极盘式磁体108和S极盘式磁体110构成的对应盘式磁体组件104，为了清楚起见，其与图2中的试验盘100分离地示出，尽管其在使用中例如通过使用氯丁橡胶片固定至试验盘100上。氯丁橡胶片可以被预先切割成如图2所示的形状，其仅使得试验盘100以特定方向安放在转盘上。氯丁橡胶片还提供摩擦附着，以防止试验盘100在高速旋转时发生滑动。
磁体组件14和104方便地定位在设备的盘毂处，并且因此在所示的实施例中，该磁体组件104具有与试验盘的轴孔102对应的孔106。
图3和图4分别示出根据本发明的转盘的侧视图和透视图。
参照图5，转盘1可以包括初级红外收发器30、初级线圈下保持件32、铁氧体片34、初级线圈36、初级线圈上保持件38、次级线圈下保持件40、次级线圈42、铁氧体片44、次级线圈上保持件46以及包括加热器控制器和次级红外收发器的组件48。初级线圈和次级线圈两者的下保持件和上保持件用作夹具，并且可以方便地由塑料材料制成。
转盘的一些部件在图6至图11中示出。图7关于一些部件以分解图示出初级线圈组件50的示意性透视图，并且图8示出位于初级线圈组件50顶部上的次级线圈组件52。IR收发器初级和次级部件30、55分别在图9和图10中示出。示出转盘组件1的完整构造的侧视图在图11中示出。它以BLDC电动机安装部件3为基座开始。安放在BLDC安装座顶部上的第一部件是初级IR收发器部件30。紧接着是初级线圈部件50。转盘组件部件2下方是次级IR收发器部件55和加热器控制器电路部件54。部件55和54共用同一PCB板。

Claims (25)

1.一种用于接收试验盘的转盘装置，通过转盘本身的旋转运动来控制所述试验盘上的试验，其中，所述转盘本身包括：
一个或多个加热器模块，用于在旋转期间对所述试验盘的一个或多个特定部分加热；
加热器控制器，用于选择所需加热器模块并控制所需加热器模块的温度，以及
IR收发器，用于使指令和/或加热参数无线传输至所述加热器控制器。
2.如权利要求1所述的转盘装置，还包括有助于使所述试验盘相对于所述转盘正确定位的装置。
3.如权利要求2所述的转盘装置，其中，所述有助于使所述试验盘相对于所述转盘正确定位的装置在所述转盘上包括与所述试验盘中的轴孔对应的中心轴，并且其中，所述轴具有纵向凹槽以与所述试验盘的盘毂上的纵向凸起对应。
4.如权利要求3所述的转盘装置，其中，所述轴的凹槽的水平尺寸沿纵向向下方向减小。
5.如权利要求2所述的转盘装置，其中，所述有助于使所述试验盘相对于所述转盘正确定位的装置在所述转盘上包括定位凸起，以与试验盘上的对应定位凹部相配合。
6.如权利要求2所述的转盘装置，其中，使所述试验盘相对于所述转盘定位的装置如权利要求3或权利要求4以及还如权利要求5所述。
7.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，还包括夹持装置，用于将所述试验盘稳固至所述转盘上。
8.如权利要求7所述的转盘装置，其中，所述夹持装置包括机械球轴承夹持机构，用于将所述试验盘保持在所述转盘上。
9.如权利要求7所述的转盘装置，其中，所述夹持装置包括磁性装置，用于将所述试验盘相对于所述转盘保持在固定位置和/或用于将所述试验盘对准和/或引导至正确位置。
10.如权利要求9所述的转盘装置，其中，所述磁性装置包括在所述转盘中以相反极性方向布置的盘式磁体，所述盘式磁体与在所述试验盘中以相反极性方向布置的盘式磁体对应。
11.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，还包括无线功率传输装置，用于将功率传输至所述转盘中的加热器模块和/或传输至所述加热器控制器。
12.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，其中，所述IR收发器包括四个IR发射器和一个IR接收器。
13.如权利要求12所述的转盘装置，其中，所述四个发射器围绕所述转盘的中心盘毂等间隔布置。
14.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，其中，存在两个或更多个加热器模块。
15.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，其中，存在两个加热器模块。
16.如权利要求14所述的转盘装置，其中，所述加热器模块被独立控制。
17.如权利要求14所述的转盘装置，其中，供应至所述加热器模块的功率能够按需要在所述加热器模块之间共享和分配。
18.如权利要求1-5中任一项所述的转盘装置，包括初级线圈组件和次级线圈组件。
19.一种试验单元，包括如前述权利要求中任一项所述的转盘装置。
20.如权利要求19所述的试验单元，还包括用于在试验期间加热和/或冷却所述试验盘所处的室的环境温度的装置。
21.如权利要求20所述的试验单元，其中，用于加热和/或冷却的所述装置是风扇加热器或冷却器。
22.一种组合装置，所述组合装置是如权利要求1-18中任一项所述的转盘装置或如权利要求19-21中任一项所述的试验单元与配置为位于所述转盘装置上的试验盘的组合。
23.一种如权利要求1-18中任一项所述的转盘装置的用途，用作试验装置。
24.一种如权利要求19-21中任一项所述的试验单元的用途，用作试验装置。
25.一种如权利要求22所述的组合装置的用途，用作试验装置。
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