CN109976412A - 一种核酸扩增仪的温度控制方法和装置 - Google Patents

一种核酸扩增仪的温度控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种数字化核酸扩增仪的温度控制方法。其包括以下步骤:步骤1,获取芯片的当前温度和设定温度;步骤2,获取预先设置给芯片加热或制冷的时长;步骤3,根据预先设置的时长控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且控制制冷片的加热或制冷时间小于等于预设值。本发明提供的温度控制方法,在保证快速升降温的同时,通过两级制冷片配合作用尽可能的降低了能耗,提高了制冷片的工作效率,平衡了温度调节时间和功率之间的关系,能够快速对芯片的温度进行调节,保证了PCR反应的高效进行,有效解决了现有温度控制***精度不高,DNA片段扩增的效率低下等问题。

Description

一种核酸扩增仪的温度控制方法和装置
技术领域
本发明属于核酸扩增仪技术领域,尤其涉及到一种核酸扩增仪的温度控制方法和装置。
背景技术
核酸扩增技术也即聚合酶链式反应技术(Polymerase Chain Reaction简称PCR),是一种用于扩增特定的DNA分子片段的分子生物技术,它以DNA分子为模板,由一对人工合成的特异寡核苷酸引物,通过DNA聚合酶酶促反应,快速扩增特异DNA分子片段,在生物学上具有极其重要的作用。PCR反应的基本过程分为三步。第一步,DNA变性(94℃),双链DNA模板在热作用下氢键断裂,形成单链DNA;第二步,退火(55℃),***温度降低,引物与DNA模板结合,形成局部双链;第三步,延伸(72℃),在Taq酶的作用下,以dNTP为原料从引物的5’端到3’端延伸,合成与模板互补的DNA链。PCR仪就是通过控制样品达到不同温度,对被扩增的DNA片段进行变性、退火和聚合处理,以达到将DNA片段的量成倍扩增的目的。因此,温度控制的精度,升降温的速度,直接影响DNA片段扩增的效率。
现有的核酸扩增温度控制方法调节的精度较低,制冷片的功率不好控制,且芯片的温度采集的不够精确,影响了DNA片段扩增的效率。
发明内容
本发明针对现有技术的问题,提出一种快速、精确的核酸扩增仪的温度控制方法和装置,其在保证快速升降温的同时,通过两级制冷片配合作用尽可能的降低了能耗,提高了制冷片的工作效率,平衡了温度调节的时间和效率之间的关系,能够快速对芯片的温度进行调节,保证了PCR反应的高效进行,有效解决了现有温度控制***精度不高,DNA片段扩增的效率低下等问题。
具体的,本发明采用以下技术方案施行:
一种核酸扩增仪的温度控制方法,所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片,用于对芯片加热和制冷的制冷片,用于获取温度信号的温度传感器,用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板,所述核酸扩增仪的温度控制方法包括以下步骤:
步骤1,获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0
步骤2,获取预先设置给所述芯片加热或制冷的时长,得到预设值t0
步骤3,控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且控制制冷片的加热或制冷时间tn小于等于预设值t0
进一步地,所述步骤3中调节芯片温度至设定温度的具体方式为:主控板的处理模块通过公式A得到输出值U,并将输出值U转换为模拟电流的调温信号,然后再输出调温信号给制冷片,制冷片进行功率的调整,
公式A:U=Ka|T-T0|+Kb d|T-T0|/dt+Kc∫|T-T0|dt,其中U为输出值,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,Ka为比例系数,Kb为微分时间常数,Kc为积分时间常数;
进一步地,所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片;
进一步地,制冷片根据公式B调节制冷片的功率,
公式B:P1或P2=CM|T-T0|/(2tnK),其中P1和P2分别为一级制冷片和二级制冷片的实时功率,C为芯片的比热容,M为芯片的质量,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,tn为制冷片的加热或制冷时间,K为一级制冷片或二级制冷片的热传导效率;
进一步地,所述步骤2中预设值t0为5-30s;
进一步地,所述一级制冷片和二级制冷片分别设置有用于调节电压或电流的调节装置,所述调节装置与主控板电气连接,所述调节装置可以用于电压或电流的调节以达到所需的功率;
进一步地,本发明还可以预设温度差值,通过对比预设温度差值与芯片当前温度T和芯片设定温度T0的温度差的绝对值(即|T-T0|)的大小来选择一级制冷片和二级制冷片的开启状态;
进一步地,若所述温度差的绝对值小于等于所述预设温度差值,则开启一级制冷片进行温度调节;若所述温度差的绝对值大于所述预设温度差值,则同时开启一级制冷片和二级制冷片进行温度调节;
进一步地,所述预设温度差值可以为5-20℃;
进一步地,所述芯片的当前温度T是第一温度传感器和第二温度传感器采集得到的芯片温度采集值T1和T2的均值;
进一步地,所述核酸扩增仪还包括盛放芯片的芯片槽,所述第一温度传感器和第二温度传感器设置在芯片槽的中心和边缘之间,且等间距分布;
本发明还保护一种核酸扩增仪的温度控制装置,所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片,用于对芯片加热和制冷的制冷片,用于获取温度信号的温度传感器,用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板,所述核酸扩增仪的温度控制装置包括:
第一获取单元,用于获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0
第二获取单元,用于获取预先设置给所述芯片加热或制冷的时长,得到预设值t0
控制单元,用于控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且制冷片的加热或制冷时间tn小于等于预设值t0;
进一步地,所述控制单元包括:
第一计算模块,用于通过公式A得到输出值U,
公式A:U=Ka|T-T0|+Kbd|T-T0|/dt+Kc∫|T-T0|dt,其中U为输出值,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,Ka为比例系数,Kb为微分时间常数,Kc为积分时间常数;
第一处理模块,用于将输出值U转换为模拟电流的调温信号,然后再输出调温信号给制冷片;
进一步地,所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片,所述控制单元还包括:
第二计算模块,用于通过公式B得到制冷片的功率,
公式B:P1或P2=CM|T-T0|/(2tnK),其中P1和P2分别为一级制冷片和二级制冷片的实时功率,C为芯片的比热容,M为芯片的质量,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,tn为制冷片的加热或制冷时间,K为一级制冷片或二级制冷片的热传导效率;
第二处理模块,用于根据第二计算模块计算得到的功率对制冷片的实时功率进行调节;
进一步的,所述核酸扩增仪还包括LCD显示器,主控板可以根据检测得到的温度信号和核酸扩增仪运行状况,通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线,并在LCD显示器上实时显示出来以供参考。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明提供了一种核酸扩增仪的温度控制方法,其在保证快速升降温的同时,通过两级制冷片配合作用尽可能的降低了能耗,提高了制冷片的工作效率,平衡了温度调节的时间和效率之间的关系,能够快速对芯片的温度进行调节,保证了PCR反应的高效进行。同时,其采用两个温度传感器对芯片的温度进行实时采集,提供多重保障,采集的更加精准,本发明提供的核酸扩增仪的温度控制方法能够对芯片的温度进行精确检测和控制,有效解决了现有温度控制***精度不高,DNA片段扩增的效率低下等问题。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例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,本领域普通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,需要说明的是,在本发明的描述中,术语“中心”“边缘”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的位置或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明,但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本申请要求保护的范围的示例性说明,本领域技术人员可以根据所公开的内容对本申请的发明作出多种改变和修饰,而其也应当属于本申请要求保护的范围之中。
下面以具体实施例的方式对本发明作进一步的说明。
实施例
本实施例中的核酸扩增仪包括盛放芯片的芯片槽,芯片槽内设有芯片,芯片内放有样品,用于对芯片加热和制冷的制冷片,用于获取温度信号的温度传感器,用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板;制冷片包括一级制冷片和二级制冷片,温度传感器包括用于获取芯片温度信号的第一温度传感器和第二温度传感器,第一温度传感器和第二温度传感器设置在芯片槽的中心和边缘之间,等间距分布;基于该核酸扩增仪的温度控制方法包括以下步骤:
步骤1,获取芯片的当前温度T和设定温度T0
将第一温度传感器和第二温度传感器检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路;放大滤波电路对温度信号进行放大和滤波处理,然后传输给A/D转换电路,A/D转换电路将温度信号转换为数字量后传输给主控板得到芯片的当前温度采集值T1和T2,T1和T2由第一温度传感器和第二温度传感器分别采集得到;对温度采集值T1和T2进行均值后得到芯片的当前温度T;设定温度T0为PCR反应时需要控制芯片达到的温度。
步骤2,获取预先设置给芯片加热或制冷的时长,得到预设值t0,t0的值在10-20s之间;
步骤3,控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且控制制冷片的加热或制冷时间tn小于等于预设值t0
步骤3中调节芯片温度至设定温度的具体方式为:主控板的处理模块通过公式A得到输出值U,并将输出值U转换为模拟电流的调温信号,然后再输出调温信号给制冷片,制冷片进行功率的调整,
公式A:U=Ka|T-T0|+Kbd|T-T0|/dt+Kc∫|T-T0|dt,其中U为输出值,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,Ka为比例系数,Kb为微分时间常数,Kc为积分时间常数;
制冷片根据公式B调节制冷片的功率,
公式B:P1或P2=CM|T-T0|/(2tnK),其中P1和P2分别为一级制冷片和二级制冷片的实时功率,C为芯片的比热容,M为芯片的质量,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,tn为制冷片的加热或制冷时间,K为一级制冷片或二级制冷片的热传导效率;
本发明实施例中,Ka、Kb和Kc可以根据实际情况进行调整,可以采用经验的方法或者经验值,并没有一个确定的数学描述。并且此经验方法教科书中均有介绍。
在步骤3中制冷片功率的调整方面,还可以预设温度差值,如预设温度差值a为20℃,通过对比预设温度差值a与芯片当前温度T和芯片设定温度T0的温度差的绝对值(即|T-T0|)的大小来选择一级制冷片和二级制冷片的开启状态;
若所述a≥|T-T0|,则开启一级制冷片进行温度调节;若a≤|T-T0|,则同时开启一级制冷片和二级制冷片进行温度调节;
本发明中核酸扩增仪还可以包括LCD显示器,主控板可以根据检测得到的温度信号和核酸扩增仪运行状况,通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线,并在LCD显示器上实时显示出来以供参考。
显然,上述实施例仅仅为清楚的说明所作的举例,而并非对实施方式的限定,本发明还可以设置为核酸扩增仪的温度控制装置,装置的模块在本发明内容中有详细的记载,对于所述领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以作出其他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。而由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核酸扩增仪的温度控制方法,所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片,用于对芯片加热和制冷的制冷片,用于获取温度信号的温度传感器,用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板,其特征在于,所述核酸扩增仪的温度控制方法包括以下步骤:
步骤1,获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0
步骤2,获取预先设置给所述芯片加热或制冷的时长,得到预设值t0
步骤3,控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且控制制冷片的加热或制冷时间tn小于等于预设值t0
2.根据权利要求1所述的温度控制方法,其特征在于,所述步骤3中调节芯片温度至设定温度的具体方式为:主控板的处理模块通过公式A得到输出值U,并将输出值U转换为模拟电流的调温信号,然后再输出调温信号给制冷片,制冷片进行功率的调整,
公式A:U=Ka|T-T0|+Kbd|T-T0|/dt+Kc∫|T-T0|dt,其中U为输出值,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,Ka为比例系数,Kb为微分时间常数,Kc为积分时间常数。
3.根据权利要求2所述的温度控制方法,其特征在于,所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片。
4.根据权利要求3所述的温度控制方法,其特征在于,制冷片根据公式B调节制冷片的功率,
公式B:P1或P2=CM|T-T0|/(2tnK),其中P1和P2分别为一级制冷片和二级制冷片的实时功率,C为芯片的比热容,M为芯片的质量,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,tn为制冷片的加热或制冷时间,K为一级制冷片或二级制冷片的热传导效率。
5.根据权利要求1所述的温度控制方法,其特征在于,所述步骤2中预设值t0为5-30s。
6.根据权利要求1所述的温度控制方法,其特征在于,所述芯片的当前温度T是第一温度传感器和第二温度传感器采集得到的芯片温度采集值T1和T2的均值。
7.根据权利要求6所述的温度控制方法,其特征在于,所述核酸扩增仪还包括盛放芯片的芯片槽,所述第一温度传感器和第二温度传感器设置在芯片槽的中心和边缘之间,且等间距分布。
8.一种核酸扩增仪的温度控制装置,所述核酸扩增仪包括盛放样品的芯片,用于对芯片加热和制冷的制冷片,用于获取温度信号的温度传感器,用于处理温度信号和发出温度控制命令的主控板,其特征在于,所述核酸扩增仪的温度控制装置包括:
第一获取单元,用于获取所述芯片的当前温度T和设定温度T0
第二获取单元,用于获取预先设置给所述芯片加热或制冷的时长,得到预设值t0
控制单元,用于控制制冷片调节芯片温度至设定温度,且制冷片的加热或制冷时间tn小于等于预设值t0
9.根据权利要求8所述的温度控制装置,其特征在于,所述控制单元包括:
第一计算模块,用于通过式(1)得到输出值U,
U=Ka|T-T0|+Kbd|T-T0|/dt+Kc∫|T-T0|dt (1)
其中U为输出值,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,Ka为比例系数,Kb为微分时间常数,Kc为积分时间常数;
第一处理模块,用于将输出值U转换为模拟电流的调温信号,然后再输出调温信号给制冷片。
10.根据权利要求9所述的温度控制装置,其特征在于,所述制冷片包括一级制冷片和二级制冷片,所述控制单元还包括:
第二计算模块,用于通过式(2)得到制冷片的功率,
P1或P2=CM|T-T0|/(2tnK) (2)
其中P1和P2分别为一级制冷片和二级制冷片的实时功率,C为芯片的比热容,M为芯片的质量,T为芯片的当前温度,T0为芯片的设定温度,tn为制冷片的加热或制冷时间,K为一级制冷片或二级制冷片的热传导效率;
第二处理模块,用于根据第二计算模块计算得到的功率对制冷片的实时功率进行调节。
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Effective date of registration: 20191112

Address after: Room 308, 3rd floor, building 3, No. 88, Kechuang 6th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing

Applicant after: Beijing central science and Technology Co., Ltd.

Applicant after: Ningbo Xurui Biomedical Instruments Co., Ltd.

Address before: 315300 Room 801, Building 2, Science and Technology Plaza, Zhixi Wisdom Valley, Gutang Street, Cixi City, Ningbo City, Zhejiang Province

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