CN111229350A - 一种液冷自动化pcr设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及PCR扩增设备，尤其涉及一种液冷自动化PCR设备。其包括：基座，以及设置在基座上的液冷散热机构、自动化PCR扩增机构；所述液冷散热机构包括制冷片、液冷板、液泵以及冷排；所述自动化PCR扩增机构包括PCR样品池、PCR热盖和电机组；所述PCR样品池、制冷片和液冷板由上至下紧贴设置，液冷板固定在基座上；所述液冷板、液泵和冷排三者通过管连接，三者内部均含有液体，且液体在水泵作用下于液冷板、液泵和冷排之间循环；所述电机组设有传动结构并通过传动结构带动PCR热盖实现平移和升降运动。本发明通过液冷散热机构的配合能够实现对PCR样品池的高效散热和有效控温；通过自动化PCR扩增机构能够有效提高工作效率，并且可远程操控提高安全性。

Description

一种液冷自动化PCR设备
技术领域
本发明涉及PCR扩增设备，尤其涉及一种液冷自动化PCR设备。
背景技术
聚合酶链式反应（PCR）是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此，无论是化石中的古生物、历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点的DNA，就能用PCR加以放大，进行比对。
PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链反应)仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。广泛应用在生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域中作为基因扩增分析的首选仪器设备。
PCR就是利用DNA聚合酶对特定基因做体外或试管内In Vitro的大量合成，基本上它是利用DNA聚合酶进行专一性的连锁复制。目前常用的技术，可以将一段基因复制为原来的一百亿至一千亿倍。根据DNA扩增的目的和检测的标准，可以将PCR仪分为普通PCR仪，梯度PCR仪，原位PCR仪，实时荧光定量PCR仪四类。基本的PCR须具备1.要被复制的DNA模板Template2.界定复制范围两端的引物Primers.3.DNA聚合酶Taq. Polymearse4.合成的原料（四种脱氧核苷酸）及水。
PCR仪的工作过程如下：1、“变性"：把样品加热至94-96℃耗时30秒到数分钟，DNA双链被解开为两个单链2、“退火"：让样品的温度下降至50-65℃耗时30秒到数分钟，两个单链与试剂 中预先加入的DNA引物结合；3、“延伸"：让样品的温度上升至72℃耗时30秒到数分钟，试剂中离散的碱基 与两个单链的剩余部分结合成两个独立的双链。整个培养过程大致经过30个循环。因此，实际上PCR扩增设备在工作过程中会产生大量的热量，而目前的PCR扩增设备的散热条件简陋，大多仅配备简单的风冷散热，散热效率低下，难以确保快速降温，容易对PCR扩增过程产生影响。
此外，部分PCR扩增时存在一定的危害性，如病菌PCR扩增，操作人员在操作过程中存在一定的安全隐患，因此实现可远程自动化操作PCR扩增也是目前PCR扩增设备的一大发展趋势。
如中国专利局于2009年8月26日公开的PCR扩增反应装置、以及利用该装置的PCR扩增反应方法的发明专利申请，申请公开号为CN100532567C，其装置与现有的大多数PCR扩增设备相类似，设置有加热件、样品池，通过加热件对样品池进行加热后进行简单的风冷冷却散热，且需完全人工操作。
发明内容
为解决现有的PCR扩增设备结构过于简单，散热效率低下，在PCR扩增过程中散热不良容易导致扩增失败或效果较差，以及部分病原体PCR扩增时操作人员需要全手工操作，存在一定的安全隐患，并且手工操作效率较低等问题，本发明提供了一种液冷自动化PCR设备。本发明的目的在于：一、能够实现高效、有效的散热，并能够实现控温；二、能够实现自动化操作，提高操作安全性和工作效率；三、使得整体结构紧凑，减小占用空间。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种液冷自动化PCR设备，
包括基座，以及设置在基座上的液冷散热机构、自动化PCR扩增机构；
所述液冷散热机构包括用以制冷的制冷片、用以对制冷片降温的液冷板、用以实现液体循环的液泵以及对循环液体进行降温的冷排；
所述自动化PCR扩增机构包括可拆卸的PCR样品池、可拆卸的PCR热盖和设置在基座上的电机组；
所述PCR样品池、制冷片和液冷板由上至下紧贴设置，液冷板固定在基座上；
所述液冷板、液泵和冷排三者通过管连接，三者内部均含有液体，且液体在水泵作用下于液冷板、液泵和冷排之间循环；
所述电机组设有传动结构并通过传动结构带动PCR热盖实现平移和升降运动。
作为优选，
所述电机组设有至少一个平移电机和一个升降电机；
所述平移电机对应设置的传动结构包括平移丝杆、平移导轨和平移平台；
所述平移丝杆一端与平移电机连接，在平移电机带动下转动，另一端指向PCR样品池；
所述平移导轨与平移丝杆平行设置，平移平台套设在平移丝杆上，且平移平台下端设有与平移导轨相适配的陷槽、通过陷槽卡接在平移导轨上，平移导轨限制平移平台转动，平移丝杆可带动平移平台进行平移往复运动；
所述升降电机固定设置在平移平台上端，其对应设置的传动结构包括升降丝杆、升降导轨和升降平台；
所述升降丝杆的一端与升降电机连接，在升降电机带动下转动，另一端朝上；
所述升降导轨与升降丝杆平行设置，升降平台卡接在升降导轨上或套设在升降丝杆上并与升降导轨卡接配合进行限位；
所述升降平台侧面设有连接臂，连接臂的内端与升降平台固定连接，连接臂的外端平行于平移导轨指向PCR样品池的上方，连接臂外端端部与PCR热盖上端面固定连接；
所述升降平台卡接在升降导轨上时，连接臂套设在升降丝杆上。
作为优选，
所述液冷自动化PCR设备还设有用以检测PCR热盖平移和升降的光电传感器，光电传感器与电机组电信号连接，并通过反馈信号控制电机组工作。
作为优选，
所述光电传感器分为用于检测PCR热盖平移运动距离检测的平移光电传感器和用于检测PCR热盖升降运动距离检测的升降光电传感器；
所述平移光电传感器设置在平移平台侧面；
所述升降光电传感器设置在升降平台侧面。
作为优选，
所述制冷片为半导体制冷片；
所述制冷片的上端面和下端面分别为可转换的冷端和热端。
作为优选，
所述液冷板内设有液腔；
所述液腔内设有若干连接液腔上壁和下壁的隔板；
所述隔板对液腔进行分隔形成液流道。
作为优选，
所述冷排包括固定架、风扇和液冷流道；
所述固定架固定设置在基座上，风扇和液冷流道固定在固定架上；
所述风扇的吹风方向朝向液冷流道。
作为优选，
所述液冷流道呈格栅状或栅栏状或网状排布。
本发明的有益效果是：
1）通过液冷散热机构的配合能够实现对PCR样品池的高效散热和有效控温；
2）通过自动化PCR扩增机构能够有效提高工作效率，并且可远程操控提高安全性；
3）整体结构紧凑，占用空间较小；
4）PCR样品池和PCR热盖可更换，具有更高的使用灵活性；
5）操作简单易上手。
附图说明
图1为本发明的正视示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明部分结构轴侧示意图；
图4为图3中A部分的放大示意图；
图5为图3中B部分的放大示意图；
图6为本发明自动化PCR扩增机构部分的轴侧示意图；
图7为本发明冷排的结构示意图；
图8为本发明液冷板的结构示意图；
图中：1基座，2制冷片，3液冷板，3-1液冷进液接口，3-2液冷出液接口，3-3液腔，3-4隔板，4冷排，4-1固定架，4-2冷进液口，4-3冷出液口，4-4冷液流道，4-5风扇，5液泵，5-1泵进口，5-2泵出口，6 PCR样品池，7平移电机，7-1平移丝杆，7-2平移导轨，7-3平移平台，8升降电机，8-1升降丝杆，8-2升降导轨，8-3升降平台，9连接臂，10 PCR热盖，10-1加热件，11梯形板，11-1螺栓，11-2卡槽，12平移光电传感器，13升降光电传感器。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例中所记载技术手段及常规结构均为本领域技术人员所知的。
实施例
如图1至8所示的一种基于液冷散热机构和自动化机构的液冷自动化PCR设备，其包括：
基座1，以及设置在基座1上的液冷散热机构、自动化PCR扩增机构。
所述液冷散热机构主要由制冷片2、液冷板3、冷排4和液泵5组成；
所述制冷片2为半导体制冷片2，制冷片2的上下端面分别为可转换的冷端和热端，其内部设有由X和Y两种不同金属导线形成的闭合线路，当其上端面需要吸热时，上端面为冷端吸热、下端面为热端放热，而上端面无需吸热时，下端面为冷端吸热、上端面为热端放热，其可通过输入电流的控制，即施加反向电流实现冷热端互换，操作简洁高效；
所述液冷板3固定设置在基座1上，其内部设有液腔3-3或液流道、且相对应设有液冷进液接口3-1和液冷出液接口3-2，液腔3-3和液流道以及液冷进液接口3-1和液冷出液接口3-2用以液体流通；
所述液冷板3内部的液腔3-3设有若干连接上壁和下壁的隔板3-4，隔板3-4对液冷板3内部液腔3-3进行分隔进一步形成液流道，隔板3-4和液冷板3主体均采用高导热材质，使得液冷板3在吸收制冷片2热量后可更快地传导至液腔3-3中，且提高了液冷板3接触液体散热时的散热面积，提高了散热效率；
所述制冷片2和液冷板3紧贴设置，制冷片2设有至少一个，如图3所示液冷板3上端面设有三个制冷片2，三个制冷片2沿一个方向均匀排列设置且制冷片2下端面与液冷板3上端面紧密接触；
所述液冷板3的液冷进液接口3-1连接至液泵5的泵出口5-2，其可通过任意管件进行连接，最优为软管；
所述液冷板3的液冷出液接口3-2连接至冷排4的冷进液口4-2，其可通过任意管件连接，最优为软管；
所述冷排4除冷进液口4-2外还设有冷出液口4-3，且冷排4还设有固定架4-1、冷液流道4-4和风扇4-5，固定架4-1底端固定在基座1上，冷液流道4-4两端分别连接冷出液口4-3和冷进液口4-2，且冷液流道4-4如图7所示最优为呈格栅状或栅栏状或网状排布，该排布方式能够大幅度增大冷液流道4-4的散热面积，使流经冷液流道4-4的液体能够更充分地散热；
所述风扇4-5和液冷流道固定设置在固定架4-1上且其吹风方向朝向冷液流道4-4，用以加快冷液流道4-4中液体的散热速度，实现快速冷却液体；
所述冷排4的冷出液口4-3连接至液泵5的泵进口5-1，其可通过任意管件进行连接，最优为软管。
整体液冷散热机构在实现吸热/散热功能时：
首先确保整个液冷散热机构内有充足的液体，液体可为液或甲醇或乙醇等常规可用以吸收热量的液体，也可为特殊采购所得的导热液，随后在工作签即打开液泵5开始工作，使得液体开始预流动5～6s再开始工作，工作时制冷片2上端面为冷端吸热，吸热后热量传递至制冷片2下端面热端放热，制冷片2下端面热端放热的热量传递至液冷板3，被液冷板3吸收，液冷板3吸收的热量被流经液冷板3的液体带走至冷排4中，流经液冷板3的液体被加热，再流至冷液流道4-4中后开始充分散热，尤其在冷排4风扇4-5的作用下实现高效、充分的散热，充分散热降低温度后的液体再从冷排4的冷液出口流至液泵5中，最后再由液泵5将其泵至液冷板3，继而继续重复液体的吸热、散热步骤，实现液冷散热机构的液循环，该液冷散热的方式相较于常规的风冷散热，其散热更加快捷高效，并且其可通过对制冷片2电流的控制快捷地调控其吸热/放热方向，无需像常规风冷一样时开时关，能够进行持续工作。
所述自动化PCR扩增机构主要包括电机组、PCR热盖10和PCR样品池6，PCR热盖10和PCR样品池6可更换；
所述PCR样品池6设置在制冷片2上端并与制冷片2紧密接触；
所述电机组由至少两个电机组成，如图6所示，其由一个平移电机7和一个升降电机8；
所述平移电机7连接有一平移辅助机构，所述平移辅助机构包括平行于基座1上端面设置的平移丝杆7-1，平移丝杆7-1一端连接平移电机7、另一端指向PCR样品池6；
所述平移丝杆7-1上还套设有一平移平台7-3、平移丝杆7-1下方还设有至少一个与其平行设置的平移导轨7-2，平移平台7-3下端相适配平移导轨7-2设有一陷槽，陷槽与平移导轨7-2的相互配合阻止平移平台7-3转动，平移电机7启动后带动平移丝杆7-1旋转，由于陷槽与平移导轨7-2配合限制平移平台7-3转动，使得平移平台7-3能够实现沿平移丝杆7-1进行定距往复平移的运动；
所述平移平台7-3上固定设有升降电机8，升降电机8上端同样相适配设有升降辅助机构；
所述升降辅助机构可为常规升降机构，也可如平移辅助机构相似地设置升降丝杆8-1和升降导轨8-2，优选设置升降丝杆8-1和升降导轨8-2，其相较于常规升降机构具有更高的稳定性和可控性，升降丝杆8-1垂直于基座1且下端与升降电机8连接、升降导轨8-2与升降丝杆8-1相平行，通过配合常规升降机构或升降丝杆8-1和升降导轨8-2设置一个可在升降电机8带动作用下实现定距升降往复运动的升降平台8-3，PCR热盖10相对升降平台8-3固定设置；
如图6所示PCR热盖10上端与一连接臂9固定连接，连接臂9与升降平台8-3固定连接；
所述PCR热盖10下端面设有加热件10-1，加热件10-1为加热膜或加热板或加热片或电热丝，其通过线路连接外部电源或在液冷自动化PCR设备其余部分设置电机带动其工作，优选其连接外部电源，能够有效减小液冷自动化PCR设备的体积，并较少整体工作时的负荷；
为提高连接臂9升降运动的平稳性，所述升降平台8-3套设或卡接在升降导轨8-2上，连接臂9套设在升降丝杆8-1上并与升降平台8-3固定连接；
进行PCR热盖10盖紧PCR样品池6的工作时：
首先启动热电机对PCR热盖10进行预热，再使平移电机7工作，带动平移丝杆7-1转动，进而带动平移平台7-3进行平移运动，平移平台7-3朝向PCR样品池6方向移动至适当距离、PCR热盖10恰好位于PCR样品池6正上方后平移电机7停止工作，保持平移平台7-3稳定性，随后升降电机8工作，通过升降辅助机构带动升降平台8-3下压，进而带动连接臂9以及与连接臂9固定连接的PCR热盖10下压，至PCR热盖10压紧PCR样品池6，实现盖紧工作，反之同理，上升PCR热盖10复位、平移平台7-3朝向平移电机7移动复位；
通过上述工作原理，进行PCR扩增时试验人员可远离PCR扩增仪进行远程操作，并且可设置平移电机7和升降电机8的定时、定功率启动或关闭或反转，实现定距移动平移平台7-3和升降平台8-3，进而实现自动化操作；
为进一步提高PCR热盖10对准PCR样品池6的精度以及对不同规格PCR样品池6和PCR热盖10的通用性，自动化PCR扩增机构还设有光电传感器；
所述光电传感器包括但不仅限于红外距离传感器，主要用以检测PCR热盖10的平移和升降距离，其通过在平移平台7-3上设置平移光电传感器12，再沿其平移方向设置对应的平移光电传感器12的常规设置方式，实现对平移平台7-3平移距离的精确检测，通过平移光电传感器12反馈电信号至平移电机7，进而实现对平移平台7-3平移距离的精确把控，再在升降平台8-3下端面设置升降光电传感器13、升降电机8上端面同样相对应设置内嵌式或外置式的升降光电传感器13，实现对升降平台8-3升降距离的精确检测，通过升降光电传感器13反馈电信号至升降电机8，进而实现对升降平台8-3升降距离的精确把控；
上述平移光电传感器12和升降光电传感器13的设置，能够进一步提高自动化PCR扩增机构的自动化程度和PCR热盖10盖紧PCR样品池6的准确性，提高整体自动化PCR扩增机构的工作稳定性，基本可完全避免工作误差产生。
所述液冷板3的相对的两侧相对设置有梯形板11，梯形板11上端高于设置在制冷片2上的PCR样品池6，用以对PCR样品池6进行限位，提高其稳定性；
所述相对设置的梯形板11相对面设有上设有螺栓11-1，形成卡槽11-2，PCR样品池6的边缘可卡接在卡槽11-2内，进一步提高PCR样品池6的放置稳定性。
整体工作时：
首先选用所需的PCR样品池6以及相适配的PCR热盖10，将PCR热盖10与连接臂9固定连接、且与热电机电连接，将PCR样品池6设置在制冷片2上端、与制冷片2紧密接触，并且PCR样品池6边缘卡接在梯形板11的卡槽11-2内，人工预备工作完成后，根据所选的PCR样品池6和PCR热盖10规格、尺寸以及实验要求，设置平移电机7、升降电机8、热电机以及液泵5的工作参数，如热盖向前移动10cm、向下移动5cm后可盖紧PCR样品池6，假设实验要求预变性加热180s、恒温扩增40s、冷却退火30s、加热60s，进行30次循环后恒温420s，则设置平移电机7参数为可带动平移平台7-3向PCR样品池610cm、设置升降电机8参数为可带动PCR热盖10向下移动5cm，在该过程中通过光电传感器进行平移和升降距离的实时监测，确保PCR热盖10能够准确地进行平移和升降工作，并且，设置热电机和液泵5的工作，确保其升温、恒温和冷却步骤能够按照规定进行。
上述工作方式在人工预备工作完成和参数设定完成后，即可实现完全自动化工作，进而可降低人工成本，并且可避免人工误操作导致PCR样品污染以及避免人工误操作导致实验人员受伤或感染等意外发生。

Claims (8)

1.一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
包括基座，以及设置在基座上的液冷散热机构、自动化PCR扩增机构；
所述液冷散热机构包括用以制冷的制冷片、用以对制冷片降温的液冷板、用以实现液体循环的液泵以及对循环液体进行降温的冷排；
所述自动化PCR扩增机构包括可拆卸的PCR样品池、可拆卸的PCR热盖和设置在基座上的电机组；
所述PCR样品池、制冷片和液冷板由上至下紧贴设置，液冷板固定在基座上；
所述液冷板、液泵和冷排三者通过管连接，三者内部均含有液体，且液体在水泵作用下于液冷板、液泵和冷排之间循环；
所述电机组设有传动结构并通过传动结构带动PCR热盖实现平移和升降运动。
2.根据权利要求1所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述电机组设有至少一个平移电机和一个升降电机；
所述平移电机对应设置的传动结构包括平移丝杆、平移导轨和平移平台；
所述平移丝杆一端与平移电机连接，在平移电机带动下转动，另一端指向PCR样品池；
所述平移导轨与平移丝杆平行设置，平移平台套设在平移丝杆上，且平移平台下端设有与平移导轨相适配的陷槽、通过陷槽卡接在平移导轨上，平移导轨限制平移平台转动，平移丝杆可带动平移平台进行平移往复运动；
所述升降电机固定设置在平移平台上端，其对应设置的传动结构包括升降丝杆、升降导轨和升降平台；
所述升降丝杆的一端与升降电机连接，在升降电机带动下转动，另一端朝上；
所述升降导轨与升降丝杆平行设置，升降平台卡接在升降导轨上或套设在升降丝杆上并与升降导轨卡接配合进行限位；
所述升降平台侧面设有连接臂，连接臂的内端与升降平台固定连接，连接臂的外端平行于平移导轨指向PCR样品池的上方，连接臂外端端部与PCR热盖上端面固定连接；
所述升降平台卡接在升降导轨上时，连接臂套设在升降丝杆上。
3.根据权利要求1或2所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述液冷自动化PCR设备还设有用以检测PCR热盖平移和升降的光电传感器，光电传感器与电机组电信号连接，并通过反馈信号控制电机组工作。
4.根据权利要求3所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述光电传感器分为用于检测PCR热盖平移运动距离检测的平移光电传感器和用于检测PCR热盖升降运动距离检测的升降光电传感器；
所述平移光电传感器设置在平移平台侧面；
所述升降光电传感器设置在升降平台侧面。
5.根据权利要求1所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述制冷片为半导体制冷片；
所述制冷片的上端面和下端面分别为可转换的冷端和热端。
6.根据权利要求1所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述液冷板内设有液腔；
所述液腔内设有若干连接液腔上壁和下壁的隔板；
所述隔板对液腔进行分隔形成液流道。
7.根据权利要求1所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述冷排包括固定架、风扇和液冷流道；
所述固定架固定设置在基座上，风扇和液冷流道固定在固定架上；
所述风扇的吹风方向朝向液冷流道。
8.根据权利要求7所述的一种液冷自动化PCR设备，其特征在于，
所述液冷流道呈格栅状或栅栏状或网状排布。
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