CN112063491B - 一种核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法，涉及微通道温控装置及方法。装置包括核酸扩增反应模块、升/降温模块、微通道冷却模块和微控制器模块；核酸扩增反应模块和微通道冷却模块分别安装在升/降温模块的上、下两面；核酸扩增反应模块包括反应板、反应柱和反应管；升/降温模块与反应板底部贴合安装，通过微控制器模块实现反应模块的升/降温以及温度控制；微通道冷却模块包括微通道板、微通道盖板、液体管、散热风扇、冷凝器、储液器和水泵；反应柱、热电制冷片和冷凝器出口均设置有热电偶，用于采集温度信号。不使用外层保温材料，提高温度分布均匀性，降低成本、提高生产操作便捷性。提高热电制冷片功率，提高反应模块升/降温速率。

Description

一种核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法

技术领域

本发明涉及微通道温控装置及方法，具体是涉及一种核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法。

背景技术

近年来，随着基因技术的发展，核酸检测发挥着越来越重要的作用。在临床上，通过核酸检测，可以提前发现病变，尽早治疗，从而提高治愈率。当前，传染病流行，各种病毒肆虐，严重影响了人们的身体健康。新冠肺炎在全球流行，已经造成了数百万人感染。新冠肺炎潜伏期长，而且存在无症状感染着，给疫情的防控和治疗带来巨大挑战。当前最主要的防疫手段是进行大规模核酸检测，做到早发现、早隔离、早治疗，已经在我国取得了良好防疫效果。

由于采集的核酸检测样品浓度偏低，现有设备难以检测，需要采用特殊的方式提高核酸浓度。目前，常用的方式为聚合酶链反应Polymerase Chain Reaction(简称PCR反应)，利用DNA可在一定条件下发生变性，解离成单链，然后与异源核酸形成双链的特性，先将模板基因热变性，通过降温使引物与单链DNA的互补序列复性，形成模板与引物复合物(退火)，然后以引物为固定起点，用耐热DNA聚合酶，由5′至3′方向合成DNA(引物延伸)“变性-退火-延伸”即为一个循环，经过20～30次循环，使核酸扩增2ⁿ倍，并进行核酸检测。聚合酶链反应敏感性高、特异性强、简便快捷，是有效的核酸扩增手段。

由于核酸扩增反应需要对样品进行多次升/降温操作，且对升/降温速率提出了严格的要求，一般要求样品的升温和降温速率不低于5℃/s。目前市面上的核酸检测设备，采用的是热电制冷片和翅片的散热方式，由于翅片的散热效率低，只能采用功率较低的热电制冷片，导致反应模块内样品的升/降温速率到不到要求。尤其是在降温过程中，热电制冷片工作时热端产生大量的热量，翅片无法及时导出热量，导致热量反窜到冷端，进一步降低了制冷效果，降温速率远无法满足当前检测要求。另一方面，由于反应模块***的反应柱、反应管与周围空气发生热量交换，各个样品的温度不一致，导致样品扩增后的核酸浓度不一致，严重影响了检测敏感性和准确性。因此，提出一种核酸检测扩增反应的高效温控方法，对提高核酸检测准确性和敏感性、缩减检测时间，具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术存在的上述不足，提供一种核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法。该装置以热电制冷片为升/降温模块，反应板设计为内外相互嵌套的多层结构，从外层到内层导热率逐渐递增；反应柱采用导热率不同的材料，其中外层采用低导热率材料，内层采用高导热率材料。

本发明的另一目的在于提供一种核酸检测扩增反应微通道温控方法。该方法可以防止由于外侧与空气热量交换导致的温度降低，提高反应模块的温度均匀性。采用微通道作为热沉，借助热电制冷片，将反应模块的热量储存或者释放，可实现反应模块的快速升温和降温，降低能量消耗。热电制冷片工作产生的热量通过散热风扇散到空气中，维持整个***的热平衡。

所述核酸检测扩增反应微通道温控装置包括核酸扩增反应模块、升/降温模块、微通道冷却模块和微控制器模块；所述核酸扩增反应模块和微通道冷却模块分别安装在升/降温模块的上、下两面；

所述核酸扩增反应模块包括反应板、反应柱和反应管，所述反应柱安装在反应板的孔内，用以固定反应柱，反应管套设在反应柱内；

所述升/降温模块为热电制冷片，与反应板底部贴合安装，通过微控制器模块可实现反应模块的升/降温以及温度控制；

所述微通道冷却模块包括微通道板、微通道盖板、液体管、散热风扇、冷凝器、储液器和水泵；所述微通道板上设有微通道，微通道的入口和出口分别与液体管连接；微通道盖板设在微通道板上部，微通道盖板顶部与升/降温模块贴合；所述液体管的一端分别与微通道的入口和出口连接，液体管的另一端分别通过水泵、冷凝器连接至储液器，储液器内部存储有冷却水器，并设有液位控制器和液位传感器，液位控制器可根据热平衡状况调控参与循环的冷却水；水泵用于驱动冷却水在微通道和冷凝器之间循环，液体管内流动的冷却水流带走热量；所述反应柱、热电制冷片和冷凝器出口均设置有热电偶，用于采集温度信号，水泵设置有电压信号传感器，储液器设置有液位信号传感器；

所述微控制器模块用于接收传感器信号，并发出指令控制热电制冷片升/降温以及冷却水的参与量和循环速率。

热电制冷片释放的多余热量被散热风扇散发到空气中；所述储液器内部存储有冷却水，并设有液位控制器，可根据热平衡状况调控参与循环的冷却水；

所述反应板为内外嵌套的多层结构，从外层到内层的导热率逐渐增加。

所述内外嵌套的多层结构可采用第一导热率材料为不锈钢、第二导热率材料为黄铜、第三导热率材料为铝合金、第四导热率材料为紫铜。

所述反应板可采用24孔、48孔或者96孔反应板。

所述升/降温模块可采用热电制冷片。

所述微通道板可由多组互不串通的蛇形微通道组成。所述多组可设5～10组。

所述核酸检测扩增反应微通道温控方法，包括以下步骤：

1)当PCR反应开始，微控制器给热电制冷片一个正向电压，此时热电制冷片与反应板接触的一面为热端，与微通道接触的一面为冷端。在帕尔贴效应的作用下，微通道中冷却水的热量被源源不断释放到反应模块上，同时热电制冷片在工作中产生的热量也被传输到反应模块上，反应模块的温度快速上升到额定的温度上限96℃；微控制模块调节热电制冷片的电流，使反应模块温度维持在额定温度，进入高温保温环节；

2)保温结束之后，微控制器模块给热电制冷片一个反向电压，热电制冷片的冷端和热端切换，反应模块的热量被反向传输到微通道，微通道内部的冷却水作为热沉，把热量存储起来；

在步骤2)中，所述冷却水的流速可根据热电制冷片释放的热量大小，通过水泵调节。

3)当反应模块的温度下降到额定温度下限30℃时，微控制器模块调节热电制冷片的电流，进入低温保温环节。

4)低温保温环节结束之后，PCR反应的一个升/降温循环结束，即将进入下一个循环，此时反应管内的核酸数量扩增一倍；

5)散热风扇开启，将多余的热量散发到空气中，维持***热平衡，使下一个升/降温循环开始时的温度与上一个循环保持一致，温度高低由安装在冷凝器出口处的热电偶检测并传输至微控制器模块。

以下给出本发明的工作原理：

对于温度均匀性来说，反应板和反应柱***采用低导热率的材料，相当于在反应模块***增加了一层保温层，避免了和***空气的热量交换，可提高反应模块的温度均匀性。对于升/降温速率来说，采用微通道做为热沉，与热电制冷片贴合，用于吸收来自于热电制冷片的热量或者释放热量到热电制冷片，借助热电制冷片的热量传递作用，当反应模块降温时，将热量存储到微通道内的冷却水中；当反应模块升温时，将热量从微通道中释放出来。通过该方法，可以实现反应模块的快速升温和降温。所述水泵驱动冷却水在微通道和冷凝器之间循环，热电制冷片工作时产生的多余热量通过冷却水传输至冷凝器，通过散热风扇散发到空气中，维持热平衡。储液器中的液位控制器可根据反应模块热负荷大小控制参与循环的冷却水量。反应柱和热电制冷片均设置有热电偶用于采集温度信号，水泵设置有电压信号传感器，储液器设置有液位信号传感器。这些信号均传输至微控制器模块，微控制模块发出指令控制热电制冷片升/降温以及冷却水的参与量和循环速率。通过微通道热沉的热量调控和反应板变导热率设计，可实现核酸扩增反应的快速升/降温和温度分布的均匀性。

与现有技术相比，本微通道温控装置及方法有如下优点：采用反应板和反应柱变导热率设计，避免使用外层保温材料，在提高温度分布均匀性的同时，降低成本、提高生产操作便捷性。采用微通道作为热沉，由于微通道换热性能强，存储和释放热量的速度快，可提高热电制冷片的功率，进而提高反应模块的升/降温速率。此外，由于水的比热容大，少量的冷却水可存储大量热量，降低设备体积。

附图说明

图1为核酸检测微通道温控装置的结构示意图。

图2为核酸检测反应模块和温控模块示意图。

图3为核酸检测反应模块变导热率示意图。

图4为蛇形微通道示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步说明和描述，但本发明不仅限于本实施例。

实施例1

如图1和2所示的一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，包括反应模块、升/降温模块、微通道冷却模块和微控制器模块。所述反应模块包括反应管1、反应柱2和反应板3。所述升/降温模块包括热电制冷片4，在热电制冷片4上设有两根电源线5，通过调换电源线的正负极，可实现热电制冷片热端和冷端之间的切换。所述反应柱2和热电制冷片4分别设置有热电偶8-2和8-1，用于采集的温度信号，采集的温度信号传输至微控制器模块13，微控制器模块13控制热电制冷片的电流大小和正负极，实现升降温。所述微通道冷却模块包括微通道6、液体管7、散热风扇9、冷凝器10、储液器11和水泵12；所述冷凝器10的出口处设有热电偶8-5，如图4所示，所述微通道6包括微通道板6-1和微通道盖板6-2，所述微通道板6-1上有5组互不串通的蛇形微通道6-1(c)，同时设置入口6-1(a)和出口6-1(b)(微通道的出入口作用相同，切换不影响技术效果，分别与液体管7连接。所述储液器11内设置有液位控制器，液位信号由液位传感器8-3传输至微控制器模块13，用以控制参与循环的冷却水量。所述水泵设有控制电路8-4，由所述微控制器控制冷却水流速。所述反应模块安装在升/降温模块上面、所述微通道冷却模块安装在升/降温模块下面，各模块之间采用层叠式安装，便于热量传递，且各模块之间涂有导热硅脂，减小接触热阻。

进一步优选地，如图3所示，所述反应柱2的安装方式采取外层为低导热率材料2-1，内层为高导热率材料2-2。本实施例中，低导热率材料为铝合金，高导热率材料为紫铜。所述反应板3为内外嵌套的多层结构，其中外层采用低导热率材料3-1，内层采用高导热率材料3-2。本实施例中，低导热率材料为铝合金，高导热率材料为紫铜。反应板3内部开有孔3-3，用于安装反应柱2。孔的数量可选为24孔、48孔或者96孔，本实施例中采用24孔。

所述核酸检测扩增反应微通道温控装置及方法的工作原理为：当PCR反应开始，微控制器给热电制冷片4一个正向电压，此时热电制冷片与反应板3接触的一面为热端，与微通道6接触的一面为冷端。在帕尔贴效应的作用下，微通道6中冷却水的热量被源源不断释放到反应模块上，同时热电制冷片4在工作中产生的热量也被传输到反应模块上，反应模块的温度快速上升到额定的温度上限96℃。此时微控制模块调节热电制冷片4的电流，使反应模块温度维持在额定温度，进入高温保温环节。保温结束之后，微控制器模块13给热电制冷片4一个反向电压，热电制冷片4的冷端和热端切换，反应模块的热量被反向传输到微通道6，微通道内部的冷却水作为热沉，把热量存储起来。由于微通道6内部有5组互不串通的蛇形微通道6-1(c)，可以提高延长度方向和宽度方向的温度均匀性。根据热电制冷片释放的热量大小，冷却水的流速可通过水泵12调节。当反应模块的温度下降到额定温度下限30℃时，微控制器模块调节热电制冷片4的电流，进入低温保温环节。低温保温环节结束之后，PCR反应的一个升/降温循环结束，即将进入下一个循环，此时反应管1内的核酸数量扩增一倍。

由于热电制冷片4在工作过程中产生大量热量，在一个循环过程中，冷却水吸收的热量大于释放的热量。此时散热风扇9开启，将多余的热量散发到空气中，维持***热平衡，使下一个升/降温循环开始时的温度与上一个循环保持一致，温度高低由安装在冷凝器10出口处的热电偶8-5检测并传输至微控制器模块13。由于微通道6换热性能好，热量能够迅速被冷却水吸收或者释放，因此，热电制冷片4可以选择较大功率型号(比如可选择PCR100145，最大制冷量达177.1W)，有效提高升/降温速率。此外，采用冷却水作为热沉，由于其比热容大，少量的冷却水即可满足热量吸收和释放的需要；多个循环中，热量从反应模块和微通道散热模块之间来回传递，因此本温控方法具有结构紧奏、节能减排的优势。

反应模块采用渐变导热率材料，反应板采用内外嵌套的两层结构，外层为低导热率铝合金3-1，内层为高导热率紫铜3-2；外层反应柱2-1材料为铝合金，内层反应柱2-2材料为紫铜。这种布局相当于在反应模块外面包裹了一层保温材料，降低反应模块与外界空气的热量交换，可以进一步提高反应模块的温度均匀性，提高核酸检测结果的准确性和灵敏度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，其特征在于包括核酸扩增反应模块、升/降温模块、微通道冷却模块和微控制器模块；所述核酸扩增反应模块和微通道冷却模块分别安装在升/降温模块的上、下两面；

所述核酸扩增反应模块包括反应板、反应柱和反应管，所述反应柱安装在反应板的孔内，用以固定反应柱，反应管套设在反应柱内；所述反应板为内外嵌套的多层结构，从外层到内层的导热率逐渐增加；所述反应柱内外多层，从外层到内层的导热率亦逐渐增加；所述内外嵌套的多层结构采用第一导热率材料为不锈钢、第二导热率材料为黄铜、第三导热率材料为铝合金、第四导热率材料为紫铜；

所述升/降温模块为热电制冷片，与反应板底部贴合安装，通过微控制器模块可实现反应模块的升/降温以及温度控制；

所述微通道冷却模块包括微通道板、微通道盖板、液体管、散热风扇、冷凝器、储液器和水泵；所述微通道板上设有微通道，微通道的入口和出口分别与液体管连接；微通道盖板设在微通道板上部，微通道盖板顶部与升/降温模块贴合；所述液体管的一端分别与微通道的入口和出口连接，液体管的另一端分别通过水泵、冷凝器连接至储液器，储液器内部存储有冷却水器，并设有液位控制器和液位传感器，液位控制器可根据热平衡状况调控参与循环的冷却水；水泵用于驱动冷却水在微通道和冷凝器之间循环，液体管内流动的冷却水流带走热量；所述反应柱、热电制冷片和冷凝器出口均设置有热电偶，用于采集温度信号，水泵设置有电压信号传感器，储液器设置有液位信号传感器；所述微通道板由多组互不串通的蛇形微通道组成；

所述微控制器模块用于接收传感器信号，并发出指令控制热电制冷片升/降温以及冷却水的参与量和循环速率。

2.如权利要求1所述一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，其特征在于所述储液器内部存储有冷却水，并设有液位控制器，可根据热平衡状况调控参与循环的冷却水。

3.如权利要求1所述一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，其特征在于所述反应板采用24孔、48孔或96孔反应板。

4.如权利要求1所述一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，其特征在于所述升/降温模块采用热电制冷片。

5.如权利要求1所述一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，其特征在于所述多组设5～10组。

6.一种核酸检测扩增反应微通道温控方法，其特征在于采用如权利要求1所述一种核酸检测扩增反应微通道温控装置，包括以下步骤：

1)当PCR反应开始，微控制器给热电制冷片一个正向电压，此时热电制冷片与反应板接触的一面为热端，与微通道接触的一面为冷端；在帕尔贴效应的作用下，微通道中冷却水的热量被源源不断释放到反应模块上，同时热电制冷片在工作中产生的热量也被传输到反应模块上，反应模块的温度快速上升到额定的温度上限96℃；微控制模块调节热电制冷片的电流，使反应模块温度维持在额定温度，进入高温保温环节；

2)保温结束之后，微控制器模块给热电制冷片一个反向电压，热电制冷片的冷端和热端切换，反应模块的热量被反向传输到微通道，微通道内部的冷却水作为热沉，把热量存储起来；

3)当反应模块的温度下降到额定温度下限30℃时，微控制器模块调节热电制冷片的电流，进入低温保温环节；

4)低温保温环节结束之后，PCR反应的一个升/降温循环结束，即将进入下一个循环，此时反应管内的核酸数量扩增一倍；

5)散热风扇开启，将多余的热量散发到空气中，维持***热平衡，使下一个升/降温循环开始时的温度与上一个循环保持一致，温度高低由安装在冷凝器出口处的热电偶检测并传输至微控制器模块。

7.如权利要求6所述一种核酸检测扩增反应微通道温控方法，其特征在于在步骤2)中，所述冷却水的流速根据热电制冷片释放的热量大小通过水泵调节。

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