CN114164098B - 基于机械传动与pcr技术的新冠病毒检测装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置及其工作方法，采用纸基微流控芯片作为PCR的载体；将所述纸基微流控芯片安装在具有水平方向上移动自由度的由第一步进电机驱动的第一位移机构上；将氧化铝陶瓷发热片安装在具有竖直方向上移动自由度的由第二步进电机驱动的第二位移机构上；且所述纸基微流控芯片和氧化铝陶瓷发热片在第一位移机构和第二位移机构的控制下接触或分离；所述纸基微流控芯片接触设置有热敏电阻；所述热敏电阻、氧化铝陶瓷发热片、第一步进电机和第二步进电机连接至控制器。实现了纸基微流控PCR反应在小型设备上进行。
Description
技术领域
本发明属于智能医学检测装置技术领域，尤其涉及一种基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置及其工作方法。
背景技术
PCR即聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction, PCR)是一种广泛用于快速复制特定DNA样本的方法，过程只需提取很小的DNA样本数，然后将其在一系列温度变化周期中被指数扩增到足够大的量来进行详细研究。
纸基微流控芯片为PCR提供载体。通过对纸基微流控芯片进行一系列的温度变换，实现采集样本得到扩增。
传统的PCR反应需要专业的设备，从采集到检测出结果需要很长时间，随着新冠肺炎疫情的流行，对从采集到进行PCR的便捷性提出了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本发明遵循低成本、一次性、简单易用的理念，目的在于提供一种基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置及其工作方法，目的是能够随时随地的从采集并进行PCR反应，其相较于传统的PCR仪器更为灵活，方便，快捷。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：采用纸基微流控芯片作为PCR的载体；将所述纸基微流控芯片安装在具有水平方向上移动自由度的由第一步进电机驱动的第一位移机构上；将氧化铝陶瓷发热片安装在具有竖直方向上移动自由度的由第二步进电机驱动的第二位移机构上；且所述纸基微流控芯片和氧化铝陶瓷发热片在第一位移机构和第二位移机构的控制下接触或分离；所述纸基微流控芯片接触设置有热敏电阻；所述热敏电阻、氧化铝陶瓷发热片、第一步进电机和第二步进电机连接至控制器。
进一步地，所述第一位移机构和第二位移机构采用步进丝杆；所述热敏电阻通过扩展连接件安装在第一位移机构上，且在第一位移机构和第二位移机构的运行过程中与氧化铝陶瓷发热片不构成接触。
进一步地，控制器通过无线通信模块连接至上位机，所述热敏电阻通过温度测量模块连接至控制器。
进一步地，所述氧化铝陶瓷发热片为圆形，空烧表面温度为100℃。
进一步地，包括横截面为L形的外壳，所述第一步进电机驱动和第一位移机构安装在底座上开设的槽中，所述第二步进电机和第二位移机构安装在侧壁开设的槽中；所述控制器所在的PCB板安装在外壳侧部的背面。
进一步地，所述PCB板上设置有STM32F103RCT6单片机及其***电路作为控制器，两个L293D组成驱动电路用于驱动第一步进电机和第二步进电机，供电模块、温度测量模块以及无线LoRa模块。
进一步地，实时的测量PCR的温度；通过控制纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触与断开，从而维持PCR的进行。
进一步地，在控制进行纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触动作时，对氧化铝陶瓷发热片进行供电加热；在控制进行纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的断开动作时，对氧化铝陶瓷发热片进行。
进一步地，控制参数包括目标温度TH1、采集的实时温度TH2、维持时间T1以及实际工作时间T2；其中，所述目标温度TH1和采集的实时温度TH2用于判断纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触或断开，当目标温度TH1大于实时温度TH2时执行断开动作，当目标温度TH1小于实时温度TH2时执行接触动作；所述维持时间T1和实际工作时间T2用于确定下一次温度监测的间隔，当实际工作时间T2等于维持时间T1时，执行下一次温度判断。
与现有技术相比，本发明及其优选方案实现了能够随时随地的从采集并进行PCR反应，相较于传统的PCR仪器更为灵活，方便，快捷，实现了纸基微流控PCR反应在小型设备上进行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置正面立体结构示意图；
图2为本发明实施例基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置背面立体结构示意图；
图3为本发明实施例基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置实物图；
图4为本发明实施例PCB板实物图；
图5为本发明实施例PCB设计图；
图6为本发明实施例PCB上的电路模块示意图；
图7为本发明实施例无线模块示意图；
图8为本发明实施例PCR控制上位机界面图；
图9为本发明实施例控制流程示意图。
图中：1-微型步进丝杆；2-外壳体；3-氧化铝陶瓷发热片；4-热敏电阻； 5-纸基微流控芯片； 6-电机安装件；7-无线LoRa模块；8-PCB板。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1-图9所示，本实施例提供了所设计的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置及其工作方法的具体方案如下。
如图1所示，本实施例装置结构提供一横截面为L形的外壳体2，在其正面设置有水平和竖直两个方向的步进电机驱动的移动机构，将两个微型步进丝杆1分别安装到电机安装件6上，通过微型步进丝杆1将步进电机输出轴的旋转转化为一自由度的平移量。
其中，水平方向上的微型步进丝杆上安装有纸基微流控芯片5，在本实施例中即利用纸基微流控芯片5作为PCR的载体；热敏电阻4则通过扩展连接件进行安装，与纸基微流控芯片5构成接触以实现测温并同步移动。
竖直方向上的移动机构主要用于安装氧化铝陶瓷发热片3。意义在于通过两个移动机构实现氧化铝陶瓷发热片3与纸基微流控芯片5的接触（加热）或分离（降温），以对PCR的过程进行有效控制。
如图2-图8所示，本实施例方案当中，电路组件主要集成在PCB板8上，并带有无线LoRa模块7用于连接上位机（PC）。其中PCB板8可以通过四周加工的螺孔通过螺丝固定在外壳体2的背面，在空间上与前述机械构件部分形成分离。
本实施例装置的供电可以使用USB供电，也可以使用锂电池供电，用于给电机驱动器和控制***提供电源。
本实施例控制***是由STM32F103C8T6型号的单片机为处理单元组成的最小***，处理单元中烧录有相应的数据处理以及控制程序，其流程图如图9所示：
微控制器接收到指令后控制驱动***，驱动***控制两个微型步进丝杆运动，从而控制纸基微流控芯片的反应温度。
温度测量***实时的测量PCR的温度。控制纸基微流控芯片与加热片的接触与断开，从而维持PCR的进行。
PCR温度实时由控制***通过装置上的LoRa模块传输给上位机端的LoRa模块，并通过上位机实时的显示反应的温度，以方便实验人员实时的观察反应温度。
更进一步地，本实施例中提供的控制参数包括目标温度TH1、采集的实时温度TH2、维持时间T1以及实际工作时间T2；其中，所述目标温度TH1和采集的实时温度TH2用于判断纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触或断开，当目标温度TH1大于实时温度TH2时执行断开动作，当目标温度TH1小于实时温度TH2时执行接触动作；所述维持时间T1和实际工作时间T2用于确定下一次温度监测的间隔，当实际工作时间T2等于维持时间T1时，执行下一次温度判断。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置及其工作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：采用纸基微流控芯片作为PCR的载体；将所述纸基微流控芯片安装在具有水平方向上移动自由度的由第一步进电机驱动的第一位移机构上；将氧化铝陶瓷发热片安装在具有竖直方向上移动自由度的由第二步进电机驱动的第二位移机构上；且所述纸基微流控芯片和氧化铝陶瓷发热片在第一位移机构和第二位移机构的控制下接触或分离；所述纸基微流控芯片接触设置有热敏电阻；所述热敏电阻、氧化铝陶瓷发热片、第一步进电机和第二步进电机连接至控制器；
实时的测量PCR的温度；通过控制纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触与断开，从而维持PCR的进行；
在控制进行纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触动作时，对氧化铝陶瓷发热片进行供电加热；在控制进行纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的断开动作时，对氧化铝陶瓷发热片进行；
控制参数包括目标温度TH1、采集的实时温度TH2、维持时间T1以及实际工作时间T2；其中，所述目标温度TH1和采集的实时温度TH2用于判断纸基微流控芯片与氧化铝陶瓷发热片的接触或断开，当目标温度TH1大于实时温度TH2时执行断开动作，当目标温度TH1小于实时温度TH2时执行接触动作；所述维持时间T1和实际工作时间T2用于确定下一次温度监测的间隔，当实际工作时间T2等于维持时间T1时，执行下一次温度判断。
2.根据权利要求1所述的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：所述第一位移机构和第二位移机构采用步进丝杆；所述热敏电阻通过扩展连接件安装在第一位移机构上，且在第一位移机构和第二位移机构的运行过程中与氧化铝陶瓷发热片不构成接触。
3.根据权利要求1所述的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：控制器通过无线通信模块连接至上位机，所述热敏电阻通过温度测量模块连接至控制器。
4.根据权利要求1所述的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：所述氧化铝陶瓷发热片为圆形，空烧表面温度为100℃。
5.根据权利要求1所述的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：包括横截面为L形的外壳，所述第一步进电机驱动和第一位移机构安装在底座上开设的槽中，所述第二步进电机和第二位移机构安装在侧壁开设的槽中；所述控制器所在的PCB板安装在外壳侧部的背面。
6.根据权利要求5所述的基于机械传动与PCR技术的新冠病毒检测装置，其特征在于：所述PCB板上设置有STM32F103RCT6单片机及其***电路作为控制器，两个L293D组成驱动电路用于驱动第一步进电机和第二步进电机，供电模块、温度测量模块以及无线LoRa模块。
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| GR01 | Patent grant | ||
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