CN2306230Y - 一种半导体基因扩增室 - Google Patents

Abstract

一种用于PCR技术的基因扩增室,它由半导体温差堆,导热工作板,散热板等构成,该扩增室的半导体温差堆由多层半导体温差块叠放而成,在任一时刻,相邻两层半导体温差块接触面处于冷热相反状态。本实用新型使普通半导体温差块应用于PCR基因扩增仪成为可能。它具有升降温速度快、控温精度高、使用寿命长、造价低廉的优点。

Description

一种半导体基因扩增室

本实用新型涉及一种改进的基因扩增仪部件，属生物学实验技术设备、特别是分子生物学实验检测设备领域。

多聚酶链式反应(Polymerase chaim Reaction)简称PCR技术，是一种模拟天然DNA复制过程在体外快速扩增DNA片断的新技术。PCR技术以其简便、快捷、灵敏、特异性高等优点，在生命科学、医学诊断、遗传工程、法医和考古学等领域得到迅速的发展和应用。

PCR技术原理是在微量离心管中加入适量的缓冲液、微量的模板DNA、四种脱氧单核苷酸(DNTP)溶液、耐热性多聚酶、Mg²⁺和两个合成DNA的引物。首先将上述溶液加热，使模板DNA双链解离，形成单链DNA，这称为DNA的变性，解除变性的条件之后，变性的单链可以重新结合起来，形成双链，这称为DNA复性，也叫退火。PCR扩增***中模板DNA经过高温变性后，分解为两条单链，然后，***温度降低，引物退火，与相互互补的模板DNA结合，形成局部的双链，这是DNA复制的起点，即延伸的固定起点，再将溶液的反应温度升至中温，在多聚酶的作用下，以DNTP为原料，以引物为复制的起点，模板DNA的一条双链，在解链和退火之后形成为两条双链，这称为延伸。如此重复改变反应温度，即高温变性，低温退火，和中温延伸三个阶段，再沦为一个循环，经过一个循环可使特异区段的基因拷贝数放大一倍，一般样品经过30次循环，最终使基因数放大了数百万倍。

高温变性、低温退火、中温延伸三个阶段中，温度要求为：高温变性90℃～97℃，退火50℃左右，延伸70℃左右。在温度变化时，要求温度的升降梯度很大，温度的曲线变化要陡，同时要求温度控制非常精确，对于一个基因扩增仪来说，如何实现温度的精密循环就成为其技术的核心。

目前在市场上出现的PCR基因扩增仪，按其升、降温原理有如下几种类型：

1．以三个不同温度的水裕锅，通过机械手对样品的移动来达到PCR温度循环。这种机型的机械手容易损坏，温度变化少，不能适应多种温度变化的要求。

2．用循环气体或液体达到PCR温度循环，这种仪器温度控制差，反应速度慢。

3．用电阻元件加热、结合压缩机制冷的PCR扩增仪，此类机型性能稳定，控温较精密，但反应速度较慢，且价格昂贵。

4．根据波尔贴效应而选用的半导体材料来升、降温完成PCR扩增。由于半导体致冷致热块(即温差块)具有冷热转换速度快，热损失小，装置简单，重量轻等优点，八十年代末，世界上很多公司竟相研制使用半导体温差块的PCR扩增仪。

由于半导体温差块大量采用三碲化二铋材料制造，用该材料制成的N型或P型的半导体材料强度都很低，其焊剂又不耐高温，一般空载温差仅有60℃～66℃，而PCR扩增仪的工作情况要求其负载温差超过70℃以上，同时要求冷热变化率高而周期小，因此用普通三镝化二铋半导体材料制成的温差块用于PCR扩增仪寿命短，这已成为当前世界各国未能解决的难题。

近年来，国外生产的最新PCR扩增仪，升降温速率可达3℃／秒，控制精密，温度过冲不超过0．1℃，是目前最先进的PCR基因扩增仪，但是该仪器使用的半导体温差块系特殊材料制造，成本极高，一般一台进口机售价在10～24万人民币。

本实用新型的目的在于提供一种采用普通半导体温差块制成的用于PCR基因扩增仪的基因扩增室。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种半导体基因扩增室，扩增室内放置盛放被扩增基因的离心管4，基因扩增室由半导体温差堆及相接的散热板5，散热风机组成，隔热外壳6将半导体温差堆、导热工作板3包围在其内，其基本改进之处在于，所述半导体温差堆由两个或两个以上的半导体温差块2叠放而成，相邻两层半导体温差块工作面面积相同、性能参数也相同，且一一对应重叠放置，在任一时刻，相邻两层半导体温差块的接触面处于冷热相反状态。

上述半导体基因扩增室，所述的相邻两层半导体温差块之间涂有导热脂膜。

上述半导体基因扩增室，所述半导体温差堆所叠放的半导体温差块的层数为2-4层。

上述半导体基因扩增室，所述隔热外壳由硬质泡沫塑料制成。

在本实用新型中，由于用于控温的半导体温差堆采用了温差块叠放、冷热串连的接法，使其能有效地完成PCR温度循环的要求，同时又使得每层半导体温差块所负担的温差降低到40℃以内，远小于普通半导体温差块温差参数限制值，因而顺利解决了普通半导体温差块在PCR基因扩增仪中的寿命问题，使得将普通半导体温差块应用于PCR基因扩增仪成为可能。该基因扩增室升降温快速，温控精度高，而且造价低，使用所述扩增室制成的PCR基因扩增仪成本不到2000元人民币，远小于国外进口产品。

以下结合附图对本实用新型进行详细说明：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图。

从图1可以看出，本实用新型所述扩增室的结构是由半导体温差块2，导热工作板3，散热板5，隔热外壳6组成，在导热工作板3上有离心管4和测温孔7。

本实用新型的关键在于半导体温差块的连接和安装。半导体温差块选用型号为TEC1-12708的半导体温差块，分上下两层重叠放置，外接电源导线时，接线的极性应使上下两层半导体温差块的接触面为相反温度状态，即当上层半导体温差块的上表面为致热面，下表面为致冷面时，下层半导体也应为上表面为致热，下表面为致冷面，这样上层半导体温差块与下层半导体温差块的接触面恰好为冷，热两种不同的温度状态；当控制电路反向时，上层半导体温差块的下表面为致热面，而下层半导体的上表面为较冷面，它们的温度状态永远是相反的。

上下两层半导体温差块的工作面积相同，亦即上、下两层半导体温差块的性能参数相同，且一一对应重叠放置，这样可满足半导体温差堆迅速变换温度状态的要求，同时又不致损坏半导体温差块。由于此种半导体温差块工作时，致冷量约为致热量的1／3左右，因此采用上述安装法和接线后，两层半导体温差块的接触面的致热和致冷效应产生中和，结果使接触面是致热面的半导体温差块表面温度下降，而使致冷面的半导体温差块表面温度上升。但与此同时，两层半导体温度块所负担的温度差并没有改变，仅对于每层半导体温差块来说，其本身负担的上、下表面之间的温差就减小了，使其低于普通半导体温差块所能承担的温差限额，较圆满地解决了普通半导体温差块空载温差限额过小、不能满足PCR基因扩增仪工作要求的难题。

采用这种结构后，半导体温差块所需的工作电压，电流也可远远小于标定值，大大延长了半导体温差块的使用寿命。

上、下两层半导体温差块之间涂有导热脂膜，比如硅脂，以利传热。

另外，从图1中可看到，工作板3与半导体温差堆1的上表面接触在一起。工作时，工作板3吸收热量或降温；散热板5与半导体温差堆的下表面相接触，工作时，散热板5散热。

基因扩增仪在工作时，一般用计算机控制。计算机根据编制的程序控制电路和半导体温差堆的电压、电流、极性等参数变化，并接收测温元件的反馈信号进行调整，使工作板的温度严格按照基因扩增的要求进行循环变化。

一个典型的基因扩增室的数据参数为：

变性温度97℃，退火温度50℃，延伸温度70℃，温度升降速率≥3℃／秒，温度过冲≤0．1℃，单块半导体温差块温差：40℃以内，单块半导体温差块电压：8V左右，为标称电压的三分之二，单块半导体温差块电流：4A左右，为标称电流的二分之一。

Claims (4)

1．一种半导体基因扩增室，扩增室内放置盛放被扩增基因的离心管，基因扩增室由半导体温差堆及与其相接的散热板[5]、散热风机组成，隔热外壳[6]将半导体温差堆、导热工作板[3]包围在其内，其特征在于，所述半导体温差堆[1]由两个或两个以上的半导体温差块(2)叠放而成，相邻两层半导体温差块工作面积相同，性能参数相同，且一一对应重叠放置，在任一时刻，相邻两层半导体温差块的接触面处于冷热相反状态。

2．根据权利要求1所述的基因扩增室，其特征在于，相邻两层半导体温差块(2)之间涂有导热硅脂。

3．根据权利要求2所述的基因扩增室，其特征在于，所述半导体温差堆[1]所叠放的半导体温差块(2)的层数为2-4层。

4．根据权利要求3所述的基因扩增室，其特征在于，所述隔热外壳(6)由硬质发泡塑料制成。

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