CN2389384Y

CN2389384Y - 一种用于生物探针诊断芯片的温控仪

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Publication number: CN2389384Y
Application number: CN 99230498
Authority: CN
Inventors: 朱纪军; 何农跃; 陆祖宏; 王国著
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2000-07-26
Anticipated expiration: 2009-09-17

Abstract

本实用新型一种用于生物探针诊断芯片的温控仪涉及的是一种微阵列探针循环检测型生物芯片温控技术的新方案。其结构由温控仪外壳、前后面板、传感驱动装置,温控仪电子控制线路有硬件PID控制线路、主动控制电子线路,其特征是传感驱动装置具有陶瓷隔热板,陶瓷隔热板上装有加热制冷器件,加热、制冷器件外装有隔热片或涂层隔热片,加热制冷器件与隔热板间装有隔热板,加热制冷器件前端设置有微传热片,微传热片前端设有热电阻温度传感器。

Description

一种用于生物探针诊断芯片的温控仪

本实用新型一种用于生物探针诊断芯片的温控仪涉及的是一种微阵列探针循环检测型生物芯片温控技术的温控仪。特别适用PCR生物探针诊断的温度控制，是一种采用半导体加热、制冷双向温控新型的反馈式温控仪。

生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和***。生物芯片可把许多不同功能器件集成在一起，例如，生物样品的预处理，遗传物质的提取，特定基因片段的扩增，生物探针阵列以及毛细管电泳形成整体的微流体***，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。基因芯片是最重要的一类生物芯片，它集成了大量的密集排列的基因探针，能够在短时间内分析大量的基因，使人们可迅速地读取和分析生命的程序。

生物芯片在生物检测、医学检验、药物筛选和基因序列分析上有着极其重要的意义。例如在生物学中，随着分子生物学的不断发展，特别是举世瞩目的人类基因组计划实施以来，有关核酸、蛋白质序列和结构的数据呈指数增长。而下世纪最富挑战性的工作就是人类基因组计划完成后，即在后基因时代，我们如何运用大量的生物分子信息服务于人类社会，并使医学、治疗产生根本革命。在医学中，“***、器官、组织、细胞层次上的第二阶段医学”正在向“基因水平上的，DNA→RNA→蛋白质→蛋白质与核酸相互作用，以及它们与环境相互作用水平上的第三阶段医学”转化。这种在分子层次上进行的基因诊断与基因治疗，将根本地认识疾病产生的根源，并将有希望根本认识和治疗包括癌症在内的重大疾病。这些生物学、医学的根本变革，一个根本的前提是基因序列的测定和分析。能否有效快速地进行基因测序与分析，将影响到人类基因组计划的实施，从而影响生物学、医学的进一步发展。传统基因测序所采用的方法包括化学反应、凝胶电泳法等一系列繁杂的步骤，这些方法花费时间较长，且操作繁复，尤其在大规模测序方面费时、并且不适宜便携化快速测序。在对传统基因测序方法进行改进的过程中，以基因芯片为代表的生物芯片技术应运而生。生物芯片技术是将生命科学研究中所涉及的许多不连续的分析过程，如样品制备，化学反应和分析检测等通过采用微电子，微机械等工艺集成到芯片中，使之连续化，集成化，微型化和自动化。这一技术的成熟和应用将在下世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定、食品和环境等生命科学相关领域带来一场革命，为生物信息的获取及分析提供强有力的手段。

PCR(polymerase chain reaction，聚合酶链反应)作为一种选择性体外基因扩增的方法，由于在经25～35轮循环后就可使DNA扩增106倍，多年来在科研和医学检验中得到广泛应用。但由于PCR存在假阳性等缺陷，自98年6月起已被国家***禁止用于临床诊断。究其原因，其一是PCR过程中诸多实验条件(引物的设计与选择、材料配比、反应时间、温度、循环周期等)造成的不稳定因素导致产生PCR的错误扩增。其二是，PCR过程的后续电泳检测方法仅可判断是不是得到特定长度的片段，而无法确定其具体序列。其三，PCR反应与检测是两个分立的过程，操作繁琐且增加了污染的机会。因此，对于检测条件和设备有限的中、小医院，PCR的检测的准确性受到了很大的影响。此外，当前的PCR扩增过程对于操作人员的技术水平和素质有很高的要求。

生物(基因)芯片近年来一直是国际上的一个研究热点，并正以惊人的速度向前发展。美国等国际上已有多家公司进入生物芯片领域，研究出把PCR与DNA阵列相集成的生物芯片。这些***通常在芯片上制备一个PCR微反应池，通过控制微反应的温度循环，进行基因的扩增。接着将扩增后的基因引入杂交池中，与固相微阵列探针杂交，进行检测。Affymetrix公司则把PCR微反应池进一步制备成微流体管道。但目前用于科学研究和医学检验的芯片大多是一个或若干个独立器件。尽管已有将PCR技术与芯片检测合为一体的报导，但其特点是整个PCR过程在一个微反应池中进行，因而，需要对器件的同一部位反复地升温降温，这将无法对PCR结果进行动态跟踪和实时定量分析。而且由于升温降温需要一定的时间，延长了工作时间。

本实用新型发明人曾针对目前PCR技术与芯片检测存在不足之处提供一种往复式PCR微阵列探针循环检测型生物芯片，这是一种控制PCR反应溶液在不同温度区域进行往复式流动扩增的新方案，并将PCR技术与基因微阵列探针技术合为一体，构成一个集成型生物芯片，既可简化操作步骤，缩短PCR时间，提高效率，又可将反应体系与外界进行严密有效隔离，并使PCR扩增一探针杂交检测过程一体化，将PCR循环中的变性、退火、延伸过程与微阵列探针芯片构成一个整体，可以将变性、退火、延伸和杂交四个步骤的温度分别控制在恒定温度，从而可避免反复的升温降温过程及由于温控的误差带来的影响。

本实用新型的目的是针对目前生物探针诊断芯片温度控制存在的不足之处，提供一种用于生物探针诊断芯片的温控仪，配合PCR微阵列探针循环检测型生物芯片，提出了一种单点或多点反馈式主动控温的新方案，通过有效地控温，使得PCR检测芯片的变性、退火、延伸、杂交四个步骤的温度分别控制在恒定的不同温区，避免反复的升温降温过程以及由于温控的误差带来的影响。该温控仪温控精度高，可大大缩短检测时间，提高效率。

一种用于生物探针诊断芯片的温控仪是采用下列方案实现的。温控仪主要结构具有温控仪外壳、前面板、后面板、传感驱动装置，前面板上装有电源开关、起动开关、数字显示屏、通道转折开关或插座，后面板上有输出接线板，温控仪外壳内装有控制线路板，线路板上装有电子控制线路元器件。电子控制线路有硬件PID控制线路、主动控制电子线路。硬件PID控制线路由采集电桥、比较器、比例微分电路、比例积分电路构成。硬件PID控制线路采用硬件PID控制，热电阻温度传感器的信号经PID控制线路监控可控硅的占空比从而控制加热、制冷片的输入电压达到控温的目的。主动控制电子线路由传感器采集输入模块、采样保持模块、A/D转换模块、主控模块(单片机)、D/A转换模块、输出驱动放大模块、数显模块组成。热电阻温度传感器的输入信号进入采集保持模块，经过A/D转换模块采样输出到主控模块的数据通道，利用主控模块的温控算法，从主控模块的控制口输出到D/A转换转换模块，再经过通道选择模块选通，各控制信号由比较器输出加热制冷器件的温控电压或经放大器放人后的电流，以达到主动控温的目的。传感驱动装置具有陶瓷隔热板，陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件，加热制冷器件外装有隔热片或涂层隔热片，在加热制冷器件与陶瓷职责热板之间装有隔热块，在加热制冷器件前部设置有微传热片，在微传热片前端设有热电阻传感器，使用时微传热片，热电阻传感器***生物探针诊断芯片的微反应区背面，以便进行检测和控制温度。

通过对不同节点的温度的测量，利用主动控制主单元，对加热、制冷元件给以相应的温控指令。利用数字采集***，以及单片机的相关技术，将主单元集成一个智能仪器单元中。温控的原理采用主动控制的原理，其主要原理如下：设反应中需要的温度为T₀，则传感器温度为T_f，传热的效率为q₁，辐射反应为q₂，制密效率为q₃，加热效率为q₄。

W(T₀)＝W(T_f)-q₁t-q₂t+q₄t，(T_f≤T₀)

W(T₀)＝W(T_f)-q₁t-q₂t-q₃t，(T_f≥T₀)

从而根据不同的温区情况设定，仪表自动控制温度的恒定。并可以设定恒温的反应时间等参数。实际温控过程中，利用PID控制，限制半导体加热制冷元件的占空比，控制其加热制冷效率，从而控制微区温度。

本实用新型发明针对PCR反应芯片反应微区尺度较小，温度相差较大以及温度相互影响的特点，提出下面的减少温度干扰的措施。

1.利用半导体制冷的新技术，在温控区间自动实现加热或者制冷。

2.在微反应区直接嵌入微金属片，以提高传导的效率。

3.在半导体加热片的两侧，嵌入光亮的金属或涂附隔热涂层的有机物片，以减少相邻

温区的辐射。

4.在不同温区间，加入隔热材料，以减少热辐射。

5.在加热片的底部，利用开孔的陶瓷材料作用衬垫提高必要热传导和热辐射。一种用于生物探针诊断芯片的温控仪是配合微阵列探针循环检测型生物芯片，进行单点或多点反馈式主动控温或PID控制温新方案，采用硬件PID控制或主动控制方式进行控温使检测芯片的变性、退火、延伸、杂交四个步骤温度分别控制在恒定的不同温度区，避免反复的升温、降温过程以及由于温控误差带来的影响，同时由于PCR的微区反应的原理，通过闭环温控方式以及机械的优化设计，使得温度的控制精度在±0.2℃，并且大大缩短PCR时间，提高工作效率。

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明。图1是一种用于生物探针诊断芯片的温控仪主视图。图2是一种用于生物探针诊断芯片的温控仪后视图。图3是一种用于生物探针诊断芯片的温控仪传感驱动装置结构示意图。图4是一种用于生物探针诊断芯片的温控仪硬件PID控制电子线路原理图。图5是一种用于生物探针诊断芯片的温控仪主动控制电子线路原理图。

参照附图1一种用于生物探针诊断芯片的温控仪主要结构具有温控仪外壳1，传感器驱动装置，前面板，后面板，前面板上装置有电源开关2、启动开关3、数显屏4、通道选择开关或插座5，后面板上有输出接线板6，外壳1上装有把手7。温控仪外壳内装有控制线路板，线路板上装有控制线路元器件。电子控制线路有硬件PID控制线路、主动控制电子线路。参见附图4，硬件PID控制电路由采集电桥、比较器、比例微分电路、比例积分电路构成。硬件PID控制电路中采集电桥由电阻R1--R4，可调电阻RW1、RW2构成，比较器由比较器集成块A4，比例微分电路由比较器A1、电阻R5、R6、电容C1、可调电阻RW3、RW4运算放大器A2构成，比例积分电路由运算放大器A3、电容C2、C3、可调电阻RW5构成。

参见附图5，主动控制电子线路由传感器采集输入模块、采样保持模块、A/D转换模块、主控模块、D/A转换模块、输出驱动放大模块、数显模块组成。在主动控制电子线路中传感器采集输入保持模块由采集电桥、通道选择开关IC1构成，采集电桥包括电阻R1、R2，可调电阻RW1、RW2。A/D转换模块IC2可采用ICL7109集成块，连接有晶振JZ1，电容C1、C2、C3，电阻R3、R4，通过数据传输线与主控模块IC3(单片机)相连，主控模块可采用8051，主控模块IC3联接有锁存器IC7、存储器IC6，主控模块IC3的控制输出端与D/A转换模块相连，D/A转换模块可采用0832集成块芯片，D/A转换模块连接有驱动放大器A1，经过通道选择模块IC5选通，通道选择模块连接到比较器或运算放大器A2，A3，A4，A5，主控模块IC3(单片机)还连接有译码驱动器IC8，数字显示模块LED。

参见附图3，传感驱动装置具有陶瓷隔热板8、陶瓷隔热板开有孔，陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件9，加热制冷器件可采用半导体加热制冷器件，加热制冷器件9外装有隔热片或涂层隔热片11，在加热制冷器件与陶瓷隔热板之间装有隔热块10，在加热制冷器件前面设置有微传热片12，在微传热片前端设置有热电阻传感器14。使用时，传感驱动安装在PCR芯片13的背面，位置分别对应于PCR芯片的变性、退火、延伸、杂交四个温度区，自动加热或制冷，以达到不同温度区的温控目的。

Claims

1.一种用于生物探针诊断芯片的温控仪，具有温控仪外壳、前面板、后面板、传感驱动装置，温控仪外壳内装有控制线路板，线路板上装有电子控制线路元器件。电子控制线路有硬件PID控制线路、主动控制电子线路，硬件PID控制线路由采集电桥、比较器、比例积分电路、比例微分电路构成，主动控制电子线路由传感器采集输入模块、采样保持模块、A/D转换模块、主控模块、D/A转换模块、输出驱动放大模块、数显模块组成，其特征是传感驱动装置具有陶瓷隔热板、陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件，加热制冷器件外装有隔热片或涂层隔热片，在加热制冷器件与陶瓷隔热板之间装有隔热块，在加热制冷器件前面设置有微传热片，在微传热片前端设置有热电阻传感器。

2.根据权利要求1所述的一种用于生物探针诊断芯片的温控仪，其特征是硬件PID控制电路中采集电桥由电阻R1--R4，可调电阻RW1、RW2构成，比较器由比较器集成块A4，比例微分电路由比较器A1、电阻R5、R6、电容C1、可调电阻RW3、RW4运算放大器A2构成，比例积分电路由运算放大器A3、电容C2、C3、可调电阻RW5构成。

3.根据权利要求1所述的一种用于生物探针诊断芯片的温控仪，其特征是主动控制电子线路中传感器采集输入保持模块由采集电桥、通道选择开关IC1构成，采集电桥包括电阻R1、R2，可调电阻RW1、RW2，A/D转换模块IC2联接有晶振JZ1，电容C1、C2、C3，电阻R3、R4，通过数据传输线与主控模块IC3相连，主控模块IC3联接有锁存器IC7、存储器IC6，主控模块IC3的控制输出端与D/A转换模块相连，D/A转换模块连接有驱动放大器A1，经过通道选择模块IC5选通，通道选择模块连接到比较器或运算放大器A2，A3，A4，A5，主控模块IC3还连接有译码驱动器IC8，数字显示模块LED。

4.根据权利要求1所述的一种用于生物探针诊断芯片的温控仪，其特征是前面板上装置有电源开关、启动开关、数显屏、通道选择开关或插座，后面板上有输出接线板。