用於驅動聚合連鎖反應晶片的溫度控制方法和設備的製作方法
2023-08-02 12:29:06
專利名稱：用於驅動聚合連鎖反應晶片的溫度控制方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度控制方法和設備，更具體地說，涉及一種用於驅動聚合連鎖反應(PCR)晶片的溫度控制方法和設備。
背景技術：
用PCR來放大脫氧核糖核酸(DNA)的常規設備是通過將14個以上的、容量為0.5或0.2毫升的小試管綁在一起，在相同的溫度周期下來放大PCR。常規設備的優點是能同時分析多個病人的樣品。然而，對於每一個DNA而言，由於最大限度地放大DNA的溫度條件是不同的，因此，在同一時間內，難於檢查各種各樣的DNA。此外，試驗所需的樣品數量至少是0.2毫升，這個容量是根據本發明的微型PCR晶片中腔體容量(3.6微升)的55倍。因此，常規的方法需要從病人的樣品中提取大量的DNA。此外，由於在常規設備中使用了大量的、在試驗時加入的致癌物質，因而會造成環境汙染。
發明內容
為了解決上述的相關問題，本發明的目的是為聚合連鎖反應(PCR)晶片提供一種溫度控制方法和設備。
為了達到本發明的這個目的，提出了一種聚合連鎖反應晶片的溫度控制設備。該溫度控制設備包括PCR晶片，該晶片從外部接收電力並產生熱，以保持預定的溫度，並向外部輸出實際的溫度信息；電源單元，用於根據輸入控制信號向PCR晶片提供電力；和控制器，該控制器根據控制信息來產生控制信號，以便向電源單元提供控制信號，其中，該控制信息包括預定的控制溫度和控制時間信息以及由PCR晶片提供的實際溫度信息。
最好是，該溫度控制設備進一步包括選擇器，它接收用於選擇要控制的PCR晶片的第一選擇信號以及來自所述控制器的控制信號，以便選擇向要控制的PCR晶片供電的電源單元，並向選中的電源單元提供所述控制信號；多路復用器，它從控制器接收用於選擇一個PCR晶片的第二選擇信號，並根據第二選擇信號向控制器提供關於預定的PCR晶片的實際溫度信息。
最好是，在溫度控制設備中的一個PCR晶片包括加熱器，它接收來自電源的電力以產生熱；溫度傳感器，用於測量PCR晶片的溫度並向外部輸出該溫度。
最好是，該溫度控制設備進一步包括輸入輸出(I/O)單元，用於從用戶那裡接收包括控制溫度和時間信息的控制信息，以便向控制器提供控制信息，並根據此控制信息向外部輸出預定的PCR晶片的溫度控制結果。
為了達到本發明的這個目的，提出了一種PCR晶片的溫度控制方法，此方法包括(a)接收包括PCR晶片的控制溫度和時間的控制信息；(b)產生PCR晶片的控制信號，以便在預定的時間內保持控制溫度；和(c)根據控制信號來控制PCR晶片的溫度。
最好是，步驟(b)包括(b1)產生選擇信號，用於在裝有多個PCR晶片時，選擇要用控制信號控制的PCR晶片；和在步驟(c)中，根據選擇信號和控制信號來控制預定的PCR晶片的溫度。
最好是，該溫度控制方法進而包括(d)測量PCR晶片的溫度；(e)在PCR晶片的實際溫度與控制溫度不同時，重複步驟(b)。
最好是，步驟(e)包括(e1)在裝有多個PCR晶片時，產生用於選擇預定的PCR晶片的信息；和(e2)然後，將選中的PCR晶片的實際溫度與對應於選中的PCR晶片的控制溫度相比較，以便在實際溫度和控制溫度不同時進行步驟(b)。
為了達到本發明的這個目的，提供了一種在計算機中可讀的記錄介質，其上記錄有用於操作上述方法之一的程序。
圖1是示出根據本發明的實施例的聚合連鎖反應(PCR)晶片的溫度控制設備的功能方框圖。
圖2是示出根據本發明的另一個實施例的PCR晶片的功能方框圖。
圖3是解釋根據本發明的另一個實施例的PCR晶片的溫度控制方法的流程圖。
圖4是示出根據本發明的另一個實施例的圖1的PCR晶片的溫度控制設備的硬體結構示意圖。
圖5是示出根據本發明的另一個實施例的圖2的PCR晶片的硬體結構示意圖。
圖6示出了根據本發明的另一個實施例利用示波器在模擬/數字(A/D)轉換器輸入終端上測量的鉑傳感器電壓的波形，其中根據本發明通過使用PCR晶片控制預定PCR晶片的溫度。
圖7示出了根據圖5的實施例從CPU上得到的鉑傳感器電壓的波形。
圖8示出了根據圖5的實施例的鉑加熱器溫度的過衝量。
圖9示出了根據圖5的實施例的鉑加熱器溫度的正常狀態誤差。
圖10示出了根據圖5的實施例的放大的脫氧核糖核酸(DNA)的螢光圖像。
具體實施例方式
圖1是示出根據本發明的實施例的聚合連鎖反應(PCR)的溫度控制設備的功能方框圖。輸入/輸出(I/O)單元101從外部接收選擇信息、控制溫度和控制時間信息，以便在預定的時間內選擇要控制在預定溫度下的PCR晶片，並向控制器102提供這些信息。此外，輸入/輸出(I/O)單元101從控制器102上接收PCR晶片的控制結果信息，即在PCR晶片的實際溫度信息，並將此信息提供給用戶。
控制器102根據來自I/O單元101的選擇信息、控制溫度和控制時間信息產生控制信號，並收集要控制的PCR晶片的實際溫度信息，以便將此信息提供給I/O單元101。此外，控制器102產生用於選擇預定的、將要讀出其上溫度的PCR晶片的選擇信號，以便向多路復用器106提供該選擇信號。
選擇器103根據來自控制器102的控制信號選擇電源單元1041或1042，…並向選中的電源單元1041或1042，…提供控制信號。其中，電源單元1041或1042，…為要控制的PCR晶片提供電力。
電源單元1041、1042…根據來自選擇器103的控制信號分別向預定的PCR晶片1051、1052…提供電力，這些晶片是分別與電源單元1041、1042…相連的。
PCR晶片1051、1052…分別接收來自電源單元1041、1042…上的電力，並利用此電力產生熱，從而控制晶片的溫度。PCR晶片1051、1052…分別測量它們自己的溫度，並分別向多路復用器106提供測量溫度值。
多路復用器106從PCR晶片1051、1052…上接收PCR晶片1051、1052…的實際溫度信息，並從控制器102上接收用於選擇一個PCR晶片的選擇信號，以便將根據選擇信號選出的PCR晶片的實際溫度信息提供給模擬/數字(A/D)轉換單元107。
A/D轉換器107從多路復用器106上接收根據選擇信號選出的PCR晶片的實際溫度信息，以便將此實際溫度信息轉換為數位訊號，並將此數位訊號提供給控制器102。
圖2是示出根據本發明的實施例的一塊PCR晶片的功能方框圖。
加熱器201接收來自外部的電力以產生熱。
溫度傳感器202測量加熱器的實際溫度，並向外輸出此溫度。
圖3是說明根據本發明的實施例的控制PCR晶片的溫度的方法的流程圖。在步驟301中輸入包括PCR晶片的溫度控制信息和時間控制信息在內的控制信息，以便在步驟302中根據控制信息來產生用於控制PCR晶片溫度的控制信號。然後，在步驟303中根據該控制信號來選擇要控制的PCR晶片，以便控制PCR晶片的溫度。此後，在步驟304中測量PCR晶片的實際溫度，以便在步驟305中比較測量溫度和控制溫度。如果這兩個溫度相同，則該方法進行到步驟304。如果這兩個溫度不同，則進行到步驟302。
圖4是說明根據本發明的實施例的圖1的PCR晶片的溫度控制設備的硬體結構示意圖。在本發明中，用了128個PCR晶片。如果對PCR晶片上的鉑傳感器加以恆定的電流，相應於PCR晶片的溫度，在鉑傳感器的兩端上就產生了不同的電壓。然後再對這兩個不同的電壓進行處理並將它們傳送到CPU上。CPU將此模擬電壓信息轉換為數字信息，並將PCR晶片的測量溫度與目標溫度相比較。如果測量溫度高於目標溫度，就關掉含於晶片中的加熱器；如果測量溫度低於目標溫度，就打開含於晶片中的加熱器。
更具體地說，CPU 401相當於圖1中的控制器101。換句話說，CPU 401產生控制信號，用於控制要根據預定的控制溫度、時間和有關PCR晶片的信息來控制的PCR晶片的溫度。在本發明中，該控制信號包括提供給與圖1中的電源單元1041、1042、…相對應的光MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應電晶體)404001、104002、…的加熱器開/關信號以及用於選擇PCR晶片的4位地址信號。通過解碼器402將加熱器開/關信號提供給8位的閉鎖器40301、…、10316和將4位地址信號提供給8位的閉鎖器40301、…、40316。因此，解碼器402和8位閉鎖器40301、…、40316相當於圖1中的選擇器103。
閉鎖器40301、…、40316用4位地址信號來選擇要控制的PCR晶片，並將加熱器開/關信號提供給向要控制的PCR晶片提供電力的光MOSFET404001、…、404128。光MOSFET404001、…、404128根據加熱器開/關信號分別向PCR晶片405001、…、405128提供電力。而PCR晶片405001、…、405128分別用提供的電力來產生熱。另外，PCR晶片上的實際溫度信息被產生並分別提供給模擬多路復用器40601、…、40608。
模擬多路復用器40601、…、40608從CPU 401上接收用於選擇將要讀出其上溫度的PCR晶片的選擇信號，並接收PCR晶片的實際溫度信息，以便將選中的PCR晶片的實際溫度信號提供給CPU 401。
圖5是示出根據本發明的另一個實施例的圖2中PCR晶片的硬體結構的示意圖。其中，PCR晶片是由鉑加熱器和鉑傳感器構成的。為了產生供測量用的細小的恆定電流，使用輸出電壓誤差為0.8％並具有高性能的op-ampMC33184調整器ADP3301來產生恆定的4mA的電流，並將該恆定的電流提供給鉑傳感器。其中，用四點探針法來測量在鉑傳感器中產生的電壓。在這種情況下，使用測量儀表放大器來測量鉑傳感器兩端的電壓。此外，在端電路(end circuit)上控制電壓的DC偏移(DC offset)和放大率，然後，通過一個由兩個二極體製成的過電壓限制器將此電壓提供給模擬多路復用器。CPU根據提供的信息來識別PCR晶片的溫度，並通過將PCR晶片的溫度和目標溫度相比較來產生控制指令。此外，CPU通過使用高速的光MOSFET而不是用繼電器來切換提供給加熱器的外部電力，以便控制PCR晶片的溫度。
更具體地說，電源單元501是由外部電源5011和光MOSFET5012組成的，光MOSFET5012從外部接收用以打開或關閉外部電源5011的開關信號以及提供給鉑加熱器5021的電力。
參考號502表示由鉑加熱器5021和鉑傳感器5022組成的器件。其中，鉑加熱器5021將由外部電源5011提供的電力轉換為熱。鉑傳感器5022接收恆定的電壓和恆定的電流以產生與鉑加熱器5021的溫度相應的電壓，並向外輸出這個溫度。
參考號503表示一個電路，它向鉑傳感器5022提供恆定的電壓和恆定的電流，並通過將與鉑加熱器5021的溫度相對應的鉑傳感器5022的輸出電壓和輸入電壓，即恆定電壓相比較，來測量鉑加熱器5021的溫度。這裡，參考號5031表示作為恆定電壓電路的調整器ADP3301，參考號5032表示作為恆定電流電路的op-amp MC33184，而參考號5033表示用於放大輸入電壓和輸出電壓之差的放大器。將在電路503中測量的鉑加熱器5021的實際溫度信息輸出到模擬多路復用器。
現在將要根據本發明的上述實施例來說明使用PCR晶片溫度控制設備的PCR試驗。其中，用質粒脫氧核糖核酸(DNA)作為放大樣品，並通過加入緩衝溶液到起動樣品中來製備驅動溶液。該緩衝溶液包括始發劑、dNDP、鹽和DNA聚合酶。通過將驅動溶液注入到PCR晶片的入口中而填滿反應室之後，用小塞和環氧樹脂封住反應室的入口和出口。恆溫控制設備分別建立55℃、72℃、95℃的溫度區段和30秒鐘的維持時間。
圖6示出了根據本發明的另一個實施例用示波器在A/D轉換器輸入端頭上測量的鉑傳感器電壓的波形。圖7示出了也是根據本發明的另一個實施例從CPU上得到的鉑傳感器的電壓波形。如圖6和圖7所示，CPU真正地識別了鉑傳感器的輸出值。
圖8示出了根據本發明的另一個實施例的鉑加熱器的溫度的過衝量。圖9進而根據本發明的另一個實施例示出了鉑加熱器溫度的正常狀態誤差。如圖8和圖9所示，當PCR晶片的正常狀態誤差為0.4℃左右、過衝量小於0.6℃、增長速度為6.8℃/秒時，根據本發明的溫度控制設備能夠控制微型的PCR晶片。根據本發明的上述溫度控制設備的性能與用0.2毫升的試管放大PCR的常規產品的性能一樣好。
圖10示出了根據本發明的另一個實施例的放大的DNA的螢光圖像。在圖10中，示出了清晰放大的帶狀DNA的圖像。
可將本發明的實施例作為能在計算機中操作的電腦程式嵌入到計算機中，以便在數字計算機中實現本發明的實施例，該數字計算機通過使用用於計算機中的記錄介質來操作此程序。
用於計算機中的記錄介質包括磁記錄介質，例如ROM、軟盤、硬碟，和光記錄介質，例如CD-ROM、DVD，和載波，例如通過網際網路傳輸的載波。
儘管己參照本發明的優選實施例具體地示出和說明了本發明，但是，上述的優選實施例僅僅是說明性的而不是旨在限制本發明的範圍。對於本領域的技術人員而言，可以理解的是，只要不偏離如同下面附上的權利要求所定義的本發明的精神和範圍，就可以在形式和細節上進行各種改動和等同變化。
產業上的可利用性作為結果，在不同的溫度條件下同時檢查了多個DNA的樣品，因而能減少檢查和分析的時間。此外，這樣的檢查只需要少量的樣品，因此不僅能夠減少環境汙染，而且也能減輕病人的負擔。
此外，根據本發明的溫度控制設備控制細小的PCR晶片的溫度，以便迅速地升高和降低此溫度。此外，通過使用附著在PCR晶片腔體下面的鉑傳感器，能夠準確地測量反應室的溫度，從而能夠準確地控制PCR晶片的溫度。
權利要求
1.一種用於聚合連鎖反應晶片的溫度控制設備，該溫度控制設備包括PCR晶片，用於從外部接收電力，產生熱來保持預定的溫度，並向外部輸出實際溫度信息；電源單元，用於根據輸入控制信號向所述PCR晶片提供電力；控制器，用於根據控制信息產生控制信號以便向所述電源單元提供所述控制信號，其中所述控制信息包括預定的控制溫度和控制時間信息，以及由PCR晶片提供的實際溫度信息。
2.如權利要求1所述的溫度控制設備，進一步包括選擇器，它接收用於選擇要控制的PCR晶片的第一選擇信號和來自所述控制器的控制信號，以便選擇向要控制的PCR晶片提供電力的電源單元，並將所述控制信號提供給該選中的電源單元；和多路復用器，它從所述控制器接收用於選擇一個PCR晶片的第二選擇信號，並根據所述第二選擇信號將預定的PCR晶片上的實際溫度提供給所述控制器。
3.如權利要求1所述的溫度控制設備，其中所述一個PCR晶片包括加熱器，用於從所述電源單元接收電力以產生熱；和溫度傳感器，用於測量PCR晶片的溫度並向外部輸出該溫度。
4.如權利要求1所述的溫度控制設備，進而包括輸入/輸出(I/O)單元，用於從用戶接收包括控制溫度和時間信息的控制信息，以便向所述控制器提供該控制信息，並根據該控制信息向外部輸出預定的PCR晶片的溫度的控制結果。
5.一種PCR晶片的溫度控制方法，該方法包括(a)接收包括PCR晶片的控制溫度和時間的控制信息；(b)產生所述PCR晶片的控制信號，以便在預定時間內保持控制溫度；和(c)根據所述控制信號來控制所述PCR晶片的溫度。
6.如權利要求5所述的溫度控制方法，其中，步驟(b)包括(b1)在安裝有多個PCR晶片時，產生用於選擇要由所述控制信號控制的PCR晶片的選擇信號，和步驟(c)，根據選擇信號和所述控制信號來控制預定的PCR晶片的溫度。
7.如權利要求5所述的溫度控制方法，進而包括(d)測量所述PCR晶片的溫度；和(e)在所述PCR晶片的實際溫度和控制溫度有所不同時，重複步驟(b)。
8.如權利要求5所述的溫度控制方法，其中，步驟(e)包括(e1)在安裝有多個PCR晶片時，產生用於選擇預定的PCR晶片的信息；和(e2)然後，比較選中的PCR晶片的實際溫度與對應於選中的PCR晶片的控制溫度、以便在實際溫度和控制溫度不同時執行步驟(b)。
9.一種在計算機中可讀的記錄介質，其中記錄了用於操作如權利要求5所述的方法的程序。
10.一種在計算機中可讀的記錄介質，其中記錄了用於操作權利要求6的方法的程序。
11.一種在計算機中可讀的記錄介質，其中記錄了用於操作權利要求7的方法的程序。
12.一種在計算機中可讀的記錄介質，其中記錄了用於操作權利要求8的方法的程序。
全文摘要
公開了一種用於驅動聚合連鎖反應(PCR)晶片的溫度控制方法和設備。在用於聚合連鎖反應晶片的溫度控制設備中，PCR晶片從外部接收電力並產生熱以保持預定的溫度，並向外部輸出實際的溫度信息。電源單元根據輸入控制信號向PCR晶片提供電力，控制器根據控制信息產生控制信號，以便將控制信號提供給電源單元，其中，該控制信息包括預定的控制溫度和控制時間信息以及由PCR晶片提供的實際溫度信息。在本發明中，由於溫度控制設備同時控制幾個DNA樣品的溫度，因而可以同時檢查各種DNA的樣品。
文檔編號C12M1/00GK1509429SQ02810161
公開日2004年6月30日 申請日期2002年11月22日 優先權日2002年3月6日
發明者趙東日, 尹大成, 李英善, 李東勳, 林根培 申請人:三星電子株式會社, 財團法人索爾大學校產學協力財團