實時螢光定量pcr儀螢光信號檢測裝置的製作方法

2023-07-21 23:43:06 1

專利名稱：實時螢光定量pcr儀螢光信號檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物學及醫學的檢測，具體涉及一種實時螢光定量PCR儀螢光信號 檢測裝置。
背景技術：
實時螢光定量PCR技術能實現對DNA模板的定量分析，對分子生物學研究和醫 學研究等具有重要意義。實時螢光定量PCR儀的螢光檢測裝置是實時螢光定量PCR儀 的核心之一，傳統的螢光檢測裝置機械結構龐大，光路複雜、價格昂貴，使得實時螢光 定量PCR儀普及率低，僅有少數有實力的大公司、大企業和國家大型或重點試驗單位購 買，影響了該領域科研和實際運用的開展。目前實時螢光定量PCR儀多採用單片機實現 運動控制，但單片機處理速度慢，功能少，不能設計友好的人機界面，更重要的是其存 儲空間比較小，不能運行較大的程序。實時螢光定量PCR儀除了螢光檢測裝置，還包 括溫度控制裝置，複雜的系統必然造成實時螢光定量PCR儀的軟體和算法也變得複雜， 使用單片機來實現運動控制，將會使實時螢光定量PCR儀的整體功能和性能受到很大限 制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單的實時螢光定量PCR儀的螢光 檢測裝置。本發明解決其技術問題所採取的技術手段是該實時螢光定量PCR儀螢光信 號檢測裝置包括機架、第一細分驅動器、導軌、滑塊、第二步進電機、絲槓、第二細分 驅動器、控制器、傳動裝置和光路模塊；所述導軌固定於機架上，導軌的一端安裝有軸 承，所述絲槓的一端通過導軌上安裝的所述軸承與傳動裝置固定連接，所述滑塊安裝於 導軌上，所述滑塊與導軌形成滑動配合，滑塊與絲槓安裝在一起，所述滑塊與第二步進 電機固定連接；所述光路模塊包括設有出光孔的殼體，所述殼體內固定有透鏡、平面 鏡、光源、二相色分光鏡、光電倍增管和濾鏡輪，光源發射的光線射入到二相色分光鏡 上，光線經二相色分光鏡反射後入射到平面鏡上，光線經平面鏡反射後射向透鏡，經過 透鏡的透射光沿豎直向下方向經過所述出光孔射入被檢樣品中，被檢樣品中的螢光基團 被激發產生的螢光經由所述出光孔射向透鏡並透射到平面鏡上，螢光經平面鏡反射後射 入到二相色分光鏡，經過二相色分光鏡的透射螢光射向濾鏡輪，經過濾鏡輪的濾光片的 透射螢光射入到光電倍增管的接收端；第二步進電機的輸出軸與光路模塊的殼體固定連 接；第一細分驅動器的脈衝信號輸入端和方向信號輸入端分別與控制器的相應輸出端連 接，第一細分驅動器的輸出端與傳動裝置連接；第二細分驅動器的脈衝信號輸入端和方 向信號輸入端分別與控制器的相應輸出端連接，第二細分驅動器的輸出端與第二步進電 機連接。進一步地，本發明所述光源發射的光線是以45°射入到二相色分光鏡上，光線經二相色分光鏡反射後是以45°入射到平面鏡。進一步地，本發明所述傳動裝置包括第一步進電機和同步帶輪，第一步進電機 與導軌固定連接，第一步進電機的輸出軸與同步帶輪的主動輪連接，所述絲槓的一端通 過所述軸承與同步帶輪的從動輪連接，所述第一細分驅動器的輸出端與第一步進電機連接。進一步地，本發明所述控制器為基於ARM和CPLD的控制器。與現有技術相比，本發明的有益效果是1)在本發明中，滑塊安裝於導軌上且與絲槓固定，滑塊與導軌形成滑動配合， 滑塊和導軌都採用對稱結構，且二者接觸面非常光滑。這種結構簡單，滑塊與導軌之間 的摩擦力小，滑塊的定位精度高、並可實現快速移動，從而提高光路模塊的檢測效率和 精度。2)在本發明中，滑塊與第二步進電機固定連接，第二步進電機的輸出軸與光路 模塊的殼體固定連接。這一結構簡單、高效，能有效避免幹涉，可使本發明檢測裝置結 構緊湊、精巧，保證測量精度。3)本發明中的控制器可為基於ARM和CPLD的控制器，它是以ARM為控制核 心，CPLD作為控制信號輸出擴展板。控制器是本發明檢測裝置的控制核心，在機械結 構確定的情況下，決定了本發明檢測裝置的定位精度。基於ARM和CPLD的控制器具 有處理速度快、實時性好、可靠性高、通用性好、人機界面友好和開放性好等優點，保 證了螢光檢測裝置具有高的定位精度和完善的功能。4)本發明中光路模塊由設有出光孔的殼體以及固定於殼體內的透鏡、平面鏡、 光源、二相色分光鏡、光電倍增管和濾鏡輪等構成。在此結構中，激發光和螢光共用同 一透鏡15、平面鏡16和二向色分光鏡18，由此降低鏡片用量，並使得光路系統簡單可 靠，成本降低。


下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1是本發明中實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置的示意圖。圖2是本發明中的光路模塊示意圖。圖3是本發明中控制器的控制示意圖。圖4是本發明控制器中的ARM和CPLD的連接示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明中實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置包括機架1、第 一細分驅動器2、導軌5、滑塊6、第二步進電機7、絲槓8、第二細分驅動器9、控制器 13、傳動裝置和光路模塊。其中，導軌5固定安裝在機架1上，導軌5的一端安裝有軸 承，絲槓8的一端通過導軌5上安裝的軸承與傳動裝置固定連接；滑塊6安裝於導軌5 上，滑塊6與導軌5形成滑動配合；滑塊6與絲槓8安裝在一起；滑塊6與第二步進電機 7固定連接。第二步進電機7的輸出軸與光路模塊的殼體10固定連接。如圖2所示，殼體10內固定有透鏡15、平面鏡16、光源17、二相色分光鏡18、光電倍增管19和濾鏡輪20。 光源17發射的光線射入到二相色分光鏡18上，光線經二相色分光鏡18反射後入射到平 面鏡16上，光線經平面鏡16反射後射向透鏡15，經過透鏡15的透射光沿豎直向下方向 經過出光孔11射入被檢樣品中，被檢樣品中的螢光基團被激發產生的螢光經由出光孔11 射向透鏡15並透射到平面鏡16上，螢光經平面鏡16反射後射入到二相色分光鏡18，經 過二相色分光鏡18的透射螢光射向濾鏡輪20，經過濾鏡輪20的濾光片的透射螢光射入到 光電倍增管19的接收端。光源17發射的光線應能夠激發被檢樣品中的螢光基團產生螢光。本發明中，光 源17可採用滷素燈、雷射或大功率發光二極體光源等。作為本發明的一種優選實施方 式，光源17發射的光線以45°射入到二相色分光鏡18上，光線經二相色分光鏡18反射 後以45°入射到平面鏡16。本發明光路模塊中當光源17發出的激發光與二向色分光鏡 18表面成45度角時，能在其表面發射反射而不能透過分光鏡；被激發的螢光能透過二向 色分光鏡而不發生反射，實現激發光和螢光的充分分離，避免激發光對檢測的幹擾。激 發光和螢光共用相同的透鏡15、平面鏡16和二向色分光鏡18，降低鏡片用量，使得光路 系統簡單可靠，降低成本。第一細分驅動器2的脈衝信號輸入端和方向信號輸入端分別與控制器13的相應 輸出端連接，第一細分驅動器2的輸出端與傳動裝置連接；第二細分驅動器9的脈衝信號 輸入端和方向信號輸入端分別與控制器13的相應輸出端連接，第二細分驅動器9的輸出 端與第二步進電機7連接。作為本發明的一種優選實施方式，如圖1所示，傳動裝置包括第一步進電機4和 同步帶輪3，第一步進電機4與導軌5固定連接，第一步進電機4的輸出軸與同步帶輪3 的主動輪連接，絲槓8的一端通過導軌5上安裝的軸承與同步帶輪3的從動輪連接，第一 細分驅動器2的輸出端與第一步進電機4連接。這種傳動裝置採用帶傳動實現絲槓8的 轉動，結構簡單、傳動平穩、價格低廉並能緩衝吸振。本發明也可採用齒輪傳動作為傳 動裝置。在圖1所示的實施方式中，第一細分驅動器2的脈衝信號輸入端和方向信號輸入 端分別與控制器13的第一路PWM信號輸出端和第一路方向信號輸出端連接，第一細分 驅動器2的輸出端與第一步進電機4連接；第二細分驅動器9的脈衝信號輸入端和方向信 號輸入端分別與控制器13的第二路PWM信號輸出端和第二路方向信號輸出端連接，第 二細分驅動器9的輸出端與第二步進電機7連接。由於本發明中滑塊6安裝於導軌5上，二者形成滑動配合，滑塊6和導軌5均採 用對稱結構，且滑塊6和導軌5之間的接觸面光滑，所以滑塊6在導軌5上滑動時摩擦力 小，並可實現快速移動，保證了光路模塊的檢測效率和精度。此外，導軌5的兩端裝有 限位開關，控制滑塊6的行程，防止程序失控或操作失誤時滑塊6的行程超出範圍。本發明中，由於滑塊6與絲槓8安裝在一起，絲槓8將第一步進電機4的旋轉運 動轉化為滑塊6的直線運動，進而使光路模塊實現直線運動。其中，絲槓8優選採用具 有較高精度的滾珠絲槓，此時，滑塊6與滾珠絲槓的螺母固定安裝在一起。另一方面， 固定於滑塊6上的第二步進電機7直接驅動光路模塊實現旋轉運動。所以，第一步進電 機4控制著光路模塊的直線運動，而第二步進電機7控制著光路模塊的轉動。光路模塊通過直線運動和旋轉運動相結合完成對被檢對象12的檢測。這一結構控制簡單，能有效 避免幹涉，可使本發明檢測裝置結構緊湊、精巧，保證測量精度。本發明中第一步進電機4和第二步進電機7可採用雷賽科技公司型號為57HS22 的步進電機，也可採用雷賽科技、上海四宏電機有限公司等其他公司提供的驅動能力相 當的步進電機。第一細分驅動器2和第二細分驅動器9可採用雷賽科技型號為M542的 細分驅動器，也可採用雷賽科技、上海四宏電機有限公司等其他公司提供的細分比高的 細分驅動器。風扇14主要用來給螢光檢測裝置降溫，風扇14可選用日本NMB風扇，型 號為3612KL-04W-B66。被檢對象12為可完成基因擴增功能的模塊或成型的普通基因擴 增儀，在進行基因擴增反應的試液中必須加入螢光基團。如圖3所示，在採用基於ARM和CPLD的控制器中，ARM為控制核心，CPLD
為控制信號輸出擴展板，CPLD直接接到ARM的存儲總線上，這種結構的實時性好， 可靠性高。採用液晶顯示器LCD和觸控螢幕作為人機互動裝置，採用NANDFLASH和 SDRAM作為存儲器件。移植了實時嵌入式作業系統Windows CE，輕鬆實現友好的人機 界面，也可移植Linux、μ C/OS- II等其他嵌入式作業系統。基於ARM和CPLD的控制 器其控制軟體完成了運動控制系統的插補運算和位置控制等核心任務，而硬體系統ARM 和CPLD僅提供標準化的通用接口。用戶可在特定的嵌入式作業系統平臺上利用開放的 控制軟體內核，開發所需的各種功能，具有較高的通用性和開放性。ARM可採用三星公司的型號S3C2410的ARM9處理器，或者其它型號的 ARM9、ARMlO系列處理器，CPLD可採用ALTERA公司FLEX6000系列型號為EPF6016 的晶片，或ALTERA公司FLEX6000系列的其他CPLD晶片。如圖4所示，ARM和CPLD之間的連接為CPLD直接接到ARM的存儲總線
上，即將ARM和CPLD的24位數據總線、8位地址總線、片選信號線、讀寫控制信號線 和中斷信號線分別連接。S3C2410可以通過存儲器指令訪問EPF6016，提高通訊效率。 工作時，CPLD不斷產生中斷信號，ARM接收到中斷信號後即向CPLD傳送運動指令， CPLD根據指令進行信號輸出，從而保證運動的連續性和平穩性。ARM和CPLD之間也 可採用CAN總線方式連接。液晶顯示器的CLK、LCDVRO, LCDVFl、LCDVF2引腳分別與ARM處理器的 VCLK、VLINE、VFRAME、VM引腳連接，液晶顯示器的數據引腳和ARM處理器的數
據引腳連接。NANDFLASH 可使用三星公司型號為 K9F1208 的 32M NANDFLASH。K9F1208
的時鐘引腳、鎖存引腳、讀寫控制引腳和輸入輸出引腳分別和ARM處理器的對應引腳相 連。將開發好的螢光檢測裝置的運動控制程序保存在NANDFLASH中。本發明也可使 用三星、東芝等公司的其他NANDFLASH晶片。SDRAM可使用三星公司生產的型號為MT48LC4M32B2的16M SDRAM。ARM
處理器的地址總線、數據總線和控制總線分別與SDRAM的相應總線相連。也可採用三 星、東芝等公司的其他SDRAM晶片。保存在NANDFLASH中的程序在存儲器SDRAM 中執行。使用本發明檢測裝置時，給控制器13、第一細分驅動器2和第二細分驅動器7 上電，打開保存在控制器13中NANDFLASH裡的檢測程序，設定檢測參數，即可開始檢測。本發明檢測裝置工作過程如下進行檢測時，第一步進電機7通過同步帶傳動驅動 絲槓8旋轉，從而帶動絲槓8上的滑塊6在導軌5上做直線運動，固定在滑塊6上的第二 步進電機7也隨之做直線運動，另一方面，第二步進電機7的輸出軸直接帶動光路模塊旋 轉。光路模塊在第一步進電機4和第二步進電機7的驅動下通過直線運動與旋轉運動相 結合完成平面內一定範圍內的檢測。在運動控制過程中，CPLD不斷向ARM發送中斷信 號，ARM接收到中斷信號後向CPLD傳送運動指令，並讀取CPLD監測限位開關狀態信 息，CPLD根據接收到運動指令發出PWM信號和方向信號來控制第一步進電機4和第二 步進電機7的運動。綜上，本發明具有如下特點1)機械結構通過絲槓8將第一步進電機4的旋轉運動轉化為滑塊6的直線運 動，進而使光路模塊實現直線運動。同時，固定於滑塊6上的第二步進電機7直接驅動 光路模塊實現旋轉運動。光路模塊通過直線運動和旋轉運動相結合完成對被檢對象12的 檢測。相比於以往採用二維水平運動實現檢測的結構，這一結構控制簡單，能有效避免 幹涉，使本發明檢測裝置結構緊湊、精巧。2)光路模塊合理利用二向色分光鏡18的特點，使激發光和螢光共用同一個透 鏡15、平面鏡16和二向色分光鏡18，由此降低鏡片用量，並使得光路系統簡單可靠，降 低成本。3)運動控制控制器是螢光檢測裝置的控制核心，在機械結構確定的情況下， 決定了檢測裝置的定位精度，基於ARM和CPLD的控制器具有處理速度快，實時性好、 可靠性高、通用性好、人機界面友好和開放性好等優點，保證了螢光檢測裝置具有高的 定位精度和完善的功能。克服了以往螢光檢測裝置採用單片機處理速度慢，功能少，通 用性及開發性差等缺點。通過這三方面的保證，成功實現了一種結構簡單、檢測高效、性能完善的實時 螢光定量PCR儀的螢光檢測裝置。
權利要求
1.一種實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置，其特徵是包括機架(1)、第一 細分驅動器(2)、導軌(5)、滑塊(6)、第二步進電機(7)、絲槓(8)、第二細分驅動器 (9)、控制器(13)、傳動裝置和光路模塊；所述導軌(5)固定於機架(1)上，導軌(5)的 一端安裝有軸承，所述絲槓(8)的一端通過導軌(5)上安裝的所述軸承與傳動裝置固定連 接，所述滑塊(6)安裝於導軌(5)上，所述滑塊(6)與導軌(5)形成滑動配合，滑塊(6) 與絲槓(8)安裝在一起，所述滑塊(6)與第二步進電機(7)固定連接；所述光路模塊包 括設有出光孔(11)的殼體(10)，所述殼體(10)內固定有透鏡(15)、平面鏡(16)、光源(17)、二相色分光鏡(18)、光電倍增管(19)和濾鏡輪(20)，光源(17)發射的光線射入 到二相色分光鏡(18)上，光線經二相色分光鏡(18)反射後入射到平面鏡(16)上，光線 經平面鏡(16)反射後射向透鏡(15)，經過透鏡(15)的透射光沿豎直向下方向經過所述 出光孔(11)射入被檢樣品中，被檢樣品中的螢光基團被激發產生的螢光經由所述出光孔 (11)射向透鏡(15)並透射到平面鏡(16)上，螢光經平面鏡(16)反射後射入到二相色分 光鏡(18)，經過二相色分光鏡(18)的透射螢光射向濾鏡輪(20)，經過濾鏡輪(20)的濾 光片的透射螢光射入到光電倍增管(19)的接收端；第二步進電機(7)的輸出軸與光路模 塊的殼體(10)固定連接；第一細分驅動器(2)的脈衝信號輸入端和方向信號輸入端分別 與控制器(13)的相應輸出端連接，第一細分驅動器(2)的輸出端與傳動裝置連接；第二 細分驅動器(9)的脈衝信號輸入端和方向信號輸入端分別與控制器(13)的相應輸出端連 接，第二細分驅動器(9)的輸出端與第二步進電機(7)連接。
2.根據權利要求1所述的實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置，其特徵在於 所述光源(17)發射的光線是以45°射入到二相色分光鏡(18)上，光線經二相色分光鏡(18)反射後是以45°入射到平面鏡(16)。
3.根據權利要求1或2所述的實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置，其特徵在於 所述傳動裝置包括第一步進電機(4)和同步帶輪(3)，第一步進電機(4)與導軌(5)固定 連接，第一步進電機(4)的輸出軸與同步帶輪(3)的主動輪連接，所述絲槓(8)的一端通 過導軌(5)上安裝的所述軸承與同步帶輪(3)的從動輪連接，所述第一細分驅動器(2)的 輸出端與第一步進電機(4)連接。
4.根據權利要求1或2所述的實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置，其特徵在於 所述控制器(13)為基於ARM和CPLD的控制器。
全文摘要
本發明公開一種實時螢光定量PCR儀螢光信號檢測裝置，其中，絲槓一端通過導軌上安裝的軸承與傳動裝置固定連接，滑塊與導軌形成滑動配合且與絲槓安裝在一起，滑塊與第二步進電機固定連接；在光路模塊殼體內，光源發射的光線依次經二相色分光鏡、平面鏡、透鏡、出光孔射入到被檢樣品中，被檢樣品中螢光基團被激發產生螢光經由出光孔、透鏡、平面鏡、二相色分光鏡、濾鏡輪射入到光電倍增管接收端；第二步進電機輸出軸與光路模塊殼體固定；第一細分驅動器和第二細分驅動器的脈衝信號輸入端和方向信號輸入端與控制器相應輸出端連接，第一細分驅動器輸出端與傳動裝置連接；第二細分驅動器輸出端與第二步進電機連接。本發明結構緊湊、光路系統簡單可靠。
文檔編號C12Q1/68GK102010904SQ201010269480
公開日2011年4月13日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者劉娟容, 姚英豪, 賀惠農, 陳章位, 黃靖 申請人:浙江大學