一種用於基因檢測的檢測裝置的製作方法
2023-12-02 02:32:16 2
專利名稱：一種用於基因檢測的檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及基因檢測技術領域，特別是涉及一種用於基因檢測的檢測裝置。
背景技術：
1998年底美國科學促進會將電化學基因傳感器技術列為1998年度自然科學領域十大進展之一，足見其在科學史上的意義。它以其可同時、快速、準確地分析數以千計基因組信息的本領而顯示出了巨大的威力。這些應用主要包括基因表達檢測、突變檢測、基因組多態性分析和基因文庫作圖以及雜交測序等方面。採用電化學基因傳感器檢測基因表達的改變能夠節省大量的人力物力和財力，在以前，科學家不得不重複大量的實驗來觀察多個基因的改變情況，如果採用傳統的方法研究細胞中的上千個基因的改變幾乎是不可想像的，因為必須提取首先提取細胞的核酸，而且要足夠多以滿足Northern雜交的需要，然後標記每一種探針，再分別進行雜交檢測。而採用電化學基因傳感器則可以使工作量成千上萬倍地減少，利用電化學基因傳感器同時檢測了酵母菌中6000個基因的功能，而史丹福大學I^atrick Brown領導的科研小組則成果地檢測了人成纖維細胞中8600個基因的表達改變。電化學基因傳感器還可用於基因測序，目前美國人類基因組計劃正在大力發展這一技術爭取能替代目前的自動測序，同現有的手工測序和自動測序相比，電化學基因傳感器測序能節省大量的試劑和儀器損耗。在基因表達檢測的研究上人們已比較成功地對多種生物包括擬南芥、酵母及人的基因組表達情況進行了研究。實踐證明電化學基因傳感器技術也可用於核酸突變的檢測及基因組多態性的分析，與常規測序結果一致性達到98%等的突變檢測，對人類基因組單核苷酸多態性的鑑定、作圖和分型、人線粒體基因組多態性的研究等。將生物傳感器與晶片技術相結合，通過改變探針陣列區域的電場強度已經證明可以檢測到基因的單鹼基突變，通過確定重疊克隆的次序從而對酵母基因組進行作圖。雜交測序是電化學基因傳感器技術的另一重要應用。該測序技術理論上不失為一種高效可行的測序方法，但需通過大量重疊序列探針與目的分子的雜交方可推導出目的核酸分子的序列，所以需要製作大量的探針。電化學基因傳感器技術可以比較容易地合成並固定大量核酸分子，所以它的問世無疑為雜交測序提供了實踐的可能性。採用電化學基因傳感器技術，可以大大加快人類基因組計劃的工作進度，例如用於基因測序、基因表達檢測和新的遺傳標誌如SNP定位等，這對尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點和開發新的基因藥物具有重要意義。採用電化學基因傳感器可以進行超乎以前想像的工作量來檢測不同物種、不同組織、不同病種、不同處理條件下的基因表達改變，從而知道開發具有不同用途的的診斷試劑盒。新藥在實驗階段必須通過人體安全性實驗，就必須觀察藥物對人基因表達的影響，由於並不知道藥物對那一種基因起作用，就必須對已知所有或一定範圍內的基因表達都進行檢測，採用電化學基因傳感器可以迅速而準確地完成這一任務。
但是現有通過電化學傳感器進行基因檢測需要較多的步驟，並且對於人工的操作要求比較高，同時檢測的步驟繁瑣時間較長，對於需要同時對多個樣品進行檢測的情況需要大量的人力物力，提高了檢測成本，再且，由於受到地方和設備的限制，對於多樣品的處理明顯有的很大的限制，特別是對於醫院和實驗室等地方，受到空間的限制，不能安裝過多的設備和容納過多的操作人員，大大的減低了對於樣品的檢測效率，比且對於檢測過程中需要對樣品進行轉移或操作，由於多個步驟分離處理，容易使到樣品或數據受到影響，從而大大的影響了檢測準確性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種簡便、快速的用於基因檢測的檢測裝置。一種用於基因檢測的檢測裝置，所述裝置包括
基因檢測器和控制器，所述控制器控制所述基因檢測器進行基因檢測的過程，採集和接收基因檢測器的掃描數據，並進行結果分析；
優選地，所述基因檢測器包括電化學基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置和晶片加熱裝置，所述電化學基因傳感器採用電化學技術對待檢測物雜交反應後的分子進行標記，實現基因檢測，所述第二連接管理裝置通過交流伏安法掃描經過標記的檢測信號，並根據所述控制器的指令控制基因檢測的過程，以及控制所述晶片加熱裝置的溫度；所述連接器用於所述電化學基因傳感器與第二連接管理裝置和晶片加熱裝置連接，所述晶片加熱裝置用於對電化學基因傳感器進行加熱。優選地，所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊，所述第一管理連接模塊與所述基因檢測器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數據，並與所述第二連接管理裝置進行數據交互；所述第二處理模塊對獲取的數據進行結果分析； 所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用於對所述基因檢測器進行控制和管理，對晶片加熱裝置進行控制，並用於對外的通信和連接管理。優選地，所述第一處理模塊包括數據處理單元和溫度控制單元，所述數據處理單元用於對所述基因檢測器進行控制和管理，並用於對外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用於控制晶片加熱裝置，實時調節電化學基因傳感器的溫度。優選地，所述檢測裝置包括一個或多個基因檢測器，用於對一個或多個待檢測物進行基因檢測，所述晶片加熱裝置包括一個或多個晶片加熱端，與所述一個或多個基因檢測器連接。優選地，所述溫度控制單元包括一個或多個溫度調節元件和一個或多個溫度反饋元件，所述一個或多個溫度調節元件分別對應於一個或多個基因檢測器，所述一個或多個溫度反饋元件分別對應於一個或多個基因檢測器，用於檢測基因檢測器的溫度，所述一個或多個溫度調節元件跟據所述一個或多個溫度反饋單元對基因檢測器的溫度監控，分別對一個或多個基因檢測器上的晶片加熱裝置實時控制。優選地，所述一個或多個溫度調節元件包括
比較元件，用於將一個或多個溫度反饋單元所檢測到的溫度模擬數字轉換後，將數位訊號轉換為溫度與目標溫度進行比較；
控制元件，基於比較結果，根據溫度變化的幅度、速率等參數預測溫度變化情況，實時調整溫度控制輸出量；
執行元件，根據控制元件的輸出控制量，控制所述晶片加熱裝置的溫度。優選地，所述連接器包括
第一連接端，用於連接所述電化學基因傳感器；
環境控制端，與所述晶片加熱裝置連接，調節控制電化學基因傳感器的溫度； 第二電信號傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；
所述第一連接端包括電化學基因傳感器固定位和與所述電化學基因傳感器連接的第一電信號傳輸接口，所述電化學基因傳感器固定位用於固定電化學基因傳感器，所述第一電信號傳輸接口用於與電化學基因傳感器進行數據傳輸；
所述第二電信號傳輸接口與所述第一電信號傳輸接口相互連接，用於第二連接管理裝置與所述電化學基因傳感器之間傳輸電信號。優選地，第二連接管理裝置包括數字電路、轉換模塊、低壓驅動模塊和電壓採集反饋電路；
所述數字電路控制低壓驅動模塊產生的激勵電壓的輸出量，電壓採集反饋電路採集激勵電壓，並且轉換模塊將模擬信號轉換成數位訊號，控制器採集包含電壓採集以及經過模擬信號轉換成的數位訊號，進行檢測、控制和結果分析。與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明的技術方案由於擬採用各個晶片獨立的溫度控制為DNA雜交提供非常穩定獨立的環境，並採用高精度儀器對檢驗過程進行控制，大大的提高了檢驗的速度和效率，並且有效的節約了檢驗的成本和人力資源，達到高速、準確和精確的檢驗DNA。用於基因測序，同現有的手工測序和自動測序相比，能節省大量的試劑和儀器損耗。整個檢測雜交和檢測過程只要30分鐘，快速和簡便，廉價，和測序相比大大的降低了成本，實現低成本對特定基因片斷的檢測。可以同時對M個晶片進行雜交檢測，高通量的進行疾病的篩查和檢測。整個雜交和檢測過程自動化，實現了無人看守，減輕了操作者的負擔，提高了效率。
圖1為本發明中檢測裝置的結構示意圖； 圖2為本發明中第一處理模塊的結構示意圖； 圖3為本發明中連接器的連接結構； 圖4為本發明中溫度控制的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。 如圖1 4所示，本發明技術方案提供一種用於基因檢測的檢測裝置，所述裝置包括
基因檢測器和控制器，所述控制器控制所述基因檢測器進行基因檢測的過程，採集和接收基因檢測器的掃描數據，並進行結果分析；
優選地，所述基因檢測器包括電化學基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置，和晶片加熱裝置，所述電化學基因傳感器採用電化學技術對待檢測物雜交反應後的分子進行標記，實現基因檢測，所述第二連接管理裝置通過交流伏安法掃描經過標記的檢測信號，並根據所述控制器的指令控制基因檢測的過程，以及控制所述晶片加熱裝置的溫度；所述連接器用於所述電化學基因傳感器與第二連接管理裝置和晶片加熱裝置連接。其中，所述的電化學基因傳感器包括檢測區和電信號傳輸端，所述檢測區用於對待檢測物雜交前後的樣品採用電化學技術，並通過交流伏安法掃描經過標記的檢測信號， 經由電信號傳輸端傳輸到所述第二連接管理裝置中，進而作進一步的分析處理，所述檢測區可以為DNA電化學傳感器或電子電化學基因傳感器等等，能夠實現電化學檢測技術的基因檢測工具。所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊；
所述第一管理連接模塊與所述基因檢測器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數據，並與所述第二連接管理模塊進行數據交互，所述第二處理模塊對獲取的數據進行結果分析；所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用於對所述基因檢測器進行控制和管理，對晶片加熱裝置進行控制，並用於對外的通信和連接管理。優選地，所述第一處理模塊包括數據處理單元和溫度控制單元，所述數據處理單元用於對所述基因檢測器進行控制和管理，並用於對外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用於控制晶片加熱裝置，實時調節電化學基因傳感器的溫度。基因檢測器和控制器存在大量的數據交換和眾多的控制線，為達到高性能的硬體連接和靈活的連接配置，兩者中第一管理連接模塊和第二二連接管理裝置均採用FPGA作為連接界面。FPGA(Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列，它是在PAL、 GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA的使用非常靈活，同一片FPGA通過不同的編程數據可以產生不同的電路功能。FPGA提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能。檢測模塊擬採用 10 - 50萬門級的FPGA器件，塔控制板採用100萬門級的FPGA器件。基因檢測器的FPGA連接控制本模塊激勵電壓的產生，激勵電壓包括三角波和正弦波疊加，波形由數位訊號通過DAC產生；晶片電極通過開關陣列和放大後經過ADC得到數字量，ADC和開關陣列由FPGA連接控制。為傳感器提供雜交環境得溫度控制系統和FPGA 連接，實現溫度控制和流速控制。以上模塊的控制量通過基因檢測器的FPGA和上位處理終端，控制器的FPGA連接，實現指令和數據通訊。控制器可以連接8個基因檢測器，要求能同時對8個傳感器進行掃描、數據採集和分析處理。控制器和基因檢測器間存在大量的指令和數據交換，為實現高速的數據通訊，採用FPGA進行兩種模塊硬體連接。同時控制器必需分析各個電極的掃描數據，每個電極的數據必需進行數據變換和分析，快速數處理的任務由第二處理模塊DSP完成。DSP通過第一管理連接模塊(FPGA)高速獲取數據，分析結果同樣通過FPGA連接數據處理單元(CPU)公共數據存儲區域，由CPU通知PC直接從該區域獲取分析結果。控制器的事務管理由CPU (ARM9處理器)完成，CUP需要對各個模塊和DSP數據分析起始進行控制管理。CPU和基因檢測器、DSP的連接通過第一管理連接模塊(FPGA)進行硬體連接，實現CPU對各個控制對象進行控制管理，各個控制對象的狀態標誌也通過FPGA 反饋到CPU。
控制器的數據上傳PC通過網絡實現。CPU軟體內嵌TCP/IP協議棧，硬體上與網卡控制器連接。系統包括3個檢測塔，每個檢測塔與內部的路由連接，路由再和內嵌的工控 PC連接，從而實現檢測塔和PC的網絡連接。通過內部的區域網和TCP/IP協議實現檢測塔和內嵌工控PC的數據交換。優選地，所述檢測裝置包括一個或多個基因檢測器，用於對一個或多個待檢測物進行基因檢測，所述晶片加熱裝置包括一個或多個晶片加熱端，與所述一個或多個基因檢測器連接。優選地，所述溫度控制單元包括一個或多個溫度調節元件和一個或多個溫度反饋元件，所述一個或多個溫度調節元件分別對應於一個或多個基因檢測器，所述一個或多個溫度反饋元件分別對應於一個或多個基因檢測器，用於檢測基因檢測器的溫度，所述一個或多個溫度調節元件跟據所述一個或多個溫度反饋單元對基因檢測器的溫度監控，分別對一個或多個基因檢測器上的晶片加熱裝置實時控制。優選地，所述一個或多個溫度調節元件包括
比較元件，用於將一個或多個溫度反饋單元所檢測到的溫度模擬數字轉換後，將數位訊號轉換為溫度與目標溫度進行比較；
控制元件，基於比較結果，根據溫度變化的幅度、速率等參數預測溫度變化情況，實時調整溫度控制輸出量；
執行元件，根據控制元件的輸出控制量，控制所述晶片加熱裝置的溫度。本發明的每個傳感器都要求隨到隨檢，因此儀器必需具備M個單獨的檢測模塊， 每個模塊都能進行單獨的溫度控制，以滿足不同雜交檢測階段和不同檢測項目的溫度要求，而且每個模塊的溫度控制必需準確穩定。為了達到這個要求，每個模塊都採用單獨的閉環溫度控制單元，系統包括基於ARM9處理器的比較元件、基於PWM輸出控制的控制元件、基於加熱功率管的執行元件、基於高導熱性能銅基板的加熱對象(即晶片加熱裝置)和基於高精度傳感放大及ADC的反饋元件，如圖4所示；
基於ARM9處理分析各個元件的檢測項目，並通過該項目晶片協議和雜交階段得到當前的各個模塊的目標溫度，同時通過溫度反饋元件(包括高精度溫度傳感器、高精度放大、 精密ADC)得到銅基板當前溫度，經過比較計算後得到溫度偏差和控制量，執行元件控制功率輸出到加熱管，對銅基片進行溫度控制，使其得到準確穩定的溫度。銅基片與插入檢測模塊的晶片充分接觸，溫度被傳導到晶片上，為晶片雜交提供適合的溫度環境。溫度控制算法採用基於ARM9的比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器算法具有穩定性好、工作可靠、調整方便的優點，是工業控制的主要技術之一，用於本發明的雜交溫度控制預期能達到很好的效果。被控對象銅基板的結構、參數和隨機的擾動不能完全掌握，得不到精確的數學模型，控制理論的其它算法難以採用，因此溫度控制系統結構和參數必須依靠經驗和研發階段的調試來確定，應用PID控制技術最為方便，PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。比例 (P)控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關係，當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。積分(I)控制的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關係，對本儀器的溫度控制系統，如果在進入穩態後存在穩態溫度誤差，這個溫度控制系統是有穩態溫度誤差的，為了消除穩態誤差，在控制器中引入「積分項」，積分項對誤差取決於時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大，這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態溫度誤差進一步減小，直到等於零。因此，採用比例+積分(PI)控制器算法，可以使系統在進入穩態後無穩態溫度誤差。微分(D)控制的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關係，溫度控制系統在克服誤差的調節過程中會出現振蕩甚至失穩，其原因是由於存在有較大慣性組件或有滯後組件(銅基板導熱可能出現滯後)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落後於溫度誤差的變化。為解決這個問題，使抑制誤差的作用的變化「超前」，使得在溫度誤差接近零時，抑制誤差的作用為零，需要增加的是「微分項」，它能預測誤差變化的趨勢。這樣，具有PID的穩定控制器和算法，就能夠提前使抑制溫度誤差的控制作用等於零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。優選地，所述連接器包括
第一連接端，用於連接所述電化學基因傳感器；
環境控制端，與所述晶片加熱裝置連接，調節控制電化學基因傳感器的溫度； 第二電信號傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；
所述第一連接端包括電化學基因傳感器固定位和與所述電化學基因傳感器連接的第一電信號傳輸接口，所述電化學基因傳感器固定位用於固定電化學基因傳感器，所述第一電信號傳輸接口用於與電化學基因傳感器進行數據傳輸；
所述第二電信號傳輸接口與所述第一電信號傳輸接口相互連接，用於第二連接管理裝置與所述電化學基因傳感器之間傳輸電信號。優選地，第二連接管理裝置包括數字電路、轉換模塊、低壓驅動模塊和電壓採集反饋電路；
所述數字電路控制低壓驅動模塊產生的激勵電壓的輸出量，電壓採集反饋電路採集激勵電壓，並且轉換模塊將模擬信號轉換成數位訊號，控制器採集包含電壓採集以及經過模擬信號轉換成的數位訊號，進行檢測、控制和結果分析。
權利要求
1.一種用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述裝置包括基因檢測器和控制器，所述控制器控制所述基因檢測器進行基因檢測的過程，採集和接收基因檢測器的掃描數據，並進行結果分析；所述基因檢測器包括電化學基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置和晶片加熱裝置，所述電化學基因傳感器採用電化學技術對待檢測物雜交反應後的分子進行標記，實現基因檢測，所述第二連接管理裝置通過交流伏安法掃描經過標記的檢測信號，並根據所述控制器的指令控制基因檢測的過程，以及控制所述晶片加熱裝置的輸出溫度；所述連接器用於所述電化學基因傳感器分別與第二連接管理裝置和晶片加熱裝置連接。
2.根據權利要求1所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊；所述第一管理連接模塊與所述基因檢測器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數據，並與所述第二連接管理裝置進行數據交互，所述第二處理模塊對獲取的數據進行結果分析；所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用於對所述基因檢測器進行控制和管理，對晶片加熱裝置進行控制，並用於對外的通信和連接管理。
3.根據權利要求2所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，第一處理模塊包括 數據處理單元和溫度控制單元，所述數據處理單元用於對所述基因檢測器進行控制和管理，並用於對外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用於控制晶片加熱裝置，實時調節電化學基因傳感器的溫度。
4.根據權利要求3所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述檢測裝置包括一個或多個基因檢測器，用於對一個或多個待檢測物進行基因檢測，所述晶片加熱裝置包括一個或多個晶片加熱端，與所述一個或多個基因檢測器連接。
5.根據權利要求4所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述溫度控制單元包括一個或多個溫度調節元件和一個或多個溫度反饋元件，所述一個或多個溫度調節元件分別對應於一個或多個基因檢測器，所述一個或多個溫度反饋元件分別對應於一個或多個基因檢測器，用於檢測基因檢測器的溫度，所述一個或多個溫度調節元件跟據所述一個或多個溫度反饋單元對基因檢測器的溫度監控，分別對一個或多個基因檢測器上的晶片加熱裝置實時控制。
6.根據權利要求5所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述一個或多個溫度調節元件包括比較元件，用於將一個或多個溫度反饋單元所檢測到的溫度模擬數字轉換後，將數位訊號轉換為溫度與目標溫度進行比較；控制元件，基於比較結果，根據溫度變化的幅度、速率等參數預測溫度變化情況，實時調整溫度控制輸出量；執行元件，根據控制元件的輸出控制量，控制所述晶片加熱裝置的溫度。
7.根據權利要求6所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，所述連接器包括第一連接端，用於連接所述電化學基因傳感器；環境控制端，與所述晶片加熱裝置連接，調節控制電化學基因傳感器的溫度；第二電信號傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；所述第一連接端包括電化學基因傳感器固定位和與所述電化學基因傳感器連接的第一電信號傳輸接口，所述電化學基因傳感器固定位用於固定電化學基因傳感器，所述第一電信號傳輸接口用於與電化學基因傳感器進行數據傳輸；所述第二電信號傳輸接口與所述第一電信號傳輸接口相互連接，用於第二連接管理裝置與所述電化學基因傳感器之間傳輸電信號。
8.根據權利要求1 7任一所述的用於基因檢測的檢測裝置，其特徵在於，第二連接管理裝置包括數字電路、轉換模塊、低壓驅動模塊和電壓採集反饋電路；所述數字電路控制低壓驅動模塊產生的激勵電壓的輸出量，電壓採集反饋電路採集激勵電壓，並且轉換模塊將模擬信號轉換成數位訊號，控制器採集包含電壓採集以及經過模擬信號轉換成的數位訊號，進行檢測、控制和結果分析。
全文摘要
本發明提供一種簡便、快速的用於基因檢測的檢測裝置。一種用於基因檢測的檢測裝置，所述裝置包括基因檢測器和控制器，所述控制器控制所述基因檢測器進行基因檢測的過程，採集和接收基因檢測器的掃描數據，並進行結果分析；採用高精度儀器對檢驗過程進行控制，大大的提高了檢驗的速度和效率，並且有效的節約了檢驗的成本和人力資源，達到高速、準確和精確的檢驗DNA。
文檔編號C12M1/34GK102559482SQ201110455939
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者周詩寒, 李明, 洪俊安, 蔡偉光, 謝劍鋒, 陳華雲 申請人:中山大學達安基因股份有限公司