一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀的製作方法

2023-11-04 16:57:47 2

專利名稱：一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀的製作方法
技術領域：
本實用新型一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀涉及的是一種微陣列探針循環檢測型生物晶片溫控技術的溫控儀。特別適用PCR生物探針診斷的溫度控制，是一種採用半導體加熱、製冷雙向溫控新型的反饋式溫控儀。
生物晶片主要是指通過平面微細加工技術及超分子自組裝技術，在固體晶片表面構建的微分析單元和系統。生物晶片可把許多不同功能器件集成在一起，例如，生物樣品的預處理，遺傳物質的提取，特定基因片段的擴增，生物探針陣列以及毛細管電泳形成整體的微流體系統，以實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。基因晶片是最重要的一類生物晶片，它集成了大量的密集排列的基因探針，能夠在短時間內分析大量的基因，使人們可迅速地讀取和分析生命的程序。
生物晶片在生物檢測、醫學檢驗、藥物篩選和基因序列分析上有著極其重要的意義。例如在生物學中，隨著分子生物學的不斷發展，特別是舉世矚目的人類基因組計劃實施以來，有關核酸、蛋白質序列和結構的數據呈指數增長。而下世紀最富挑戰性的工作就是人類基因組計劃完成後，即在後基因時代，我們如何運用大量的生物分子信息服務於人類社會，並使醫學、治療產生根本革命。在醫學中，「系統、器官、組織、細胞層次上的第二階段醫學」正在向「基因水平上的，DNA→RNA→蛋白質→蛋白質與核酸相互作用，以及它們與環境相互作用水平上的第三階段醫學」轉化。這種在分子層次上進行的基因診斷與基因治療，將根本地認識疾病產生的根源，並將有希望根本認識和治療包括癌症在內的重大疾病。這些生物學、醫學的根本變革，一個根本的前提是基因序列的測定和分析。能否有效快速地進行基因測序與分析，將影響到人類基因組計劃的實施，從而影響生物學、醫學的進一步發展。傳統基因測序所採用的方法包括化學反應、凝膠電泳法等一系列繁雜的步驟，這些方法花費時間較長，且操作繁複，尤其在大規模測序方面費時、並且不適宜便攜化快速測序。在對傳統基因測序方法進行改進的過程中，以基因晶片為代表的生物晶片技術應運而生。生物晶片技術是將生命科學研究中所涉及的許多不連續的分析過程，如樣品製備，化學反應和分析檢測等通過採用微電子，微機械等工藝集成到晶片中，使之連續化，集成化，微型化和自動化。這一技術的成熟和應用將在下世紀的疾病診斷和治療、新藥開發、司法鑑定、食品和環境等生命科學相關領域帶來一場革命，為生物信息的獲取及分析提供強有力的手段。
PCR(polymerase chain reaction，聚合酶鏈反應)作為一種選擇性體外基因擴增的方法，由於在經25～35輪循環後就可使DNA擴增106倍，多年來在科研和醫學檢驗中得到廣泛應用。但由於PCR存在假陽性等缺陷，自98年6月起已被國家衛生部禁止用於臨床診斷。究其原因，其一是PCR過程中諸多實驗條件(引物的設計與選擇、材料配比、反應時間、溫度、循環周期等)造成的不穩定因素導致產生PCR的錯誤擴增。其二是，PCR過程的後續電泳檢測方法僅可判斷是不是得到特定長度的片段，而無法確定其具體序列。其三，PCR反應與檢測是兩個分立的過程，操作繁瑣且增加了汙染的機會。因此，對於檢測條件和設備有限的中、小醫院，PCR的檢測的準確性受到了很大的影響。此外，當前的PCR擴增過程對於操作人員的技術水平和素質有很高的要求。
生物(基因)晶片近年來一直是國際上的一個研究熱點，並正以驚人的速度向前發展。美國等國際上已有多家公司進入生物晶片領域，研究出把PCR與DNA陣列相集成的生物晶片。這些系統通常在晶片上製備一個PCR微反應池，通過控制微反應的溫度循環，進行基因的擴增。接著將擴增後的基因引入雜交池中，與固相微陣列探針雜交，進行檢測。Affymetrix公司則把PCR微反應池進一步製備成微流體管道。但目前用於科學研究和醫學檢驗的晶片大多是一個或若干個獨立器件。儘管已有將PCR技術與晶片檢測合為一體的報導，但其特點是整個PCR過程在一個微反應池中進行，因而，需要對器件的同一部位反覆地升溫降溫，這將無法對PCR結果進行動態跟蹤和實時定量分析。而且由於升溫降溫需要一定的時間，延長了工作時間。
本實用新型發明人曾針對目前PCR技術與晶片檢測存在不足之處提供一種往復式PCR微陣列探針循環檢測型生物晶片，這是一種控制PCR反應溶液在不同溫度區域進行往復式流動擴增的新方案，並將PCR技術與基因微陣列探針技術合為一體，構成一個集成型生物晶片，既可簡化操作步驟，縮短PCR時間，提高效率，又可將反應體系與外界進行嚴密有效隔離，並使PCR擴增一探針雜交檢測過程一體化，將PCR循環中的變性、退火、延伸過程與微陣列探針晶片構成一個整體，可以將變性、退火、延伸和雜交四個步驟的溫度分別控制在恆定溫度，從而可避免反覆的升溫降溫過程及由於溫控的誤差帶來的影響。
本實用新型的目的是針對目前生物探針診斷晶片溫度控制存在的不足之處，提供一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀，配合PCR微陣列探針循環檢測型生物晶片，提出了一種單點或多點反饋式主動控溫的新方案，通過有效地控溫，使得PCR檢測晶片的變性、退火、延伸、雜交四個步驟的溫度分別控制在恆定的不同溫區，避免反覆的升溫降溫過程以及由於溫控的誤差帶來的影響。該溫控儀溫控精度高，可大大縮短檢測時間，提高效率。
一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀是採用下列方案實現的。溫控儀主要結構具有溫控儀外殼、前面板、後面板、傳感驅動裝置，前面板上裝有電源開關、起動開關、數字顯示屏、通道轉折開關或插座，後面板上有輸出接線板，溫控儀外殼內裝有控制線路板，線路板上裝有電子控制線路元器件。電子控制線路有硬體PID控制線路、主動控制電子線路。硬體PID控制線路由採集電橋、比較器、比例微分電路、比例積分電路構成。硬體PID控制線路採用硬體PID控制，熱電阻溫度傳感器的信號經PID控制線路監控可控矽的佔空比從而控制加熱、製冷片的輸入電壓達到控溫的目的。主動控制電子線路由傳感器採集輸入模塊、採樣保持模塊、A/D轉換模塊、主控模塊(單片機)、D/A轉換模塊、輸出驅動放大模塊、數顯模塊組成。熱電阻溫度傳感器的輸入信號進入採集保持模塊，經過A/D轉換模塊採樣輸出到主控模塊的數據通道，利用主控模塊的溫控算法，從主控模塊的控制口輸出到D/A轉換轉換模塊，再經過通道選擇模塊選通，各控制信號由比較器輸出加熱製冷器件的溫控電壓或經放大器放人後的電流，以達到主動控溫的目的。傳感驅動裝置具有陶瓷隔熱板，陶瓷隔熱板上裝置有加熱製冷器件，加熱製冷器件外裝有隔熱片或塗層隔熱片，在加熱製冷器件與陶瓷職責熱板之間裝有隔熱塊，在加熱製冷器件前部設置有微傳熱片，在微傳熱片前端設有熱電阻傳感器，使用時微傳熱片，熱電阻傳感器插入生物探針診斷晶片的微反應區背面，以便進行檢測和控制溫度。
通過對不同節點的溫度的測量，利用主動控制主單元，對加熱、製冷元件給以相應的溫控指令。利用數字採集系統，以及單片機的相關技術，將主單元集成一個智能儀器單元中。溫控的原理採用主動控制的原理，其主要原理如下設反應中需要的溫度為T0，則傳感器溫度為Tf，傳熱的效率為q1，輻射反應為q2，制密效率為q3，加熱效率為q4。
W(T0)＝W(Tf)-q1t-q2t+q4t，(Tf≤T0)W(T0)＝W(Tf)-q1t-q2t-q3t，(Tf≥T0)從而根據不同的溫區情況設定，儀表自動控制溫度的恆定。並可以設定恆溫的反應時間等參數。實際溫控過程中，利用PID控制，限制半導體加熱製冷元件的佔空比，控制其加熱製冷效率，從而控制微區溫度。
本實用新型發明針對PCR反應晶片反應微區尺度較小，溫度相差較大以及溫度相互影響的特點，提出下面的減少溫度幹擾的措施。
1.利用半導體製冷的新技術，在溫控區間自動實現加熱或者製冷。
2.在微反應區直接嵌入微金屬片，以提高傳導的效率。
3.在半導體加熱片的兩側，嵌入光亮的金屬或塗附隔熱塗層的有機物片，以減少相鄰溫區的輻射。
4.在不同溫區間，加入隔熱材料，以減少熱輻射。
5.在加熱片的底部，利用開孔的陶瓷材料作用襯墊提高必要熱傳導和熱輻射。一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀是配合微陣列探針循環檢測型生物晶片，進行單點或多點反饋式主動控溫或PID控制溫新方案，採用硬體PID控制或主動控制方式進行控溫使檢測晶片的變性、退火、延伸、雜交四個步驟溫度分別控制在恆定的不同溫度區，避免反覆的升溫、降溫過程以及由於溫控誤差帶來的影響，同時由於PCR的微區反應的原理，通過閉環溫控方式以及機械的優化設計，使得溫度的控制精度在±0.2℃，並且大大縮短PCR時間，提高工作效率。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步說明。

圖1是一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀主視圖。圖2是一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀後視圖。圖3是一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀傳感驅動裝置結構示意圖。圖4是一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀硬體PID控制電子線路原理圖。圖5是一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀主動控制電子線路原理圖。
參照附圖1一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀主要結構具有溫控儀外殼1，傳感器驅動裝置，前面板，後面板，前面板上裝置有電源開關2、啟動開關3、數顯屏4、通道選擇開關或插座5，後面板上有輸出接線板6，外殼1上裝有把手7。溫控儀外殼內裝有控制線路板，線路板上裝有控制線路元器件。電子控制線路有硬體PID控制線路、主動控制電子線路。參見附圖4，硬體PID控制電路由採集電橋、比較器、比例微分電路、比例積分電路構成。硬體PID控制電路中採集電橋由電阻R1--R4，可調電阻RW1、RW2構成，比較器由比較器集成塊A4，比例微分電路由比較器A1、電阻R5、R6、電容C1、可調電阻RW3、RW4運算放大器A2構成，比例積分電路由運算放大器A3、電容C2、C3、可調電阻RW5構成。
參見附圖5，主動控制電子線路由傳感器採集輸入模塊、採樣保持模塊、A/D轉換模塊、主控模塊、D/A轉換模塊、輸出驅動放大模塊、數顯模塊組成。在主動控制電子線路中傳感器採集輸入保持模塊由採集電橋、通道選擇開關IC1構成，採集電橋包括電阻R1、R2，可調電阻RW1、RW2。A/D轉換模塊IC2可採用ICL7109集成塊，連接有晶振JZ1，電容C1、C2、C3，電阻R3、R4，通過數據傳輸線與主控模塊IC3(單片機)相連，主控模塊可採用8051，主控模塊IC3聯接有鎖存器IC7、存儲器IC6，主控模塊IC3的控制輸出端與D/A轉換模塊相連，D/A轉換模塊可採用0832集成塊晶片，D/A轉換模塊連接有驅動放大器A1，經過通道選擇模塊IC5選通，通道選擇模塊連接到比較器或運算放大器A2，A3，A4，A5，主控模塊IC3(單片機)還連接有解碼驅動器IC8，數字顯示模塊LED。
參見附圖3，傳感驅動裝置具有陶瓷隔熱板8、陶瓷隔熱板開有孔，陶瓷隔熱板上裝置有加熱製冷器件9，加熱製冷器件可採用半導體加熱製冷器件，加熱製冷器件9外裝有隔熱片或塗層隔熱片11，在加熱製冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊10，在加熱製冷器件前面設置有微傳熱片12，在微傳熱片前端設置有熱電阻傳感器14。使用時，傳感驅動安裝在PCR晶片13的背面，位置分別對應於PCR晶片的變性、退火、延伸、雜交四個溫度區，自動加熱或製冷，以達到不同溫度區的溫控目的。
權利要求1.一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀，具有溫控儀外殼、前面板、後面板、傳感驅動裝置，溫控儀外殼內裝有控制線路板，線路板上裝有電子控制線路元器件。電子控制線路有硬體PID控制線路、主動控制電子線路，硬體PID控制線路由採集電橋、比較器、比例積分電路、比例微分電路構成，主動控制電子線路由傳感器採集輸入模塊、採樣保持模塊、A/D轉換模塊、主控模塊、D/A轉換模塊、輸出驅動放大模塊、數顯模塊組成，其特徵是傳感驅動裝置具有陶瓷隔熱板、陶瓷隔熱板上裝置有加熱製冷器件，加熱製冷器件外裝有隔熱片或塗層隔熱片，在加熱製冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊，在加熱製冷器件前面設置有微傳熱片，在微傳熱片前端設置有熱電阻傳感器。
2.根據權利要求1所述的一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀，其特徵是硬體PID控制電路中採集電橋由電阻R1--R4，可調電阻RW1、RW2構成，比較器由比較器集成塊A4，比例微分電路由比較器A1、電阻R5、R6、電容C1、可調電阻RW3、RW4運算放大器A2構成，比例積分電路由運算放大器A3、電容C2、C3、可調電阻RW5構成。
3.根據權利要求1所述的一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀，其特徵是主動控制電子線路中傳感器採集輸入保持模塊由採集電橋、通道選擇開關IC1構成，採集電橋包括電阻R1、R2，可調電阻RW1、RW2，A/D轉換模塊IC2聯接有晶振JZ1，電容C1、C2、C3，電阻R3、R4，通過數據傳輸線與主控模塊IC3相連，主控模塊IC3聯接有鎖存器IC7、存儲器IC6，主控模塊IC3的控制輸出端與D/A轉換模塊相連，D/A轉換模塊連接有驅動放大器A1，經過通道選擇模塊IC5選通，通道選擇模塊連接到比較器或運算放大器A2，A3，A4，A5，主控模塊IC3還連接有解碼驅動器IC8，數字顯示模塊LED。
4.根據權利要求1所述的一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀，其特徵是前面板上裝置有電源開關、啟動開關、數顯屏、通道選擇開關或插座，後面板上有輸出接線板。
專利摘要本實用新型一種用於生物探針診斷晶片的溫控儀涉及的是一種微陣列探針循環檢測型生物晶片溫控技術的新方案。其結構由溫控儀外殼、前後面板、傳感驅動裝置,溫控儀電子控制線路有硬體PID控制線路、主動控制電子線路,其特徵是傳感驅動裝置具有陶瓷隔熱板,陶瓷隔熱板上裝有加熱製冷器件,加熱、製冷器件外裝有隔熱片或塗層隔熱片,加熱製冷器件與隔熱板間裝有隔熱板,加熱製冷器件前端設置有微傳熱片,微傳熱片前端設有熱電阻溫度傳感器。
文檔編號G01N33/48GK2389384SQ99230498
公開日2000年7月26日 申請日期1999年9月17日 優先權日1999年9月17日
發明者朱紀軍, 何農躍, 陸祖宏, 王國著 申請人:朱紀軍, 何農躍, 陸祖宏