便攜式核酸恒溫擴(kuò)增儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的便攜式核酸恒溫擴(kuò)增儀是針對動物疫病的檢測特點(diǎn)，在基于開源的Arduino硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用可編程的恒溫擴(kuò)增技術(shù)，全面覆蓋恒溫檢測方法，在實(shí)現(xiàn)檢測功能的同時可以根據(jù)需要升級硬件和軟件，對已有的恒溫擴(kuò)增技術(shù)進(jìn)行校正并開發(fā)新的檢測方法。本發(fā)明使用通用控制器Arduino?uno作為主控制板，采用自主開發(fā)的全橋控制板控制珀爾帖器件對鋁塊進(jìn)行加熱和冷卻循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)恒溫溫度，其控制過程是通過熱敏電阻和22位高精度A/D轉(zhuǎn)換后送Arduino進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果采用脈沖實(shí)時控制橋臂的通斷。同時自主研發(fā)了圖形軟件平臺，可以獨(dú)立控制溫度和反應(yīng)時間。
【專利說明】便攜式核酸恒溫擴(kuò)增儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及分子生物學(xué)、微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及遺傳學(xué)的檢測領(lǐng)域，具體涉及的【技術(shù)領(lǐng)域】包括便攜式和恒溫擴(kuò)增。

【背景技術(shù)】
[0002]基因擴(kuò)增技術(shù)即聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain react1n),簡稱PCR,是生命科學(xué)中最重要的技術(shù)之一，可將極微量的靶DNA特異地擴(kuò)增上百萬倍，從而大大提高對DNA分子的分析和檢測能力，能檢測單分子DNA或每10萬個細(xì)胞中僅含I個靶DNA分子的樣品，因而此方法在分子生物學(xué)、微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及遺傳學(xué)等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。由于PCR具有敏感性高、特異性強(qiáng)、快速、簡便等優(yōu)點(diǎn)，已在病原微生物學(xué)領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。
[0003]然而常規(guī)PCR技術(shù)存在如下不足:(I)需要昂貴的PCR儀；(2)多因素影響擴(kuò)增效果；(3)常引起非特異性擴(kuò)增；(4)擴(kuò)增反應(yīng)時間長，一般需要幾個小時，難以在基層推廣應(yīng)用等。核酸恒溫擴(kuò)增技術(shù)的出現(xiàn)滿足了上述要求。
[0004]近幾年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者不斷改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)探索新方法。自從PCR應(yīng)用以來，其他的核酸擴(kuò)增技術(shù)，特別是許多恒溫擴(kuò)增技術(shù)，已經(jīng)被陸續(xù)發(fā)明，其中影響較大的有:依賴核酸序列擴(kuò)增(nucleic acid sequence based amplificat1n,NASBA)、轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)擴(kuò)增(transcript1n-mediated amplificat1n, TMA)、環(huán)介導(dǎo)等溫擴(kuò)增(loop-mediated isothermal amplificat1n, LAMP)、連接酶鏈反應(yīng)(ligasechain react1n, LCR)、鏈替代擴(kuò)增(strand displacement amplificat1n, SDA)、角軍鏈酶擴(kuò)增(helicase-dependent amplificat1n, HDA)、滾環(huán)核酸擴(kuò)增(rolling circleamplificat1n, RCA)等。它們都具有共同的特點(diǎn):恒溫、高效、特異、不需要特殊的儀器設(shè)備。此外，一些非特異性的全基因組DNA擴(kuò)增方法目前已經(jīng)進(jìn)入商品化階段，這些核酸擴(kuò)增術(shù)的對象有些是DNA，有些是RNA。核酸恒溫擴(kuò)增術(shù)的特點(diǎn)是擴(kuò)增反應(yīng)的全過程(除初始的雜交步驟外)均在單一溫度，無需專門的擴(kuò)增儀器下進(jìn)行，不像PCR反應(yīng)那樣，需要經(jīng)歷幾十個溫度變化的循環(huán)過程。恒溫擴(kuò)增技術(shù)的這一特點(diǎn)，使得它們對所需儀器的要求大大簡化，反應(yīng)時間大大縮短，因而具有巨大的商業(yè)價值。恒溫擴(kuò)增核酸診斷試劑在國外也已發(fā)展多年并應(yīng)用在傳染病診斷中，運(yùn)用上述技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品，在美國和其他國家已進(jìn)入不同的階段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對動物疫病的檢測特點(diǎn)，即一方面需要快速、準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，另一方面對檢測的成本也有著苛刻的要求，我們使用可編程調(diào)節(jié)的恒溫擴(kuò)增技術(shù)，針對不同的檢測需求，全面覆蓋恒溫檢測方法，基于硬件的兼容性和可升級性，可以根據(jù)需要升級硬件和軟件，對已有的恒溫擴(kuò)增技術(shù)進(jìn)行校正并開發(fā)新的檢測方法。
[0006] 本發(fā)明基于開源的Arduino硬件系統(tǒng)，作為主控制器，在此基礎(chǔ)上使用ST公司的VNH3SP30全橋驅(qū)動器作為核心器件，通過PtlOO進(jìn)行溫度采樣后，對溫度進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，驅(qū)動VNH3SP30不同橋臂的通斷，從而控制半導(dǎo)體制冷器的正反向?qū)ā？刂葡到y(tǒng)框圖見圖1。
[0007]VNH3SP30由一個雙單片上橋臂驅(qū)動器(HSD)和兩個下橋臂開關(guān)組成，芯片峰值輸出電流達(dá)30A，工作電壓高達(dá)40V，可以方便地驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的正反向升降溫調(diào)節(jié)，相對于普通的離散式H橋控制電路，本設(shè)計因?yàn)椴捎昧思傻幕诖蠊β蔒OS管的H橋驅(qū)動芯片，明顯縮小了控制器的體積，并解決了分立器件參數(shù)無法統(tǒng)一的離散性問題，同時去除了為解決開關(guān)電阻比較大，功耗大而使用的大功率散熱片，從而進(jìn)一步縮小了控制器的體積，實(shí)現(xiàn)了便攜性的恒溫擴(kuò)增。
[0008]開源Arduino系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在玩具車的控制領(lǐng)域，這正好可以用于全橋控制器的轉(zhuǎn)換控制，驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的正反向?qū)?，從而控制加熱和降溫。Arduino使用自有的同名語言編程，編程可以在PC/Mac/Linux上進(jìn)行，然后通過USB把編譯好的代碼燒錄到單片機(jī)上運(yùn)行。Arduino實(shí)現(xiàn)了 simple I/O的數(shù)字模擬接口標(biāo)準(zhǔn)，這樣便于進(jìn)行數(shù)?？刂?。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是控制系統(tǒng)框圖。
[0010]圖2是基于VNH3SP30全橋控制器的原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]I我們選用開源的,通用的Arduino uno作為主控制板，自主開發(fā)了基于VNH3SP30的全橋控制板，通過熱敏電阻PtlOO采樣溫度,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送Arduino主控制板進(jìn)行PID算法處理，根據(jù)處理結(jié)果控制PWM脈沖數(shù)量進(jìn)而控制橋臂的通斷時間，VNH3SP30控制原理圖見圖2。
[0012]2采用高導(dǎo)熱性的鋁合金熱塊，在基于良好絕緣性的前提下，保證200微升的PCR管周圍能產(chǎn)生均勻的溫度，從而滿足熱一致性的要求，而這種熱一致性可以保證反應(yīng)結(jié)果的差異是由于樣品的不同而不是儀器的原因而產(chǎn)生的。
[0013]3采用進(jìn)口的大功率珀爾帖器件對鋁合金塊進(jìn)行加熱和冷卻，
[0014]4采用22位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器對ptlOO熱敏電阻的采樣結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，微控制器通過PID算法校準(zhǔn)加熱器的溫度，采用通過主控制器發(fā)送不同頻率的脈沖控制橋臂的通斷，從而控制加熱和制冷的時間和快慢。
[0015]5通過高度可調(diào)的熱蓋，可以使PCR管的頂部加熱到120°C，從而有效地防止任何實(shí)質(zhì)性冷凝。熱蓋通過彈簧壓緊每個PCR管，以保證PCR管和鋁塊的充分接觸。
[0016]6采用跨平臺和設(shè)備的adobe air編程實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面，可以基于計算機(jī)和手機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行編程，支持android，1s等系統(tǒng)。本儀器也可以脫離手機(jī)和計算機(jī)，在LCD監(jiān)控下，獨(dú)立運(yùn)行最后一個在系統(tǒng)編好的程序，這一特點(diǎn)也是便攜性的體現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式恒溫擴(kuò)增儀，是基于Adruino開放硬件和Adobe Air開放軟件平臺基礎(chǔ)上研發(fā)的恒溫擴(kuò)增儀，其特征在于:所述的開發(fā)平臺可以通過編程精確的控制溫度循環(huán)，這是所有后續(xù)工作的開始。開發(fā)平臺通用性較強(qiáng)，便于功能擴(kuò)展，并具備良好的兼容性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫擴(kuò)增平臺的通用性，其特征在于:開發(fā)板功能多樣且外圍設(shè)備比較齊全，可以方便地選擇適合不同要求的平臺母板，同時由于軟件的開放性，可以方便地進(jìn)行軟件升級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能擴(kuò)展，其特征在于:有著硬件廣泛兼容的可擴(kuò)展外圍設(shè)備，針對功能需求可以方便的選擇外圍接口，從而實(shí)現(xiàn)硬件功能擴(kuò)展，而軟件的開放性也為功能的擴(kuò)展提供了強(qiáng)大的支撐。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的擴(kuò)展性和通用性，其特征在于:可以實(shí)時的進(jìn)行程序設(shè)置，以完成不同種類的恒溫擴(kuò)增試驗(yàn)，達(dá)到支持全部或者大部分恒溫擴(kuò)增方法的目的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開放軟件，其特征在于:在基于Adobeair的開放平臺下進(jìn)行了針對于溫度控制和循環(huán)調(diào)節(jié)的軟件開發(fā)，并且其開放性和兼容性有利于二次開發(fā)和特異性開發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式恒溫擴(kuò)增儀，其系統(tǒng)有以下幾部組成:筆記本電腦或Andr1操作系統(tǒng)、Adruino主控電路板、H橋驅(qū)動電路板、大功率開關(guān)電源、半導(dǎo)體加熱制冷片、Kapton熱蓋和溫度傳感電路。該系統(tǒng)的工作原理如下:首先，主控電路產(chǎn)生控制信號，此信號經(jīng)H橋驅(qū)動電路后，作用至半導(dǎo)體加熱制冷片，完成加熱制冷。當(dāng)前溫度值則由溫度傳感電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(analog to digital converter,ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。之后，由主控電路板調(diào)用常規(guī)PID(proport1n integrat1ndifferentiat1n)算法對當(dāng)前的溫度進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)控制信號的正反向及冷卻風(fēng)扇的啟停，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的。溫度數(shù)據(jù)通過USB通訊接口發(fā)送至上位機(jī)，由軟件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所訴的便攜恒溫擴(kuò)增儀，其特征在于:通過電腦USB對其溫控程序設(shè)定后，通過液晶可以實(shí)時監(jiān)控反映的進(jìn)行及所需的時間。在斷開與電腦的連接后，平臺能依據(jù)最后一次的設(shè)定值進(jìn)行反應(yīng)，數(shù)據(jù)可以在擴(kuò)增儀自帶的液晶屏上顯示。
【文檔編號】C12M1/38GK104164363SQ201310180836
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月16日
【發(fā)明者】汪琳, 柏亞鐸, 楊捷琳, 張燦, 尹羿, 周琦, 蒲靜, 喬彩霞, 張玉紅, 高志強(qiáng), 韓晶, 張偉 申請人:北京出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心, 上海出入境檢驗(yàn)檢疫局動植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心