一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測裝置和檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，尤其涉及一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測裝置和檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR，Polymerase Chain React1n)是一種分子生物學(xué)的技術(shù)，它是用來放大或復(fù)制一段DNA序列以產(chǎn)生上千甚至上萬段特定DNA序列，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過程如圖1所示。這種方法依賴于熱循環(huán)，包含了幾段在特定溫度之間的循環(huán)以提供DNA的分解與酶的復(fù)制。原始DNA鏈中包含了所需要的DNA片段。所加入的酶將會選定特定的DNA片段進(jìn)行復(fù)制。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對。這也是“微量證據(jù)”的威力之所在。
[0003]聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是利用DNA在體外攝氏95°高溫時變性會變成單鏈，低溫(經(jīng)常是60°C左右)時引物與單鏈按堿基互補(bǔ)配對的原則結(jié)合，再調(diào)溫度至DNA聚合酶最適反應(yīng)溫度(72°C左右)，DNA聚合酶沿著磷酸到五碳糖(5’-3’)的方向合成互補(bǔ)鏈。基于聚合酶制造的PCR儀實(shí)際就是一個溫控設(shè)備，能在變性溫度，復(fù)性溫度，延伸溫度之間很好地進(jìn)行控制?，F(xiàn)有的PCR溫控裝置多為桌面儀器，不僅體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴，普通國產(chǎn)的PCR儀都在萬元以上。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測裝置，其具有小型化，并能代替桌面設(shè)備的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何將現(xiàn)有的PCR儀器小型化，增加便攜性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測裝置，包括單片機(jī)控制模塊、加熱冷卻模塊、激光檢測模塊和受溫控容器，所述單片機(jī)控制模塊被配置為控制所述加熱冷卻模塊，并處理來自所述激光檢測模塊的數(shù)據(jù)。
[0006]進(jìn)一步地，所述加熱冷卻模塊包括溫度傳感器、加熱模塊、冷卻模塊、第一功率控制模塊和第二功率控制模塊；所述第一功率控制模塊被配置為接受所述單片機(jī)控制模塊的指令，控制所述加熱模塊；所述第二功率控制模塊被配置為接受所述單片機(jī)控制模塊的指令，控制所述冷卻模塊。
[0007]進(jìn)一步地，所述激光檢測模塊被配置為檢測所述受溫控容器內(nèi)的DNA濃度，并將所述DNA濃度的數(shù)據(jù)提供給所述單片機(jī)控制模塊。
[0008]進(jìn)一步地，所述單片機(jī)控制模塊對所述加熱冷卻模塊的控制算法采用PID算法。
[0009]進(jìn)一步地，所述單片機(jī)控制模塊對所述第一功率控制模塊和所述第二功率控制模塊采用PWM方式。
[0010]進(jìn)一步地，所述加熱模塊采用薄膜加熱片；所述冷卻模塊采用半導(dǎo)體冷卻片。
[0011]進(jìn)一步地，所述單片機(jī)控制模塊采用8051系列單片機(jī)。
[0012]進(jìn)一步地，所述8051系列單片機(jī)采用98S52。
[0013]進(jìn)一步地，所述8051系列單片機(jī)的P1 口設(shè)置有手動按鍵，所述第一功率控制模塊和所述第二功率控制模塊設(shè)置在P2 口，所述溫度傳感器和所述激光檢測模塊設(shè)置在P2 口。
[0014]本發(fā)明還提供了一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測方法，包括:
[0015]S1、提供如權(quán)利要求1-9任一一種便攜式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)病毒檢測裝置；
[0016]S2、提供目標(biāo)DNA模板和引物；
[0017]S3、加熱受溫控容器到95度并維持1分鐘；
[0018]S4、重復(fù)下述三步20-35個循環(huán):
[0019]a)加熱所述受溫控容器至94-98度，維持20_30秒；
[0020]b)降溫所述受溫控容器至50-60度，維持20-40秒；
[0021]c)加熱所述受溫控容器至70-75度，維持15-40秒；
[0022]S5、維持所述受溫控容器在70-74度，維持5_15分鐘；
[0023]S6、維持所述受溫控容器在4-15度不超過24小時。
[0024]本發(fā)明所述技術(shù)方案是將PCR反應(yīng)裝置植入一個集成的系統(tǒng)，以搭建成一個小型的設(shè)備來檢測特定的病毒。這個設(shè)備可以被劃分為三個模塊:首先是單片機(jī)控制模塊，用來控制加熱冷卻模塊與激光檢測模塊，也用來處理來自激光檢測模塊的數(shù)據(jù)以確定DNA的密度。其次是加熱冷卻模塊和激光檢測模塊。
[0025]本發(fā)明所述技術(shù)方案的整個PCR過程所需要的步驟和時間如下:
[0026]1.初始過程:加熱到95度并維持1分鐘；
[0027]2.20-35個三步循環(huán):
[0028]a)變性:加熱至94-98度，維持20-30秒；
[0029]b)退火:降溫至50-60度，維持20-40秒；
[0030]c)延伸:加熱至70-75度，維持15-40秒；
[0031]3.最后延伸:維持在70-74度，維持5_15分鐘；
[0032]4.最后維持:維持于4-15度時間若干，但不超過24小時。
[0033]本發(fā)明所述技術(shù)方案的單片機(jī)控制模塊對于加熱冷卻模塊，通過對單片機(jī)輸入輸出針腳采用了 PID控制算法進(jìn)行控制，通過采集溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)與目標(biāo)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來控制加熱與冷卻的輸出功率，從而完成溫度控制。經(jīng)過PID算法所得出的數(shù)據(jù)，我們通過PWM方式來輸出到針腳口以控制加熱冷卻模塊的功率驅(qū)動。本發(fā)明所述技術(shù)方案的加熱冷卻驅(qū)動電路采用的是薄膜加熱片和半導(dǎo)體冷卻片。
[0034]本發(fā)明所述技術(shù)方案所能達(dá)到的技術(shù)效果是把原本桌面儀器變成可以裝入口袋的小型便攜式儀器，但是在技術(shù)特性上也能達(dá)到桌面儀器對溫度的精確控制。
[0035]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0036]圖1是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例的硬件電路圖；
[0038]圖3是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖4是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例的PID控制算法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]如圖3所示，本發(fā)明所述技術(shù)方案是將PCR反應(yīng)裝置植入一個集成的系統(tǒng)，以搭建成一個小型的設(shè)備來檢測特定的病毒。這個設(shè)備可以被劃分為三個模塊:首先是單片機(jī)控制模塊，用來控制加熱冷卻模塊與激光檢測模塊，也用來處理來自激光檢測模塊的數(shù)據(jù)以確定DNA的密度；其次是加熱冷卻模塊和激光檢測模塊。
[0041]本發(fā)明所述技術(shù)方案的整個PCR過程所需要的步驟和時間如下:
[0042]1.初始過程:加熱到95度并維持I分鐘；
[0043]2.20-35個三步循環(huán):
[0044]a)變性:加熱至94-98度，維持20-30秒；
[0045]b)退火:降溫至50-60度，維持20-40秒；
[0046]c)延伸:加熱至70-75度，維持15-40秒；
[0047]3.最后延伸:維持在70-74度，維持5-15分鐘；
[0048]4.最后維持:維持于4-15度時間若干，但不超過24小時。
[0049]這樣一來，本發(fā)明所述的小型PCR檢測裝置，如果執(zhí)行20個循環(huán)，那么一個PCR反應(yīng)的總時間是1+5+20 X (20+20+15)/60，大約是25分鐘。
[0050]本發(fā)明所述技術(shù)方案的單片機(jī)控制模塊對于加熱冷卻模塊，通過對單片機(jī)輸入輸出針腳采用了 PID控制算法進(jìn)行控制，如圖4所示，通過采集溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)與目標(biāo)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來控制加熱與冷卻的輸出功率，從而完成溫度控制。經(jīng)過PID算法所得出的數(shù)據(jù)，我們通過PWM方式來輸出到針腳口以控制加熱冷卻模塊的功率驅(qū)動。
[0051]如圖2所示，本發(fā)明所述技術(shù)方案的整體系統(tǒng)電路圖，CPU采用的8051體系的89S52芯片，其中單片機(jī)的Pl 口設(shè)置有手動按鍵，加熱和冷卻模塊設(shè)置在P2 口，溫度傳感器和激光檢測模塊設(shè)置在P2 口。
[0052]本發(fā)明所述技術(shù)方案的加熱冷卻驅(qū)動電路采用的是薄膜加熱片和半導(dǎo)體冷卻片。
[0053]本發(fā)明所述技術(shù)方案的單片機(jī)控制模塊的PID控制算法如下:
[0054]c木木木木木木木木木木木木木木木木木木/
[0055]uchar set ；
[0056]uint rout ；//PID Response (Output)
[0057]uchar high_time，count = 0 ；
[0058]uchar numl = 0 ；
[0059]uchar