專利名稱：一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀涉及的是一種微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片溫控技術(shù)的溫控儀。特別適用PCR生物探針診斷的溫度控制，是一種采用半導體加熱、制冷雙向溫控新型的反饋式溫控儀。
生物芯片主要是指通過平面微細加工技術(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)。生物芯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(zhì)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(tǒng)，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、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。基因芯片是最重要的一類生物芯片，它集成了大量的密集排列的基因探針，能夠在短時間內(nèi)分析大量的基因，使人們可迅速地讀取和分析生命的程序。
生物芯片在生物檢測、醫(yī)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(fā)展，特別是舉世矚目的人類基因組計劃實施以來，有關(guān)核酸、蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長。而下世紀最富挑戰(zhàn)性的工作就是人類基因組計劃完成后，即在后基因時代，我們?nèi)绾芜\用大量的生物分子信息服務(wù)于人類社會，并使醫(yī)學、治療產(chǎn)生根本革命。在醫(yī)學中，“系統(tǒng)、器官、組織、細胞層次上的第二階段醫(yī)學”正在向“基因水平上的，DNA→RNA→蛋白質(zhì)→蛋白質(zhì)與核酸相互作用，以及它們與環(huán)境相互作用水平上的第三階段醫(yī)學”轉(zhuǎn)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(chǎn)生的根源，并將有希望根本認識和治療包括癌癥在內(nèi)的重大疾病。這些生物學、醫(yī)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(yī)學的進一步發(fā)展。傳統(tǒng)基因測序所采用的方法包括化學反應(yīng)、凝膠電泳法等一系列繁雜的步驟，這些方法花費時間較長，且操作繁復，尤其在大規(guī)模測序方面費時、并且不適宜便攜化快速測序。在對傳統(tǒng)基因測序方法進行改進的過程中，以基因芯片為代表的生物芯片技術(shù)應(yīng)運而生。生物芯片技術(shù)是將生命科學研究中所涉及的許多不連續(xù)的分析過程，如樣品制備，化學反應(yīng)和分析檢測等通過采用微電子，微機械等工藝集成到芯片中，使之連續(xù)化，集成化，微型化和自動化。這一技術(shù)的成熟和應(yīng)用將在下世紀的疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、司法鑒定、食品和環(huán)境等生命科學相關(guān)領(lǐng)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(yīng))作為一種選擇性體外基因擴增的方法，由于在經(jīng)25～35輪循環(huán)后就可使DNA擴增106倍，多年來在科研和醫(yī)學檢驗中得到廣泛應(yīng)用。但由于PCR存在假陽性等缺陷，自98年6月起已被國家衛(wèi)生部禁止用于臨床診斷。究其原因，其一是PCR過程中諸多實驗條件(引物的設(shè)計與選擇、材料配比、反應(yīng)時間、溫度、循環(huán)周期等)造成的不穩(wěn)定因素導致產(chǎn)生PCR的錯誤擴增。其二是，PCR過程的后續(xù)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(yīng)與檢測是兩個分立的過程，操作繁瑣且增加了污染的機會。因此，對于檢測條件和設(shè)備有限的中、小醫(yī)院，PCR的檢測的準確性受到了很大的影響。此外，當前的PCR擴增過程對于操作人員的技術(shù)水平和素質(zhì)有很高的要求。
生物(基因)芯片近年來一直是國際上的一個研究熱點，并正以驚人的速度向前發(fā)展。美國等國際上已有多家公司進入生物芯片領(lǐng)域，研究出把PCR與DNA陣列相集成的生物芯片。這些系統(tǒng)通常在芯片上制備一個PCR微反應(yīng)池，通過控制微反應(yīng)的溫度循環(huán)，進行基因的擴增。接著將擴增后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(yīng)池進一步制備成微流體管道。但目前用于科學研究和醫(yī)學檢驗的芯片大多是一個或若干個獨立器件。盡管已有將PCR技術(shù)與芯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(yīng)池中進行，因而，需要對器件的同一部位反復地升溫降溫，這將無法對PCR結(jié)果進行動態(tài)跟蹤和實時定量分析。而且由于升溫降溫需要一定的時間，延長了工作時間。
本實用新型發(fā)明人曾針對目前PCR技術(shù)與芯片檢測存在不足之處提供一種往復式PCR微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片，這是一種控制PCR反應(yīng)溶液在不同溫度區(qū)域進行往復式流動擴增的新方案，并將PCR技術(shù)與基因微陣列探針技術(shù)合為一體，構(gòu)成一個集成型生物芯片，既可簡化操作步驟，縮短PCR時間，提高效率，又可將反應(yīng)體系與外界進行嚴密有效隔離，并使PCR擴增一探針雜交檢測過程一體化，將PCR循環(huán)中的變性、退火、延伸過程與微陣列探針芯片構(gòu)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恒定溫度，從而可避免反復的升溫降溫過程及由于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芯片溫度控制存在的不足之處，提供一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀，配合PCR微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片，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檢測芯片的變性、退火、延伸、雜交四個步驟的溫度分別控制在恒定的不同溫區(qū)，避免反復的升溫降溫過程以及由于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。
一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀是采用下列方案實現(xiàn)的。溫控儀主要結(jié)構(gòu)具有溫控儀外殼、前面板、后面板、傳感驅(qū)動裝置，前面板上裝有電源開關(guān)、起動開關(guān)、數(shù)字顯示屏、通道轉(zhuǎn)折開關(guān)或插座，后面板上有輸出接線板，溫控儀外殼內(nèi)裝有控制線路板，線路板上裝有電子控制線路元器件。電子控制線路有硬件PID控制線路、主動控制電子線路。硬件PID控制線路由采集電橋、比較器、比例微分電路、比例積分電路構(gòu)成。硬件PID控制線路采用硬件PID控制，熱電阻溫度傳感器的信號經(jīng)PID控制線路監(jiān)控可控硅的占空比從而控制加熱、制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采集輸入模塊、采樣保持模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊(單片機)、D/A轉(zhuǎn)換模塊、輸出驅(qū)動放大模塊、數(shù)顯模塊組成。熱電阻溫度傳感器的輸入信號進入采集保持模塊，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣輸出到主控模塊的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換模塊，再經(jīng)過通道選擇模塊選通，各控制信號由比較器輸出加熱制冷器件的溫控電壓或經(jīng)放大器放人后的電流，以達到主動控溫的目的。傳感驅(qū)動裝置具有陶瓷隔熱板，陶瓷隔熱板上裝置有加熱制冷器件，加熱制冷器件外裝有隔熱片或涂層隔熱片，在加熱制冷器件與陶瓷職責熱板之間裝有隔熱塊，在加熱制冷器件前部設(shè)置有微傳熱片，在微傳熱片前端設(shè)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芯片的微反應(yīng)區(qū)背面，以便進行檢測和控制溫度。
通過對不同節(jié)點的溫度的測量，利用主動控制主單元，對加熱、制冷元件給以相應(yīng)的溫控指令。利用數(shù)字采集系統(tǒng)，以及單片機的相關(guān)技術(shù)，將主單元集成一個智能儀器單元中。溫控的原理采用主動控制的原理，其主要原理如下設(shè)反應(yīng)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(yīng)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(jù)不同的溫區(qū)情況設(shè)定，儀表自動控制溫度的恒定。并可以設(shè)定恒溫的反應(yīng)時間等參數(shù)。實際溫控過程中，利用PID控制，限制半導體加熱制冷元件的占空比，控制其加熱制冷效率，從而控制微區(qū)溫度。
本實用新型發(fā)明針對PCR反應(yīng)芯片反應(yīng)微區(qū)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干擾的措施。
1.利用半導體制冷的新技術(shù)，在溫控區(qū)間自動實現(xiàn)加熱或者制冷。
2.在微反應(yīng)區(qū)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(cè)，嵌入光亮的金屬或涂附隔熱涂層的有機物片，以減少相鄰溫區(qū)的輻射。
4.在不同溫區(qū)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。一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀是配合微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片，進行單點或多點反饋式主動控溫或PID控制溫新方案，采用硬件PID控制或主動控制方式進行控溫使檢測芯片的變性、退火、延伸、雜交四個步驟溫度分別控制在恒定的不同溫度區(qū)，避免反復的升溫、降溫過程以及由于溫控誤差帶來的影響，同時由于PCR的微區(qū)反應(yīng)的原理，通過閉環(huán)溫控方式以及機械的優(yōu)化設(shè)計，使得溫度的控制精度在±0.2℃，并且大大縮短PCR時間，提高工作效率。
以下將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。

圖1是一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀主視圖。圖2是一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀后視圖。圖3是一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀傳感驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀硬件PID控制電子線路原理圖。圖5是一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀主動控制電子線路原理圖。
參照附圖1一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀主要結(jié)構(gòu)具有溫控儀外殼1，傳感器驅(qū)動裝置，前面板，后面板，前面板上裝置有電源開關(guān)2、啟動開關(guān)3、數(shù)顯屏4、通道選擇開關(guān)或插座5，后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(nèi)裝有控制線路板，線路板上裝有控制線路元器件。電子控制線路有硬件PID控制線路、主動控制電子線路。參見附圖4，硬件PID控制電路由采集電橋、比較器、比例微分電路、比例積分電路構(gòu)成。硬件PID控制電路中采集電橋由電阻R1--R4，可調(diào)電阻RW1、RW2構(gòu)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(diào)電阻RW3、RW4運算放大器A2構(gòu)成，比例積分電路由運算放大器A3、電容C2、C3、可調(diào)電阻RW5構(gòu)成。
參見附圖5，主動控制電子線路由傳感器采集輸入模塊、采樣保持模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、輸出驅(qū)動放大模塊、數(shù)顯模塊組成。在主動控制電子線路中傳感器采集輸入保持模塊由采集電橋、通道選擇開關(guān)IC1構(gòu)成，采集電橋包括電阻R1、R2，可調(diào)電阻RW1、RW2。A/D轉(zhuǎn)換模塊IC2可采用ICL7109集成塊，連接有晶振JZ1，電容C1、C2、C3，電阻R3、R4，通過數(shù)據(jù)傳輸線與主控模塊IC3(單片機)相連，主控模塊可采用8051，主控模塊IC3聯(lián)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(zhuǎn)換模塊相連，D/A轉(zhuǎn)換模塊可采用0832集成塊芯片，D/A轉(zhuǎn)換模塊連接有驅(qū)動放大器A1，經(jīng)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)還連接有譯碼驅(qū)動器IC8，數(shù)字顯示模塊LED。
參見附圖3，傳感驅(qū)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制冷器件9，加熱制冷器件可采用半導體加熱制冷器件，加熱制冷器件9外裝有隔熱片或涂層隔熱片11，在加熱制冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊10，在加熱制冷器件前面設(shè)置有微傳熱片12，在微傳熱片前端設(shè)置有熱電阻傳感器14。使用時，傳感驅(qū)動安裝在PCR芯片13的背面，位置分別對應(yīng)于PCR芯片的變性、退火、延伸、雜交四個溫度區(qū)，自動加熱或制冷，以達到不同溫度區(qū)的溫控目的。
權(quán)利要求1.一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀，具有溫控儀外殼、前面板、后面板、傳感驅(qū)動裝置，溫控儀外殼內(nèi)裝有控制線路板，線路板上裝有電子控制線路元器件。電子控制線路有硬件PID控制線路、主動控制電子線路，硬件PID控制線路由采集電橋、比較器、比例積分電路、比例微分電路構(gòu)成，主動控制電子線路由傳感器采集輸入模塊、采樣保持模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、輸出驅(qū)動放大模塊、數(shù)顯模塊組成，其特征是傳感驅(qū)動裝置具有陶瓷隔熱板、陶瓷隔熱板上裝置有加熱制冷器件，加熱制冷器件外裝有隔熱片或涂層隔熱片，在加熱制冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊，在加熱制冷器件前面設(shè)置有微傳熱片，在微傳熱片前端設(shè)置有熱電阻傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀，其特征是硬件PID控制電路中采集電橋由電阻R1--R4，可調(diào)電阻RW1、RW2構(gòu)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(diào)電阻RW3、RW4運算放大器A2構(gòu)成，比例積分電路由運算放大器A3、電容C2、C3、可調(diào)電阻RW5構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀，其特征是主動控制電子線路中傳感器采集輸入保持模塊由采集電橋、通道選擇開關(guān)IC1構(gòu)成，采集電橋包括電阻R1、R2，可調(diào)電阻RW1、RW2，A/D轉(zhuǎn)換模塊IC2聯(lián)接有晶振JZ1，電容C1、C2、C3，電阻R3、R4，通過數(shù)據(jù)傳輸線與主控模塊IC3相連，主控模塊IC3聯(lián)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(zhuǎn)換模塊相連，D/A轉(zhuǎn)換模塊連接有驅(qū)動放大器A1，經(jīng)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還連接有譯碼驅(qū)動器IC8，數(shù)字顯示模塊LED。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀，其特征是前面板上裝置有電源開關(guān)、啟動開關(guān)、數(shù)顯屏、通道選擇開關(guān)或插座，后面板上有輸出接線板。
專利摘要本實用新型一種用于生物探針診斷芯片的溫控儀涉及的是一種微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片溫控技術(shù)的新方案。其結(jié)構(gòu)由溫控儀外殼、前后面板、傳感驅(qū)動裝置,溫控儀電子控制線路有硬件PID控制線路、主動控制電子線路,其特征是傳感驅(qū)動裝置具有陶瓷隔熱板,陶瓷隔熱板上裝有加熱制冷器件,加熱、制冷器件外裝有隔熱片或涂層隔熱片,加熱制冷器件與隔熱板間裝有隔熱板,加熱制冷器件前端設(shè)置有微傳熱片,微傳熱片前端設(shè)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(yōu)先權(quán)日1999年9月17日
發(fā)明者朱紀軍, 何農(nóng)躍, 陸祖宏, 王國著 申請人:朱紀軍, 何農(nóng)躍, 陸祖宏