一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置，由第一溫控模塊、第二溫控模塊、控制模塊、傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置、被控目標(biāo)與檢測模塊構(gòu)成。本發(fā)明本方法和裝置具有可擴展性，不同的溫控模塊可在不同的時間點交替使用，非工作狀態(tài)的溫控模塊利用閑置時間實現(xiàn)下一目標(biāo)溫度值，不需要驟變，延長了其使用壽命；工作狀態(tài)的溫控模塊沒有升溫降溫的過程，提高樣品模塊升溫降溫的速率，避免超調(diào)現(xiàn)象，更不需要復(fù)雜的控制算法。溫度控制更靈活，能夠縮短被控目標(biāo)有效的控溫時間，提高被控目標(biāo)溫度變化速率，可在梯度溫度控制中的應(yīng)用。采用少數(shù)溫控模塊，利用“分時復(fù)用”思想在不同的時間段內(nèi)使用不同的溫控模塊控制被控目標(biāo)溫度，以實現(xiàn)多個目標(biāo)梯度溫度。
【專利說明】一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于溫度控制領(lǐng)域，涉及一種梯度溫度控制的裝置和方法，能夠應(yīng)用到需要被控目標(biāo)實現(xiàn)多個目標(biāo)溫度值的場合。比如生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)，該反應(yīng)需要目標(biāo)樣品實現(xiàn)高溫變性、低溫退火、中溫延伸三個過程，對應(yīng)于三個不同梯度溫度，且需要這三個不同梯度溫度實現(xiàn)多次熱循環(huán)以完成PCR擴增反應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002]生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等諸多領(lǐng)域中一些相關(guān)技術(shù)需要利用熱循環(huán)來實現(xiàn)。
[0003]以生物學(xué)領(lǐng)域常見的“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”(PCR)為例。為實現(xiàn)PCR反應(yīng)，傳統(tǒng)的方法是采用同一個溫控模塊(例如半導(dǎo)體)對多孔微量滴定板在很短的時間內(nèi)進(jìn)行加熱和制冷來實現(xiàn)。這種方法的缺點在于:(I)用同一個溫控模塊在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)加熱和制冷并循環(huán)，溫度的驟變很容易損壞溫控模塊，縮短了其使用壽命；(2)在樣品模塊(即被控目標(biāo)，下同)的控溫過程中，溫控模塊自身存在升溫降溫的過程，影響了樣品模塊升溫降溫的速率，同時在升溫降溫過程中由于加熱塊的熱慣性導(dǎo)致控溫有超調(diào)現(xiàn)象，需要復(fù)雜的控制算法以消除或者減弱該現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置。被控目標(biāo)置于溫控模塊之上與其實現(xiàn)物理接觸，通過溫控模塊實現(xiàn)對被控目標(biāo)的溫度控制。
[0005]整個裝置由第一溫控模塊、第二溫控模塊、控制模塊、傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置、被控目標(biāo)與檢測模塊構(gòu)成，第一溫控模塊、第二溫控模塊與傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置相連，通過傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置控制不同溫控模塊進(jìn)行移動或轉(zhuǎn)動與被控目標(biāo)物理接觸，控制模塊與傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置相連，控制模塊輸出控制信號控制傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置產(chǎn)生相應(yīng)的動作，控制模塊分別與溫控模塊(第一溫控模塊、第二溫控模塊)相連，控制模塊輸出控制信號控制溫控模塊實現(xiàn)溫度變化，檢測模塊與被控目標(biāo)相連，檢測模塊用于獲取被控目標(biāo)的實時溫度信息和生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，控制模塊與檢測模塊相連，檢測模塊將獲取的信息傳輸給控制模塊，控制模塊對獲取的信號結(jié)果進(jìn)行處理、分析、反饋控制等。
[0006]所述的溫控模塊(第一溫控模塊、第二溫控模塊)包括加熱模塊、制冷模塊、散熱模塊和良好的導(dǎo)熱裝置等。不同溫控模塊(第一溫控模塊、第二溫控模塊)根據(jù)實際情況確定是否要求性能一樣:取決于多個目標(biāo)溫度值的大小，反應(yīng)速率要求和/或目標(biāo)溫度值持續(xù)時間等因素。例如:可將多個目標(biāo)溫度值分為高溫、中溫、低溫等等級，使用不同性能參數(shù)的溫控模塊匹配不同等級的要求。高溫等級使用高功率高熱質(zhì)量的溫控模塊實現(xiàn)，以此類推；根據(jù)反應(yīng)速率要求和/或目標(biāo)溫度值持續(xù)時間選取合適變溫速率的溫控模塊，以此類推。
[0007]所述的控制模塊用于實現(xiàn)溫度控制算法并用于控制溫控模塊升溫降溫過程，用于傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置在指定時間進(jìn)行傳動或轉(zhuǎn)動定位，用于控制檢測模塊的工作狀態(tài)等。
[0008]所述的傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置用于在指定時間點將被控目標(biāo)傳送到指定溫控模塊(第一溫控模塊、第二溫控模塊)或?qū)⒅付乜啬K傳送到被控目標(biāo)處，實現(xiàn)溫控模塊與被控目標(biāo)之間的物理接觸。傳動裝置根據(jù)具體要求可以是平動裝置、縱向傳動裝置，轉(zhuǎn)動裝置為可實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的裝置。
[0009]所述的檢測模塊包括溫度傳感器和熒光檢測模塊。溫度傳感器用于反饋被控目標(biāo)的實時溫度值給控制模塊。熒光檢測模塊用于實時在線檢測或終點檢測被控目標(biāo)的生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。
[0010]本發(fā)明的另一個目的是提供所述裝置在梯度溫度控制中的應(yīng)用。采用少數(shù)溫控模塊，利用“分時復(fù)用”思想在不同的時間段內(nèi)使用不同的溫控模塊控制被控目標(biāo)溫度，以實現(xiàn)多個目標(biāo)梯度溫度。本發(fā)明應(yīng)用通過以下方法實現(xiàn):
第一種方法:所述的溫控模塊(第一溫控模塊或第二溫控模塊)在某一時間只能處于工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中的一個狀態(tài)，處于工作狀態(tài)的溫控模塊與被控目標(biāo)物理接觸實現(xiàn)某一個目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制。處于非工作狀態(tài)的溫控模塊不與被控目標(biāo)物理接觸，利用此時被控目標(biāo)實現(xiàn)某一個目標(biāo)梯度溫度的控溫時間升溫或降溫到下一個目標(biāo)梯度溫度并保持，實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的恒溫控制過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行。在某一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用某一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，在下一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用另一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，從而實現(xiàn)不同的溫控模塊在不同的控溫時間段交替使用。
[0011 ] 第二種方法是:所述的溫控模塊(第一溫控模塊或第二溫控模塊)在某一個時間只能處于工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中的一個狀態(tài)，處于工作狀態(tài)的溫控模塊與被控目標(biāo)物理接觸實現(xiàn)某一個目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制和由此目標(biāo)梯度溫度到下一個目標(biāo)梯度溫度的變溫控制，處于非工作狀態(tài)的溫控模塊不與被控目標(biāo)物理接觸，利用此時被控目標(biāo)實現(xiàn)某一個目標(biāo)梯度溫度的控溫時間升溫或降溫到下一個目標(biāo)梯度溫度并保持，實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的控溫過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行。在某一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用某一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制；在該目標(biāo)梯度溫度控溫時間結(jié)束后，繼續(xù)使用該溫控模塊對被控目標(biāo)實現(xiàn)由此目標(biāo)梯度溫度到下一個目標(biāo)梯度溫度的變溫控制，該變溫過程優(yōu)選全功率進(jìn)行控制；在下一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用另一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，實現(xiàn)不同的溫控模塊在不同的控溫時間段交替使用。
[0012]本發(fā)明能夠有效的改善傳統(tǒng)方法所存在的不足:(1)由于本發(fā)明中不同的溫控模塊(第一溫控模塊、第二溫控模塊)是在不同的時間點交替使用，相對于工作狀態(tài)的溫控模塊而言，非工作狀態(tài)的溫控模塊利用閑置時間實現(xiàn)下一目標(biāo)溫度值，而該閑置時間相對較長，則該溫控模塊溫度不需要驟變，延長了其使用壽命。(2)由于本發(fā)明中溫控模塊是在與被控目標(biāo)5接觸之前達(dá)到目標(biāo)溫度值的，相對于被控目標(biāo)5而言工作狀態(tài)的溫控模塊沒有升溫降溫的過程，提高了樣品模塊升溫降溫的速率，也不存在熱慣性導(dǎo)致的超調(diào)現(xiàn)象，更不需要復(fù)雜的控制算法。相反在本發(fā)明中控制算法要求更“松”，也更靈活。
[0013]該方法和裝置具有可擴展性，溫度控制更靈活，能夠縮短被控目標(biāo)有效的控溫時間，提高被控目標(biāo)溫度變化速率。
[0014]總而言之，在本發(fā)明之前，還沒有采用少數(shù)溫控模塊利用“分時復(fù)用”思想實現(xiàn)被控目標(biāo)多個目標(biāo)溫度值的裝置。
[0015]要理解的是不管是上面的總述還是下面的詳述都只是示例性和解釋性的而且不限制所要求保護(hù)的發(fā)明。
[0016]包含在其中并構(gòu)成這個說明書的一部分的附圖圖示說明該發(fā)明的幾個實施例并連同文字描述一起用于解釋該發(fā)明專利的原理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是一種基于溫控模塊分時復(fù)用原理的適用于梯度PCR反應(yīng)的平動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是一種基于溫控模塊分時復(fù)用原理的適用于梯度PCR反應(yīng)的縱向傳動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是一種基于溫控模塊分時復(fù)用原理的適用于梯度PCR反應(yīng)的圓盤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是圓盤式PCR儀的一種配套加樣圓盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5是梯度溫度控制裝置工作原理的示意圖，圖中通過兩個溫控模塊來實現(xiàn)三個溫度值的循環(huán)控制。
[0022]圖6是梯度溫度控制裝置的一種工作方法的示意圖，圖中通過兩個溫控模塊來實現(xiàn)三個溫度值的循環(huán)控制。
[0023]圖7是一種適用于本發(fā)明裝置進(jìn)行PCR反應(yīng)的集成流路芯片的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明結(jié)合附圖和實施例作進(jìn)一步的說明。須知這僅是少數(shù)溫控模塊實現(xiàn)被控目標(biāo)多個溫度值的一個典型實例，不能認(rèn)為是對本專利范圍的限制。
[0025]實施例1
參見圖1-4，一種基于溫控模塊分時復(fù)用原理的適用于梯度PCR反應(yīng)的平動裝置，由第一溫控模塊1、第二溫控模塊2、控制模塊3、傳動裝置4、被控目標(biāo)5和檢測模塊6構(gòu)成，第一溫控模塊1、第二溫控模塊2與傳動裝置4相連，通過傳動裝置4控制不同溫控模塊進(jìn)行移動或轉(zhuǎn)動與被控目標(biāo)5物理接觸，控制模塊3與傳動裝置4相連，控制模塊3輸出控制信號控制傳動裝置4產(chǎn)生相應(yīng)的動作，控制模塊3分別與溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)相連，控制模塊3輸出控制信號控制溫控模塊實現(xiàn)溫度變化，檢測模塊6與被控目標(biāo)5相連，檢測模塊6用于獲取被控目標(biāo)5的實時溫度信息和生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，控制模塊3與檢測模塊6相連，檢測模塊6將獲取的信息傳輸給控制模塊3，控制模塊3對獲取的信號結(jié)果進(jìn)行處理、分析、反饋控制等。
[0026]所述的溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)包括加熱模塊、制冷模塊、散熱模塊和良好的導(dǎo)熱裝置等。不同溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)根據(jù)實際情況確定是否要求性能一樣:取決于多個目標(biāo)溫度值的大小，反應(yīng)速率要求和/或目標(biāo)溫度值持續(xù)時間等因素。例如:可將多個目標(biāo)溫度值分為高溫、中溫、低溫等等級，使用不同性能參數(shù)的溫控模塊匹配不同等級的要求。高溫等級使用高功率高熱質(zhì)量的溫控模塊實現(xiàn)，以此類推；根據(jù)反應(yīng)速率要求和/或目標(biāo)溫度值持續(xù)時間選取合適變溫速率的溫控模塊，以此類推。
[0027]所述的控制模塊3用于實現(xiàn)溫度控制算法并用于控制溫控模塊升溫降溫過程，用于傳動裝置4在指定時間進(jìn)行傳動或轉(zhuǎn)動定位，用于控制檢測模塊6的工作狀態(tài)等。
[0028]所述的傳動裝置4用于在指定時間點將被控目標(biāo)5傳送到指定溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)或?qū)⒅付乜啬K傳送到被控目標(biāo)5處，實現(xiàn)溫控模塊與被控目標(biāo)5之間的物理接觸。傳動裝置4根據(jù)具體要求可以是平動裝置、縱向傳動裝置。
[0029]所述的檢測模塊6包括溫度傳感器和熒光檢測模塊。溫度傳感器用于反饋被控目標(biāo)5的實時溫度值給控制模塊。熒光檢測模塊用于實時在線檢測或終點檢測被控目標(biāo)5的生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。
[0030]實施例2
參見圖1與圖2，是基于本發(fā)明的兩種PCR熱循環(huán)儀的結(jié)構(gòu)示意圖，由于兩個實例中傳動裝置4實現(xiàn)的都是被控目標(biāo)5與溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)物理接觸的直線運動，故放在一起說明。兩者區(qū)別在于圖13A使用平動傳動裝置，圖2使用縱向傳動裝置，具體可根據(jù)實際需求選擇其一。兩種PCR熱循環(huán)儀主要包括控制模塊3、第一溫控模塊
1、第二溫控模塊2、傳動裝置4、被控目標(biāo)5和檢測模塊6。
[0031]其中溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)包括加熱模塊、制冷模塊、散熱模塊和良好的導(dǎo)熱裝置等。加熱模塊與制冷模塊可以使用同一器件實現(xiàn)，例如帕爾貼，TEC等；也可使用不同器件分別實現(xiàn)，例如加熱模塊使用帕爾貼、TEC、加熱電阻絲、柔性加熱片等，制冷模塊配合使用半導(dǎo)體制冷等。散熱模塊可以采用散熱片、風(fēng)扇、水冷等裝置實現(xiàn)；導(dǎo)熱裝置可采用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的金屬鋁、銅、鎳、以及/或者銀制成。
[0032]其中控制模塊3可以采用各類單片機、DSP、ARM、FPGA、計算機等實現(xiàn)。
[0033]其中傳動裝置4可以是機械式、液力機械式、靜液式(容積液壓式)、電力式等。
[0034]其中被控目標(biāo)5用于承載PCR反應(yīng)載體，使用導(dǎo)熱性好的材質(zhì)制作而成。所述的PCR反應(yīng)載體可以是微量滴定板，也可以是生物芯片，也可以是集成流路芯片，其材質(zhì)可以是硅、玻璃、金屬，或者環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、環(huán)烯烴共聚物、聚對二甲苯、聚酰亞胺或者聚對苯二酸乙二酯等各種高聚物材料等；
其中檢測模塊6包括溫度傳感器和熒光檢測模塊。
[0035]具體實施過程如下:
首先將PCR反應(yīng)芯片放置于被控目標(biāo)5上固定好并使用合適的熱蓋將芯片密封保溫，開始工作時，控制模塊3按照設(shè)定的程序流程控制相應(yīng)的溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)對被控目標(biāo)5進(jìn)行溫度控制，控制過程如實施例1和實施例2所述。根據(jù)流程，當(dāng)需要被控目標(biāo)5變換溫控模塊時，控制模塊3給傳動裝置4相應(yīng)的信號，通過傳動裝置4實現(xiàn)被控目標(biāo)5與對應(yīng)的溫控模塊的物理接觸。檢測模塊6將被控目標(biāo)5的實時溫度值反饋給控制模塊3。控制模塊3通過相關(guān)的溫度控制算法實現(xiàn)溫控模塊的變溫過程。當(dāng)傳動方式為平動時，被控目標(biāo)5的下表面與溫控模塊的上表面物理接觸。溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)中的加熱模塊與制冷模塊通過對導(dǎo)熱裝置分別進(jìn)行加熱與制冷實現(xiàn)被控目標(biāo)5的溫度控制，散熱模塊用于降溫時散掉裝置中多余的熱量。根據(jù)具體需求，可以通過傳動裝置4控制被控目標(biāo)5傳動定位,也可以控制被控目標(biāo)5傳動定位。
[0036]所述的溫度控制算法可以是PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、Fuzzy—PID控制、Adaptive — PID控制、模糊自適應(yīng)PID控制等。
[0037]根據(jù)具體需要，使用檢測模塊6在PCR反應(yīng)過程中實時對反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行檢測或者終點檢測。
[0038]實施例3
參見圖3、圖4，是基于本發(fā)明的一種圓盤式PCR熱循環(huán)儀的結(jié)構(gòu)示意圖，對應(yīng)裝置中使用轉(zhuǎn)動裝置11實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)定位，實現(xiàn)被控目標(biāo)5和溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊
2)的物理接觸。需注意的是適用于轉(zhuǎn)動裝置11的被控目標(biāo)5和溫控模塊的形狀不局限于圓盤形，也可以是扇形的、菱形的、方形的、多邊形和不規(guī)則多邊形的等，圖4是一種配套加樣圓盤的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖7(專利:CN 102277294B圖2)是一種適用于本發(fā)明裝置進(jìn)行數(shù)字PCR反應(yīng)的集成流路芯片的示意圖。該集成流路芯片組件由封蓋層14與反應(yīng)層16封接形成，封蓋層14兩端設(shè)有進(jìn)樣口 15和出樣口 12，封蓋層14的反面為不規(guī)則的六邊形凹面，當(dāng)封蓋層14與反應(yīng)層16封接后就形成通道13，反應(yīng)層16設(shè)有矩陣排列的高密度集成反應(yīng)小室17。反應(yīng)層16以I mm厚的玻璃為材料，采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、蝕刻技術(shù)制成反應(yīng)小室17，反應(yīng)小室17為邊長100 μπι,200 μ m或300 μ m的正方形，深50 μ m, 100 μ m,200 μπι，或300 μπι。根據(jù)不同的寬度和刻蝕深度，反應(yīng)小室17的體積可為500 pL，I nL,2 nL, 4.5 nL, 8 nL, 9 nL,或18 nL ;反應(yīng)小室17也可以為五邊形、菱形或圓形。封蓋層14以Imm厚的玻璃為材料，根據(jù)材料不同，通過激光刻蝕、化學(xué)刻蝕、光刻、熱壓、澆鑄及注塑等方法，在封蓋層14的反面制成形狀為不規(guī)則的六邊形，長10 mm，寬4 mm，深50 μ m,100 μ--,200 μ--，或300 μ m，在進(jìn)樣口 15和出樣口 12的位置，用直徑I mm的鉆頭打通。采用空氣等離子體處理鍵合的方法將封蓋層14與反應(yīng)層16封接，此時封蓋層14與反應(yīng)層16之間形成的通道13整個覆蓋在高密度集成反應(yīng)小室17上。
[0039]該圓盤式PCR熱循`環(huán)儀主要包括控制模塊3、第一溫控模塊1、第二溫控模塊2、轉(zhuǎn)動裝置11、被控目標(biāo)5和檢測模塊6。第一溫控模塊I與第二溫控模塊2集成到溫控圓盤10的指定區(qū)域，彼此之間使用隔熱帶9進(jìn)行溫度隔離。被控目標(biāo)5與溫控圓盤10各含有數(shù)個定位孔8，用于被控目標(biāo)5與溫控圓盤10之間的旋轉(zhuǎn)精確定位。
[0040]其中溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)包括加熱模塊、制冷模塊、散熱模塊和良好的導(dǎo)熱裝置等。加熱模塊與制冷模塊可以使用同一器件實現(xiàn)，例如帕爾貼，TEC等；也可使用不同器件分別實現(xiàn)，例如加熱模塊使用帕爾貼、TEC、加熱電阻絲、柔性加熱片、紅外燈等，制冷模塊配合使用半導(dǎo)體制冷等。散熱模塊可以采用散熱片、風(fēng)扇、水冷等裝置實現(xiàn)；導(dǎo)熱裝置可采用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的金屬鋁、銅、鎳、以及/或者銀制成。
[0041]其中控制模塊3可以采用各類單片機、DSP、ARM、FPGA、計算機等實現(xiàn)。
[0042]其中轉(zhuǎn)動裝置11可以是機械式、液力機械式、靜液式(容積液壓式)、電力式等。
[0043]其中被控目標(biāo)5上含有對稱分布的兩個加樣區(qū)7用于承載PCR反應(yīng)載體，被控目標(biāo)5使用導(dǎo)熱性好的材質(zhì)制作而成。所述的PCR反應(yīng)載體可以是微量滴定板，也可以是生物芯片，也可以是集成流路芯片(如圖7所示)，其材質(zhì)可以是環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、環(huán)烯烴共聚物、聚對二甲苯、聚酰亞胺或者聚對苯二酸乙二酯等各種高聚物材料等。
[0044]其中檢測模塊6包括溫度傳感器和熒光檢測模塊。
[0045]具體實施過程如下:首先將PCR反應(yīng)芯片放置于被控目標(biāo)5的加樣區(qū)7固定好并使用合適的熱蓋將芯片密封保溫，開始工作時，控制模塊3按照設(shè)定的程序流程控制溫控圓盤10上的第一溫控模塊I或第二溫控模塊2對被控目標(biāo)5放有芯片的加樣區(qū)7進(jìn)行溫度控制，控制過程如實施例1和實施例2所述。根據(jù)流程，當(dāng)需要被控目標(biāo)5的加樣區(qū)7變換第一溫控模塊I或第二溫控模塊2時，控制模塊3給轉(zhuǎn)動裝置11相應(yīng)的信號，通過轉(zhuǎn)動裝置11實現(xiàn)被控目標(biāo)5的加樣區(qū)7與溫控圓盤10上對應(yīng)的第一溫控模塊I或第二溫控模塊2的物理接觸。檢測模塊6將被控目標(biāo)5的加樣區(qū)7的實時溫度值反饋給控制模塊3?？刂颇K3通過相關(guān)的溫度控制算法實現(xiàn)溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)的變溫過程。溫控過程中，被控目標(biāo)5的下表面與第一溫控模塊I或第二溫控模塊2的上表面物理接觸。第一溫控模塊I或第二溫控模塊2中加熱模塊與制冷模塊通過導(dǎo)熱裝置分別進(jìn)行加熱與制冷實現(xiàn)被控目標(biāo)5的溫度控制，散熱模塊用于降溫時散掉體系中多余的熱量。根據(jù)具體需求，可以通過轉(zhuǎn)動裝置11控制被控目標(biāo)5旋轉(zhuǎn)定位，也可以控制溫控圓盤10旋轉(zhuǎn)定位。
[0046]所述的溫度控制算法可以是PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、Fuzzy-PID控制、Adaptive — PID控制、模糊自適應(yīng)PID控制等。
[0047]根據(jù)具體需要，使用檢測模塊6在PCR反應(yīng)過程中實時對反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行檢測或者終點檢測。
[0048]實施例4
參見圖5，是根據(jù)一個具體的實例來解釋本發(fā)明裝置“分時復(fù)用”的工作原理。在該實例中使用兩個溫控模塊(第一溫控模塊I和第二溫控模塊2)控制被控目標(biāo)循環(huán)實現(xiàn)三個梯度溫度值(TA—〉TB—〉TC一〉TA...)，一個典型的適用案例是梯度PCR反應(yīng)。圖中使用實線箭頭表示溫控流程，虛線表示變溫流程，TA、TB、TC表示三個目標(biāo)梯度溫度值，tl、t2、t3表示被控目標(biāo)在對應(yīng)目標(biāo)溫度下需維持/工作的時間。具體工作流程如下:` 開始工作時，被控目標(biāo)與第一溫控模塊I物理接觸，第一溫控模塊I變溫至指定溫度TA并保持tl時間。第二溫控模塊2利用該tl時間或少于tl時間變溫至下一目標(biāo)溫度值TB。實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的控溫過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行。
[0049]當(dāng)tl時間結(jié)束，通過傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置將被控目標(biāo)與第二溫控模塊2物理接觸，第二溫控模塊2保持指定溫度TB并保持t2時間。第一溫控模塊I利用該t2時間或少于t2時間變溫至下一目標(biāo)溫度值TC。
[0050]當(dāng)t2時間結(jié)束，通過傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置將被控目標(biāo)與第一溫控模塊I物理接觸，第一溫控模塊I保持指定溫度TC并保持t3時間。第二溫控模塊2利用該t3時間或少于t3時間變溫至下一目標(biāo)溫度值TA ;以此類推，如此反復(fù)循環(huán)，直至達(dá)到所要求的循環(huán)數(shù)或?qū)崿F(xiàn)梯度PCR反應(yīng)時停止。
[0051]實施例5
參見圖6，是根據(jù)一個具體的實例來解釋本發(fā)明裝置另一種工作方法，基于該方法可以有效減小溫控模塊升溫過程中熱慣性的影響。在該實例中使用兩個溫控模塊(第一溫控模塊I和第二溫控模塊2)控制被控目標(biāo)循環(huán)實現(xiàn)三個梯度溫度值(TA—〉TB—〉TC一〉TA?.?，以TB〈TC〈TA為例)，一個典型的適用案例是梯度PCR反應(yīng)。TA、TB、TC表示三個目標(biāo)梯度溫度值，tl、t2、t3表示被控目標(biāo)在對應(yīng)目標(biāo)溫度下需維持/工作的時間。具體工作流程如下:開始工作時，被控目標(biāo)與第一溫控模塊I物理接觸，第一溫控模塊I變溫至指定溫度TA并保持tl時間。第二溫控模塊2利用該tl時間或少于tl時間變溫至下一目標(biāo)溫度值TB。實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的控溫過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行。
[0052]當(dāng)tl時間結(jié)束，通過傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置將被控目標(biāo)與第二溫控模塊2物理接觸，第二溫控模塊2保持指定溫度TB并保持t2時間。第一溫控模塊I利用該t2時間或少于t2時間變溫至下一目標(biāo)溫度值TC。
[0053]當(dāng)?shù)诙乜啬K2此時控溫值為TB，下一目標(biāo)溫度值TC時，存在升溫過程，可在TB維持時間t2結(jié)束時將此時工作狀態(tài)的第二溫控模塊2根據(jù)實際需求以最大功率或非最大功率升溫Λ?2時間，直到被控目標(biāo)達(dá)到TC溫度值時利用傳動裝置或轉(zhuǎn)動裝置將被控目標(biāo)與第一溫控模塊I物理接觸，此時的第一溫控模塊I已利用上一 t2工作時間變溫至TC并維持。在被控目標(biāo)與第一溫控模塊I物理接觸保持TC溫度的時間t3內(nèi)，溫控模塊2利用這段時間t3變溫至下一目標(biāo)溫度值TA，以此類推，如此反復(fù)循環(huán)，直至達(dá)到所要求的循環(huán)數(shù)或?qū)崿F(xiàn)梯度PCR反應(yīng)時停止。
[0054]該控溫方法將每個溫控模塊(第一溫控模塊1、第二溫控模塊2)控制流程分為三個階段，對應(yīng)三個不同狀態(tài):
Ca)正常工作狀態(tài)1，即溫控模塊與被控目標(biāo)物理接觸，控制被控目標(biāo)保持目標(biāo)溫度并維持目標(biāo)時間；
(b)第一變溫狀態(tài)2，即溫控模塊與被控目標(biāo)物理接觸，控制被控目標(biāo)變溫至下一工作溫度;
(c)第二變溫狀態(tài)3，即溫控`模塊與被控目標(biāo)不物理接觸，處于非工作狀態(tài)，溫控模塊變溫至下一工作溫度；
基于本發(fā)明采用該實施例方法本質(zhì)上消除了升溫過程的熱慣性和超調(diào)現(xiàn)象，有效的解決了傳統(tǒng)方法中快速升溫與超調(diào)現(xiàn)象之間的不可調(diào)和問題。其他被控溫度變化順序時操作順序可以此類推，同時該解決方案可類推至降溫環(huán)節(jié)。需要注意的是，基于本專利的其他控溫算法或者策略對本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是顯而易見的，以上策略或者方法僅僅是示例性和解釋性的而且不限制所要求保護(hù)的發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置，其特征在于，由第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2)、控制模塊(3)、傳動裝置(4)、被控目標(biāo)(5)和檢測模塊(6)構(gòu)成,第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2 )與傳動裝置(4 )相連，通過傳動裝置(4 )控制不同溫控模塊進(jìn)行移動與被控目標(biāo)(5)物理接觸，控制模塊(3)與傳動裝置(4)相連，控制模塊(3)輸出控制信號控制傳動裝置(4)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，控制模塊(3)與第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2)相連，控制模塊(3)輸出控制信號控制溫控模塊實現(xiàn)溫度變化，檢測模塊(6)與被控目標(biāo)(5)相連，檢測模塊(6 )用于獲取被控目標(biāo)(5 )的實時溫度信息和生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，控制模塊(3 )與檢測模塊(6)相連，檢測模塊(6)將獲取的信息傳輸給控制模塊(3)，控制模塊(3)對獲取的信號結(jié)果進(jìn)行處理、分析、反饋控制。
2.一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置，其特征在于，由第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2)、控制模塊(3)、轉(zhuǎn)動裝置(11)、被控目標(biāo)(5)和檢測模塊(6)構(gòu)成，第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2)與轉(zhuǎn)動裝置(11)相連，通過轉(zhuǎn)動裝置(11)控制不同溫控模塊進(jìn)行移動與被控目標(biāo)(5)物理接觸，控制模塊(3)與轉(zhuǎn)動裝置(11)相連，控制模塊(3)輸出控制信號控制轉(zhuǎn)動裝置(11)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，控制模塊(3)與第一溫控模塊(I)、第二溫控模塊(2)相連，控制模塊(3)輸出控制信號控制溫控模塊實現(xiàn)溫度變化，檢測模塊(6)與被控目標(biāo)(5)相連，檢測模塊(6)用于獲取被控目標(biāo)(5)的實時溫度信息和生物化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，控制模塊(3 )與檢測模塊(6 )相連，檢測模塊(6 )將獲取的信息傳輸給控制模塊(3 )，控制模塊(3 )對獲取的信號結(jié)果進(jìn)行處理、分析、反饋控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置在梯度溫度控制中的應(yīng)用，其特征在于，通過以下步驟實現(xiàn): 第一溫控模塊(1)或第二溫控模塊(2)只能處于工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中的一個狀態(tài)，處于工作狀態(tài)的溫控模塊與被控目標(biāo)(5)物理接觸實現(xiàn)被控目標(biāo)(5)梯度溫度的恒溫控制，處于非工作狀態(tài)的溫控模塊不與被控目標(biāo)(5 )物理接觸，利用此時被控目標(biāo)(5 )實現(xiàn)梯度溫度的控溫時間升溫或降溫到下一個目標(biāo)梯度溫度并保持，實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的恒溫控制過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行，在一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)(5 )進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，在下一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用另一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)(5)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，實現(xiàn)不同的溫控模塊在不同的控溫時間段交替使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置在梯度溫度控制中的應(yīng)用，其特征在于，通過以下步驟實現(xiàn): 第一溫控模塊(1)、第二溫控模塊(2)只能處于工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中的一個狀態(tài)，工作狀態(tài)的溫控模塊與被控目標(biāo)(5)物理接觸實現(xiàn)被控目標(biāo)(5)梯度溫度的恒溫控制和由此目標(biāo)梯度溫度到下一個目標(biāo)梯度溫度的變溫控制，非工作狀態(tài)的溫控模塊不與被控目標(biāo)(5)物理接觸，利用此時被控目標(biāo)(5)實現(xiàn)目標(biāo)梯度溫度的控溫時間升溫或降溫到下一個目標(biāo)梯度溫度并保持，實現(xiàn)工作狀態(tài)的溫控模塊的控溫過程與非工作狀態(tài)的溫控模塊的變溫過程同步進(jìn)行；在一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)(5)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，在該目標(biāo)梯度溫度控溫時間結(jié)束后，繼續(xù)使用該溫控模塊對被控目標(biāo)(5)實現(xiàn)由此目標(biāo)梯度溫度到下一個目標(biāo)梯度溫度的變溫控制，該變溫過程優(yōu)選全功率進(jìn)行控制；在下一個目標(biāo)梯度溫度控溫時間段內(nèi)，使用另一個溫控模塊進(jìn)入工作狀態(tài)對被控目標(biāo)(5)進(jìn)行目標(biāo)梯度溫度的恒溫控制，實現(xiàn)不同的溫控模塊在不同的控溫時間段交替使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置，其特征在于，傳動裝置(4)選用平動裝置或縱向傳動裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于梯度溫度控制的裝置，其特征在于，轉(zhuǎn)動裝置(11)選用繞軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的裝置。`
【文檔編號】G05D23/30GK103777662SQ201410022009
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月18日
【發(fā)明者】牟穎, 于丙文, 朱強遠(yuǎn), 宋博凡, 金欽漢, 金偉 申請人:浙江大學(xué)