热控装置及自动化热控调校方法与流程

本发明涉及温度控制，特别涉及一种热控装置及其自动化热控调校方法。

背景技术：

聚合酶连锁反应(polymerasechainreaction，pcr)是一种分子生物学技术，用于扩增特定的脱氧核醣核酸(deoxyribonucleicacid，dna)片段，这种方法可在生物体外进行，不必依赖大肠杆菌或酵母菌等生物体。由于微生物复制是一个费时耗力的流程，首先要将dna经限制酶剪裁，再利用接合酵素(ligase)加到载体(plasmid)中，之后利用瞬间电击(electroporation)或是热休克(heatshock)的方式，送到大肠杆菌胜任细胞(competentcell)中，而后将此菌于培养皿大量繁殖培养，再经过繁复的分离、纯化过程，通常需要耗费近一周时间，才能大量复制片段。相较之下，仅需约一小时反应时间的聚合酶连锁反应可以节省大量时间和繁复的操作。聚合酶连锁反应技术被广泛地运用在医学和生物学的实验室，例如用于判断检体中是否会表现某遗传疾病的图谱、传染病的诊断、基因复制，以及亲子鉴定等。

聚合酶连锁反应通常需要在特定的生化仪器设备中进行，例如是聚合酶连锁反应设备(下称pcr设备)。因为聚合酶连锁反应的过程需要反复进行将聚合酶加热及降温的循环，故pcr设备通常是将盛装聚合酶的容器(例如：试管)置于一热控装置之中以进行温度控制，例如可通过将容器置于一热电致冷器(thermoelectriccooler)的基板上以进行加热及降温的控制。在进行聚合酶连锁反应时，将聚合酶加热至一第一特定温度(例如90至95摄氏度)并降温至第二特定温度(例如40至60摄氏度)的操作过程即可称为一pcr循环，且pcr循环需要反复进行多次。

因聚合酶连锁反应过程极需仰赖精确的温度控制，才能达到dna复制的目的。然而，依照不同试剂的生化反应需求，有不同的升降温及维持时间的规格。如何通过设定基板温度，达到试剂温度规格需求，过去多由有经验的实验者，以自身经验设定，并通过反复实验进行调整。此过程不但繁复且耗时，又高度仰赖实验者的经验，若经验不足或稍有不慎，则往往无法完成聚合酶连锁反应过程。

此外，一般在进行聚合酶连锁反应过程时，热控装置中的容器里的液体温度并无法被直接测得，且上述液体温度与热电致冷器的基板温度并非一致，因此无法直接使用传统的温度控制方法来达到精确液温控制的目标，而需要手动调整每台热控装置的控制参数，会花费相当多时间，造成产线生产制造的困扰。

因此，需要一种热控装置及其自动化热控调校方法以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供一种热控装置，包括一控制器以及一加热致冷模块。加热致冷模块包括一第一温度感测器以及一加热致冷器。第一温度感测器用以测量该加热致冷模块中的一第一位置的一第一目前温度，而加热致冷器用以依据来自该控制器的一控制信号以调整在该第一位置的该第一目前温度。热控装置还包括一第二温度感测器，用以测量在该加热致冷模块中的一第二位置的一第二目前温度，其中该控制器是建立在该第一位置的该第一目前温度以及在该第二位置的该第二目前温度的一温度模型，其中该控制器更执行一自动化调校机制以自动调整该温度模型以控制该加热致冷器调整该第一位置的该第一目前温度，使得该第二位置的该第二目前温度达到一期望温度。

本发明更提供一种自动化热控调校方法，应用于一热控装置，该热控装置包括一加热致冷模块。该加热致冷模块包括一第一温度感测器及一加热致冷器。该热控装置还包括第二温度感测器，该方法包括下列步骤：利用该第一温度感测器测量该加热致冷模块中的一第一位置的一第一目前温度；利用该加热致冷器调整在该第一位置的该第一目前温度；利用该第二温度感测器测量在该加热致冷模块中的一第二位置的一第二目前温度；建立在该第一位置的该第一目前温度以及在该第二位置的该第二目前温度的一温度模型；以及执行一自动化调校机制以自动调整该温度模型以控制该加热致冷器调整该第一位置的该第一目前温度，使得该第二位置的该第二目前温度达到一期望温度。

附图说明

图1是显示依据本发明一实施例中的热控装置的功能方框图。

图2a－图2d为依据本发明一实施例中的基板温度及实验液体温度的关系的示意图。

图3为依据本发明一实施例中的自动化热控调校方法的流程图。

附图标记说明：

100～热控装置；

110～温度控制模块；

111～控制器；

112～存储器单元；

112a～易失性存储器；

112b～非易失性存储器；

113～控制信号；

114～自动化温度调校机制；

115～温度模型；

116～温度反馈信号；

117～处理器；

118～实验液体期望温度；

119～控制信号；

120～加热致冷模块；

121～容器；

122～实验液体；

123～基板；

124～加热致冷器；

125～温度感测器；

130～侦测装置；

131-1－131-n～温度感测器；

210、212、220、222、240、242、244～曲线；

230－235～区域；

s310－s350～步骤。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。

图1是显示依据本发明一实施例中的热控装置的功能方框图。

如图1所示，热控装置100包括：一温度控制模块110、一加热致冷模块120、及一侦测装置130。温度控制模块110包括一控制器111、一存储器单元112、一处理器117。在一实施例中，控制器111例如可为一微控制器(microcontroller)，但本发明并不限于此。控制器111用以控制加热致冷器124进行加热或降温。处理器117例如为一中央处理器(centralprocessingunit)、一通用处理器(general-purposeprocessor)、一数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)，但本发明并不限于此。在一些实施例中，处理器117的功能可由控制器111执行。

存储器单元112包括一易失性存储器112a及一非易失性存储器112b。易失性存储器112a例如可为一静态随机存取存储器(sram)、或是一动态随机存取存储器(dram)，但本发明并不限于此。非易失性存储器112b例如可为一只读存储器(rom)、电子可抹除式可程序化只读存储器(eeprom)、硬盘(harddisk)、固态硬盘(solid-statedisk)，但本发明并不限于此。

在一实施例中，非易失性存储器112b存储一自动化温度调校机制114(例如可为一应用程序或程序码)及一温度模型115。温度模型115例如包括基板123的基板温度及实验液体112的实验液体温度在热循环中的稳态模型、交汇模型、升温模型、及降温模型，其细节将详述于后。

加热致冷模块120包括一或多个容器121、一基板(heatingbase)123、一加热致冷器(thermoelectriccoolingdevice，tecdevice)124、以及一温度感测器125。容器121中盛装一实验液体122，例如在聚合酶连锁反应过程中，该实验液体可为聚合酶。而在其他的实验过程中，该实验液体可为不同类型的液体。

容器121置放于基板123上，基板123亦可称为加热基板，例如可由易于导热的材质所制成，例如金属，但本发明并不限定于此。加热致冷器124依据来自控制器111的一控制信号113以进行加热或降温。加热致冷器124例如可为一加热致冷芯片(thermoelectriccoolingic)、或是可为利用传统的电热器及风扇所实现的加热致冷装置。

在基板123上配置有一温度感测器125，其可实时测量基板123的目前基板温度(例如在第一位置的第一目前温度)，并通过一温度反馈信号116回报该目前基板温度至控制器111及处理器117。

侦测装置130包括一或多个温度感测器131-1～131-n，其中侦测装置130中的各个温度感测器用以测量在容器121中的实验液体122的实验液体温度(例如在第二位置的第二目前温度)，并将所测量到的实验液体温度回报至处理器117。

举例来说，加热致冷器124可通过基板123对容器121中的实验液体122进行加热或降温。因为pcr过程中需要对实验液体122(例如为聚合酶)进行多次的加热降温循环(例如可称为pcr循环)，其目标是让实验液体122在加热降温循环的过程升温至一高温目标温度(例如介于90～95摄氏度之间的一特定温度区间)，以及降温至一低温目标温度(例如介于40～60摄氏度之间的一特定温度区间)，并在高温目标温度及低温目标温度之间反复升温及降温，以完成聚合酶的增幅。高温目标温度及低温目标温度则可视实验液体122的种类及特性进行调整。在一些实施例中，实验液体122会具有两个以上的目标温度，例如包括高温目标温度、低温目标温度、及中温目标温度，但本发明并不限于此。

此外，为了控制上述加热降温循环的过程，需要针对实验液体的温度及维持秒数以定义出目标基板温度控制阶段数。基于温度反映特性，若一实验液体122的规格包括高温目标温度及低温目标温度，则一次升降温的循环(热循环)可包括六个阶段，例如升温阶段、高温交汇阶段、高温稳态阶段、降温阶段、低温交汇阶段、以及低温稳态阶段。其中，升温阶段、高温交汇阶段、降温阶段、及低温交汇阶段是必定发生的阶段。高温稳态阶段或低温稳态阶段则仅在实验液体温度维持超过5秒时才会出现，故需视实验液体的特性而将高温稳态阶段及/或低温稳态阶段加入升降温的循环中。

在一实施例中，处理器117可由外部装置(未示出)接收实验液体期望温度118，其中实验液体期望温度118可包括实验液体112在热循环中的多个期望温度，例如高温期望温度、低温期望温度、及中温期望温度等等，视实验液体112的特性而定。处理器117可依据所接收的实验液体期望温度118以建立基板温度及实验液体温度的温度模型115，其中控制器111所建立的温度模型115例如为初始状态下的温度模型115。当热控装置100经过多次升降温循环(热循环)后，处理器117(或控制器111)所执行的自动化调校机制则可利用权重递回最小平方法(wrls)以更新基板123的温度及实验液体122的温度的自动回归外生(arx)模型。处理器117并可依据温度模型115产生相应的温度控制表，例如表1或表2所示，并通过控制信号119以传送基板目标温度至控制器111。

表1是表示升降温的循环中的六个阶段及其维持秒数的温度阶段控制表：

表1

图2a为依据本发明一实施例中的一个热循环过程中的基板温度与液体温度的关系图。

在表1中的阶段a～f例如可用图2a的基板温度与液体温度的关系图表示，其中曲线210表示基板温度，曲线212表示液体温度。图2a的基板温度与液体温度的关系图共具有6个阶段，例如阶段a～f。阶段a为升温阶段，基板123的温度由目标温度c6升温至高温目标温度c1，其中加热致冷器124加热基板123，使得基板123的温度急速升高以带动实验液体122的温度上升。阶段b为高温交汇阶段，基板123的温度由目标温度c1下降至高温交汇目标温度c2，使得实验液体122的温度进入高温目标温度。阶段c为高温稳态阶段，基板123的温度维持在高温目标温度c3，例如维持k3秒。阶段d为降温阶段，其中加热致冷器124让基板123的温度急速降低以带动实验液体122的温度骤降。阶段e为低温交汇阶段，基板123的温度下降至低温交汇目标温度c5，使得实验液体122的温度进入期望目标值。阶段f为低温稳态阶段，基板123的温度维持在稳态目标值c6，使得实验液体122的温度可保持在期望的稳态温度。

图2b为依据本发明另一实施例中的一个热循环过程中的基板温度与液体温度的关系图。

在另一实施例中，若实验液体122使用其他不同的实验液体，则基板温度与液体温度的关系曲线可不具有阶段c(高温稳态阶段)。在图2b中，其中曲线220表示基板温度，曲线222表示液体温度。在图2b中的基板温度与液体温度的关系曲线共具有5个阶段，例如阶段a～b及阶段d～f。意即，在图2b的关系曲线中，并没有阶段c(高温稳态阶段)。

控制器111记录在单一温控循环中的各阶段，例如阶段a～f(图2a)、或是阶段a～b及阶段d～f(图2b)，且温控循环需要重复多次以记录基板温度与液体温度的关系，借此建立基板温度与液体温度的温度模型，并依据所建立的温度模型实现稳态的实验液体温度的需求。

举例来说，控制器111可使用权重递回最小平方法(weightingrecursiveleastsquares，wrls)以更新基板123的温度及实验液体122的温度的自动回归外生(autoregressiveexogenous，arx)模型，其中实验液体温度y(t)例如可用式(1)表示：

y(t)＝a1y(t-1)+a2y(t-2)+...+any(t-n)+b1u(t-1)+b2u(t-2)+...+bmu(t-m)

(1)

其中y(t-n)表示距离当次实验液体温度n个取样时间前的实验液体温度；u(t-m)表示距离当次基板温度n个取样时间前的基板温度；a1～an及b1～bm表示模型参数，且可由权重递回最小平方法叠代收敛计算而得。意即，在经过每个升降温循环(热循环)后，控制器111即可利用权重递回最小平方法以更新在自动回归外生模型中的模型参数a1～an及b1～bm的数值。在一些实施例中，部分的模型参数可省略以更精准地表示实验液体温度y(t)，例如若n＝3，则可使用模型参数a1及b1～b3代入式(1)以求出实验液体温度，但本发明并不限于此。

详细而言，自动回归外生模型描述了基板温度及实验液体温度的对应关系。因此，当测量得到实验液体122的温度时，即可通过已建立的自动回归外生模型以计算出需要设定的目标基板温度。然而，稳态阶段的目标温度以及交汇阶段的目标温度使用不同的自动回归外生模型。

举例来说，在升温或降温的过程中，若实验液体在相同温度的维持秒数t1超过5秒，即会具有交汇阶段及稳态阶段，其中交汇阶段的基板123的温度维持秒数例如可设定为1秒，且稳态阶段的基板123的温度维持秒数例如等于t1-2-1-1＝t1-4秒。在升温或降温的过程中，若实验液体在相同温度维持的时间t1少于5秒，即仅具有交汇阶段，且交汇阶段的基板123的温度维持秒数t3例如等于t1-2-1＝t1-3秒，但本发明并不限于此。

图2c为依据本发明图2b的实施例中的升温过程的能量区域的示意图。

此外，控制器111可利用能量观点以推论出升温阶段及降温阶段的秒数与温度的设定值。举例来说，实验液体122的温度提升的速度是有限制的。因此，基板123所提升的温度，并无法在一瞬间就传递至实验液体122。然而，从能量的观点来看，当基板温度高于实验液体温度的能量，即为造成实验液体温度提升的能量。如图2c所示，在升温过程中，在曲线220及曲线222之间的区域的面积即可定义升温的总能量，且此区域例如可分为区域a1～a3。举例来说，在曲线220及曲线222之间的升温过程区域的总面积为能量面积eh，其中能量面积eh即为区域230、231、232的面积的总和，例如可用式(2)表示：

eh＝c1*(c1-c_avg1)+c2*[(c1-c_avg1)+(c1-t_h)]*s+c3*(c1-t_h)

(2)

其中c1、c2及c3为升温阶段模型参数，且可利用线性回归法计算而得；c1即为基板目标高温；t_h表示实验液体高温；c_avg表示实验液体高低温平均值，例如为实验液体高温t_h及实验液体低温t_l的平均；s表示高温稳态阶段的维持秒数加1秒。

依据类似方式，可计算出在降温过程中的能量面积el，以及相应的降温阶段模型参数c4～c6。在曲线220及曲线222之间的降温过程区域的面积为能量面积el，，其中能量面积el即为区域233、234、235的面积的总和，例如可用式(3)表示：

el＝c4*(c4-t_h)+c5*[(c4-c_avg2)+(c4-t_l)]*s+c6*(c4-c_avg2)

(3)

其中c4、c5及c6为降温阶段模型参数，且可利用线性回归法计算而得；c4即为基板目标低温；t_l表示实验液体低温；c_avg2表示实验液体高低温平均值，例如为实验液体高温t_h及实验液体低温t_l的平均；s表示低温稳态阶段的维持秒数加1秒。在一些实施例中，为了计算模型参数c1～c6，可利用热控装置100进行至少三次实验的热循环以建立3x4的扩增矩阵，再使用高斯法以计算出模型参数c1～c6，但本发明并不限于此。

在一实施例中，实验液体122的温度需求例如为在高温95摄氏度停留5秒以及在低温58度停留10秒。因为在稳态阶段需在实验液体122的温度维持5秒以上才会出现，故在此实施例中的实验液体122的升降温循环中具有5个阶段(例如无阶段c的高温稳态阶段)，例如阶段a～b及阶段d～f。在初始状态时，控制器111先设定基板温度控制表中的基板目标温度c1－c2及c4－c6的初始值以及维持秒数k1－k2及k4－k6的初始值，如表2所示：

表2

接着，控制器111是以现有的温度模型对热控系统10中的实验液体122进行一预定循环次数的实验过程，其中预定循环次数例如可为10至20个升降温循环，但本发明并不限于此。当热控系统10中的实验液体122经过预定循环次数的实验过程后，即可得到各种模型参数。为了便于说明，上述模型参数例如为模型参数a1及b1～b3。控制器111即可依据式(1)以分别计算出高温交汇阶段(阶段b)的基板目标温度c2及低温交汇阶段(阶段e)的基板目标温度c5，例如可利用在20个升降温循环后所得到的模型参数a1及b1～b3以分别计算出基板目标温度c2及c5，例如c2＝97.29摄氏度，c5＝59.40摄氏度。

关于低温稳态阶段(阶段f)中的基板目标温度c6，控制器111例如可使用在第一个升降温循环所取得的模型参数a1及b1～b3并代入式(1)以计算出基板目标温度c6为58.53摄氏度。

接着，控制器111可依据上述实施例中所公开的方式以分别计算出在高温交汇阶段(阶段b)、低温交汇阶段(阶段e)、及低温稳态阶段(阶段f)的基板温度维持秒数k2、k5及k6。举例来说，因为此实验液体122并没有高温稳态阶段，所以高温交汇阶段(阶段b)的基板温度维持秒数k2为实验液体122在高温95度的停留秒数t1-2-1＝5-3＝2秒。因为此实验液体122有低温稳态阶段，所以低温交汇阶段(阶段e)的基板温度维持秒数k5设定为1秒，且低温稳态阶段(阶段f)的基板温度维持秒数k6为实验液体122在高温95度的停留秒数t2-2-1-1＝10-4＝6秒。此时，控制器111所得到的温度控制表如表3所示：

表3

接着，控制器111利用能量观点以分别计算出升温阶段(阶段a)及降温阶段(阶段d)的基板目标温度以及基板温度维持秒数。举例来说，在升温阶段及降温阶段的基板温度的维持秒数k1及k4例如可分别设定为6秒。在一些实施例中，基板温度的维持秒数k1及k4可视实际情况而设定为相应的维持秒数，但本发明并不限于此。

控制器111并可计算出在升温阶段时曲线220及222之间的总面积，例如可利用积分计算出曲线220及222之间的能量面积eh＝286。控制器111并依据实验液体122经过预定循环次数之后所得到的模型参数c1～c3以及在升温阶段中的区域230－232的秒数s以分别计算出区域230－232的面积，其中在升温阶段的目标基板温度c1可视为未知数。因此，控制器111可利用式(2)以求得目标基板温度c1为108.53度。

类似地，控制器111并可计算出在降温阶段时曲线220及222之间的总面积，例如可利用积分计算出曲线220及222之间的能量面积el＝225。控制器111并依据实验液体122经过预定循环次数之后所得到的模型参数c1～c3以及在降温阶段中的区域233－235的相应的维持秒数以分别计算出区域233－235的面积，其中在降温阶段的目标基板温度c4可视为未知数。因此，控制器111可利用式(3)以求得目标基板温度c4为48.41度。在此实施例中，实验液体高温t_h及实验液体低温t_l的温度约为35摄氏度，故在高温稳态阶段及低温稳态阶段可设定为维持秒数(例如5秒)加1秒＝6秒，借此较准确地控制基板温度。

在另一实施例中，实验液体122的规格具有两个以上的目标液体温度，例如高温目标温度、低温目标温度、及中温目标温度。举例来说，实验液体122的规格为高温目标温度＝95摄氏度维持5秒，接着在低温目标温度＝53摄氏度维持10秒，并接着在中温目标温度＝72摄氏度维持10秒。

然而，当控制器111以计算交汇阶段及稳态阶段的基板目标时，可将高温目标温度、低温目标温度、及中温目标温度分成三组进行配对，例如95度至53度、53度至72度、以及72度至95度。因此，控制器111可利用前述实施例中关于2个目标液体温度的类似计算方式以分别计算出在不同的配对情况时的升温阶段及降温阶段的基板目标温度以及维持秒数。

需注意的是，从95度至53度的配对中，虽然控制器111可计算出95度降温到53度的降温阶段的目标基板温度、以及53度升温至95度的升温阶段的目标基板温度，但控制器111仅需要95度降温到53度的降温阶段的目标基板温度。类似地，从53度至72度的配对中，虽然控制器111可计算出53度升温至72度的升温阶段的目标基板温度、以及72度降温到53度的降温阶段的目标基板温度，但控制器111仅需要53度升温至72度的升温阶段的目标基板温度。类似地，从72度至95度的配对中，虽然控制器111可计算出72度升温至95度的升温阶段的目标基板温度、以及95度降温到72度的降温阶段的目标基板温度，但控制器111仅需要72度升温至95度的升温阶段的目标基板温度。

详细而言，若实验液体122的规格具有两个以上的目标液体温度，控制器111可以将两两相邻的目标基板温度拆解为一次升温阶段或降温阶段，并分别计算在各个升温阶段或降温阶段所需的目标基板温度及维持秒数。在此实施例中，控制器111所计算出的基板温度相对于时间的关系式例如为图2d中的曲线230。此外，图2d中的曲线232表示液体温度相对于时间的关系式，曲线234表示实验液体期望温度相对于时间的关系式。

图3为依据本发明一实施例中的自动化热控调校方法的流程图。

在步骤s310，利用第一温度感测器测量加热致冷模块中的一第一位置的一第一目前温度。其中，第一温度感测器例如是加热致冷模块120中的温度感测器125，可用于测量基板123的温度。

在步骤s320，利用加热致冷器调整在第一位置的第一目前温度。举例来说，加热致冷器124可依据来自控制器111的控制信号以调整在第一位置(例如基板123)的第一目前温度(例如目前基板温度)。

在步骤s330，利用第二温度感测器测量在加热致冷模块中的一第二位置的一第二目前温度。举例来说，第二位置例如是容器121所盛装的实验液体122，例如在聚合酶连锁反应过程中，实验液体122可为聚合酶。而在其他的实验过程中，该实验液体可为不同类型的液体。在一些实施例中，第二位置可以是实际情况无法建置感测器的观测点，并不限定于是实验液体。

在步骤s340，建立在第一位置的第一目前温度以及在第二位置的第二目前温度的一温度模型。举例来说，控制器111可建立如图2a或图2b所示的基板温度及实验液体温度的关系曲线，且可依据温度模型产生相应的温度控制表，例如表1或表2所示。

在步骤s350，执行一自动化调校机制以自动调整温度模型以控制加热致冷器调整第一位置的第一目前温度，使得第二位置的第二目前温度达到一期望温度。举例来说，在步骤s340中，控制器111所建立的温度模型115例如为初始状态下的温度模型115。当热控装置100经过多次升降温循环(热循环)后，处理器117(或控制器111)所执行的自动化调校机制则可利用权重递回最小平方法(wrls)以更新基板123的温度及实验液体122的温度的自动回归外生(arx)模型。

综上所述，本发明提供一种热控装置及自动化热控调校方法，其可依据不同的实验液体的规格需求，自动化调校出不同的温度控制表，且上述调校过程接近全自动化，故可节省人力，并节省热控装置的参数的调校时间。

于权利要求中使用如“第一”、“第二”、“第三”等词是用来修饰权利要求中的元件，并非用来表示之间具有优先权顺序，先行关系，或者是一个元件先于另一个元件，或者是执行方法步骤时的时间先后顺序，仅用来区别具有相同名字的元件。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。