专利名称：一种用于基因检测的检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基因检测技术领域，特别是涉及一种用于基因检测的检测装置。
背景技术：
1998年底美国科学促进会将电化学基因传感器技术列为1998年度自然科学领域十大进展之一，足见其在科学史上的意义。它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。这些应用主要包括基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。采用电化学基因传感器检测基因表达的改变能够节省大量的人力物力和财力，在以前，科学家不得不重复大量的实验来观察多个基因的改变情况，如果采用传统的方法研究细胞中的上千个基因的改变几乎是不可想象的，因为必须提取首先提取细胞的核酸，而且要足够多以满足Northern杂交的需要，然后标记每一种探针，再分别进行杂交检测。而采用电化学基因传感器则可以使工作量成千上万倍地减少，利用电化学基因传感器同时检测了酵母菌中6000个基因的功能，而斯坦福大学I^atrick Brown领导的科研小组则成果地检测了人成纤维细胞中8600个基因的表达改变。电化学基因传感器还可用于基因测序，目前美国人类基因组计划正在大力发展这一技术争取能替代目前的自动测序，同现有的手工测序和自动测序相比，电化学基因传感器测序能节省大量的试剂和仪器损耗。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究。实践证明电化学基因传感器技术也可用于核酸突变的检测及基因组多态性的分析，与常规测序结果一致性达到98%等的突变检测，对人类基因组单核苷酸多态性的鉴定、作图和分型、人线粒体基因组多态性的研究等。将生物传感器与芯片技术相结合，通过改变探针阵列区域的电场强度已经证明可以检测到基因的单碱基突变，通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图。杂交测序是电化学基因传感器技术的另一重要应用。该测序技术理论上不失为一种高效可行的测序方法，但需通过大量重叠序列探针与目的分子的杂交方可推导出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探针。电化学基因传感器技术可以比较容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的问世无疑为杂交测序提供了实践的可能性。采用电化学基因传感器技术，可以大大加快人类基因组计划的工作进度，例如用于基因测序、基因表达检测和新的遗传标志如SNP定位等，这对寻找新的功能基因、寻找新的药物作用靶点和开发新的基因药物具有重要意义。采用电化学基因传感器可以进行超乎以前想象的工作量来检测不同物种、不同组织、不同病种、不同处理条件下的基因表达改变，从而知道开发具有不同用途的的诊断试剂盒。新药在实验阶段必须通过人体安全性实验，就必须观察药物对人基因表达的影响，由于并不知道药物对那一种基因起作用，就必须对已知所有或一定范围内的基因表达都进行检测，采用电化学基因传感器可以迅速而准确地完成这一任务。
但是现有通过电化学传感器进行基因检测需要较多的步骤，并且对于人工的操作要求比较高，同时检测的步骤繁琐时间较长，对于需要同时对多个样品进行检测的情况需要大量的人力物力，提高了检测成本，再且，由于受到地方和设备的限制，对于多样品的处理明显有的很大的限制，特别是对于医院和实验室等地方，受到空间的限制，不能安装过多的设备和容纳过多的操作人员，大大的减低了对于样品的检测效率，比且对于检测过程中需要对样品进行转移或操作，由于多个步骤分离处理，容易使到样品或数据受到影响，从而大大的影响了检测准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便、快速的用于基因检测的检测装置。一种用于基因检测的检测装置，所述装置包括
基因检测器和控制器，所述控制器控制所述基因检测器进行基因检测的过程，采集和接收基因检测器的扫描数据，并进行结果分析；
优选地，所述基因检测器包括电化学基因传感器、连接器、第二连接管理装置和芯片加热装置，所述电化学基因传感器采用电化学技术对待检测物杂交反应后的分子进行标记，实现基因检测，所述第二连接管理装置通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号，并根据所述控制器的指令控制基因检测的过程，以及控制所述芯片加热装置的温度；所述连接器用于所述电化学基因传感器与第二连接管理装置和芯片加热装置连接，所述芯片加热装置用于对电化学基因传感器进行加热。优选地，所述控制器包括第一管理连接模块、第一处理模块和第二处理模块，所述第一管理连接模块与所述基因检测器连接，接收第二连接管理装置输出的扫描数据，并与所述第二连接管理装置进行数据交互；所述第二处理模块对获取的数据进行结果分析； 所述第一处理模块与所述第一管理连接模块连接，用于对所述基因检测器进行控制和管理，对芯片加热装置进行控制，并用于对外的通信和连接管理。优选地，所述第一处理模块包括数据处理单元和温度控制单元，所述数据处理单元用于对所述基因检测器进行控制和管理，并用于对外的通信和连接管理，所述温度控制单元用于控制芯片加热装置，实时调节电化学基因传感器的温度。优选地，所述检测装置包括一个或多个基因检测器，用于对一个或多个待检测物进行基因检测，所述芯片加热装置包括一个或多个芯片加热端，与所述一个或多个基因检测器连接。优选地，所述温度控制单元包括一个或多个温度调节元件和一个或多个温度反馈元件，所述一个或多个温度调节元件分别对应于一个或多个基因检测器，所述一个或多个温度反馈元件分别对应于一个或多个基因检测器，用于检测基因检测器的温度，所述一个或多个温度调节元件跟据所述一个或多个温度反馈单元对基因检测器的温度监控，分别对一个或多个基因检测器上的芯片加热装置实时控制。优选地，所述一个或多个温度调节元件包括
比较元件，用于将一个或多个温度反馈单元所检测到的温度模拟数字转换后，将数字信号转换为温度与目标温度进行比较；
控制元件，基于比较结果，根据温度变化的幅度、速率等参数预测温度变化情况，实时调整温度控制输出量；
执行元件，根据控制元件的输出控制量，控制所述芯片加热装置的温度。优选地，所述连接器包括
第一连接端，用于连接所述电化学基因传感器；
环境控制端，与所述芯片加热装置连接，调节控制电化学基因传感器的温度； 第二电信号传输接口，与所述第二连接管理装置连接；
所述第一连接端包括电化学基因传感器固定位和与所述电化学基因传感器连接的第一电信号传输接口，所述电化学基因传感器固定位用于固定电化学基因传感器，所述第一电信号传输接口用于与电化学基因传感器进行数据传输；
所述第二电信号传输接口与所述第一电信号传输接口相互连接，用于第二连接管理装置与所述电化学基因传感器之间传输电信号。优选地，第二连接管理装置包括数字电路、转换模块、低压驱动模块和电压采集反馈电路；
所述数字电路控制低压驱动模块产生的激励电压的输出量，电压采集反馈电路采集激励电压，并且转换模块将模拟信号转换成数字信号，控制器采集包含电压采集以及经过模拟信号转换成的数字信号，进行检测、控制和结果分析。与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明的技术方案由于拟采用各个芯片独立的温度控制为DNA杂交提供非常稳定独立的环境，并采用高精度仪器对检验过程进行控制，大大的提高了检验的速度和效率，并且有效的节约了检验的成本和人力资源，达到高速、准确和精确的检验DNA。用于基因测序，同现有的手工测序和自动测序相比，能节省大量的试剂和仪器损耗。整个检测杂交和检测过程只要30分钟，快速和简便，廉价，和测序相比大大的降低了成本，实现低成本对特定基因片断的检测。可以同时对M个芯片进行杂交检测，高通量的进行疾病的筛查和检测。整个杂交和检测过程自动化，实现了无人看守，减轻了操作者的负担，提高了效率。
图1为本发明中检测装置的结构示意图； 图2为本发明中第一处理模块的结构示意图； 图3为本发明中连接器的连接结构； 图4为本发明中温度控制的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。 如图1 4所示，本发明技术方案提供一种用于基因检测的检测装置，所述装置包括
基因检测器和控制器，所述控制器控制所述基因检测器进行基因检测的过程，采集和接收基因检测器的扫描数据，并进行结果分析；
优选地，所述基因检测器包括电化学基因传感器、连接器、第二连接管理装置，和芯片加热装置，所述电化学基因传感器采用电化学技术对待检测物杂交反应后的分子进行标记，实现基因检测，所述第二连接管理装置通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号，并根据所述控制器的指令控制基因检测的过程，以及控制所述芯片加热装置的温度；所述连接器用于所述电化学基因传感器与第二连接管理装置和芯片加热装置连接。其中，所述的电化学基因传感器包括检测区和电信号传输端，所述检测区用于对待检测物杂交前后的样品采用电化学技术，并通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号， 经由电信号传输端传输到所述第二连接管理装置中，进而作进一步的分析处理，所述检测区可以为DNA电化学传感器或电子电化学基因传感器等等，能够实现电化学检测技术的基因检测工具。所述控制器包括第一管理连接模块、第一处理模块和第二处理模块；
所述第一管理连接模块与所述基因检测器连接，接收第二连接管理装置输出的扫描数据，并与所述第二连接管理模块进行数据交互，所述第二处理模块对获取的数据进行结果分析；所述第一处理模块与所述第一管理连接模块连接，用于对所述基因检测器进行控制和管理，对芯片加热装置进行控制，并用于对外的通信和连接管理。优选地，所述第一处理模块包括数据处理单元和温度控制单元，所述数据处理单元用于对所述基因检测器进行控制和管理，并用于对外的通信和连接管理，所述温度控制单元用于控制芯片加热装置，实时调节电化学基因传感器的温度。基因检测器和控制器存在大量的数据交换和众多的控制线，为达到高性能的硬件连接和灵活的连接配置，两者中第一管理连接模块和第二二连接管理装置均采用FPGA作为连接界面。FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL、 GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。检测模块拟采用 10 - 50万门级的FPGA器件，塔控制板采用100万门级的FPGA器件。基因检测器的FPGA连接控制本模块激励电压的产生，激励电压包括三角波和正弦波叠加，波形由数字信号通过DAC产生；芯片电极通过开关阵列和放大后经过ADC得到数字量，ADC和开关阵列由FPGA连接控制。为传感器提供杂交环境得温度控制系统和FPGA 连接，实现温度控制和流速控制。以上模块的控制量通过基因检测器的FPGA和上位处理终端，控制器的FPGA连接，实现指令和数据通讯。控制器可以连接8个基因检测器，要求能同时对8个传感器进行扫描、数据采集和分析处理。控制器和基因检测器间存在大量的指令和数据交换，为实现高速的数据通讯，采用FPGA进行两种模块硬件连接。同时控制器必需分析各个电极的扫描数据，每个电极的数据必需进行数据变换和分析，快速数处理的任务由第二处理模块DSP完成。DSP通过第一管理连接模块(FPGA)高速获取数据，分析结果同样通过FPGA连接数据处理单元(CPU)公共数据存储区域，由CPU通知PC直接从该区域获取分析结果。控制器的事务管理由CPU (ARM9处理器)完成，CUP需要对各个模块和DSP数据分析起始进行控制管理。CPU和基因检测器、DSP的连接通过第一管理连接模块(FPGA)进行硬件连接，实现CPU对各个控制对象进行控制管理，各个控制对象的状态标志也通过FPGA 反馈到CPU。
控制器的数据上传PC通过网络实现。CPU软件内嵌TCP/IP协议栈，硬件上与网卡控制器连接。系统包括3个检测塔，每个检测塔与内部的路由连接，路由再和内嵌的工控 PC连接，从而实现检测塔和PC的网络连接。通过内部的局域网和TCP/IP协议实现检测塔和内嵌工控PC的数据交换。优选地，所述检测装置包括一个或多个基因检测器，用于对一个或多个待检测物进行基因检测，所述芯片加热装置包括一个或多个芯片加热端，与所述一个或多个基因检测器连接。优选地，所述温度控制单元包括一个或多个温度调节元件和一个或多个温度反馈元件，所述一个或多个温度调节元件分别对应于一个或多个基因检测器，所述一个或多个温度反馈元件分别对应于一个或多个基因检测器，用于检测基因检测器的温度，所述一个或多个温度调节元件跟据所述一个或多个温度反馈单元对基因检测器的温度监控，分别对一个或多个基因检测器上的芯片加热装置实时控制。优选地，所述一个或多个温度调节元件包括
比较元件，用于将一个或多个温度反馈单元所检测到的温度模拟数字转换后，将数字信号转换为温度与目标温度进行比较；
控制元件，基于比较结果，根据温度变化的幅度、速率等参数预测温度变化情况，实时调整温度控制输出量；
执行元件，根据控制元件的输出控制量，控制所述芯片加热装置的温度。本发明的每个传感器都要求随到随检，因此仪器必需具备M个单独的检测模块， 每个模块都能进行单独的温度控制，以满足不同杂交检测阶段和不同检测项目的温度要求，而且每个模块的温度控制必需准确稳定。为了达到这个要求，每个模块都采用单独的闭环温度控制单元，系统包括基于ARM9处理器的比较元件、基于PWM输出控制的控制元件、基于加热功率管的执行元件、基于高导热性能铜基板的加热对象(即芯片加热装置)和基于高精度传感放大及ADC的反馈元件，如图4所示；
基于ARM9处理分析各个元件的检测项目，并通过该项目芯片协议和杂交阶段得到当前的各个模块的目标温度，同时通过温度反馈元件(包括高精度温度传感器、高精度放大、 精密ADC)得到铜基板当前温度，经过比较计算后得到温度偏差和控制量，执行元件控制功率输出到加热管，对铜基片进行温度控制，使其得到准确稳定的温度。铜基片与插入检测模块的芯片充分接触，温度被传导到芯片上，为芯片杂交提供适合的温度环境。温度控制算法采用基于ARM9的比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器算法具有稳定性好、工作可靠、调整方便的优点，是工业控制的主要技术之一，用于本发明的杂交温度控制预期能达到很好的效果。被控对象铜基板的结构、参数和随机的扰动不能完全掌握，得不到精确的数学模型，控制理论的其它算法难以采用，因此温度控制系统结构和参数必须依靠经验和研发阶段的调试来确定，应用PID控制技术最为方便，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。比例 (P)控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分(I)控制的输出与输入误差信号的积分成正比关系，对本仪器的温度控制系统，如果在进入稳态后存在稳态温度误差，这个温度控制系统是有稳态温度误差的，为了消除稳态误差，在控制器中引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大，这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态温度误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI)控制器算法，可以使系统在进入稳态后无稳态温度误差。微分(D)控制的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系，温度控制系统在克服误差的调节过程中会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件(铜基板导热可能出现滞后)，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于温度误差的变化。为解决这个问题，使抑制误差的作用的变化“超前”，使得在温度误差接近零时，抑制误差的作用为零，需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有PID的稳定控制器和算法，就能够提前使抑制温度误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。优选地，所述连接器包括
第一连接端，用于连接所述电化学基因传感器；
环境控制端，与所述芯片加热装置连接，调节控制电化学基因传感器的温度； 第二电信号传输接口，与所述第二连接管理装置连接；
所述第一连接端包括电化学基因传感器固定位和与所述电化学基因传感器连接的第一电信号传输接口，所述电化学基因传感器固定位用于固定电化学基因传感器，所述第一电信号传输接口用于与电化学基因传感器进行数据传输；
所述第二电信号传输接口与所述第一电信号传输接口相互连接，用于第二连接管理装置与所述电化学基因传感器之间传输电信号。优选地，第二连接管理装置包括数字电路、转换模块、低压驱动模块和电压采集反馈电路；
所述数字电路控制低压驱动模块产生的激励电压的输出量，电压采集反馈电路采集激励电压，并且转换模块将模拟信号转换成数字信号，控制器采集包含电压采集以及经过模拟信号转换成的数字信号，进行检测、控制和结果分析。
权利要求
1.一种用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述装置包括基因检测器和控制器，所述控制器控制所述基因检测器进行基因检测的过程，采集和接收基因检测器的扫描数据，并进行结果分析；所述基因检测器包括电化学基因传感器、连接器、第二连接管理装置和芯片加热装置，所述电化学基因传感器采用电化学技术对待检测物杂交反应后的分子进行标记，实现基因检测，所述第二连接管理装置通过交流伏安法扫描经过标记的检测信号，并根据所述控制器的指令控制基因检测的过程，以及控制所述芯片加热装置的输出温度；所述连接器用于所述电化学基因传感器分别与第二连接管理装置和芯片加热装置连接。
2.根据权利要求1所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述控制器包括第一管理连接模块、第一处理模块和第二处理模块；所述第一管理连接模块与所述基因检测器连接，接收第二连接管理装置输出的扫描数据，并与所述第二连接管理装置进行数据交互，所述第二处理模块对获取的数据进行结果分析；所述第一处理模块与所述第一管理连接模块连接，用于对所述基因检测器进行控制和管理，对芯片加热装置进行控制，并用于对外的通信和连接管理。
3.根据权利要求2所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，第一处理模块包括 数据处理单元和温度控制单元，所述数据处理单元用于对所述基因检测器进行控制和管理，并用于对外的通信和连接管理，所述温度控制单元用于控制芯片加热装置，实时调节电化学基因传感器的温度。
4.根据权利要求3所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括一个或多个基因检测器，用于对一个或多个待检测物进行基因检测，所述芯片加热装置包括一个或多个芯片加热端，与所述一个或多个基因检测器连接。
5.根据权利要求4所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述温度控制单元包括一个或多个温度调节元件和一个或多个温度反馈元件，所述一个或多个温度调节元件分别对应于一个或多个基因检测器，所述一个或多个温度反馈元件分别对应于一个或多个基因检测器，用于检测基因检测器的温度，所述一个或多个温度调节元件跟据所述一个或多个温度反馈单元对基因检测器的温度监控，分别对一个或多个基因检测器上的芯片加热装置实时控制。
6.根据权利要求5所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述一个或多个温度调节元件包括比较元件，用于将一个或多个温度反馈单元所检测到的温度模拟数字转换后，将数字信号转换为温度与目标温度进行比较；控制元件，基于比较结果，根据温度变化的幅度、速率等参数预测温度变化情况，实时调整温度控制输出量；执行元件，根据控制元件的输出控制量，控制所述芯片加热装置的温度。
7.根据权利要求6所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，所述连接器包括第一连接端，用于连接所述电化学基因传感器；环境控制端，与所述芯片加热装置连接，调节控制电化学基因传感器的温度；第二电信号传输接口，与所述第二连接管理装置连接；所述第一连接端包括电化学基因传感器固定位和与所述电化学基因传感器连接的第一电信号传输接口，所述电化学基因传感器固定位用于固定电化学基因传感器，所述第一电信号传输接口用于与电化学基因传感器进行数据传输；所述第二电信号传输接口与所述第一电信号传输接口相互连接，用于第二连接管理装置与所述电化学基因传感器之间传输电信号。
8.根据权利要求1 7任一所述的用于基因检测的检测装置，其特征在于，第二连接管理装置包括数字电路、转换模块、低压驱动模块和电压采集反馈电路；所述数字电路控制低压驱动模块产生的激励电压的输出量，电压采集反馈电路采集激励电压，并且转换模块将模拟信号转换成数字信号，控制器采集包含电压采集以及经过模拟信号转换成的数字信号，进行检测、控制和结果分析。
全文摘要
本发明提供一种简便、快速的用于基因检测的检测装置。一种用于基因检测的检测装置，所述装置包括基因检测器和控制器，所述控制器控制所述基因检测器进行基因检测的过程，采集和接收基因检测器的扫描数据，并进行结果分析；采用高精度仪器对检验过程进行控制，大大的提高了检验的速度和效率，并且有效的节约了检验的成本和人力资源，达到高速、准确和精确的检验DNA。
文档编号C12M1/34GK102559482SQ201110455939
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者周诗寒, 李明, 洪俊安, 蔡伟光, 谢剑锋, 陈华云 申请人:中山大学达安基因股份有限公司