专利名称：基因扩增仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种遗传学实验中使用的具有特殊结构和功能的基因(DNA)扩增仪，也称聚合酶链反应(PalymeraseChinReaction)仪，即PCR仪。
到目前为止，有两种类型的基因扩增仪正被人们所使用。一种是用三个恒温水浴槽，连同机械操作臂进行操作，其缺点是体积大、功能少、不方便、成本高、操作复杂。另一种是美国生产的GTC-1型基因扩增仪，这种仪器虽然较先进，但也有其缺点冷却循环仍要求用循环水冷却降温，操作中仍要连接进出水管，操作复杂，加热过程中由于有冷却水的存在，其温 曲线的上升速率较慢，冷却的下限温度受冷却水的限制，由于仪器内有水的存在，整个仪器系统的安全性较差，对仪器寿命有不利影响。
本发明的目的是将半导体致冷技术、片状PTC元件加热技术和计算机模糊控制理论引入基因扩增仪，使整个仪器的性能指标有了质的飞跃。本发明提出的方案能克服现有仪器的缺点，具有升降温快、易操作、功能强、成本低的优点，是一种全干式无水工作的基因扩增仪。由于在发明中使用了半导体致冷技术，使无水操作成为可能，提高了整个系统的安全性，延长了仪器的寿命。又因为在温度的控制上考虑了热惯性因子，以温度变化导数和阈值参数为条件，按模糊控制理论推导出拟合控制方案，从而使本仪器具有升降温曲线好，控温准确，简化操作的优点。
本发明的特点是1.有一个特殊形状的工作槽金属块[1]，其上开有加热槽面[12]、致冷槽面[13]、样品槽孔[14]和测温槽孔[15]，其材料为热的良导体，一般用铜合金或铝合金。要求其热惯性因子要小。
2.加热部件采用片状带薄云母绝缘片的PTC加热元件[23]，由于是具有正温度系数的加热元件，因而既提高了热效率，又加强了安全性，同时还减小了体积。
3.致冷部件采用热电隅式半导体温差致冷元件[35]，实现了无水冷却降温，将其电源极性反接又可以使半导体致冷元件发热，从而实现保温的功能。
4.整个系统的温控、显示、输入参数及定时，均由一片8位单片计算机[4]来进行自动控制，使用操作极为简单，功能得到很大的扩展。
5.温度控制采样为可自动校准温度探头的数字式温度计[5]，省去了调校温度计的麻烦，简化了操作手续，提高了控制精度。
6.计算机温控软件上，考虑了热惯性因子，以温度变化导数和阈值为条件，引入模糊控制理论，按设定的温度变化曲线推导出拟合控制方案，使温度的变化更快更准确，减小了温度过渡区间。
附
图1是本发明基因扩增仪的工作原理示意图。
附图2是本发明基因扩增仪的工作槽块结构示意图。
附图3是本发明基因扩增仪的工作曲线图。
附图4是本发明基因扩增仪的加热部件原理图。
附图5是本发明基因扩增仪的制冷部件原理图。
附图6是本发明基因扩增仪的计算机控制原理图。
附图7是本发明基因扩增仪的程控电源原理示意图。
结合附图进一步描述本发明基因扩增仪的工作原理本发明所涉及的新型基因扩增仪是由特殊形状的工作槽金属块[1]、片状PTC加热部件[2]、半导体致冷部件[3]、控制计算机[4]、自校准数字温度计[5]、程控电源[6]、高精度定时器[7]、风冷散热器[8]、隔热器[9]、专用监控程序电路[10]、及外壳和操作面板[11]组成。工作槽金属块[1]是由其底部的片状PTC加热部件[2]加热升温，由贴在其四周的半导体致冷部件[3]致冷降温，并由风冷散热器[8]直接散热;控制计算机[4]通过探头设在工作槽金属块[1]内的自校准数字温度计[5]获得输入温度数据，按专用监控程序电路[10]内所设置的程序，经查询高精度定时器[7]计算后输出控制信号送至程控电源[6]，由程控电源[6]控制片状PTC加热部件[2]或半导体致冷部件[3]的工作;程序由外壳及操作面板[11]上的键盘和显示器输入和显示;隔热器[9]压在工作槽金属块[1]上防止热量散失。
工作槽金属块[1]是热的良导体，一般用铜或铝的合金制成，其底部有平坦的加热槽面[12]和条形的测温槽孔[15]，片状PTC加热元件[23]紧贴在加热槽面[12]上，其接触面上涂有导热硅脂。在测温槽孔[15]内插有自校准温度探头，并由导槽将自校准温度探头的导线引出。四周的四个平面为致冷槽面[13]，半导体致冷元件[35]的致冷面紧贴在致冷槽面[13]上，其接触面上涂有导热硅脂。工作槽金属块[1]的上面有排列的样品槽孔[14]，其形状与样品试管相匹配，使样品试管能顺利插入且与槽孔壁接触良好。
片状PTC加热部件[2]的核心是由薄云母做电隔离的具有正温度系数的加热器[23]，当片状PTC加热器[23]开始通电加热时，温度迅速上升，当达到片状PTC加热器[23]的居里点时，片状PTC加热器[23]的电阻迅速上升，由于加在片状PTC加热器[23]两端的电压不变，流过片状PTC加热器[23]的电流迅速下降点，其功率也迅速下降，温度不再上升，自动进入保温状态，温度将保持在片状PTC加热器[23]的居里点温度上，从而给工作槽金属块[1]均匀供热。由控制计算机[4]送出受数字脉冲占空比调制的加热控制脉冲信号，通过光电隔离器[22]、限流电阻[24]，加在双向可控硅[21]的控制端，从而控制片状PTC加热部件[2]的核心加热器[23]工作，达到加热调温的目的。
半导体致冷部件[3]的核心是热电隅式半导体致冷元件[35]，热电隅式半导体致冷元件[35]的接线两端加有直流电时，由于半导体热电隅的温差致冷效应使该片状元件的一面发热，另一面致冷，从而降低了工作槽金属块[1]的温度。由控制计算机[4]送出受数字脉冲占空比调制的致冷控制信号通过光电隔离器[31]、限流电阻[37]，加在双向可控硅[33]的控制端，从而控制动力变压器[32]电源的通断。动力变压器[32]输出的低压交流电经整流滤波器[36]成为直流电，通过致冷发热控制器[34]的切换加到半导体致冷部件[3]的核心致冷元件[35]上，使其致冷工作。风冷散热器[8]是由仪表轴流风扇直接风冷的黑色条形槽铝，并与半导体致冷元件[35]的发热端紧密接触，在其接触面上涂有导热硅脂，以降低接触热阻。
控制计算机[4]是以8位单片计算机[41]为核心，8位μP兼容A/D转换器[42]、高精度定时器[7]、键盘输入及显示器电路[11]、功能执行电路[43]、存储器[10]是由74LS系列TTL电路组成的总线辅助电路[44]与8位单片计算机[41]相联系的。自校准数字温度计[5]是由自校准温度探头、高温导线、集成运算放大器组成。自校准温度探头是一种能自动校准零点的温度电压换能器，具有测温准确、无须人工校准的优点。由于温度探头的引线需要穿过温度较高的工作槽金属块[1]，因此必须使用高温导线传递信号，集成运算放大器将此信号放大并输出。自校准数字温度计[5]的输出温度数据信号传送到8位μP兼容A/D转换器[42]，由A/D转换器[42]转换成数字数据，供8位单片计算机[41]读取。8位单片计算机[41]通过外壳和操作面板[11]上的键盘和显示器输入执行程序，并存储于专用监控程序电路[10]的存储器中。专用监控程序电路[10]是由控制程序存储器和不掉电执行程序存贮器组成，两者均与控制计算机[4]的总线相连接，不掉电执行程序存贮器内设有掉电保护电路和可充电电池，保证在关机后仍保持执行程序存贮器内的执行程序不丢失。8位单片计算机[41]工作时，执行专用监控程序电路[10]的存储器中的执行程序，读取A/D转换器[42]内的数据，与执行程序中的设定参数相比较，再读取高精度定时器[7]内的定时参数，经运算后得出控制数据，将控制数据传送到功能执行电路[43]，从而驱动程控电源[6]控制片状PTC加热部件[2]和半导体致冷部件[3]的工作。
整个系统的程控电源[6]是由动力电源变压器[61]、动力电源调节器[62]、电源滤波器[63]、计算机电源稳压器[64]及程控开关电路[65]组成。220伏交流电送至动力电源变压器[61]、动力电源调节器[62]和电源滤波器[63]，电源滤波器[63]滤波后的交流电送至计算机电源稳压器[64]，由计算机电源稳压器[64]整流滤波稳压后向控制计算机[4]供电。受控制计算机[4]控制的程控开关电路[65]决定动力电源变压器[61]和动力电源调节器[62]的工作状态，从而分别给半导体致冷部件[3]片状PTC加热部件[2]提供电源。
隔热器[9]是按内外顺序由辐射能反射层、石棉耐热层、高温耐热泡沫层、环氧树脂纤维固化层用耐高温粘合剂粘合而成，具有隔热、压迫样品试管使之与工作槽金属块[1]上的样品槽孔[14]紧密接触的功能。
本仪器在开机后，需由操作人员输入工作程序或选择固定工作程序。预热五分钟后将样品试管插入样品槽孔[14]中，启动工作程序，片状PTC加热部件[2]将工作槽金属块[1]加热到预定温度，并保持预定的时间。然后按程序的规定自动转换到下一个设定温度。要求温度上升，则用片状PTC加热部件[2]加热;要求温度下降，则用半导体致冷部件[3]制冷降温，从而完成整个工作循环。控制计算机[4]在整个工作循环中起控制作用，控制计算机[4]从自校准数字温度计[5]读取工作槽金属块[1]的温度，并显示在显示器[11]上，与设定程序比较计算后，输出控制信号控制加热或制冷。在温度的控制计算上考虑了热惯性因子，以温度变化导数和阈值参数为条件，按模糊控制理论推导出拟合控制方案，从而使本仪器的升降温曲线更接近于理想升降温曲线，控制温度准确。附图3说明了具有制冷过程的温度上升曲线过冲温度小的特点。
下面以一个具体实施程序的操作及执行详细说明本发明基因扩增仪的工作原理例如操作者输入程序要求为第一步，在50℃温度下保持1分钟;第二步，升温至70℃保持2分钟;第三步，升温至91℃保持2分钟;第四步，降温至50℃;如此循环5次。开机后预热5分钟，将样品试管插入样品槽孔[14]中，启动工作程序，片状PTC加热器[2]将工作槽金属块[1]的温度加热至50℃，并通过调节功率来保持温度。当50℃保温时间到58秒时，控制计算机[4]控制片状PTC加热器[2]全功率加温，由于工作槽金属块[1]的热惯性存在，2秒钟后工作槽金属块[1]的温度才开始上升。控制计算机[4]根据工作槽金属块[1]的温度的上升梯度，在其温度达到69℃时停止加热，同时根据温度上升速度打开半导体致冷器[3]制冷1至2秒钟，用以防止升温过快，再将片状PTC加热器[2]调至保温工作状态。这样，工作槽金属块[1]的温度就能很快稳定在70℃，并保持这个温度。当保温70℃至1分58秒时，片状PTC加热器[2]再次开到全功率状态，同样原理使温度上升并保持在91℃，当保温91℃接近2分钟时，片状PTC加热器[2]关闭，半导体致冷器[3]调至全功率状态，温度迅速下降至50℃，从而完成一个工作循环。按上述步骤循环工作5次，停止加热和制冷，并输出声光报警信号，表示已完成工作。
本发明所涉及的基因扩增仪是PCR技术应用的关键仪器设备，PCR技术虽然出现才几年，但其应用越来越广泛，取代了过去传统的基因克隆方法。诸如遗传病的基因诊断，传染性疾病的致病原(细菌，病毒)的检测，活化癌基因的研究，等位序列变异体分析，免疫生物学，癌生物学及分子生物学其他领域。在临床医学上同样也得到了广泛的应用，如肿瘤的诊断，肝炎病的诊断，产前诊断，流行病诊断及基因治疗等。在法医领域中可用于基因判别，亲子鉴别。由于本发明基因扩增仪的实施、推广，必将推动上述领域的发展，更好地为人民的健康做出应有的贡献。
权利要求
1.一种基因扩增仪，其特征在于全系统由特殊形状的工作槽金属块[1]、片状PTC加热部件[2]、半导体致冷部件[3]、控制计算机[4]、自校准数字温度计[5]、程控电源[6]、高精度定时器[7]、风冷散热器[8]、隔热器[9]、专用监控程序电路[10]、及外壳和操作面板[11]组成；工作槽金属块[1]是由其底部的片状PTC加热部件[2]加热升温，由贴在其四周的半导体致冷部件[3]致冷降温，并由风冷散热器[8]直接散热；控制计算机[4]通过探头设在工作槽金属块[1]内的自校准数字温度计[5]获得输入温度数据，按专用监控程序电路[10]内所设置的程序，经查询高精度定时器[7]计算后输出控制信号送至程控电源[6]，由程控电源[6]控制片状PTC加热部件[2]或半导体致冷部件[3]的工作；程序由外壳及操作面板[11]上的键盘和显示器输入和显示；隔热器[9]压在工作槽金属块[1]上防止热量散失。
2.根据权利要求1所述的基因扩增仪，其特征在于特殊形状的工作槽金属块[1]是热的良导体，一般用铜或铝的合金制成，其底部有加热槽面[12]和测温槽孔[15]，四周为致冷槽面[13]，上面有排列的样品槽孔[14]。
3.根据权利要求1或2所述的基因扩增仪，其特征在于片状PTC加热部件[2]的核心是由薄云母做电隔离的具有正温度系数的加热器[23]，由控制计算机[4]送出受数字脉冲占空比调制的加热控制信号，通过光电隔离器[22]、限流电阻[24]，加在双向可控硅[21]的控制端，从而控制片状PTC加热部件[2]的核心加热器[23]工作，达到加热的目的。
4.根据权利要求1至3任一所述的基因扩增仪，其特征在于，半导体致冷部件[3]的核心是热电隅式半导体致冷元件[35]，由控制计算机[4]送出受数字脉冲占空比调制的致冷控制信号通过光电隔离器[31]、限流电阻[37]，加在双向可控硅[33]的控制端，从而控制动力变压器[32]电源的通断，动力变压器[32]输出的低压交流电经整流滤波器[36]成为直流电，通过致冷发热控制器[34]的切换加到半导体致冷部件[3]的核心半导体致冷元件[35]上，使其工作。
5.根据权利要求1至4任一所述的基因扩增仪，其特征在于控制计算机[4]是以8位单片计算机[41]为核心，8位μP兼容A/D转换器[42]、高精度定时器[7]、键盘输入及显示器电路[11]、功能执行电路[43]、存储器[10]是由74LS系列TTL电路组成的总线辅助电路[44]与8位单片计算机[41]相联系的。
6.根据权利要求1至5任一所述的基因扩增仪，其特征在于整个系统的程控电源[6]是由动力电源变压器[61]、动力电源调节器[62]、电源滤波器[63]、计算机电源稳压器[64]和程控开关[65]组成;220伏交流电送至动力电源变压器[61]、动力电源调节器[62]和电源滤波器[63]，电源滤波器[63]滤波后的电源送至计算机电源稳压器[64]，由程控开关[65]控制动力电源变压器[61]和动力电源调节器[62]的工作。
7.根据权利要求1至6任一所述的基因扩增仪，其特征在于自校准数字温度计[5]是由自校准温度探头、高温导线、集成运算放大器组成，其信号传送至控制计算机[4]的A/D转换器[42]。
8.根据权利要求1至7任一所述的基因扩增仪，其特征在于风冷散热器[8]是由仪表轴流风扇直接风冷的黑色条形槽铝，并在其接触面上涂有导热硅脂。
9.根据权利要求1至8任一所述的基因扩增仪，其特征在于专用监控程序电路[10]是由控制程序存储器和不掉电执行程序存贮器组成，两者均与控制计算机[4]的总线相连接，不掉电执行程序存贮器内设有掉电保护电路和后备可充电电源。
10.根据权利要求1至9任一所述的基因扩增仪，其特征在于隔热器[9]是按内外顺序由辐射能反射层、石棉耐热层、高温耐热泡沫层、环氧树脂纤维固化层用耐高温粘合剂粘合而成。
全文摘要
本发明涉及一种遗传学实验中使用的具有特殊结构和功能的基因扩增仪，发明的目的是将半导体致冷技术、PTC元件加热技术和计算机模糊控制理论引入基因扩增仪，使整个仪器的性能指标有了质的飞跃。它是由特殊形状的工作槽金属块、片状PTC加热部件、半导体致冷部件、控制计算机、自校准数字温度计、程控电源、高精度定时器、风冷散热器、隔热器、专用监控程序电路及外壳和操作面板组成。
文档编号C12M1/38GK1072721SQ9211494
公开日1993年6月2日 申请日期1992年12月29日 优先权日1992年12月29日
发明者陈立奇, 马越 申请人:北京市开隆仪器设备公司, 陈立奇