一种实时荧光pcr扩增仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种实时荧光PCR扩增仪,它由加热致冷模块、样品管载盘组件、检测模块、传感器和控制器组成。用于在生物体外扩增特定的DNA片段,同时利用荧光信号的变化,实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物的量的变化,用以进行定量分析。
【专利说明】-种实时荧光PCR扩增仪
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种实时荧光PCR扩增仪，它由加热致冷模块、样品管载盘组件、检测 模块、传感器和控制器组成。用于在生物体外扩增特定的DNA片段，同时利用荧光信号的 变化，实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物的量的变化，用以进行定量分析。 现有技术：
[0002] DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。人们在体外实验中发现，DNA在 高温时可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，配合生物学手段通 过温度变化控制DNA的变性和复性，并且多次重复"变性解链-退火-合成延伸"的循环 就能以几何级数大量扩增特定的基因。在PCR技术的发展过程中，热稳定DNA聚合酶的发 现以及温度循环的自动化大大简化了 PCR扩增程序。荧光定量PCR扩增技术是在PCR反应 体系中加入荧光基团，随着PCR反应的循环利用其荧光信号强度的积累，可以实现实时监 测整个PCR进程。
[0003] 目前，PCR扩增仪一般有四种类型，分别是普通PCR扩增仪、荧光PCR扩增仪、梯 度PCR扩增仪和原位PCR扩增仪，它们原理相似，但由于精确的温度控制是决定PCR反应 能否成功的关键，因此在仪器结构、加热致冷方式和荧光检测方式等方面各不相同各有不 同应用。PCR扩增仪的应用有：感染性、遗传性疾病及恶性肿瘤的分子诊断和研究、亲子鉴 定、克隆基因等。
【发明内容】
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[0004] 多数PCR扩增仪扩增结束后不进行检测，其扩增反应的终点产物检测是由其它设 备完成。荧光PCR扩增仪包含实时荧光PCR扩增仪和普通荧光PCR扩增仪，后者是在扩增 结束后由该扩增仪进行检测。实时荧光PCR扩增仪是在扩增过程进行检测，它须要解决检 测方式和检测速度问题。目前荧光PCR扩增仪是采用超低温CCD成像，该系统一次对多点 成像，但检测灵敏度低精确度差，还有的采用光学系统逐个扫描样品并检测，但其扫描系 统复杂造价昂贵且检测速度慢，因此对于大多数少量样品的精确扩增实时检测是很不经 济的。本发明介绍一种实时荧光PCR扩增仪，它由加热致冷模块、样品管载盘组件、检测模 块、钼热电阻和控制器组成。其特征是加热致冷模块由电加热圈、致冷器、散热器和电风扇 组成，电加热圈与致冷器之间有一加热致冷室，电加热圈和致冷器功率可变，用于对其周 围空气加热致冷。致冷器装有半导体致冷片，各半导体致冷片可接成串并联方式以适合其 功率和供电电压需求，半导体致冷片的热面与散热器接触用于向外散热，冷面与导热板接 触，并通过改变半导体致冷片供电电流实现改变致冷功率。电加热圈与致冷器的冷热气流 通过加热致冷室、电加热圈的中间孔经电风扇搅匀后向下推送给样品管载盘中的样品，该 结构隔离了向上的不均匀热气流使样品温度更均匀。样品管载盘组件由样品管载盘、步进 电机和传动轴组成。样品管载盘靠外圆圈沿圆周均等分布用于放置样品管的孔，在样品管 的孔靠外圆圈处钻一定位孔用于安装激光对射定位装置，以识别样品管的1号孔，即当样 品管的1号孔进入测量位置时，激光二极管发射的光信号刚好通过定位孔被光线接收头 所接收，从而起动检测，并由步进电机带动样品管载盘旋转，依序定位检测各样品管中的 样品。采用激光对射定位装置其定位精度高，激光对射定位装置由发射装置中的激光二极 管和定位接收装置中的光线接收头构成，激光二极管额定功率取不大于〇.4mW，采用占空 比小的激光二极管脉冲电源因此是十分安全的。传动轴两端分别与步进电机的轴和样品管 载盘固定，用于传递步进电机转角。在靠近样品管载盘的样品管的外侧均匀分布3只钼热 电阻的传感器，钼热电阻的补偿电阻采用精密线绕电阻，同时在控制器中装有3至4只精 密线绕电阻，其电阻值按照DNA变性、复性和延伸三个环节所设定温度附近的温度点查钼 热电阻分度表获得，由于不同的引物设计其反应温度不同因此可多一个精密线绕电阻，将 精密线绕电阻对应的温度值记录保存在控制器的非易失存储器中，用于校正仪表温度。所 述校正是在每次开机后进行误差校验一次，它通过单多通道模拟电子开关分时选通精密 线绕电阻接入输入信号放大电路II实现校验。PCR扩增仪在工作状态3只钼热电阻所测温 度，应当在允许的样品管间温度误差范围内，校正时由定时送检获得各钼热电阻温度测量 误差，以及精密线绕电阻所显示温度与所述保存在非易失存储器中的应当显示温度之差， 由控制器对钼热电阻所测温度进行补偿。检测模块由激发光源和检测接收装置组成。激 发光源由LED发光二极管、反光杯、滤光镜I和激发隔离筒构成，单色LED发光二极管价 格低、能耗少、寿命长，但是需要不同的LED发光二极管再配滤光镜才能更好地实现不同激 发波长，采用反光杯使光线更加集中。检测接收装置由接收隔离筒、滤光镜II和光电倍增 管组成，激发光源和检测接收装置置于加热室外，以减少热源波动对发射和接收灵敏度的 影响，并均通过光的隔离筒在加热室内向样品发射和接收光信号，隔离筒与滤光镜都是用 于排除环境光和无用光信号的影响，用以提高光检测精度。控制器由单多通道模拟电子开 关、输入信号放大电路I、输入信号放大电路II、输入调理电路I、输入调理电路II、输入多 选一开关、A/D转换电路、单片机、RS232电路、加热电源、步进电机驱动电路和致冷器电源 电路组成。其中输入信号放大电路I中包含由高精度的LT1014或0PA121等精密运算放大 器它和输入调理电路I组成专用光信号放大电路，输入信号放大电路II由0P07组成的温 度毫伏信号放大电路及其输入调理电路II构成。RS232电路用于与上位机通信，它将荧光 信号采集后送计算机分析研究和处理，得出量化的实时结果。
[0005] 所述一种实时荧光PCR扩增仪在其中控制器控制下，根据PCR反应环节所设定的 温度先以大功率升温或降温，当达到设定的温度后，再以小功率的加热或致冷，使温度控 制的回差保持在PCR扩增允许的温度控制精度范围内，并使PCR扩增仪可以将各样品管加 热或冷却到每步反应所需的精确温度，再利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每 一个循环扩增产物的量的变化，但其检测速度须保证每一个循环对样品管载盘上所有样 品检测完成。所述加热致冷模块安装于PCR扩增仪的盖中，打开该盖即可装卸样品管。
【专利附图】
【附图说明】：
[0006] 图1是一种实时荧光PCR扩增仪的结构示意图。
[0007] 图2是一种实时荧光PCR扩增仪的构成方框示意图。 实施例：
[0008] -种实时荧光PCR扩增仪的结构示意图如图1所示。它是由电加热圈3、致冷器2、 散热器1和电风扇4组成的加热致冷模块，由样品管载盘14、步进电机11和传动轴13组 成的样品管载盘组件，由激发光源8和检测接收装置10组成的检测模块，及由钼热电阻 16、控制器12、外壳18及盖19组成。电加热圈3采用电热管加热，致冷器2采用半导体致 冷片。其中样品管载盘14靠外圆圈沿圆周均等分布24个孔用于放置样品管6,样品管6上 安装有热盖5。在样品管6的孔靠外圆圈处钻一定位孔用于安装激光对射定位装置，该激 光对射定位装置由发射装置17的激光二极管和定位接收装置15中的光线接收头构成，以 识别样品管载盘14的1号孔。由LED发光二极管、反光杯、滤光镜I和激发隔离筒7构成 激发光源8,检测接收装置10由接收隔离筒9、滤光镜II和光电倍增管组成，反光杯可采用 LED发光二极管手电筒用的反光杯，激发光源8和检测接收装置10利用激发隔离筒和接收 隔离筒穿过反应室的壁向样品管6发射和接收光信号，它与滤光镜都是用于排除环境光和 无用光信号的影响。控制器12中由单多通道模拟电子开关，及由输入信号放大电路II、输 入调理II组成的温度毫伏信号放大电路，和由输入信号放大电路I、输入调理I组成的光 输入信号放大电路。它们经输入多选一开关选通后送A/D转换电路、单片机处理。其中专 用的光输入信号放大电路由高精度LT1014放大电路组成及由0P07组成的温度毫伏信号放 大电路。控制器12中还设置RS232电路、加热电源、致冷电源和步进电机11驱动电路。其 中RS232电路用于与上位机通信。
【权利要求】
1. 一种实时荧光PCR扩增仪，它由加热致冷模块、样品管载盘组件、检测模块、钼热电 阻和控制器组成，其特征是加热致冷模块由电加热圈、致冷器、散热器和电风扇组成，电加 热圈与致冷器之间有一加热致冷室，电加热圈和致冷器功率可变，用于对其周围空气加热 致冷，致冷器装有半导体致冷片，改变半导体致冷片供电电流实现改变致冷功率，电加热 圈与致冷器的冷热气流通过加热致冷室、电加热圈的中间孔经电风扇搅匀后向下推送给样 品管载盘中的样品，该结构隔离了向上的不均匀热气流使样品温度更均匀，样品管载盘组 件由样品管载盘、步进电机和传动轴组成，样品管载盘均等分布用于放置样品管的孔，并 安装激光对射定位装置，以识别样品管的1号孔，即当样品管的1号孔进入测量位置时， 激光二极管发射的光信号刚好通过定位孔被光线接收头所接收，从而起动检测，并由步进 电机带动样品管载盘旋转，依序定位检测各样品管中的样品，采用激光对射定位装置其定 位精度高，激光对射定位装置由发射装置中的激光二极管和定位接收装置中的光线接收 头构成，激光二极管额定功率取不大于〇.4mW，采用占空比小的激光二极管脉冲电源，传 动轴两端分别与步进电机的轴和样品管载盘固定，用于传递步进电机转角，在靠近样品管 载盘的样品管的外侧均匀分布3只钼热电阻的传感器，钼热电阻的补偿电阻采用精密线 绕电阻，同时在控制器中装有3至4只精密线绕电阻，其电阻值按照DNA变性、复性和延 伸三个环节所设定温度附近的温度点查钼热电阻分度表获得，将精密线绕电阻对应的温 度值记录保存在控制器的非易失存储器中，用于校正仪表温度，所述校正是在每次开机后 进行误差校验一次，它通过单多通道模拟电子开关分时选通精密线绕电阻接入输入信号 放大电路II实现校验，校正时由定时送检获得各钼热电阻温度测量误差，以及精密线绕电 阻所显示温度与所述保存在非易失存储器中的应当显示温度之差，由控制器对钼热电阻 所测温度进行补偿，检测模块由激发光源和检测接收装置组成，激发光源由LED发光二极 管、反光杯、滤光镜I和激发隔离筒构成，需要不同的LED发光二极管再配滤光镜才能更好 地实现不同激发波长，采用反光杯使光线更加集中，检测接收装置由接收隔离筒、滤光镜 Π和光电倍增管组成，激发光源和检测接收装置置于加热室外，以减少热源波动对发射和 接收灵敏度的影响，并均通过光的隔离筒在加热室内向样品发射和接收光信号，隔离筒与 滤光镜都是用于排除环境光和无用光信号的影响，用以提高光检测精度，温度控制是在控 制器控制下，根据PCR反应环节所设定的温度先以大功率升温或降温，当达到设定的温度 后，再以小功率的加热或致冷，使温度控制的回差保持在PCR扩增允许的温度控制精度范 围内。
2. 根据权利要求1所述的一种实时荧光PCR扩增仪，其特征在于还包括： 它由加热致冷模块、样品管载盘组件、检测模块、钼热电阻和控制器组成，其中控制器 由单多通道模拟电子开关、输入信号放大电路I、输入信号放大电路II、输入调理电路I、 输入调理电路II、输入多选一开关、A/D转换电路、单片机、RS232电路、加热电源、步进电机 驱动电路和致冷器电源电路组成，其中输入信号放大电路I中包含由高精度的LT1014或 0PA121等精密运算放大器它和输入调理电路I组成专用光信号放大电路，输入信号放大 电路II由0P07组成的温度毫伏信号放大电路及其输入调理电路II构成。
【文档编号】C12M1/38GK104120078SQ201410377161
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月2日 优先权日:2014年8月2日
【发明者】张金木 申请人:张金木