一种便携式聚合酶链式反应病毒检测装置和检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及聚合酶链式反应，尤其涉及一种便携式聚合酶链式反应病毒检测装置和检测方法。
【背景技术】
[0002]聚合酶链式反应(PCR，Polymerase Chain React1n)是一种分子生物学的技术，它是用来放大或复制一段DNA序列以产生上千甚至上万段特定DNA序列，聚合酶链式反应的过程如图1所示。这种方法依赖于热循环，包含了几段在特定温度之间的循环以提供DNA的分解与酶的复制。原始DNA链中包含了所需要的DNA片段。所加入的酶将会选定特定的DNA片段进行复制。因此，无论是化石中的古生物、历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点的DNA，就能用PCR加以放大，进行比对。这也是“微量证据”的威力之所在。
[0003]聚合酶链式反应是利用DNA在体外摄氏95°高温时变性会变成单链，低温(经常是60°C左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72°C左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5’-3’)的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。现有的PCR温控装置多为桌面仪器，不仅体积大，结构复杂，而且价格昂贵，普通国产的PCR仪都在万元以上。因此，本领域的技术人员致力于开发一种便携式聚合酶链式反应病毒检测装置，其具有小型化，并能代替桌面设备的特点。
【发明内容】
[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何将现有的PCR仪器小型化，增加便携性。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种便携式聚合酶链式反应病毒检测装置，包括单片机控制模块、加热冷却模块、激光检测模块和受温控容器，所述单片机控制模块被配置为控制所述加热冷却模块，并处理来自所述激光检测模块的数据。
[0006]进一步地，所述加热冷却模块包括温度传感器、加热模块、冷却模块、第一功率控制模块和第二功率控制模块；所述第一功率控制模块被配置为接受所述单片机控制模块的指令，控制所述加热模块；所述第二功率控制模块被配置为接受所述单片机控制模块的指令，控制所述冷却模块。
[0007]进一步地，所述激光检测模块被配置为检测所述受温控容器内的DNA浓度，并将所述DNA浓度的数据提供给所述单片机控制模块。
[0008]进一步地，所述单片机控制模块对所述加热冷却模块的控制算法采用PID算法。
[0009]进一步地，所述单片机控制模块对所述第一功率控制模块和所述第二功率控制模块采用PWM方式。
[0010]进一步地，所述加热模块采用薄膜加热片；所述冷却模块采用半导体冷却片。
[0011]进一步地，所述单片机控制模块采用8051系列单片机。
[0012]进一步地，所述8051系列单片机采用98S52。
[0013]进一步地，所述8051系列单片机的P1 口设置有手动按键，所述第一功率控制模块和所述第二功率控制模块设置在P2 口，所述温度传感器和所述激光检测模块设置在P2 口。
[0014]本发明还提供了一种便携式聚合酶链式反应病毒检测方法，包括:
[0015]S1、提供如权利要求1-9任一一种便携式聚合酶链式反应病毒检测装置；
[0016]S2、提供目标DNA模板和引物；
[0017]S3、加热受温控容器到95度并维持1分钟；
[0018]S4、重复下述三步20-35个循环:
[0019]a)加热所述受温控容器至94-98度，维持20_30秒；
[0020]b)降温所述受温控容器至50-60度，维持20-40秒；
[0021]c)加热所述受温控容器至70-75度，维持15-40秒；
[0022]S5、维持所述受温控容器在70-74度，维持5_15分钟；
[0023]S6、维持所述受温控容器在4-15度不超过24小时。
[0024]本发明所述技术方案是将PCR反应装置植入一个集成的系统，以搭建成一个小型的设备来检测特定的病毒。这个设备可以被划分为三个模块:首先是单片机控制模块，用来控制加热冷却模块与激光检测模块，也用来处理来自激光检测模块的数据以确定DNA的密度。其次是加热冷却模块和激光检测模块。
[0025]本发明所述技术方案的整个PCR过程所需要的步骤和时间如下:
[0026]1.初始过程:加热到95度并维持1分钟；
[0027]2.20-35个三步循环:
[0028]a)变性:加热至94-98度，维持20-30秒；
[0029]b)退火:降温至50-60度，维持20-40秒；
[0030]c)延伸:加热至70-75度，维持15-40秒；
[0031]3.最后延伸:维持在70-74度，维持5_15分钟；
[0032]4.最后维持:维持于4-15度时间若干，但不超过24小时。
[0033]本发明所述技术方案的单片机控制模块对于加热冷却模块，通过对单片机输入输出针脚采用了 PID控制算法进行控制，通过采集温度传感器传回的温度数据与目标温度进行数据处理，来控制加热与冷却的输出功率，从而完成温度控制。经过PID算法所得出的数据，我们通过PWM方式来输出到针脚口以控制加热冷却模块的功率驱动。本发明所述技术方案的加热冷却驱动电路采用的是薄膜加热片和半导体冷却片。
[0034]本发明所述技术方案所能达到的技术效果是把原本桌面仪器变成可以装入口袋的小型便携式仪器，但是在技术特性上也能达到桌面仪器对温度的精确控制。
[0035]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0036]图1是聚合酶链式反应的原理示意图；
[0037]图2是本发明一个较佳实施例的硬件电路图；
[0038]图3是本发明一个较佳实施例的系统结构图；
[0039]图4是本发明一个较佳实施例的PID控制算法示意图。
【具体实施方式】
[0040]如图3所示，本发明所述技术方案是将PCR反应装置植入一个集成的系统，以搭建成一个小型的设备来检测特定的病毒。这个设备可以被划分为三个模块:首先是单片机控制模块，用来控制加热冷却模块与激光检测模块，也用来处理来自激光检测模块的数据以确定DNA的密度；其次是加热冷却模块和激光检测模块。
[0041]本发明所述技术方案的整个PCR过程所需要的步骤和时间如下:
[0042]1.初始过程:加热到95度并维持I分钟；
[0043]2.20-35个三步循环:
[0044]a)变性:加热至94-98度，维持20-30秒；
[0045]b)退火:降温至50-60度，维持20-40秒；
[0046]c)延伸:加热至70-75度，维持15-40秒；
[0047]3.最后延伸:维持在70-74度，维持5-15分钟；
[0048]4.最后维持:维持于4-15度时间若干，但不超过24小时。
[0049]这样一来，本发明所述的小型PCR检测装置，如果执行20个循环，那么一个PCR反应的总时间是1+5+20 X (20+20+15)/60，大约是25分钟。
[0050]本发明所述技术方案的单片机控制模块对于加热冷却模块，通过对单片机输入输出针脚采用了 PID控制算法进行控制，如图4所示，通过采集温度传感器传回的温度数据与目标温度进行数据处理，来控制加热与冷却的输出功率，从而完成温度控制。经过PID算法所得出的数据，我们通过PWM方式来输出到针脚口以控制加热冷却模块的功率驱动。
[0051]如图2所示，本发明所述技术方案的整体系统电路图，CPU采用的8051体系的89S52芯片，其中单片机的Pl 口设置有手动按键，加热和冷却模块设置在P2 口，温度传感器和激光检测模块设置在P2 口。
[0052]本发明所述技术方案的加热冷却驱动电路采用的是薄膜加热片和半导体冷却片。
[0053]本发明所述技术方案的单片机控制模块的PID控制算法如下:
[0054]c木木木木木木木木木木木木木木木木木木/
[0055]uchar set ；
[0056]uint rout ；//PID Response (Output)
[0057]uchar high_time，count = 0 ；
[0058]uchar numl = 0 ；
[0059]uchar