一种两向位移全密封热盖系统及驱动方法

技术领域

本发明涉及基因检测技术领域，尤其涉及一种两向位移全密封热盖系统及驱动方法。

背景技术

在文库制备PCR过程中，反应孔将被加热到预定的温度，为防止主反应孔样品中的水分蒸发并在PCR管盖上冷凝，通常需要对PCR管盖进行加热。使用热盖进行加热相较添加石蜡油防止蒸发的方法，避免了反应完成后石蜡油不易去除的问题，已经成为普遍使用的解决方案。

现有技术中采用的热盖大多来自于热循环仪结构，对应96孔板或PCR联排管的固定结构，在需要进行加热时，由电机驱动活动结构压紧PCR管盖并利用热盖(例如PI加热膜)对PCR管盖进行加热。现有技术中采用的热盖结构能够很好的实现PCR管盖加热，但是并不能直接适用在文库制备过程中。相较单纯的PCR热循环过程，文库制备过程更为复杂，除加热外，还需要使用移液器等部件进行加样、移液等操作，显然需要根据操作步骤控制热盖的打开、关闭并为其他功能部件(例如移液器)提供可用的操作活动空间，而不能只单独考虑热盖的加热效果；另一方面，为了保证制备所得文库可靠性，整个文库制备过程中均需要保持在密封状态下与外部环境完全隔离，确保样本不会受到污染，因此要求热盖的打开、关闭动作不能破坏卡盒整体的密封性。

由此可见，在文库制备过程中应用热盖技术所遇到的最大困难是需要实现热盖的大幅度活动位移以提供充分的操作空间，同时还需要保证热盖的位移动作在任何阶段均不能破坏卡盒的密封完整性。进一步的，对于一次性使用的卡盒来说，过于高昂的制作成本是不能被接受的，因此热盖结构还需要确保具有较低的制作成本和加工难度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种两向位移全密封热盖系统及驱动方法，通过分离的外置式位移驱动结构带动卡盒内部的热盖进行需要的水平、垂直两向位移，实现所需的热盖位移活动并能够在热盖打开后保证PCR管正上方具有充足的有效操作空间供移液器等其他功能部件进行操作；单独设置在卡盒内的热盖可以简便的采用弹性密封材料保证位移过程中的卡盒密封性，且制造简便、成本低廉，是理想的文库制备过程热盖加热解决方案。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种两向位移全密封热盖系统，其特征在于，包括相互之间不存在固定连接关系的热盖和位移驱动模块；

所述热盖通过弹性密封件可水平进出和/或垂直上下位移的密封设置在卡盒壁面上，且所述热盖保持水平并朝向需要进行加热的反应孔；

所述位移驱动模块设置在卡盒外，并驱动热盖进行水平进入、水平退出、垂直上升、垂直下降中的一种或多种位移。

进一步地，所述热盖在不受外力作用状态下通过所述弹性密封件的弹性停留在热盖开启位置，所述热盖开启位置为所述热盖水平退出至限位且垂直上升至无外力作用自然位的所在位置；所述位移驱动模块提供外力驱动所述热盖移动并停留在热盖关闭位置，所述热盖关闭位置为所述热盖水平进入至限位且垂直下降至限位并覆盖闭合所述反应孔的所在位置。

进一步地，所述弹性密封件包括可伸缩形变的风琴罩结构弹性件，且所述弹性密封件不受外力作用情况下保持收缩状态并在外力作用产生拉伸的情况下提供趋向于返回收缩状态的作用力。

进一步地，所述弹性密封件包括硅胶膜或软橡胶膜。

进一步地，所述位移驱动模块至少驱动所述热盖进行水平进入、垂直上升、垂直下降位移。

进一步地，所述热盖包括加热座和设置在加热座底面的盖体组件，所述加热座通过所述弹性密封件可水平进出和/或垂直上下位移的密封连接在卡盒壁面上；所述加热座设置有朝向外部环境开口的驱动槽，所述驱动槽至少具有水平上表面、由所述盖体组件上表面构成的水平下表面和垂直表面。

进一步地，所述位移驱动模块包括驱动臂，所述驱动臂尺寸对应所述驱动槽，并通过插入所述驱动槽推靠驱动槽内的水平上表面、水平下表面或垂直表面驱动所述盖体组件进行垂直向上、垂直向下或水平进入位移；所述驱动臂插入所述驱动槽的一端设置有加热组件。

进一步地，所述位移驱动模块还包括相对卡盒固定设置的固定座和安装在所述固定座上的驱动电机以及驱动导向结构；

所述驱动电机根据控制指令正反旋转为驱动所述驱动臂位移提供动力；

所述驱动导向结构包括由所述驱动电机带动旋转的丝杆及平行于所述丝杠的线性导向轴，和安装在所述丝杆及线性导向轴上并随所述丝杆正、反旋转进行水平进入、水平退出位移的驱动块；所述驱动块通过连杆连接所述驱动臂；所述固定座上还设置有导向槽，所述驱动臂还固定连接有凸轮随动器，所述凸轮随动器安装在所述固定座上的导向槽内并限制所述驱动臂沿所述导向槽进行位移；所述导向槽包括相连的水平段与垂直段，所述凸轮随动器经水平段水平进入位移后再经垂直段垂直向下位移。

进一步地，所述驱动块两侧各有两根平行的连杆连接所述驱动臂。

进一步地，所述导向槽的水平段与垂直段连接位置设置有导向凸起，所述凸轮随动器经所述导向凸起垂直向上位移。

进一步地，所述驱动导向结构还包括滑动安装在所述丝杆及线性导向轴上的滑动块，所述滑动块包括相互固定连接的水平滑座与垂直导轨；所述滑动块与所述驱动臂远离所述热盖的端部通过垂直导轨连接并限定所述滑动块与所述驱动臂相互之间只能进行垂直上下方向的相对位移。

进一步地，所述水平滑座固定设置有穿透所述驱动臂的导向杆，所述滑动块与所述驱动臂通过垂直导轨连接和导向杆限定相互之间只能进行垂直上下方向的相对位移；

所述导向杆上套设有预压缩弹簧，所述预压缩弹簧位于所述水平滑座与所述驱动臂之间并提供驱使所述水平滑座与所述驱动臂相互垂直远离的作用力。

进一步地，所述加热组件包括PI加热膜、陶瓷加热片、帕尔贴、硅胶发热片或云母发热片。

进一步地，所述加热组件还设置有温度传感器。

本发明还涉及一种两向位移全密封热盖驱动方法，其特征在于，使用单一驱动电机带动热盖顺序进行水平位移和垂直位移完成热盖关闭位移操作或热盖开启位移操作。

进一步地，所述热盖关闭位移操作包括驱动电机正向旋转带动热盖水平进入位移至反应孔正上方后垂直向下位移覆盖压紧反应孔；所述热盖开启位移操作包括驱动电机反向旋转带动热盖垂直向上位移松开反应孔后通过弹性密封件趋向于返回收缩状态的作用力带动热盖水平退出位移让出反应孔正上方空间。

进一步地，所述热盖关闭位移操作包括驱动电机正向旋转带动驱动臂推靠热盖水平进入位移至反应孔正上方后继续推靠热盖垂直向下位移覆盖压紧反应孔；所述热盖开启位移操作包括驱动电机反向旋转带动驱动臂推靠热盖垂直向上位移松开反应孔后水平退出位移脱离与热盖接触。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述两向位移全密封热盖系统及驱动方法对文库制备过程中的反应孔进行覆盖加热，能够在保证卡盒密封性完整的同时实现热盖结构依据操作需要水平、垂直位移，不会影响卡盒内其他功能部件对反应孔进行操作，避免由于热盖位移造成对样本的外部污染；同时，位移驱动模块与热盖相互之间不存在硬性连接，可以简便的将成本较高的位移驱动模块独立设置在卡盒之外，从而大幅降低卡盒的制造成本和制造难度，更适合制作一次性使用的卡盒，也可以根据需要采用精度更高的驱动组件进而提升文库制备实验效率和准确性。

附图说明

图1为本发明两向位移全密封热盖系统优选实施例三维示意图。

图2为本发明优选实施例热盖开启位置示意图。

图3为本发明优选实施例热盖关闭位置示意图。

图4为本发明优选实施例热盖侧视示意图。

图5为本发明优选实施例热盖三维示意图。

图6为本发明优选实施例驱动臂示意图。

图7为本发明优选实施例固定座示意图。

附图编号说明：11-加热座、12-盖体组件、13-弹性密封件、21-驱动臂、211-连杆、212-凸轮随动器、213-加热组件、214-温度传感器、22-固定座、221-导向槽、23-驱动电机、241-丝杆、242-线性导向轴、243-驱动块、244-滑动块、2441-水平滑座、2442-垂直导轨、2443-导向杆、2444-预压缩弹簧、3-反应孔、4-卡盒。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

在文库制备过程中使用热盖系统加热反应孔必须同时保证文库制备卡盒密封性完整和不影响其他功能部件可操作性的要求，即实质上要求热盖(盖体组件)不仅需要进行单一维度的垂直上下位移以正常实现热盖关闭、开启操作，还需要提供适当的位移方式保证热盖开启状态下能够让出反应孔正上方操作空间供卡盒内其他功能部件(例如移液器)对反应孔进行操作。更为复杂的位移要求不仅对卡盒密封带来问题，也会直接导致热盖结构更为复杂、成本更高，不能很好地适用于一次性使用的卡盒中。

为了解决热盖系统复杂位移、密封性和低成本之间的相对矛盾问题，本发明采用了热盖与位移驱动模块分开设置的方案。热盖由弹性密封件直接设置在卡盒上，与卡盒(卡盒壁面)形成整体，保证卡盒的密封性，并使用外置的位移驱动模块带动热盖进行需要的位移，实现热盖功能。在解决了复杂位移与密封性的同时，外置的位移驱动模块可以重复使用，降低了卡盒部分(一次性使用部分)的成本，脱离了成本限制的前提也便于依照需要使用更高效的驱动组件，有助于提升文库制备效率和精确性。

图1、图2和图3给出了本发明两向位移全密封热盖系统的一种优选实施例，主要包括有热盖和位移驱动模块两部分组成。其中，热盖部分包括加热座11、盖体组件12和弹性密封件13，如图4和图5所示为热盖部分的结构示意图，加热座11通过弹性密封件13与卡盒4的壁面之间密封连接形成整体，同时通过弹性密封件13又可以支持加热座11相对卡盒4进行水平进出和/或垂直上下位移，优选的，加热座11与弹性密封件13采用相同的弹性材料并一体成型，实现更加可靠的密封效果；加热座11的底面固定设置有盖体组件12，所述盖体组件12的尺寸匹配反应孔3，可以覆盖闭合反应孔3；盖体组件12的上表面与加热座11向卡盒4内凹陷的表面构成了具有水平上表面、水平下表面和垂直表面的驱动槽。优选的，在不受额外外力作用的情况下，加热座11及盖体组件12通过弹性密封件13自身具有的弹性保持在热盖开启位置，且弹性密封件13的弹性能够在受到外力作用产生位移的情况下提供趋向于返回热盖开启位置的作用力。根据需求，弹性密封件13可以选用硅胶膜或软橡胶膜等材质制成的风琴罩结构弹性件，由于卡盒4为一次性使用，弹性密封件13并不特别需要考虑使用耐久性，实际上，为了更好的控制成本，在满足使用要求的前提下弹性密封件13可以选择使用性能相对较低但成本便宜的部件。在优选实施例中，加热的功能并没有集成在热盖部分，也是为了更好的控制卡盒4成本，通过将加热功能集成在外置部件上实现重复利用，避免浪费；当然，本领域技术人员应可以没有任何障碍的理解，将加热的功能集成在热盖部分，例如直接集成在盖体组件12上，是可以想到并容易实现的，也不会对本发明的主要技术方案构成影响。

通过上述热盖部分，能够解决卡盒4的密封性问题，同时卡盒4的制造成本也能得到很好的控制，在此基础上，外置的位移驱动模块没有了严格的成本限制，因此可以依据需要选择合适的驱动结构。在优选实施例中，采用了一种单电机带动驱动臂21规律进行水平、垂直两向位移的结构，进而通过驱动臂21推靠热盖(加热座11内的驱动槽)实现热盖的位移。优选实施例中的位移驱动模块包括有驱动臂21(如图6所示)、与卡盒4相对固定设置的固定座22(如图7所示)以及安装在所述固定座22上的驱动电机23和驱动导向结构，由于只采用了单独的一个驱动电机23来实现驱动臂21的水平、垂直两向位移，因此在使用丝杆241、线性导向轴242和驱动块243组合将驱动电机23旋转运动转化为水平直线运动的同时，需要使用驱动导向结构进一步实现驱动臂21沿设定的路径进行位移。具体的，驱动导向结构还包括有连接驱动块243和驱动臂21的连杆211以及设置在固定座22上的导向槽221，驱动臂21通过固定连接的凸轮随动器212限定为只能沿导向槽221位移，连杆211既可以将驱动块243的水平位移直接传递至驱动臂21，同时也可以实现将驱动块243的水平位移转化为驱动臂21的垂直位移。优选的，导向槽221包含有相互连接的水平段与垂直段，当凸轮随动器212运行在水平段时，连杆211两端分别连接的驱动臂21连接点与驱动块243连接点之间的垂直距离不产生任何变化，驱动臂21随驱动块243同步执行水平进入、水平退出位移；当凸轮随动器212运行在垂直段时，连杆211两端分别连接的驱动臂21连接点与驱动块243连接点之间的垂直距离产生变化进而使驱动作用方向发生改变，驱动臂21随驱动块243水平进入、水平退出位移执行垂直向下、垂直向上位移，总体上使驱动臂21形成一90°的折线行进路线。进一步优选的，在导向槽221的水平段与垂直段连接位置设置有导向凸起，当凸轮随动器212运行至导向凸起时，驱动臂21会执行垂直向上位移，使驱动臂21移动到高于凸轮随动器212运行在水平段时垂直高度的位置，可以更充分的使驱动臂21推靠驱动槽内的水平上表面，辅助盖体组件12与反应孔3相互脱离。

通过上述结构的位移驱动模块，已经可以实现驱动臂21依据需要的路径进行水平、垂直两向位移，同时设置在驱动臂21一端的加热组件213可以在驱动臂21垂直向下位移时对齐接触盖体组件12，进而组合成为完整的具有加热能力的热盖，实现对反应孔3的封闭加热操作；优选的，在加热组件213上靠近发热源的位置，设置有温度传感器214，根据温度传感器214探测到的实时温度可以实现对加热组件213控制进而灵活调整热盖(反应孔3)的加热温度。如上所述，将加热组件213设置在驱动臂21上主要目的在于进一步降低卡盒4成本和结构复杂度，尽可能实现更多功能部件的可重复利用，根据实际需求也可以采用将加热组件213集成于盖体组件12上(集成于卡盒4)的设计。

由于凸轮随动器212在导向槽221内使用间隙配合，并不能提供充分的限位能力，在驱动臂21进行垂直位移时有可能出现偏转，导致加热组件213与盖体组件12不能保持平行对齐，产生的额外作用力会进一步影响盖体组件12水平状态进而影响盖体组件12与反应孔3的闭合，造成闭合不严导致反应受到影响。因此，为了提升驱动臂21位移状态下的稳定性，位移驱动模块还进一步优选的包括滑动块244，所述滑动块244包括一体成型或相互固定连接的水平滑座2441与垂直导轨2442，水平滑座2441安装在丝杆241及线性导向轴242上并可延丝杆241及线性导向轴242自由水平滑动，驱动臂21远离热盖的一端连接在垂直导轨2442上，限定驱动臂21相对滑动块244只能进行垂直位移，这样就在凸轮随动器212之外为驱动臂21的位移活动增加了有一个限位结构，限制驱动臂21发生不希望的偏转位移。可选的，水平滑座2441与驱动臂21之间可以设置一个预压缩弹簧2444，在驱动臂21端部(远离热盖的端部)施加额外的作用力，辅助保持驱动臂21的水平状态，预压缩弹簧2444优选的套设在一个导向杆2443上，避免压缩、伸展过程中发生错位。

使用如优选实施例所示热盖系统时，热盖(加热座11)常态处于热盖开启位置，依据控制指令，驱动电机23正向旋转带动驱动块243水平进入位移，此时凸轮随动器212运动在导向槽221的水平段，驱动臂21随驱动块243同步执行水平进入位移，设置有加热组件213的端部伸入驱动槽并推靠驱动槽内垂直表面带动热盖(加热座11)进行水平进入位移；当驱动臂21带动热盖至预设位置，使盖体组件垂直对齐反应孔后，凸轮随动器212进入导向槽221的垂直段，驱动臂21随驱动块243水平进入位移执行垂直向下位移，同时推靠驱动槽内水平下表面(盖体组件上表面)带动热盖(加热座11)进行垂直向下位移直至盖体组件12完全闭合反应孔3，使热盖保持在热盖关闭位置。当加热过程结束时，依据控制指令，驱动电机23反向旋转带动驱动块243水平退出位移，此时凸轮随动器212运动在导向槽221的垂直段，驱动臂21随驱动块243水平退出位移执行垂直向上位移，同时推靠驱动槽内水平上表面带动热盖(加热座11)进行垂直向上位移直至盖体组件12完全脱离反应孔3；当凸轮随动器212进入导向槽221的水平段，驱动臂21随驱动块243同步执行水平退出位移，同时热盖在弹性密封件13的复位作用力带动下返回至热盖开启位置。

通过上述优选实施例能够实现使用单一电机驱动热盖进行水平、垂直两向位移，但如图1至图7所示具体结构仅为技术人员便于理解本发明技术方案的示意性结构，本领域技术人员在应用本发明的过程中可以根据需求选择任意适合的驱动结构匹配实现热盖的水平、垂直两向位移。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。