一种能够独立控制温度的PCR用模块

技术领域

本发明涉及一种能够独立控制温度的PCR用模块，更具体地，提供一种具有多个单独的热室的PCR用温度循环装置，形成排列的多个加热室的上端和下端分别以列和行区分，从而可以选择性地通电，因此能够独立地控制每个加热室的温度，并且只需将涂有发热体的加热室连接在印刷电路板形状的上端板和下端板之间，即可代替现有的热室，因此结构简单、制造成本低，且其直接对具有上宽下窄形状的加热室加热，从而可直接传热给紧贴在其内侧的管体上，并且由于加热室的热容量小，因此能够快速进行加热以及冷却，从而能够缩短温度循环时间。

背景技术

用于基因扩增的现有热循环仪，其包括：热盖(hot lid)，用于防止管内的样品蒸发；模块，用于安装装有样品的管或金属板；供热装置，用于模块的温度循环。

供热装置需耐加热和冷却，为此，一直以来将热电元件或热交换装置用作供热装置。最近，尤其是为了简化装置以及便于控制，大多采用珀耳帖(Peltier)元件来实现装有管子的模块的温度循环。

利用珀耳帖进行温度循环的热循环仪具有如下特性：与模块接触的珀耳帖的相反侧具有与模块侧相反的热特性，也就是说，当对接触模块的珀耳帖侧进行加热时，其相反侧则被冷却，当对模块侧的珀耳帖侧进行冷却时，其相反侧则被加热。这样的珀耳帖元件是以供应电流的方向确定加热或冷却，也就是说，珀耳帖元件是，如果其两侧的温差没有保持一定的温度以上，目标侧的温度就不会产生变化，因此，通常在模块的相反侧珀耳帖侧粘贴散热板，从而引导其保持一定温度以上的温差。

常规的模块需要配合管或金属板的形状来形成，因此其形状或尺寸几乎相同。因此，配合模块的尺寸粘贴多个珀耳帖元件，并将各珀耳帖元件连接成串联或并联，以控制电流量和电流方向，从而改变或保持其温度。

此时，粘贴在模块上的珀耳帖元件通常由四个或六个组成，由于在一个珀耳帖面上不能以不同的温度控制，因此对与珀耳帖侧大小对应的模块区域内只能供应相同量的热。但是，模块周围由于受到与外部空气或设备接触所带来的温度干扰，使得模块周围和中央部产生温度偏差。

在PCR用热循环仪中，影响基因扩增的主要因素是模块的温度，若使用珀耳帖元件，由于不能独立地对中央部和外围部控制温度，因此不可避免地产生模块中央部和外围部的温差。

另外，为了减少井间的温差，模块只能以一体化的形状形成，以便使其能够结构性粘贴在珀耳帖面上。由于以上原因，使得模块的热容量变大，最终导致消耗为基因样本的温度循环所需以外的能量，并且在温度循环上消耗更多的时间。

因此，有必要开发一种PCR用温度循环装置，其能够独立地控制每个装有基因样本的管子的温度，并且使热容量变小，从而能够迅速进行温度循环。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献0001)KR10-0603821(授权编号)2006.07.14

发明内容

[解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种具有多个单独的热室的PCR用温度循环装置，其能够减少模块的热容量，并且能够独立地控制各加热室的温度，从而能够准确且快速地实现温度循环。

另外，本发明的目的是提供一种具有多个单独的热室的PCR用温度循环装置，其由于将形成排列的多个加热室的上端和下端分别以排和列区分，从而可以选择性地通电，因此能够独立地控制每个加热室的温度。

此外，本发明的目的是提供一种具有多个单独的热室的PCR用温度循环装置，只需将涂有发热体的加热室连接在印刷电路板形状的上端板和下端板之间，即可代替现有的热室，因此结构简单、制造成本低。

另外，本发明的目的是提供一种具有多个单独的热室的PCR用温度循环装置，其直接对具有上宽下窄形状的加热室加热，从而可直接传热给紧贴在其内侧的管体上，使得热传导时间短，并且由于加热室的热容量小，因此能够快速进行加热以及冷却，从而能够缩短温度循环时间。

[技术方案]

本发明包括：上端板，包括打上成排的孔的多个上端孔、形成在所述上端孔的上端电极、连接到所述上端电极的多个上端电源线；下端板，包括打上成排的孔的多个下端孔、形成在所述下端孔的下端电极、连接到所述下端电极的多个下端电源线；测温板，设置在所述下端板的下方，并包括多个测温传感器；多个加热室，其包括：腔体，其下端面与所述测温传感器接触；发热体，形成在所述腔体的外缘，从而一旦供电就会被加热，上部环，设置在所述腔体，以与所述发热体电路导通，从而与所述上端电极接触，下部环，设置在所述腔体，以与所述发热体电路导通，从而与所述下端电极接触；控制单元，用于选择性地通电所述上端电极和所述下端电极，从而选择性地使所述加热室的所述发热体加热。

另外，本发明的所述控制单元，包括：电源端开关，分别设置在所述上端电源线上，从而将所述上端电源线连接到电源端上；接地端开关，分别设置在所述下端电源线上，从而将所述下端电源线连接到接地端上。

此外，本发明的所述测温传感器，其具有以所述上端电源线和所述下端电源线的序号作为编号的加热地址，所述控制单元，接收所述测温传感器的测量值，利用所述测温传感器的测量值与目标温度值的差值，将提供给每个所述加热室的电压脉宽与所述加热地址匹配并予以存储，并且当所述上端电源线和所述下端电源线分别连接到电源端和接地端时，控制所述电源端开关及所述接地端开关的驱动时间，使得具有对应该加热地址的脉宽的电力施加到所述上端电源线和所述下端电源线。

另外，本发明包括：支架，上面一部分开口，以形成上面开口部，以便使所述上端板的所述上端孔暴露在外，下面中央部开口，以形成下面开口部；吸气马达，连接在所述支架的所述下面开口部的下端，以吸入所述支架内部的空气，所述测温板在对应于所述下面开口部的位置形成多个通孔，所述支架在不与所述测温板或所述上端板接触的一对相互对称的方向上形成空气流入口，以便使外部空气流入。

此外，本发明的所述加热室，其所述腔体的形状形成为上宽下窄的形状。

另外，本发明的所述加热室，其所述上部环和所述下部环由能够通电和焊接的材料制造，在所述上部环和所述下部环连接在所述腔体的状态下，涂覆加热膏，从而形成所述发热体。

[发明的效果]

本发明的多个加热室分别独立地排列，且通过将电源提供给形成在加热室外缘的发热体来加热管体，因此能够快速进行加热，且由于对各加热室独立进行加热，因此能够准确地控制其温度。

另外，本发明由于将形成排列的多个加热室的上端和下端分别以排和列来区分，从而可以选择性地通电，因此可独立地控制各加热室的温度。

此外，本发明由于能够针对每个加热室设定不同的温度，因此可通过一次测试来确认对多个温度条件下的反应性。

另外，本发明由于能够针对每个加热室设定不同的温度，因此可在一个模块中一次性进行不同温度条件下的基因扩增实验。

此外，本发明只需将涂有发热体的加热室连接在印刷电路板形状的上端板和下端板之间，即可代替现有的热室，因此具有结构简单、制造成本低的效果。

另外，本发明直接对具有上宽下窄形状的加热室加热，从而可直接传热给紧贴在其内侧的管体上，使得热传导时间短，并且由于加热室的热容量小，因此能够快速进行加热以及冷却，从而能够缩短温度循环时间。

附图说明

图1是能够独立控制温度的PCR用模块的内部立体图；

图2是能够独立控制温度的PCR用模块的内部分离立体图；

图3是能够独立控制温度的PCR用模块的腰部放大图；

图4是能够独立控制温度的PCR用模块的加热室立体图及分离立体图；

图5是能够独立控制温度的PCR用模块的立体图；

图6是能够独立控制温度的PCR用模块的冷却动作示例图；

图7是能够独立控制温度的PCR用模块的冷却动作示例图。

100、上端板；110、上端金属板；120、上端电极；130、上端电源线；

200、下端板；210、下端金属板；220、下端电极；230、下端电源线；

300、测温板；310、测温金属板；320、测温传感器；

400、加热室；410、腔体；420、发热体；430、上部环；440、下部环；

500、支架；510、空气流入口；520、吸气马达；

600、样品板；610、管体。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1至图7所示，本发明包括：上端板100，其包括：打上成排的孔的多个上端孔、设置在各上端孔的上端电极120、连接到上端电极120的各列的多个上端电源线130；下端板200，其位于上端板100的下方，包括：打上成排的孔的多个下端孔、设置在各下端孔的下端电极220、连接到下端电极220的各排的多个下端电源线230；测温板300，设置在下端板200的下方，并包括成排设置的多个测温传感器320；加热室400，其包括：发热体420，其形成为上端开口的圆筒形，从而使上端和下端分别引入到上端板100的上端孔和下端板200的下端孔，在其外缘分别与上端电极120和下端电极220导通；样品板600，其形成有多个管体610，以便能够插入到加热室400的内侧；控制单元，用于分别将上端电源线130和下端电源线230选择性地与电源端和接地端连接，从而使加热室400的发热体420加热。

上端板100，其起到提供电源线的作用，以便使电源端选择性地与加热室400的发热体420导通，为此，其包括：上端金属板110，其为板状；多个上端孔，在上端金属板110上打上成排的孔；上端电极120，其形成在各上端孔；多个上端电源线130，其连接到上端电极120的各列。

上端金属板110可以是板状的常规印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)，且在其内侧打上成排的多个上端孔。

上端电极120可以通过与上端电源线130一并印刷在上端金属板110上而形成。与加热室400的上部环430接触并导通的部分为上端电极120，将外部电源连接到上端电极120的部分为上端电源线130。

上端电源线130起到如下作用：将由多个组成并排列的上端电极120的各列通过电力来彼此连接。这些上端电源线130是印刷在上端金属板110上而形成，在上端金属板110的一侧可形成连接端子，以便将各上端电源线130连接到外部。此时，上端电源线130可以只在上端金属板110的上面形成，也可以只在上端金属板110的下面形成，或者部分在上端金属板的上面，部分在上端金属板的下面形成。这些各上端电源线130通过电源端开关连接到电源端，并且各上端电源线130被控制单元赋予唯一的序号，用于控制连接电源端。

下端板200，其起到提供电源线的作用，以便使接地端选择性地与加热室400的发热体420导通，为此，其包括：下端金属板210，其为板状，布置在上端板100的下方；多个下端孔，在下端金属板210上打上成排的孔；下端电极220，其形成在各下端孔；多个下端电源线230，其连接到下端电极220的各排。

下端金属板210可以是板状的常规印刷电路板，并且在其内侧打上成排的多个下端孔。

下端电极220可以通过与下端电源线230一并印刷在下端金属板210上而形成。与加热室400的下部环440接触并导通的部分为下端电极220，将外部电源连接到下端电极220的部分为下端电源线230。

下端电源线230起到如下作用：将由多个组成并排列的下端电极220的各排通过电力彼此连接。这些下端电源线230是印刷在下端金属板210上而形成，在下端金属板210的一侧可形成连接端子，以便将各下端电源线230连接到外部。此时，下端电源线230可以只在下端金属板210的上面形成，也可以只在下端金属板210的下面形成，或者部分在下端金属板的上面，部分在下端金属板的下面形成。这些各下端电源线230通过接地端开关连接到接地端，并且各下端电源线230被控制单元赋予唯一的序号，用于控制连接接地端。

在说明上端板100和下端板200时，上端电源线130可以排成一行，下端电源线230可以排成一列，这是一个可通过选择性地与电源端和接地端导通的上端电源线130和下端电源线230以此对位于该交叉点的加热室400提供电源的结构，因此上端板100和下端板200的列和行的置换对于普通技术人员而言是显而易见的结构。另外，基于同样的原因，上端电源线130连接到接地端，下端电源线230连接到电源端，这也是可以的。为了避免说明发明时可能被误解的情况，在说明本发明时没有采用选择性记载方式，而采用了确定性的记载方式，因此对于普通技术人员而言可以对不具有方向性的电热元件的两极进行置换是显而易见的结构。

测温板300是用于测量加热室400的腔体410的温度，为此，其包括：测温金属板310，其为板状，设置在下端板200的下方；多个测温传感器320，在测温金属板310上成排设置。

测温金属板310可以是板状的常规印刷电路板，并且多个测温传感器320成排设置。为此，在测温金属板310上印刷并设置与测温传感器320连接的测量线，测温传感器320可以采用具有阻值随周边温度升高而减小的负(-)温度系数(α)的NTC-热敏电阻(NTC-thermistor，Negative Temperature Coefficient-thermic resistor)，但不限于此。

所述测温传感器320与加热室400的腔体410的下端接触，以测量腔体410的温度，为此，以与加热室400相同的排列来设置。此外，为了有效地将腔体410的热传导至测温传感器320上，此时可以在腔体410和测温传感器320之间设置有导热硅胶等导热性连接物质，从而可以热连接。

并且，测温传感器320具有以上端电源线130的序号和下端电源线230的序号为编号的加热地址，关于所述加热地址，将在下面说明控制单元时，进行更详细地解释。

另外，测温金属板310除了形成测温传感器320和测量线以外的其他部分可以形成打孔的形状。这是为了在后述的吸气马达520吸入和排出空气时能够保证空气的流动路径。

加热室400的作用是，当提供电源时其得到加热，从而能够加热插入到其内侧的管体610，为此，其包括：腔体410，其形成为上端开口的圆筒形，从而能够使上端引入到上端板100的上端孔，使下端引入到下端板200的下端孔；发热体420，其形成在腔体410的外缘，从而一旦供电就会被加热；上部环430，其设置在腔体410的上端外缘，与发热体420电路导通，使得当腔体410的上端引入到上端孔时，与上端电极120接触；下部环440，其设置在腔体410的下端外缘，与发热体420电路导通，使得当腔体410的下端引入到下端孔时，与下端电极220接触。

腔体410被涂覆绝缘层，其为管体610提供插入空间，并起到将发热体420产生的热传递至管体610的作用。为此，腔体410形成为上宽下窄的倒锥形，且上部是开口的形状，从而能够使后述的管体610插入。

所述腔体410，上端插入到上端板100的上端孔中，下端插入到下端板200的下端孔，以此被固定，此时，连接在腔体410的上端的上部环和连接在腔体410的下端的下部环可以夹在腔体410和上端孔或者腔体与下端孔之间，但不限于此。

在所述腔体410的外缘形成有当提供电源时被加热的发热体420。

发热体420的作用是，当提供电源时被加热，从而能够加热腔体410，最终能够加热腔体410内侧的管体610，为此，在腔体410的外缘涂覆加热膏。为了形成发热体420，首先，在腔体410的上端连接上端环，在腔体的下端连接下端环。此后，在腔体410的外缘涂覆碳纳米管(CNT，Carbon Nano tube)膏等发热涂覆剂。所述发热体420是通过上端电源线130提供的电源从上部环430流入，并经由涂覆发热涂覆剂的涂层时产生热能，并且沿着下部环440和下端电源线230流出，从而能够加热腔体410。

为此，上部环430和下部环440是用能够通电并焊接(Soldering)的材料形成，并且分别在外缘形成短凸台，从而能够牢固地支撑在上端金属板110和下端金属板210。

另外，形成在上部环430和下部环440的外缘的短凸台的作用是，可以使上部环和下部环更稳定地接触至上端板100的上端电极120和下端板200的下端电极220，从而能够稳定地提供电源。

此外，加热室400具有如下优点：多个加热室400分别独立地形成，且形成为上宽下窄的形状，因此其热容量小，从而能够快速进行加热以及冷却，并且由于各加热室400分别分离，因此与相邻的其他加热室400之间的热干涉小，从而能够准确且独立地控制温度。

支架500的作用是，将上端板100和测温板300与外界封闭，并且在其之间形成空气的流通路径，为此，支架形成为箱体型，从而能够内置测温板300和上端板100，且上面一部分开口，以形成上面开口部，以便使上端板100的上端孔暴露在外，下面中央部开口，以形成下面开口部。

也就是说，支架500的内部内置有上端板100、下端板200、加热室400和测温板300，其中，只有上端板100的上面暴露在支架500的外部，测温板300的中央部位向安装吸气马达520的支架500的下面开口部暴露，其余部分则被支架500封闭。

所述支架500在未接触测温板300或上端板100的一对相互对称的方向上形成用于流入外部空气的空气流入口510，以便将空气从外部流入到内部。尽管在附图中示出了空气流入口510形成在支架500下面两侧的例子，但是也可以在支架500的两侧面或上面一侧形成，只要是位于以支架500的中心部为准彼此对称的位置上，以相同的大小形成，无论其为什么形状均可。

在所述支架500的下端，即在下面开口部有吸气马达520彼此连接并相通。

吸气马达520起到吸入支架500内部空气的作用，为此，其在支架500的下端与下面开口部连通设置。所述吸气马达520通过控制单元的控制而驱动，并通过改变旋转速度而通过的风量对温度进行控制。

当吸气马达520被驱动时，支架500内部的空气经由吸气马达520向外部排出，此时，在支架500内部形成负压，使得外部空气通过空气流入口510流入到支架500内部。优选地，通过吸气马达520吸入的空气通过单独的线路排放，以便避免排放的空气与通过空气流入口510流入的空气混合。

当通过驱动吸气马达520使空气从外部流入时，流入的空气移动到上端板100和下端板200之间的加热室400之间。通过这种空气的流动使加热室400得到冷却。

样品板600的作用是，容纳基因样品并将其插入到加热室400，以便使基因样品能够反复地加热和冷却，通常样品板由多个管体610组成。

将8个管体610连接使用的叫做8strip管，将12个连接使用的叫做12strip，常用的就是这8strip管和12strip管。

控制单元的作用是，能够控制对加热室400的发热体420供应的电源，为此，将上端电源线130选择性地连接到电源端，将下端电源线230选择性地连接到接地端，从而能够使分别将上部环430和下部环440连接到与电源端连接的上端电源线130和与接地端连接的下端电源线230的加热室400的发热体420加热。

为此，控制单元包括：电源端开关，分别设置在上端电源线130上，从而将上端电源线130连接到电源端上；接地端开关，分别设置在下端电源线230上，从而将下端电源线230连接到接地端上。

此时，各电源端开关按照上端电源线130的顺序被指定一个编号，同样，各接地端开关也按照下端电源线230的顺序被指定一个编号。并且，测温传感器320具有将上端电源线130和下端电源线230的顺序作为是复合型编号的加热地址。例如，如果上端电源线130的编号为C1至C12，下端电源线230的编号为R1至R8，测温传感器320的加热地址则为C1R1、C1R2、C1R3...C12R8编号。并且，各加热室400分别与各测温传感器320即各加热地址一对一匹配。

另外，控制单元可以控制电源端开关和接地端开关按顺序驱动。例如，电源端开关的编号为C1至C12，接地端开关的编号为R1至R8，此时，先将C1至C12的电源端开关依次导通到电源端上，此时，控制R1接地端开关使其持续连接在接地端上。如此，当电源端开关的一个循环结束时，再将C1至C12的电源端开关依次导通到电源端上，此时，控制R2接地端开关使其持续连接在接地端上。由此，能够从具有C1R1加热地址的加热室400到具有C12R8加热地址的加热室400依次供电，并且相较于一次性对加热室400提供电源，能够实现更快的响应，并且相较于分别独立地对加热室400提供电源，可以用更简单的结构获得类似的效果。

控制单元接收测温传感器320的测量值并计算测温传感器320的测量值与目标温度值之间的差。并且，利用计算出的温度值的差，将提供给各加热室400的电压的脉宽与加热地址匹配并予以存储，并且当上端电源线130和下端电源线230连接到电源端和接地端时，控制电源端开关或接地端开关的驱动时间，以便将具有对应于该加热地址的脉宽的电压施加到上端电源线130上。

对此，做更详细地解释，就是由测温传感器320测量的测量值位于等于目标温度值或低于目标温度值的位置上。该温度值的差是用于计算基于通过实验整理的表格需要提供多少电力才能将该加热地址的温度测量值达到其目标温度值，而以此计算出的功率值再次被转换为电压脉宽。当然，也有通过改变电压的大小来改变功率值的方法，但与其给几十个加热室400提供不同的电压，不如将电压值设置成一致，然后改变电压的脉宽，这样更能够实现迅速且准确地控制。

此时所需的功率值越大，即在该加热地址由测温传感器320测量的测量值与目标温度值的差越大，电压的脉宽就越大。

按照上述方式，当确定该加热地址所需的电压脉宽时，控制单元将其与加热地址进行匹配并存储。并且，当具有该加热地址编号的电源端开关和接地端开关闭合时，就会导通电源端开关或接地端开关，从而提供与匹配该加热地址存储的脉宽相当的电压。

另外，为了基因扩增，需要快速重复数次对容纳基因样品的管体610进行加热和冷却的过程。为此，控制单元重复进行如下过程：给加热室400供电，以此加热加热室400，停止对加热室400的加热，然后驱动吸气马达520冷却加热室400。

具有以上结构的本发明，其多个加热室400分别独立地排列，且通过将电源提供给形成在加热室400外缘的发热体420来加热管体610，因此能够快速进行加热，且由于对各加热室400独立进行加热，因此能够准确地控制其温度。

此外，本发明由于将形成排列的多个加热室400的上端和下端分别以排和列来区分，从而能够选择性地与电源端和接地端接触，从而能够独立地控制各加热室400的温度。

另外，本发明由于能够针对每个加热室400设定不同的温度，因此可通过一次测试来确认对多个温度条件下的反应性。

此外，本发明由于将形成排列的多个加热室400的上端和下端分别以排和列来区分，从而能够选择性地与电源端和接地端接触，从而能够在一个模块中一次性进行不同温度条件下的基因扩增实验。

另外，本发明只需将涂有发热体420的加热室400在以印刷电路板形状的上端板100和下端板200之间连接，即可代替现有的热室，因此具有结构简单、制造成本低的效果。

此外，本发明直接对具有上宽下窄形状的加热室400加热，从而直接将热传递给紧贴在其内侧的管体610上，使得热传导时间短，并且由于加热室400的热容量小，因此能够快速进行加热以及冷却，从而能够缩短温度循环时间，进而能够缩短基因扩增时间。