一种PCR热循环装置

技术领域

本发明属于生物实验设备的领域，尤其涉及一种PCR热循环装置。

背景技术

Polymerase Chain Reaction，缩写为PCR，即聚合酶链式反应，是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制。PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加，所以PCR广泛应用于医学检验及生物实验中。

PCR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℃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℃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热循环装置实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间进行控制。

目前，在医学检验中常用的PCR热循环装置一般包括壳体、样品块及加热装置；样品块固定在壳体内，PCR管或PCR板则嵌设在样品块上；加热装置则包括控制电路及若干块加热板，若干块加热板均设置在壳体内，且加热板则会对样品块的底部进行加热，以达到PCR热循环中的温度需求；而控制电路则会控制加热板的温度呈阶梯型变化，以适应PCR过程中不同阶段的温度需求；控制电路将控制加热板的升温或持温，从而完成对PCR管的加热或保温，多个循环后即完成了PCR扩增步骤。

针对上述中的相关技术，在实际的使用过程中，样品块在受热后，其四周会与外界环境发生热交换，从而导致样品块上的热量分布呈现边缘效应，即样品块四周的温度难以维持在预设温度，进而在PCR热循环过程中的各温度节点中，嵌设在样品块边缘部分的PCR管的温度也难以维持在预设温度，影响了PCR扩增的可重复性。

发明内容

本发明提供一种PCR热循环装置，旨在减少样品块受热后，样品块的四周与外界环境发生的热交换，从而保障样品块边缘部分的温度的可控性，进而保障PCR扩增的可重复性。

本发明是这样实现的，一种PCR热循环装置，包括样品块，所述样品块的一侧上阵列开设有供PCR管嵌入的嵌设槽；还包括扩温部，所述扩温部设置在所述样品块的两端上，或所述扩温部设置在所述样品块的四周上。

更进一步地，还包括保温元件，所述嵌设槽的内壁向远离所述样品块的方向延伸形成有嵌设部，所述嵌设部与PCR管的外圆周侧壁相贴合。

更进一步地，所述保温元件设置在样品块开设有嵌设槽的一侧的四周上。

更进一步地，保温元件还设置在所述扩温部上，所述保温元件上还开设有供嵌设部伸出的开槽。

更进一步地，所述样品块背离嵌设槽的一侧的四周上设置有基板，所述基板上设置有压固件，所述保温元件上设置有与压固件相抵触的支撑部。

更进一步地，还包括N个加热冷却单元，N个所述加热冷却单元排列设置在所述样品块背离嵌设槽的一侧上；其中，N为大于或等于2的正整数。

更进一步地，所述扩温部背离保温元件的一侧上至少设置有一个加热冷却单元。

更进一步地，N个所述加热冷却单元分别对样品块上M个区域的嵌设槽进行加热或冷却；其中，样品块上的每个区域包括一个或多个嵌设槽，M为正整数。

更进一步地，还包括底壳和散热装置，所述散热装置设置在底壳内，N个所述加热冷却单元设置在所述散热装置远离底壳的一侧上，所述样品块设置在加热冷却单元远离所述散热装置的一侧上。

更进一步地，所述底壳上还设置有热盖。

本发明的有益效果在于，提供了一种PCR热循环装置，通过设置扩温部，减少了样品块在受热后其四周与外界发生的热交换，从而保障了样品块边缘部分的温度的可控性，进而保障了PCR扩增的可重复性；而保温元件对样品块创建了一个相对隔绝的环境，从而在进行PCR扩增时，减小了PCR管或PCR板与外界发生热交换的可能，保障了PCR管或PCR板在实验过程中的温度的稳定性，进而保障了PCR扩增的可重复性；此外，利用加热冷却单元，除可精确控制样品块的温度外，还可将样品块划分为多个不同的区域，再对样品块上的温度进行分区控制，从而可以根据分区温度来调整PCR管内生物样品的体积及PCR管内的引物等实验变量，进而探索进行实验的最优条件。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖面图；

图2是本发明的整体结构爆炸图；

1、样品块；11、嵌设槽；12、扩温部；13、嵌设部；2、保温元件；21、开槽；22、支撑部；3、基板；4、压固件；5、加热冷却单元；51、隔离件；52、第一导热元件；53、第二导热元件；6、底壳；61、热盖；7、散热装置。8、加热及冷却控制系统；9、中央控制系统；10、散热控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在PCR扩增的过程中，样品块的四周易在受热后与外界环境发生热交换，导致的样品块边缘区域的温度与预设温度存在差异，从而造成边缘区域上的PCR管的实际温度难以维持在PCR扩增过程中的各预设温度。为了解决这一问题，本发明提供了一种PCR热循环装置，它包括样品块1，样品块1的一侧上阵列开设有供PCR管嵌入的嵌设槽11；样品块1的两端上还一体成型有扩温部12。扩温部12在受热后，将代替样品块1与外界环境相接触，从而保障了样品块1的四周温度的可控性，保障了PCR扩增的可重复性；另，扩温部12的设置将增大样品块1的受热面积，进而保证了样品块1的温度梯度的线性分布，提高了对样品块1的温度控制的准确性，也保障了PCR扩增的可重复性。相应地，样品块1的四周均可设置扩温部12，可根据具体的PCR扩增规模进行适应性调整。需要说明的是，样品块1的材质可选用具有良好热传导性能的材料，如铝合金、铝或铜等；且样品块1是一体成型制作而成，从而保证了样品块1的导热性能。

在本实施例中，嵌设槽11的内壁向远离样品块1的方向延伸形成有嵌设部13，嵌设部13则与PCR管的外圆周侧壁相贴合，从而在进行PCR扩增操作时，样品块1会直接将热量传递至嵌设部13，而嵌设部13会将热量传递至PCR管的外圆周侧壁上，进而使得PCR管的受热更为均匀；且嵌设部13的设置将进一步减小PCR管与外界发生热交换的可能性。

为了减少在PCR扩增的过程中，PCR管或PCR板在受热后热量易自温度较高处传递至温度较低处，即PCR管或PCR板在受热后易与外界环境发生的热交换，本实施例中所提供的一种PCR热循环装置还包括保温元件2，保温元件2设置在样品块1开设有嵌设槽11的一侧的四周上。另需要说明的是，PCR板即是由一定数量的PCR管阵列组成的。在本实施例中，进行PCR扩增时，样品块1会将热量传递至嵌设在嵌设槽11内的PCR管上，而保温元件2会设置在样品块1开设有嵌设槽11一侧的四周上，即保温元件2会在PCR扩增时将PCR管与外界环境隔离开，从而减小了PCR管与外界发生热交换的可能性，进而减小了PCR管的温度控制的难度，保障了PCR扩增的可重复性。

样品块1背离嵌设槽11的一侧将受热，以达到PCR扩增中的温度要求。而为了进一步减少样品块1在受热时，热量因样品块1的体积而产生边缘效应，从而影响温度梯度的情况的发生，在本实施例中提出的保温元件2的正投影呈矩形，且保温元件2上开设有供嵌设部13伸出的开槽21；保温元件2套设在样品块1开设有嵌设槽11一侧上，嵌设部13将从开槽21中伸出，从而保温元件2会将PCR管与外界环境相对隔离开来，进而减小了PCR管在受热时与外界发生热交换的可能性；相应地，为了减少扩温部12在受热后与外界环境发生的热交换，保温元件2在套设在样品块1上的同时也将覆盖住扩温部12，进一步保证了样品块1的温度梯度能更好的呈现线性分布。其中，保温元件2可采用橡胶等热传导效率低的材料制成。

为了对样品块1进行固定，样品块1背离嵌设槽11的一侧的四周上一体成型有基板3，而基板3上设置有压固件4，压固件4与基板3的配合则会完成对样品块1的固定。在本实施例中，保温元件2上一体成型有与压固件4相抵触的支撑部22，从而压固件4会对保温元件2提供部分支撑，在为样品块1提供固定作用的同时也保证了保温元件2的稳定性。

在本实施例中，PCR热循环装置还包括N个加热冷却单元5，N个加热冷却单元5排列设置在样品块1背离嵌设槽11的一侧上；其中，N为大于或等于2的正整数，且扩温部12远离保温元件2的一侧上至少设置有一个加热冷却单元5，以保障样品块1整体的受热均匀；另要说明的是，扩温部12在至少对应一个加热冷却单元5后，扩温部12的受热则会保障样品块1边缘的温度的可控性，从而将进一步减小样品块1的四周与外界环境发生热交换的可能性。N个加热冷却单元5将分别对样品块1上M个区域的嵌设槽11进行加热或冷却，样品块1上的每个区域都包括一个或多个嵌设槽11，而M为正整数。其中，加热冷却单元5包括但不限于TEC（半导体制冷器，Thermo Electric Cooler）、发热丝、发热棒、空气传导装置或者液体传导装置等。本实施例中以TEC举例说明。N个加热冷却单元5将分别独立地对样品块1上M个区域的嵌设槽11进行加热或冷却，从而可以对样品块1上的不同区域的划分来改变其PCR管内生物样品的体积及PCR管内的引物，来探索进行PCR扩增的最优条件。

为了对单个加热冷却单元5进行隔离，避免其互相影响，N个加热冷却单元5皆安装在隔离件51中。隔离件51上开设有N个匹配加热冷却单元5的镂空；隔离件51采用耐高温隔热材料制成，从而完成了对加热冷却单元5的热隔离。

在本实施例中，PCR热循环装置还包括底壳6和散热装置7，散热装置7设置在底壳6内，N个加热冷却单元5设置在散热装置7远离底壳6的一侧上，样品块1则通过压固件4与基板3的配合固定在加热冷却单元5远离所述散热装置7的一侧上。压固件4上设置有螺栓，螺栓将穿过基板3后与散热装置7相连接，N个加热冷却单元5则被固定在样品块1与散热装置7之间。为了提高散热装置7与加热冷却单元5、样品块1和加热冷却单元5之间的热传递效率，样品块1和加热冷却单元5之间设置有第一导热元件52，散热装置7与加热冷却单元5之间设置有第二导热元件53，加热冷却单元5分别与样品块1和散热装置7接触的两侧则皆涂有导热硅脂。其中，第一导热元件52和第二导热元件53使用包括但不限于热垫片、铝箔、铜箔或者银箔等热传导效率高的材料制成，且第一导热元件52和第二导热元件53皆可为一整块或N块，若第一导热元件52和第二导热元件53为N块时，可分别对应N个加热冷却单元5，导热硅脂则会将散热装置7与加热冷却单元5、样品块1和加热冷却单元5之间的缝隙填满，从而减少了热阻、增加了热传导效率。

需要说明的是，样品块1不同区域的嵌设槽11的温度控制可以有多种实施方式。例如，样品块1所有嵌设槽11内容纳的PCR管按照相同的温度进行反应，N个加热冷却单元5按照同一温度指令加热或者制冷，以达到所有嵌设槽11的温度一致；或样品块1不同区域的嵌设槽11内容纳的PCR管按照不同的温度进行反应，实现在同一次热循环过程中，样品块1不同区域的嵌设槽11的温度呈梯度变化；或从样品块1不同区域选取部分嵌设槽11容纳PCR管且按照不同的温度进行反应，选取的嵌设槽11的间距越大越好，相邻的嵌设槽11之间可以采用加热冷却单元5进行温度补偿（加热或者冷却），达到减少选取的相邻嵌设槽11之间的热影响。

本实施例中所提供的PCR热循环装置还包括加热及冷却控制系统8、中央控制系统9、散热控制系统10。在本实施例中，样品块1的不同区域可分别连接不同的高灵敏度的热敏传感器。进行加热时，中央控制系统9发出样品块1加热指令，该指令通过中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统8。加热及冷却控制系统8经过处理后再通过加热冷却单元5控制回路作用于N个加热冷却单元5，加热冷却单元5上表面开始发热，下表面相应地开始制冷。热敏传感器将检测到的温度通过加热冷却单元5控制回路传回加热及冷却控制系统8，加热及冷却控制系统8判断是否达到目标温度，然后通过加热冷却单元5控制回路控制加热冷却单元5继续加热或者停止加热。若为继续加热，加热冷却单元5不断地将热量传导至样品块1，从而不断地为PCR板或者PCR管内的生物样品提供热量。此过程需要循环若干次。

进行冷却时，中央控制系统9发出样品块1冷却指令，该指令通过中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统8、通过中央与散热控制回路传送到散热控制系统10。加热及冷却控制系统8经过处理后再通过加热冷却单元5控制回路作用于N个加热冷却单元5，加热冷却单元5的上表面开始制冷，下表面相应地开始将热量传递给散热装置7。热敏传感器将检测到的温度通过加热冷却单元5控制回路传回加热及冷却控制系统8，加热及冷却控制系统8判断是否达到目标温度，然后通过加热冷却单元5控制回路控制加热冷却单元5继续冷却或者停止冷却。若为继续制冷，加热冷却单元5从样品块1不断地吸取热量，从而不断地为PCR板或者PCR管内的生物样品进行冷却。散热控制系统10经过处理后再通过散热控制回路作用于散热装置7，将热量传递至热循环装置的外部。此过程需要循环若干次。

上述的加热及冷却控制系统8、中央控制系统9和散热控制系统10也可集成为一个控制系统，在此不做限定。

本实施例中，通过N个加热冷却单元5分别对样品块1不同区域的嵌设槽11的底部进行加热和/或冷却，通过设定两端的最高和最低温度（设定温度差），温度通过样品块1底部之间传递，去除两端边缘效应后，实际使用功能区域温度梯度呈现线性分布，提高了对样品块1不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性。

在本实施例中，底壳6则会为整体结构提供支撑，而底壳6上还设置有热盖61，热盖61可自加热，且热盖61内部可设置高灵敏度的热敏传感器。进行加热时，中央控制系统9发出热盖61加热指令，该指令中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统8。加热及冷却控制系统8经过处理后再通过热盖61加热控制回路作用于热盖61，热盖61中的加热装置开始发热。热敏传感器将检测到的温度通过热盖61加热控制回路传回加热及冷却控制系统8，加热及冷却控制系统8判断是否达到目标温度，然后通过热盖61加热控制回路控制热盖61中的加热装置继续加热或者停止加热。若为继续加热，热盖61则不断地将热量传导到PCR板或者PCR管的管口。此过程需要循环若干次。热盖61将减少PCR扩增中热量的流失，进一步将PCR扩增与外界环境隔离开来，减少了PCR扩增时的热量流失，进一步保障了PCR扩增的可重复性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。