專利名稱:面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)微流控芯片的多通道智能溫控裝置屬于面向生物芯片微型化集成化自動(dòng)控制領(lǐng)域。該裝置主要應(yīng)用于PCR微流控芯片上對(duì)DNA進(jìn)行擴(kuò)增的三個(gè)恒溫區(qū)分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置和控溫，整個(gè)系統(tǒng)要求加熱時(shí)間短、體積小、成本低且能夠與PC機(jī)進(jìn)行通信。
背景技術(shù)：
PCR微流控芯片是一種新型的可以對(duì)多種不同長(zhǎng)度的DNA片段進(jìn)行快速高效體外擴(kuò)增的技術(shù)。其原理就是將PCR反應(yīng)混合物在精密注射泵的作用下，以nl/s的流速注入到基片上分別處于三個(gè)恒溫區(qū)的微通道，通過控制微通道的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)PCR的變性、復(fù)性和延伸。其結(jié)構(gòu)一般由入口、出口、三個(gè)恒溫區(qū)、微通道以及隔熱網(wǎng)格組成。因此對(duì)于PCR微流控芯片其三個(gè)恒溫區(qū)溫度的控制、隔熱網(wǎng)格的設(shè)計(jì)是影響DNA能否擴(kuò)增成功的關(guān)鍵因素。
目前PCR微流控芯片溫度控制普遍采用的裝置是①銅塊加熱；②溫度傳感器測(cè)量溫度；③微型溫控儀控制溫度。該裝置的缺點(diǎn)是銅塊加熱效率低、整個(gè)系統(tǒng)體積龐大、不利于芯片的在片檢測(cè)與集成。
PCR微流控芯片溫度控制采用的另外一種裝置是①基片(硅/玻璃)下表面沉積薄膜加熱；②基片下表面同時(shí)沉積溫度傳感器測(cè)量溫度；③通過采用相應(yīng)的溫度采集控制電路實(shí)現(xiàn)控溫。該裝置的缺點(diǎn)是加熱薄膜，溫度傳感器，PCR微流控芯片一體集成，成本高，芯片的鍵合難度大。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決目前PCR微流控芯片溫控系統(tǒng)存在的問題，開發(fā)一套加熱效率高、體積小、加熱、溫度采集與PCR微流控芯片分離集成，不但降低了成本還利于在片檢測(cè)，是一套可對(duì)三個(gè)恒溫區(qū)的溫度進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置和控制的高度集成的溫控系統(tǒng)?；谏鲜瞿康谋景l(fā)明設(shè)計(jì)了一套多通道智能溫控裝置，該裝置包括兩部分加熱裝置和溫度采集控制裝置2。加熱裝置參見圖3。溫度采集控制裝置2的邏輯圖如圖4所示。
加熱裝置由芯片固定裝置1、三個(gè)溫度傳感器3、三個(gè)電熱膜4組成。三個(gè)溫度傳感器3、三個(gè)電熱膜4通過耐高溫導(dǎo)熱膠分別粘接在芯片固定裝置1下表面的三個(gè)恒溫區(qū)，其中三個(gè)電熱膜4分別與第二引腳17相連，三個(gè)溫度傳感器3分別與第一引腳8相連，芯片固定裝置1通過導(dǎo)線與溫度采集控制裝置2連接，第一引腳8和第二引腳17通過導(dǎo)線與溫度采集控制裝置2連接。另外PCR微流控芯片5通過導(dǎo)熱膠粘接在芯片固定裝置1的上表面。其中PCR微流控芯片5包括三個(gè)恒溫區(qū)9、隔熱孔10、微通道11、入口12以及出口13，PCR微流控芯片5的恒溫區(qū)9、隔熱孔10分別與芯片固定裝置1的恒溫區(qū)6、隔熱槽7分別對(duì)應(yīng)。另外芯片固定裝置1上三個(gè)恒溫區(qū)之間采用空氣隔熱槽進(jìn)行隔熱，槽的寬度不小于4mm，芯片固定裝置1采用金屬材料，材料厚度不小于1mm，可采用導(dǎo)熱性能好的銅。PCR微流控芯片5上面采用不小于2mm的隔熱孔進(jìn)行隔熱，PCR微流控芯片5選擇高聚物材料作為基片。其中PCR微流控芯片5的俯視圖如圖3所示。
溫度采集控制裝置2的特征在于由多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路以及顯示器組成。三路溫度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)放大電路，送到多路模擬開關(guān)上，多路模擬開關(guān)選擇某一路的信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)與該路的設(shè)置溫度進(jìn)行比較，如果采集信號(hào)小于設(shè)置溫度，則單片機(jī)輸出控制信號(hào)給D/A芯片，D/A芯片則輸出設(shè)定的電壓給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出電熱膜需要的電壓，并對(duì)其進(jìn)行加熱。反之，如果大于設(shè)置溫度，則單片機(jī)輸出控制信號(hào)給D/A芯片，D/A芯片則輸出設(shè)定的電壓給驅(qū)動(dòng)電路，停止對(duì)電熱膜的加熱。單片機(jī)對(duì)溫度采集控制裝置的邏輯圖見圖5，溫度采集控制裝置主程序流程圖以及溫度采集控制裝置判斷轉(zhuǎn)移子程序流程圖分別見圖6和圖7。
采用上述裝置后的優(yōu)勢(shì)是1)溫控裝置的體積減小，由原來臺(tái)式機(jī)大小的體減小到手掌大。
2)溫控裝置可同時(shí)對(duì)三路溫區(qū)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置、控制和實(shí)時(shí)顯示。
3)實(shí)驗(yàn)證明該裝置能起到隔熱效果，能滿足對(duì)DNA進(jìn)行體外放大的溫度梯度的要求。
圖1芯片固定裝置俯視圖圖中6、恒溫區(qū)，7、隔熱槽，8、第一引腳，17、第二引腳圖2PCR微流控芯片俯視圖圖中9、恒溫區(qū)，10、隔熱孔，11、微通道，12、入口，13、出口圖3芯片固定裝置剖面圖圖中1、芯片固定裝置，3、溫度傳感器，4、電熱膜5、PCR微流控芯片，11、PCR微流控芯片上的微通道圖4溫度采集控制裝置原理圖圖中2、溫度采集控制裝置圖5溫度采集控制裝置邏輯圖圖6溫度采集控制裝置主程序流程圖圖7溫度采集控制裝置統(tǒng)判斷轉(zhuǎn)移子程序流程圖圖8芯片固定裝置隔熱槽數(shù)溫度場(chǎng)值模擬圖圖中14、入口，15、出口，16、管壁圖9芯片固定裝置隔熱槽紅外熱像儀圖
具體實(shí)施方式面向PCR微流控芯片的多通道智能溫控裝置的芯片固定裝置本發(fā)明應(yīng)用導(dǎo)熱性能良好的銅片作為基體材料。該芯片固定裝置采用寬4mm、長(zhǎng)60mm的隔熱槽間的空氣帶進(jìn)行隔熱。本發(fā)明從理論計(jì)算、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)三個(gè)方面論證該裝置的可行性。
理論計(jì)算隔熱槽的傳熱問題主要分三個(gè)部分①隔熱槽相鄰銅片各自的熱輻射q=ϵσ(T100)4;]]>②隔熱槽相鄰銅片之間的輻射換熱q1，2＝q2，1＝X2，1(qr1-qr2)；③隔熱槽相鄰銅片之間空氣的對(duì)流換熱qair＝αΔT。其中ε是黑度，本實(shí)施例中為0.22；σ是黑體輻射常數(shù)5.67w/(m2·k4)；T為熱平衡時(shí)物體的溫度；X1，2是兩個(gè)面之間的角系數(shù)，本實(shí)施例中為0.4。α是空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，本實(shí)施例中為6；空氣的溫度為25℃。根據(jù)上述公式結(jié)合各物質(zhì)的物性參數(shù)，可計(jì)算出隔熱槽相鄰銅片之間的傳熱情況見表1。表1中對(duì)于隔熱槽1，Tw1和Tw2是隔熱槽1所包括的相鄰兩個(gè)銅片表面的溫度，分別為94℃和72℃，兩個(gè)表面的熱輻射分別為q1(229.8w/m2)和q2(179.5w/m2)。對(duì)于隔熱槽2，Tw1和Tw2是是隔熱槽2所包括的相鄰兩個(gè)銅片表面的溫度，分別為72℃和55℃。兩個(gè)表面的熱輻射分別為q1(179.5w/m2)和q2(142.6w/m2)，。則由表1可以看出，隔熱槽1和2的凈輻射熱流密度(q1+q2-2q1，2)分別為368.2w/m2和292.2w/m2，而隔熱槽1和2狹窄空間的空氣因自然對(duì)流帶走的熱流密度分別為696w/m2和462w/m2，因此寬度4mm、長(zhǎng)60mm隔熱槽間的空氣帶可以起到隔熱的作用。
表1相鄰銅片之間的傳熱
數(shù)值模擬應(yīng)用GAMBIT所創(chuàng)建了長(zhǎng)60mm，寬4mm，深2mm的模型，模型由入口14、出口15及管壁16組成。應(yīng)用FLUENT6.1讀取該工程后，設(shè)置邊界條件如下管壁材料銅，管壁左側(cè)的溫度設(shè)置為345K，右側(cè)的溫度設(shè)置為367K，工作流體為空氣，采用空氣自然對(duì)流進(jìn)行隔熱，空氣入口處溫度為300K，空氣自然對(duì)流的速度一般小于0.3m/s時(shí)，本實(shí)施例中選擇0.03m/s，自然對(duì)流的方向垂直于水平方向沿Z軸向下。模擬結(jié)果見圖9。由該圖可以看出當(dāng)速度為0.03m/s，溫度為300K的空氣經(jīng)過長(zhǎng)60mm，寬4mm，深2mm的隔熱帶后，利用空氣的自然對(duì)流可以帶走由兩個(gè)恒溫面熱輻射所產(chǎn)生的熱量，即該隔熱帶可以起到隔熱的效果。對(duì)于同一工程，當(dāng)其它模擬條件不變的條件下，將右側(cè)面溫度值改為328K，則345K和328K相鄰溫區(qū)的溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬結(jié)果與圖9一致。數(shù)值模擬的結(jié)果表示本實(shí)施例采用的隔熱槽能滿足進(jìn)行DNA擴(kuò)增反應(yīng)溫度梯度的試驗(yàn)要求。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于寬4mm、長(zhǎng)60mm的隔熱槽的隔熱效果，本實(shí)施例應(yīng)用NECTH5102紅外熱成像儀測(cè)量了整個(gè)銅片上的溫度場(chǎng)分布見圖10。由圖10可以看出銅片上的溫度場(chǎng)明顯地分為了三個(gè)恒溫區(qū)，三個(gè)恒溫區(qū)的平均溫度分別為94.3℃、72.1℃和55.6℃；相鄰溫區(qū)間的溫度梯度為22.2℃和16.5℃。這說明理論計(jì)算、數(shù)值模擬結(jié)果是正確的。即發(fā)明中所采用的寬4mm，長(zhǎng)60mm的隔熱槽能起到隔熱的效果，能滿足DNA體外放大的對(duì)溫度梯度的要求。
面向PCR微流控芯片的多通道智能溫控裝的控溫裝置為采用3路AD590作為溫度傳感器，其采集的信號(hào)經(jīng)過放大器進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，三路電壓信號(hào)與多路模擬開關(guān)連接，經(jīng)過MCS-2051單片機(jī)控制選擇一路電壓信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)與設(shè)置的溫度值進(jìn)行比較，如果小于設(shè)置溫度MCS-2051單片機(jī)輸出控制信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換芯片，D/A芯片輸出“5V”電壓給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大，輸出給電熱膜進(jìn)行加熱；反之如果大于設(shè)置的溫度，則MCS-2051單片機(jī)輸出控制信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換芯片，D/A芯片輸出“0v”給驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)電熱膜停止加熱。該裝置對(duì)溫度的采集和控制通過對(duì)2051單片機(jī)進(jìn)行匯編語言編成而實(shí)現(xiàn)，其中溫度采集控制裝置主程序流程圖以及溫度采集控制裝置判斷轉(zhuǎn)移子程序流程圖分別見圖6和圖7。
控溫裝置中溫度傳感器信號(hào)將非電溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，電量信號(hào)接放大器反向輸入端2，正向輸入端3接地，6為輸出端。采樣電路的調(diào)節(jié)包括調(diào)零和調(diào)滿。其中調(diào)零是指調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R3，使得加在電阻R(VR3+R5)上的電壓為+5V，其產(chǎn)生的電流與溫度傳感器在0℃時(shí)輸出的電流相抵消，使得運(yùn)算放大器的輸入端2為零，則輸出端6為零伏。調(diào)滿是指在100℃時(shí)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R4，使得輸出電壓為5V。為了得到穩(wěn)定的電壓值，電阻R應(yīng)使用溫度系數(shù)小的精密電阻并且使用+5v穩(wěn)壓管以穩(wěn)定輸入電壓。
從三路采樣電路得到的電壓信號(hào)分別接多路模擬開關(guān)的X0，X1，X2端口，多路模擬開關(guān)的A，B控制端口接MCS-51系列單片機(jī)的P1.6和P1.7端口，引腳X3～X7，INH，GND、VEE、C接地，VDD接+12V電源，3接A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入引腳CH1。A/D轉(zhuǎn)換芯片的CH0和DI以及GND接地，VCC接+5V的電源，CH1接輸入信號(hào)，DO、CLK、CS分別接2051芯片的P1.5、P1.4和P1.3，以方便2051芯片對(duì)其進(jìn)行控制。
MCS-51系列單片機(jī)的引腳接線方式為VCC接+5V的工作電源，GND接地，RST作為復(fù)位信號(hào)輸入端，外面通過10μF的電容和+5V的電源相接，P1.7、P1.6和多路模擬開關(guān)的A和B控制輸入(輸出)端相連，P1.5、P1.4和P1.3分別和TLC0832型A/D轉(zhuǎn)換芯片的DO、CLK、CS分相接，XTAL1、XTAL2和時(shí)鐘發(fā)生器相接，外接的晶振頻率為11.0592MHz，P3.2、P3.3、P3.7和液晶顯示器的顯示端口相接，P1.2、P3.4、P3.5分別和D/A轉(zhuǎn)換芯片的LOAD、CLK、DATA端口相接。另外2051單片機(jī)可通過P3.0、P3.1和串口通信芯片MAX232的ROUT、TIN端口相接，從而實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信。
D/A轉(zhuǎn)換芯片引腳的接線方式為引腳(LOAD)和引腳(LDAC)是輸出的控制端，引腳(LDAC)接地，使其失去控制功能，這樣D/A芯片的輸出信號(hào)只由引腳(LOAD)進(jìn)行控制，下降沿輸出數(shù)據(jù)。D/A轉(zhuǎn)換芯片的通道選擇由串行輸入信號(hào)的第4位和第5位控制。將DS5620芯片的參考電壓都設(shè)置為+5V，其D/A轉(zhuǎn)換的公式見(1)V＝REF*CODE*(1+RNG)/256 (1)其中CODE為2051單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，設(shè)RNG的值為1，這樣在輸入的數(shù)字量達(dá)到80H(十進(jìn)值128)時(shí)，輸出的模擬量為+5V。當(dāng)輸入的數(shù)字量大于80H時(shí)，輸出的模擬量為最大值+5V。
D/A芯片輸出的電壓經(jīng)過由兩片集成運(yùn)算放大器所構(gòu)成的放大倍數(shù)為2.4倍的正向電壓放大電路，然后由中功率NPN型三極管組成的共集放大電路提供電流放大輸出。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)取決于電熱膜的額定工作電壓和電流。
該裝置的顯示器通過一個(gè)8個(gè)頭的插座和MCS-51系列單片機(jī)相連接。其在系統(tǒng)中的接線方式如下引腳1VSS接電源地，2VCC接+5V的電源，3VEE通過滑動(dòng)變阻器接-12V的電源，4CLK接MCS-51系列單片機(jī)的P3.2引腳，5SID接2MCS-51系列單片機(jī)的P3.3引腳，6CS片選端接MCS-51系列單片機(jī)的P3.7引腳，7背光源電壓接+5V，8背光源公共端。
權(quán)利要求
1.面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置，其特征在于包括三個(gè)溫度傳感器(3)、三個(gè)電熱膜(4)、安裝三個(gè)溫度傳感器(3)、三個(gè)電熱膜(4)、PCR微流控芯片(5)的芯片固定裝置(1)和溫度采集控制裝置(2)；其中，芯片固定裝置(1)由三個(gè)恒溫區(qū)(6)、恒溫區(qū)之間的隔熱槽(7)以及恒溫區(qū)上的第一引腳(8)和第二引腳(17)組成，芯片固定裝置上表面安裝PCR微流控芯片(5)，恒溫區(qū)(6)、隔熱槽(7)與PCR微流控芯片(5)的恒溫區(qū)(9)、隔熱孔(10)分別對(duì)應(yīng)；三個(gè)電熱膜(4)和三個(gè)溫度傳感器(3)分別設(shè)置在芯片固定裝置(1)下表面的三個(gè)恒溫區(qū)，其中三個(gè)電熱膜(4)分別與第二引腳(17)相連，三個(gè)溫度傳感器(3)分別與第一引腳(8)相連，芯片固定裝置(1)通過導(dǎo)線與溫度采集控制裝置(2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置，其特征在于芯片固定裝置(1)采用金屬材料，材料厚度大于等于1mm，隔熱槽(7)的寬度大于等于4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置，其特征在于所述的金屬材料為銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置，其特征在于三個(gè)電熱膜(4)通過耐高溫導(dǎo)熱膠分別粘貼在芯片固定裝置(1)下表面的三個(gè)恒溫區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置，其特征在于所述的溫度采集控制裝置(2)主要由多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路以及顯示器組成三路溫度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)放大電路，送到多路模擬開關(guān)上，多路模擬開關(guān)用于選擇某一路的信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)與該路的設(shè)置溫度進(jìn)行比較，D/A轉(zhuǎn)換器用于將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)來輸出給驅(qū)動(dòng)電路；當(dāng)單片機(jī)采集信號(hào)小于設(shè)置溫度，D/A轉(zhuǎn)換器則輸出設(shè)定的電壓給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出電熱膜需要的電壓，并對(duì)其進(jìn)行加熱；當(dāng)采集信號(hào)大于設(shè)置溫度，D/A轉(zhuǎn)換器則輸出另一設(shè)定的電壓給驅(qū)動(dòng)電路，使其停止對(duì)電熱膜的加熱；顯示器與單片機(jī)相連，用于顯示實(shí)時(shí)采集的某溫區(qū)的溫度。
專利摘要
面向聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微流控芯片的多通道智能溫控裝置屬于面向生物芯片微型化集成化自動(dòng)控制領(lǐng)域。包括三個(gè)溫度傳感器(3)、三個(gè)電熱膜(4)、芯片固定裝置(1)和溫度采集控制裝置(2)。芯片固定裝置由三個(gè)恒溫區(qū)(6)、隔熱槽(7)以及恒溫區(qū)上的引腳組成，芯片固定裝置上表面安裝PCR微流控芯片(5)。所述的溫度采集控制裝置主要由多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路以及顯示器組成。采用本裝置溫控裝置的體積減小，由原來臺(tái)式機(jī)大小的體減小到手掌大。溫控裝置可同時(shí)對(duì)三路溫區(qū)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置、控制和實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)證明該裝置能起到隔熱效果，能滿足對(duì)DNA進(jìn)行體外放大的溫度梯度的要求。
文檔編號(hào)C12P19/00GK1995319SQ200710062646
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2007年1月12日
發(fā)明者左鐵釧, 姚李英, 孔崢, 劉勛, 陳濤, 劉世炳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan