專利名稱：熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于定量分析聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)原始靶基因濃度的裝置。
在本實(shí)用新型作出前，還沒(méi)有全自動(dòng)定量檢測(cè)聚合酶鏈反應(yīng)原始靶基因的儀器。傳統(tǒng)的方法是先將靶基因置于由微機(jī)自動(dòng)控制電路控制加熱和制冷的熱循環(huán)裝置，完成PCR要求的變性、復(fù)性和延伸，使靶基因被擴(kuò)增數(shù)百萬(wàn)倍。然后再將擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行凝膠電泳來(lái)判斷是否具有欲檢測(cè)的靶基因。由于PCR擴(kuò)增的效率很高，極少量的靶基因和大量的靶基因被同時(shí)擴(kuò)增最終達(dá)到飽和，在電泳檢測(cè)時(shí)的結(jié)果是一樣的，因此這種方法只能獲得特定基因是否存在的定性結(jié)果，而無(wú)法對(duì)其數(shù)量或濃度定量檢測(cè)，另外這種方法由于在操作過(guò)程中需要將檢測(cè)樣本轉(zhuǎn)移，因此容易受環(huán)境的污染而造成結(jié)果的不準(zhǔn)確(假陽(yáng)性和假陰性)。同時(shí)還存在操作過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種能自動(dòng)、快速完成對(duì)靶基因的定量檢測(cè)，并在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中不受環(huán)境污染的熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是利用控制電路在控制熱循環(huán)裝置對(duì)靶基因擴(kuò)增的同時(shí)對(duì)被測(cè)反應(yīng)物的熒光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，由于熒光信號(hào)強(qiáng)度與靶基因的濃度是成比例關(guān)系的，因此檢測(cè)熒光強(qiáng)度就能知道特定基因的數(shù)量或濃度(單位容積內(nèi)的數(shù)量)。
整個(gè)裝置包括置于箱體內(nèi)的熱循環(huán)裝置，熒光檢測(cè)裝置、控制電路和置于箱體外的計(jì)算機(jī)，所說(shuō)的熱循環(huán)裝置包括具有一排插孔的變溫金屬模塊、與變溫金屬模塊緊貼的熱電制冷器，設(shè)在熱電制冷器旁的散熱器、風(fēng)扇和插放在插孔中的試管，試管上蓋有帶加熱器的熱蓋，在熱蓋、散熱器和變溫金屬模塊中分別設(shè)有溫度傳感器；熒光檢測(cè)裝置包括位于變溫金屬模塊下方的與金屬模塊上的一排插孔平行，并由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)來(lái)回移動(dòng)的同步帶，固定在同步帶上的殼體，殼體上設(shè)有位置傳感器，殼體頂端有孔，自頂端孔而下依次設(shè)有透鏡，與軸線呈45°傾角的二向分色鏡，與軸線垂直的橫桿及光電倍增管，橫桿貫穿于殼體相對(duì)兩壁，該橫桿隨殼體來(lái)回移動(dòng)，其二端與箱體上的定位板撞擊作水平滑動(dòng)，在橫桿上設(shè)有若干不同波長(zhǎng)的濾光片，在殼體內(nèi)位于橫桿上方設(shè)有激發(fā)光源、濾光片、透鏡，光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片、透鏡水平照射到二向分色鏡上；
控制電路包括通過(guò)接口與外設(shè)計(jì)算機(jī)相連的微處理器，分別將來(lái)自變溫金屬模塊溫度傳感器和光電倍增管的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸給微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器，輸入端與微處理器相連，輸出與熱電制冷器電連接的用于使電壓換向的固態(tài)換向橋，輸入端與溫度傳感器相連，輸出與熱蓋上加熱器和風(fēng)扇相連的溫度控制電路以及開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源與微處理器相連，其輸出電壓分別輸給固態(tài)換向橋，溫度控制電路及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，微處理器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，位置傳感器的輸出信號(hào)輸入微處理器。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述

圖1是本實(shí)用新型的熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀的示意圖；圖2是熱循環(huán)裝置示意圖；圖3是圖1的A-A剖視圖；圖4是控制電路構(gòu)成框圖；圖5是控制電路的固態(tài)換向橋一種具體電路實(shí)例；圖6是控制電路中的開(kāi)關(guān)電源的具體電路實(shí)例；圖7是溫度控制電路的具體電路實(shí)例。
參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型的熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀包括置于箱體V內(nèi)的熱循環(huán)裝置I，熒光檢測(cè)裝置II、控制電路III和置于箱體外的計(jì)算機(jī)IV，其熒光檢測(cè)裝置位于熱循環(huán)裝置的下方。熱循環(huán)裝置和熒光檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2、圖3所示。
所說(shuō)的熱循環(huán)裝置I包括具有一排插孔21的變溫金屬模塊4、與變溫金屬模塊4緊貼的熱電制冷器3，設(shè)在熱電制冷器3旁的散熱器2、風(fēng)扇1和插放在插孔21中的用于盛放反應(yīng)物的試管5，在試管5的上方蓋有防止試管內(nèi)反應(yīng)物蒸發(fā)的帶加熱器的熱蓋6，在熱蓋6、散熱器2中分別設(shè)有溫度傳感器7，在變溫金屬模塊4中設(shè)有溫度傳感器8；使用時(shí)，用若干個(gè)試管盛放已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)物，在其余試管中盛放被測(cè)反應(yīng)物，并在反應(yīng)物中加入熒光劑。
熒光檢測(cè)裝置II包括位于變溫金屬模塊4下方的與金屬模塊上的一排插孔21平行，并由步進(jìn)電機(jī)17帶動(dòng)來(lái)回移動(dòng)的同步帶16，固定在同步帶16上的殼體22，殼體上設(shè)有位置傳感器36，殼體頂端有孔19，自頂端孔而下依次設(shè)有透鏡13，與軸線呈45°傾角的二向分色鏡12，與軸線垂直的橫桿20及光電倍增管15，橫桿20貫穿于殼體相對(duì)兩壁，該橫桿隨殼體來(lái)回移動(dòng)，其二端與箱體上的定位板18撞擊作水平滑動(dòng)，在橫桿上設(shè)有若干不同波長(zhǎng)的濾光片14，在殼體內(nèi)位于橫桿上方設(shè)有激發(fā)光源9、濾光片10、透鏡11。通常，使用LED激發(fā)光源，激發(fā)光源9發(fā)出的激發(fā)光通過(guò)濾光片10過(guò)濾成特定波長(zhǎng)的單色光，再由透鏡11聚焦成平行光照射到二向分色鏡12上，特定波長(zhǎng)的單色光經(jīng)二向分色鏡反射通過(guò)透鏡13聚焦在試管5的底部，使試管內(nèi)的反應(yīng)物發(fā)出特定波長(zhǎng)的熒光，熒光通過(guò)透鏡13照射在二向分色鏡12上，波長(zhǎng)大于一定值的熒光穿過(guò)二向分色鏡12，經(jīng)濾光片14過(guò)濾成特定波長(zhǎng)的單色光，被光電倍增管15接收變成電信號(hào)輸給控制電路。步進(jìn)電機(jī)17正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶16直線運(yùn)動(dòng)，從而使固定在同步帶上的具有光學(xué)檢測(cè)器件的殼體來(lái)回移動(dòng)，對(duì)各個(gè)試管的熒光逐一檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)定位板18撞擊橫桿20切換濾光片14，用于過(guò)濾不同波長(zhǎng)的熒光。
熱循環(huán)裝置及熒光檢測(cè)裝置由控制電路控制進(jìn)行工作和信息傳遞。
控制電路見(jiàn)圖4所示，它包括通過(guò)接口24與外設(shè)計(jì)算機(jī)IV相連的微處理器25，分別將來(lái)自溫度傳感器8和光電倍增管15的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸給微處理器25的A/D轉(zhuǎn)換器26、27，輸入端與微處理器相連，輸出與熱電制冷器3電連接的用于使電壓換向的固態(tài)換向橋28，輸入端與溫度傳感器7相連，輸出與熱蓋上加熱器和風(fēng)扇1相連的溫度控制電路30以及開(kāi)關(guān)電源29，開(kāi)關(guān)電源29與微處理器25相連，其輸出電壓分別輸給固態(tài)換向橋28、溫度控制電路30及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器34，微處理器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器34，位置傳感器36的輸出信號(hào)輸入微處理器。
工作時(shí)，計(jì)算機(jī)IV傳出的指令信號(hào)經(jīng)微處理器25轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，微處理器的控制信號(hào)一方面輸給固態(tài)換向橋28，由其對(duì)來(lái)自開(kāi)關(guān)電源29的電壓進(jìn)行換向和調(diào)節(jié)，供熱電制冷器3加熱或制冷或恒溫，控制PCR擴(kuò)增的溫度要求，另一方面輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器34，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)式直線步進(jìn)，依次完成對(duì)全部(包括標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)物和被測(cè)反應(yīng)物)試管反應(yīng)物在不同波長(zhǎng)下的熒光強(qiáng)度檢測(cè)。同時(shí)，熱循環(huán)裝置中的溫度傳感器8輸出的溫度信號(hào)和熒光檢測(cè)裝置中的光電倍增管15輸出的電信號(hào)分別由A/D轉(zhuǎn)換器26、27轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以及位置傳感器36輸出的位置信號(hào)均經(jīng)微處理器傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理后，一方面發(fā)出控制指令輸給微處理器轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，另一方面將擴(kuò)增過(guò)程中輸入的被測(cè)反應(yīng)物和標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)物的熒光強(qiáng)度作比較，處理成直觀易懂的曲線或圖表在顯示器顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因的定量檢測(cè)?？刂齐娐分械臏囟瓤刂齐娐?0接收溫度傳感器7輸出的溫度信號(hào)，其輸出接通熱蓋加熱器，風(fēng)扇，以使熱蓋及周圍溫度始終控制在所需范圍。
圖5是控制電路的固態(tài)換向橋一種具體電路實(shí)例；
此例中，固態(tài)換向橋是由二片IR2110集成塊和MOSFET管Q1～Q4構(gòu)成，圖中TE+、TE-端與熱電制冷器相連，COOL、HEAT、PWM端是來(lái)自于微處理器的CPU接口信號(hào)，該電路實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)的電子換向。
圖6是控制電路中的開(kāi)關(guān)電源的具體電路實(shí)例。
此例中，交流電源經(jīng)TVS管保護(hù)，經(jīng)整流濾波及熔斷器后，進(jìn)入隔離的直流/直流變換器模塊PH300F，在HV+、HV-端輸出安全特性較高的直流電壓。直流電壓提供給固態(tài)換向橋用于熱電制冷器的驅(qū)動(dòng)，也提供給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)給溫度控制電路提供了12VDC，用于熱蓋、散熱器的溫度控制。PH300F中的CNT與SG間與微處理器的電源控制接口相連。
圖7是溫度控制電路的具體電路實(shí)例。
熱蓋上溫度傳感器的溫度信號(hào)從SEN6、OUT6端接入，并與由電阻R7、R8決定的溫度設(shè)置點(diǎn)在集成電路U5(TLC2202)中進(jìn)行放大比較，驅(qū)動(dòng)Q5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)接于HOTL10端的熱蓋加熱膜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。同理，散熱器上溫度傳感器的溫度信號(hào)從SEN7、OUT7端接入，并與由電阻Ri2決定的溫度設(shè)置點(diǎn)在集成電路U6(TLC2202)中進(jìn)行放大比較，驅(qū)動(dòng)Q6的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，控制接于FAN端的風(fēng)扇動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)散熱器的溫度自動(dòng)控制，U3和U4是恒流源，它起到了穩(wěn)定被測(cè)溫度信號(hào)的作用。
控制電路中的微處理器可用80C196。接口可采用RS232。
本實(shí)用新型的熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀，利用計(jì)算機(jī)、微處理器控制，在熱循環(huán)裝置對(duì)靶基因?qū)嵤U(kuò)增的同時(shí)，采用熒光檢測(cè)裝置對(duì)被檢物和標(biāo)準(zhǔn)物的熒光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并由計(jì)算機(jī)軟件將被檢物和標(biāo)準(zhǔn)物的熒光強(qiáng)度作比較，由于靶基因強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度成比例，因此可自動(dòng)、快速實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因濃度的實(shí)時(shí)定量檢測(cè)，由于整個(gè)檢測(cè)過(guò)程是在完全密閉的試管中進(jìn)行，而加入試管的熒光劑并不污染反應(yīng)物，因此檢測(cè)物不會(huì)受到環(huán)境污染。
權(quán)利要求1.熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀，其特征在于它包括置于箱體內(nèi)的熱循環(huán)裝置[I]，熒光檢測(cè)裝置[II]、控制電路[III]和置于箱體外的計(jì)算機(jī)[IV]，所說(shuō)的熱循環(huán)裝置[I]包括具有一排插孔[21]的變溫金屬模塊[4]、與變溫金屬模塊[4]緊貼的熱電制冷器[3]，設(shè)在熱電制冷器[3]旁的散熱器[2]、風(fēng)扇[1]和插放在插孔[21]中的試管[5]，試管[5]上蓋有帶加熱器的熱蓋[6]，在熱蓋[6]、散熱器[2]中分別設(shè)有溫度傳感器[7]，在變溫金屬模塊[4]中設(shè)有溫度傳感器[8]；熒光檢測(cè)裝置[II]包括位于變溫金屬模塊[4]下方的與金屬模塊上的一排插孔[21]平行，并由步進(jìn)電機(jī)[17]帶動(dòng)來(lái)回移動(dòng)的同步帶[16]，固定在同步帶[16]上的殼體[22]，殼體上設(shè)有位置傳感器[36]，殼體頂端有孔[19]，自頂端孔而下依次設(shè)有透鏡[13]，與軸線呈45°傾角的二向分色鏡[12]，與軸線垂直的橫桿[20]及光電倍增管[15]，橫桿[20]貫穿于殼體相對(duì)兩壁，該橫桿隨殼體來(lái)回移動(dòng)，其二端與箱體上的定位板[18]撞擊作水平滑動(dòng)，在橫桿上設(shè)有若干不同波長(zhǎng)的濾光片[14]，在殼體內(nèi)位于橫桿上方設(shè)有激發(fā)光源[9]、濾光片[10]、透鏡[11]，光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片[10]、透鏡[11]水平照射到二向分色鏡[12]上；控制電路[III]包括通過(guò)接口[24]與外設(shè)計(jì)算機(jī)[IV]相連的微處理器[25]，分別將來(lái)自溫度傳感器[8]和光電倍增管[15]的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸給微處理器[25]的A/D轉(zhuǎn)換器[26、27]，輸入端與微處理器相連，輸出與熱電制冷器[3]電連接的用于使電壓換向的固態(tài)換向橋[28]，輸入端與溫度傳感器[7]相連，輸出與熱蓋上加熱器和風(fēng)扇[1]相連的溫度控制電路[30]以及開(kāi)關(guān)電源[29]，開(kāi)關(guān)電源[29]與微處理器[25]相連，其輸出電壓分別輸給固態(tài)換向橋[28]，溫度控制電路[30]及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[34]，微處理器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[34]，位置傳感器[36]的輸出信號(hào)輸入微處理器。
2.按權(quán)利要求1所述的熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀，其特征在于所說(shuō)的固態(tài)換向橋是由二片IR2110集成塊和MOSFET管[Q1～Q4]構(gòu)成。
專利摘要熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)診斷儀。它包括置于箱體內(nèi)的熱循環(huán)裝置,熒光檢測(cè)裝置、控制電路和置于箱體外的計(jì)算機(jī),利用計(jì)算機(jī)、微處理器控制,在熱循環(huán)裝置對(duì)靶基因?qū)嵤U(kuò)增的同時(shí),采用熒光檢測(cè)裝置對(duì)被檢物和標(biāo)準(zhǔn)物的熒光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),并由計(jì)算機(jī)軟件將被檢物和標(biāo)準(zhǔn)物的熒光強(qiáng)度作比較,由于靶基因強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度成比例,因此可自動(dòng)、快速實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因濃度的實(shí)時(shí)定量檢測(cè),由于整個(gè)檢測(cè)過(guò)程是在完全密閉的試管中進(jìn)行,因此檢測(cè)物不會(huì)受到環(huán)境污染。
文檔編號(hào)G01N21/64GK2482080SQ01221110
公開(kāi)日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者李社剛, 毛立新, 李建峰, 項(xiàng)偉平, 劉志華, 吳志和 申請(qǐng)人:杭州大和熱磁電子有限公司