CN103992938B - 基因扩增装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基因扩增装置，所述基因扩增装置包括加热系统和冷却系统，加热系统包括加热源和导热模块，加热源为陶瓷加热器或贴片功率电阻，冷却系统包括导热模块内开设的第一液体管路、散热板、循环管路、冷却液及循环泵，通过循环泵控制冷却液在第一液体管路、第二液体管路及循环管路形成的闭合通路内循环流动或停止，来实现导热模块的快速升降温，模块的温度均匀性有较大的改善。

Description

基因扩增装置

技术领域

本发明涉及聚合酶链反应装置，特别是涉及一种基因扩增装置。

背景技术

在分子生物学领域，聚合酶链反应已得到广泛认可，是一种探索DNA的具有高可靠性的有效手段。样品中的DNA在试剂配合下，在特定温度程序下进行温度循环反应，在短时间内可获得2的N次方数量的片段扩增，使得检测非常灵敏。

基于聚合酶链反应技术的基因扩增设备已经成为分子生物学领域种的基础性和必备设备。基因扩增设备通常包含基因扩增仪和荧光定量聚合酶链反应检测系统两大类，这两大类设备的核心都是采用聚合酶链反应技术。

传统基因扩增设备可以满足一般性低敏感度试剂的聚合酶链反应。但随着聚合酶链反应技术在各个领域的扩展应用、技术深度的延伸，以及反应原理的进一步细化，对仪器的技术性能提出了越来越高的要求。传统基因扩增设备主流都采用半导体制冷器作为加热源和制冷源，通常采用铝合金、铜合金或热管型的散热器并通过直接风机风冷形式散热，这样的基因扩增设备在进行温度敏感试剂或高分辨率实验时往往不能取得理想的结果，影响了在临床、科研、检验场合的应用，主要体现在：

1.半导体制冷器温度性能影响因素众多，且调控手段不多，机构安装工艺要求较高。半导体制冷器其制冷加热性能不仅与原件自身的材料特性、材料排布特性、热功率分布、平面度、焊接工艺等相关，还与安装平面度、压力分布均匀性、界面导热材料、环境水汽、散热面工况等结构和环境相关。因此要发挥最大性能有一定的难度，保持设备不同批号一致性也有一定难度。

2.由于聚合酶链反应是一个高低温循环的技术，试剂中酶活性是随时间衰变的，同时由于用户检测效率和及时性的要求，决定了基因扩增设备必须是一个尽可能高速运行的快速升降温系统。在这种情况下，半导体制冷器的工作条件是快速冷热循环，使用状态类似于变温条件疲劳寿命测试。多次循环后，半导体制冷器元件的承压结构会发生松动，其热接触和热应力条件及易发生变化，加剧性能退化，因此一般实际使用寿命仅数万次循环。

3.半导体制冷器的一面(工作面)带有试管孔的导热模块，另一面(非工作面)装有散热器，半导体制冷器自身是一个热传导路径，因此半导体制冷器的每个面都对另一面的温度及其分布均匀性造成影响。在基因扩增设备中，散热器面的温度分布对工作面导热模块的热分布就有显著影响。散热器面通常还带有风机进行强迫风冷，在此情况下，由于散热器形状、翅片分布、边缘效应、散热气流路径、端面流量分布、气道阻力等的不一致，使得半导体制冷器非工作面的热分布成因复杂，虽有一些厂家采用热管散热器进行性能改进，但这些因素即使经过某些补偿措施也不能有效消除。

4.与前几项表述相关，所用散热器有效面积偏小、体积大、重量大、热传导效率低，风机也带来较大的噪声。导热模块的温度均匀性差、升降温效率低，导致无法应用于温度敏感试剂和高分辨率实验。

发明内容

基于此，有必要针对上述传统基因扩增设备在进行温度敏感试剂或高分辨率实验时不能取得理想效果的问题，提供一种基因扩增装置。

一种基因扩增装置，包括加热系统和冷却系统，所述加热系统包括加热源和导热模块，所述加热源通过导热模块对反应试剂加热，所述加热源为陶瓷加热器或贴片功率电阻，所述冷却系统包括导热模块内开设的第一液体管路、用于散发热能的散热板、循环管路、冷却液及用于推动所述冷却液流动的循环泵，所述散热板内设有与所述循环管路连通的第二液体管路，所述第一液体管路、第二液体管路和所述循环管路连通形成闭合通路。

在其中一个实施例中，所述导热模块上设有第一接口和第二接口，所述第一接口和第二接口将所述第一液体管路与所述循环管路连通，所述第一接口和第二接口的数量至少为1，所述第一液体管路内部路径可以是并行或串行或分叉或转折或合并的。

在其中一个实施例中，所述散热板设有第一散热接口和第二散热接口，所述第一散热接口与所述第二散热接口将所述第二液体管路与所述循环管路连通，所述第一散热接口和第二散热接口的数量至少为1，所述第二液体管路内部路径可以是并行或串行或分叉或转折或合并的。

在其中一个实施例中，所述陶瓷加热器由交流或直流供电。

在其中一个实施例中，所述加热源为通过导热固化胶填充由贴片功率电阻排列成的阵列形成的绝缘加热体。

在其中一个实施例中，所述散热板上设有散热翅片。

在其中一个实施例中，所述冷却液在0摄氏度时不凝固、在100摄氏度时不沸腾、在0摄氏度至100摄氏度之间为液态。

在其中一个实施例中，所述冷却液为发动机防冻液。

在其中一个实施例中，所述循环管路为耐高温软管。

在其中一个实施例中，所述冷却系统还包括风机。

上述基因扩增装置包括加热系统和冷却系统，加热系统包括加热源和导热模块，加热源为陶瓷加热器或贴片功率电阻，冷却系统包括导热模块内开设的第一液体管路、散热板、循环管路、冷却液及循环泵，通过循环泵控制冷却液在第一液体管路、第二液体管路及循环管路形成的闭合通路内循环流动或停止，来实现导热模块的快速升降温，模块的温度均匀性有较大的改善。

附图说明

图1为本实施方式中基因扩增装置的示意图；

图2为本实施方式中导热模块的示意图；

图3为本实施方式中散热板的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1、图2和图3，本实施方式提供一种基因扩增装置100。该基因扩增装置100包括加热系统和冷却系统，加热系统用于给反应试剂加热，冷却系统用于给反应试剂降温。加热系统包括加热源130和导热模块110。加热源130与导热模块110之间通过导热介质120相连，导热介质120将加热源130散发出的热能传递给导热模块110，导热模块110再将热能传递给反应试剂。冷却系统包括导热模块110内开设的第一液体管路111、散热板140、循环管路150、冷却液及循环泵160，散热板140用于将集热板收集的热能散发出去，循环管路150为耐高温的软管，本实施方式中使用的是铂金硫化硅胶管。散热板140内设有与循环管路150连通的第二液体管路141，第一液体管路111、第二液体管路141和循环管路150相连，形成一个闭合通路，冷却液在该闭合通路内循环流动，将导热模块110收集的导热模块110和加热源130上的热能通过散热板140散发到空气中。这样的基因扩增装置无需采用半导体制冷器即可实现高速升降温和优异的模块温度均匀性。

加热源130为陶瓷加热器或贴片功率电阻。加热源130可以贴附在导热模块110底部，也可以嵌入到内部。电阻的阻值可以根据导热模块110温度分布规律进行调整和设定，以便产生合适的发热功率，使导热模块110获得高度的温度均匀性，并使得反应试剂的基因扩增反应实验获得高度一致性。

当采用陶瓷加热器作为加热源130时，陶瓷加热器由交流或者直流供电。当采用贴片功率电阻作为加热源130时，贴片功率电阻排列成阵列，并通过导热固化胶填充该阵列，使之形成一个绝缘加热体，该绝缘加热体即为此时的加热源，当然，也可以使用其他类似发热器件。加热源130与导热模块110之间设有导热介质120，加热源130发出的热能通过导热介质120传递给导热模块110，从而达到给反应试剂加热的效果。

导热模块110内开设有第一液体管路111，且在导热模块110上还设有可供冷却液流入和流出的第一接口112和第二接口113。第一接口112与第二接口113将导热模块110内设的第一液体管路111与循环管路150连接起来，使得冷却液可以在第一液体管路111和循环管路150之间顺利流动。第一接口112和第二接口113的数量可以是一个或者多个。导热模块110内的第一液体管路111内的路径可以是并行、串行、分叉、转折、合并。特别是当形成交叉形态进出冷却液时，能够使导热模块110上的反应试剂获得高度一致的动态温度变化，使得基因扩增实验结果的一致性得以保证。当在需要对反应试剂进行冷却时，由流经该导热模块110的冷却液直接带走导热模块110收集到的热能，使导热模块110的降温速率达到最大，从而达到对反应试剂进行冷却的效果。

第一液体管路111两侧分别连接循环管路150，该两根循环管路150的另一端分别与第二液体管路141两侧相连，这样第一液体管路111、第二液体管路141和循环管路150就形成了一个闭合通路。循环泵160安装于其中一根循环管路150上，推动冷却液在闭合通路内流动或停止来实现对反应试剂的升降温。

散热板140可以设置于该基因扩增装置100的任意位置，但其内部结构与导热模块110相同的开设有第二液体管路141，且在散热板140上开设有可供冷却液流入和流出的第一散热接口142和第二散热接口143，该第一散热接口142和第二散热接口143用于将第二液体管路141与循环管路150连接起来，同第一液体管路111形成闭合通路。第一散热接口142和第二散热接口143的数量至少为1。散热板140内的第二液体管路141内的路径可以是并行、串行、分叉、转折、合并。散热板140由金属材质制成，具有高密度翅片散热结构。当冷却系统开启时，散热板140将冷却液从集热板处带的热能散发出去。

循环泵160安装于循环管路150上，在电信号的控制下推动冷却系统中的冷却液在闭合通路中流动，还可以根据实际使用需要，增强或削弱冷却液的流动热交换能力。另外，循环泵160内可以加注冷却液并能储存一定量的液体，以排除闭合通路内的空气。

冷却液具有在0℃时不会凝固、在100℃时不会沸腾汽化、在0℃到100℃之间为液态并具有耐腐蚀的特性，例如发动机防冻液，某发动机防冻液的工作温度为零下35摄氏度至107摄氏度。在本实施方式中，冷却液即使用发动机防冻液。

该基因扩增装置100的冷却系统还包括风机170，该风机170作用于散热板140上，可以增强散热板140与环境空气的热对流散热效果，从而提高降温速率。

当该基因扩增装置100处于加热状态时，循环泵160处于关闭状态，冷却液在闭合通路内处于静止状态，此时导热模块110中的加热能量不会被冷却系统大量损耗。当基因扩增装置100处于冷却状态时，作为加热源130被关断，循环泵160处于开启状态，导热模块110中的冷却液被驱动流经循环管路150和第二液体管路141，在第二液体管路141处与环境空气进行对流热交换，而风机170则增强了散热板140的热交换作用。通过控制冷却液在闭合通路内循环流动，导热模块110温度得以迅速下降，从而带动反应试剂温度快速下降。这样的基因扩增装置可以实现加热源130的利用效率，降低了加热源130的负载，更多的能量直接用于导热模块110，使得导热模块110升温速率最大；同时，冷却液得以直接流经导热模块110，使导热模块110降温速率最大。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基因扩增装置，包括加热系统和冷却系统，所述加热系统包括加热源和导热模块，所述加热源通过导热模块对反应试剂加热，其特征在于，所述加热源为通过导热固化胶填充由贴片功率电阻排列成的阵列形成的绝缘加热体，所述冷却系统包括导热模块内开设的第一液体管路、用于散发热能的散热板、循环管路、冷却液及用于推动所述冷却液流动的循环泵，所述散热板内设有与所述循环管路连通的第二液体管路，所述第一液体管路、第二液体管路和所述循环管路连通形成闭合通路。

2.根据权利要求1所述的基因扩增装置，其特征在于，所述导热模块上设有第一接口和第二接口，所述第一接口和第二接口将所述第一液体管路与所述循环管路连通，所述第一接口和第二接口的数量至少为1，所述第一液体管路内部路径是并行或串行或分叉或转折或合并的。

3.根据权利要求1所述的基因扩增装置，其特征在于，所述散热板设有第一散热接口和第二散热接口，所述第一散热接口与所述第二散热接口将所述第二液体管路与所述循环管路连通，所述第一散热接口和第二散热接口的数量至少为1，所述第二液体管路内部路径是并行或串行或分叉或转折或合并的。

4.根据权利要求1所述的基因扩增装置，其特征在于，所述散热板上设有散热翅片。

5.根据权利要求1所述的基因扩增装置，其特征在于，所述冷却液在0摄氏度时不凝固、在100摄氏度时不沸腾、在0摄氏度至100摄氏度之间为液态。

6.根据权利要求5所述的基因扩增装置，其特征在于，所述冷却液为发动机防冻液。

7.根据权利要求1所述的基因扩增装置，其特征在于，所述循环管路为耐高温软管。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基因扩增装置，其特征在于，所述冷却系统还包括风机。