[发明专利]一种应用于核酸扩增技术的温控装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于工业自动化控制领域，具体是一种应用于核酸扩增技术的温控装置。

背景技术

核酸扩增是生命科学领域的常用研究工具，利用聚合酶链式反应(PCR)进行的核酸体外扩增是1983年开始发展起来的一项革命性技术，目前已被广泛运用于现代化的农业和医学以及食品工业等领域，特别是在人类认知基因和基因组的过程中，体外核酸扩增技术做出了卓越的贡献。

由于传统PCR始终受仪器设备和电力以及空间等诸多因素的限制。近年来恒温PCR技术已经开始悄然兴起。在过去10年中，若干恒温核酸扩增技术得到快速发展，如SDA技术、TMA技术、HDA技术、LAMP技术和RPA/RAA技术等。新技术的特点是在等温条件下即可高效、快速、高特异、高灵敏地扩增靶序列。

无论是经典、传统的PCR基因扩增技术还是改进后的新技术，核酸扩增仪的核心是一个温控设备，可以针对不同的反应要求来实现反应物在变性、复性、延伸不同阶段的温度和时间的控制。而由于温控系统具有滞后性、时变性和非线性的特性,同时基因扩增仪对实验温度的准确性要求也更高，因此设计出一种能自动调节温度以满足实验需求的设备就显得尤为重要。

发明内容

本发明结合国内外温度控制系统的研究现状以及核酸扩增的温度要求，设计了一种体积便携的温度控制系统。它很好的解决了当前关于扩增仪制作成本高，操作复杂，控制精度不高的技术难题。

一种应用于核酸扩增技术的温控装置，该装置包括热盖、试管、变温金属块、导热硅脂、半导体制冷片、散热金属片、散热装置、风扇、橡胶底座、全H桥驱动模块、控制器、按键、显示屏、箱体和温度传感器；

试管的顶部设有热盖，试管下半部分设置在变温金属块内，热盖和变温金属块上设有温度传感器，变温金属块底部设有半导体制冷片，半导体制冷片下方设有散热金属片，变温金属块和半导体制冷片之间以及半导体制冷片和散热金属片之间涂有导热硅脂；散热金属片下方设有通过风扇进行散热的散热装置；所述的温度传感器的信号输出端与控制器的温度信号输入端连接，控制器的驱动信号输出端与全H桥驱动模块驱动信号输入端连接，全H桥驱动模块的信号输出端接半导体制冷片；所述的箱体底部设有橡胶底座；箱体的外侧面上设有显示屏和按键；所述的温度传感器型号为DS18B20。

一种应用于核酸扩增技术的温控装置的控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将传感器检测到的当前温度值y传送到控制器，设定温度为x，则我们规定误差e＝x-y以及误差变化率ec作为控制器的输入语言变量，控制驱动装置的信号量u选作输出语言变量。

步骤二：确定输出量和输入量的量化等级、量化因子以及论域。取三个语言变量的量化等级都为9级；采用非线性量化，故量化因子为非常量；温度偏差e的基本论域选为{100,100}，选其模糊化时的论域为{3,3}，则量化因子为Ge＝3/100＝0.03。偏差变化率ec的基本论域选为{10,10}，其模糊化时的论域为{3,3}，则量化因Gc＝3/10＝0.3。输出比例系数修正量ΔK_P的基本论域选{0.24,0.24}，其模糊论域选为{3,3}，则量化因子为Gp＝0.24/3＝0.08。积分系数修正量ΔK_I的基本论域为{0.06,0.06}，其模糊论域为{3,3}，则量化因子为Gi＝0.06/3＝0.02。微分系数修正量ΔK_D的基本论域为{0.03,0.03}，其模糊论域为{3,3}，则量化因子Gd＝0.03/3＝0.01。

步骤三：在输入和输出语言变量的量化域内定义模糊子集。选定的模糊论域全部为{3,3}，语言变量需选取7个语言值：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。选取三角形隶属度函数。

步骤四：确定模糊控制规则并建立模糊控制规则表。

步骤五：求出模糊控制表。根据建好的模糊控制规则表和隶属度函数值，查出模糊推理器输出的PID三个修正参数Kp、Ki、Kd的模糊输出值。

步骤六：控制器将经模糊推理系统修正过参数的控制量输出给驱动模块。

步骤七：控制信号经驱动模块放大处理后输出给热电制冷器，实现对温度的调节。

步骤八：判断当前温度是否达到设定定温度值，是则执行相应时间的定时以实现核酸扩增，否则循环执行步骤一，对当前反应温度继续进行调节。

步骤九：在到达恒温要求后，判断设定的扩增时间是否满足，是则结束温度控制程序。否则跳转到步骤八，在温度达到动态平衡条件下执行定时程序，直至设定的扩增时间满足，结束扩增。