用于驱动聚合连锁反应芯片的温度控制方法和设备 【技术领域】
本发明涉及一种温度控制方法和设备，更具体地说，涉及一种用于驱动聚合连锁反应(PCR)芯片的温度控制方法和设备。
背景技术
用PCR来放大脱氧核糖核酸(DNA)的常规设备是通过将14个以上的、容量为0.5或0.2毫升的小试管绑在一起，在相同的温度周期下来放大PCR。常规设备的优点是能同时分析多个病人的样品。然而，对于每一个DNA而言，由于最大限度地放大DNA的温度条件是不同的，因此，在同一时间内，难于检查各种各样的DNA。此外，试验所需的样品数量至少是0.2毫升，这个容量是根据本发明的微型PCR芯片中腔体容量(3.6微升)的55倍。因此，常规的方法需要从病人的样品中提取大量的DNA。此外，由于在常规设备中使用了大量的、在试验时加入的致癌物质，因而会造成环境污染。
【发明内容】
为了解决上述的相关问题，本发明的目地是为聚合连锁反应(PCR)芯片提供一种温度控制方法和设备。
为了达到本发明的这个目的，提出了一种聚合连锁反应芯片的温度控制设备。该温度控制设备包括：PCR芯片，该芯片从外部接收电力并产生热，以保持预定的温度，并向外部输出实际的温度信息；电源单元，用于根据输入控制信号向PCR芯片提供电力；和控制器，该控制器根据控制信息来产生控制信号，以便向电源单元提供控制信号，其中，该控制信息包括预定的控制温度和控制时间信息以及由PCR芯片提供的实际温度信息。
最好是，该温度控制设备进一步包括：选择器，它接收用于选择要控制的PCR芯片的第一选择信号以及来自所述控制器的控制信号，以便选择向要控制的PCR芯片供电的电源单元，并向选中的电源单元提供所述控制信号；多路复用器，它从控制器接收用于选择一个PCR芯片的第二选择信号，并根据第二选择信号向控制器提供关于预定的PCR芯片的实际温度信息。
最好是，在温度控制设备中的一个PCR芯片包括：加热器，它接收来自电源的电力以产生热；温度传感器，用于测量PCR芯片的温度并向外部输出该温度。
最好是，该温度控制设备进一步包括：输入输出(I/O)单元，用于从用户那里接收包括控制温度和时间信息的控制信息，以便向控制器提供控制信息，并根据此控制信息向外部输出预定的PCR芯片的温度控制结果。
为了达到本发明的这个目的，提出了一种PCR芯片的温度控制方法，此方法包括：(a)接收包括PCR芯片的控制温度和时间的控制信息；(b)产生PCR芯片的控制信号，以便在预定的时间内保持控制温度；和(c)根据控制信号来控制PCR芯片的温度。
最好是，步骤(b)包括：(b1)产生选择信号，用于在装有多个PCR芯片时，选择要用控制信号控制的PCR芯片；和在步骤(c)中，根据选择信号和控制信号来控制预定的PCR芯片的温度。
最好是，该温度控制方法进而包括：(d)测量PCR芯片的温度；(e)在PCR芯片的实际温度与控制温度不同时，重复步骤(b)。
最好是，步骤(e)包括：(e1)在装有多个PCR芯片时，产生用于选择预定的PCR芯片的信息；和(e2)然后，将选中的PCR芯片的实际温度与对应于选中的PCR芯片的控制温度相比较，以便在实际温度和控制温度不同时进行步骤(b)。
为了达到本发明的这个目的，提供了一种在计算机中可读的记录介质，其上记录有用于操作上述方法之一的程序。
【附图说明】
图1是示出根据本发明的实施例的聚合连锁反应(PCR)芯片的温度控制设备的功能方框图。
图2是示出根据本发明的另一个实施例的PCR芯片的功能方框图。
图3是解释根据本发明的另一个实施例的PCR芯片的温度控制方法的流程图。
图4是示出根据本发明的另一个实施例的图1的PCR芯片的温度控制设备的硬件结构示意图。
图5是示出根据本发明的另一个实施例的图2的PCR芯片的硬件结构示意图。
图6示出了根据本发明的另一个实施例利用示波器在模拟/数字(A/D)转换器输入终端上测量的铂传感器电压的波形，其中根据本发明通过使用PCR芯片控制预定PCR芯片的温度。
图7示出了根据图5的实施例从CPU上得到的铂传感器电压的波形。
图8示出了根据图5的实施例的铂加热器温度的过冲量。
图9示出了根据图5的实施例的铂加热器温度的正常状态误差。
图10示出了根据图5的实施例的放大的脱氧核糖核酸(DNA)的荧光图像。
【具体实施方式】
图1是示出根据本发明的实施例的聚合连锁反应(PCR)的温度控制设备的功能方框图。输入/输出(I/O)单元101从外部接收选择信息、控制温度和控制时间信息，以便在预定的时间内选择要控制在预定温度下的PCR芯片，并向控制器102提供这些信息。此外，输入/输出(I/O)单元101从控制器102上接收PCR芯片的控制结果信息，即在PCR芯片的实际温度信息，并将此信息提供给用户。
控制器102根据来自I/O单元101的选择信息、控制温度和控制时间信息产生控制信号，并收集要控制的PCR芯片的实际温度信息，以便将此信息提供给I/O单元101。此外，控制器102产生用于选择预定的、将要读出其上温度的PCR芯片的选择信号，以便向多路复用器106提供该选择信号。
选择器103根据来自控制器102的控制信号选择电源单元1041或1042，…并向选中的电源单元1041或1042，…提供控制信号。其中，电源单元1041或1042，…为要控制的PCR芯片提供电力。
电源单元1041、1042…根据来自选择器103的控制信号分别向预定的PCR芯片1051、1052…提供电力，这些芯片是分别与电源单元1041、1042…相连的。
PCR芯片1051、1052…分别接收来自电源单元1041、1042…上的电力，并利用此电力产生热，从而控制芯片的温度。PCR芯片1051、1052…分别测量它们自己的温度，并分别向多路复用器106提供测量温度值。
多路复用器106从PCR芯片1051、1052…上接收PCR芯片1051、1052…的实际温度信息，并从控制器102上接收用于选择一个PCR芯片的选择信号，以便将根据选择信号选出的PCR芯片的实际温度信息提供给模拟/数字(A/D)转换单元107。
A/D转换器107从多路复用器106上接收根据选择信号选出的PCR芯片的实际温度信息，以便将此实际温度信息转换为数字信号，并将此数字信号提供给控制器102。
图2是示出根据本发明的实施例的一块PCR芯片的功能方框图。
加热器201接收来自外部的电力以产生热。
温度传感器202测量加热器的实际温度，并向外输出此温度。
图3是说明根据本发明的实施例的控制PCR芯片的温度的方法的流程图。在步骤301中输入包括PCR芯片的温度控制信息和时间控制信息在内的控制信息，以便在步骤302中根据控制信息来产生用于控制PCR芯片温度的控制信号。然后，在步骤303中根据该控制信号来选择要控制的PCR芯片，以便控制PCR芯片的温度。此后，在步骤304中测量PCR芯片的实际温度，以便在步骤305中比较测量温度和控制温度。如果这两个温度相同，则该方法进行到步骤304。如果这两个温度不同，则进行到步骤302。
图4是说明根据本发明的实施例的图1的PCR芯片的温度控制设备的硬件结构示意图。在本发明中，用了128个PCR芯片。如果对PCR芯片上的铂传感器加以恒定的电流，相应于PCR芯片的温度，在铂传感器的两端上就产生了不同的电压。然后再对这两个不同的电压进行处理并将它们传送到CPU上。CPU将此模拟电压信息转换为数字信息，并将PCR芯片的测量温度与目标温度相比较。如果测量温度高于目标温度，就关掉含于芯片中的加热器；如果测量温度低于目标温度，就打开含于芯片中的加热器。
更具体地说，CPU 401相当于图1中的控制器101。换句话说，CPU 401产生控制信号，用于控制要根据预定的控制温度、时间和有关PCR芯片的信息来控制的PCR芯片的温度。在本发明中，该控制信号包括提供给与图1中的电源单元1041、1042、…相对应的光MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)404001、104002、…的加热器开/关信号以及用于选择PCR芯片的4位地址信号。通过译码器402将加热器开/关信号提供给8位的闭锁器40301、…、10316和将4位地址信号提供给8位的闭锁器40301、…、40316。因此，译码器402和8位闭锁器40301、…、40316相当于图1中的选择器103。
闭锁器40301、…、40316用4位地址信号来选择要控制的PCR芯片，并将加热器开/关信号提供给向要控制的PCR芯片提供电力的光MOSFET404001、…、404128。光MOSFET404001、…、404128根据加热器开/关信号分别向PCR芯片405001、…、405128提供电力。而PCR芯片405001、…、405128分别用提供的电力来产生热。另外，PCR芯片上的实际温度信息被产生并分别提供给模拟多路复用器40601、…、40608。
模拟多路复用器40601、…、40608从CPU 401上接收用于选择将要读出其上温度的PCR芯片的选择信号，并接收PCR芯片的实际温度信息，以便将选中的PCR芯片的实际温度信号提供给CPU 401。
图5是示出根据本发明的另一个实施例的图2中PCR芯片的硬件结构的示意图。其中，PCR芯片是由铂加热器和铂传感器构成的。为了产生供测量用的细小的恒定电流，使用输出电压误差为0.8％并具有高性能的op-ampMC33184调整器ADP3301来产生恒定的4mA的电流，并将该恒定的电流提供给铂传感器。其中，用四点探针法来测量在铂传感器中产生的电压。在这种情况下，使用测量仪表放大器来测量铂传感器两端的电压。此外，在端电路(end circuit)上控制电压的DC偏移(DC offset)和放大率，然后，通过一个由两个二极管制成的过电压限制器将此电压提供给模拟多路复用器。CPU根据提供的信息来识别PCR芯片的温度，并通过将PCR芯片的温度和目标温度相比较来产生控制指令。此外，CPU通过使用高速的光MOSFET而不是用继电器来切换提供给加热器的外部电力，以便控制PCR芯片的温度。
更具体地说，电源单元501是由外部电源5011和光MOSFET5012组成的，光MOSFET5012从外部接收用以打开或关闭外部电源5011的开关信号以及提供给铂加热器5021的电力。
参考号502表示由铂加热器5021和铂传感器5022组成的器件。其中，铂加热器5021将由外部电源5011提供的电力转换为热。铂传感器5022接收恒定的电压和恒定的电流以产生与铂加热器5021的温度相应的电压，并向外输出这个温度。
参考号503表示一个电路，它向铂传感器5022提供恒定的电压和恒定的电流，并通过将与铂加热器5021的温度相对应的铂传感器5022的输出电压和输入电压，即恒定电压相比较，来测量铂加热器5021的温度。这里，参考号5031表示作为恒定电压电路的调整器ADP3301，参考号5032表示作为恒定电流电路的op-amp MC33184，而参考号5033表示用于放大输入电压和输出电压之差的放大器。将在电路503中测量的铂加热器5021的实际温度信息输出到模拟多路复用器。
现在将要根据本发明的上述实施例来说明使用PCR芯片温度控制设备的PCR试验。其中，用质粒脱氧核糖核酸(DNA)作为放大样品，并通过加入缓冲溶液到起动样品中来制备驱动溶液。该缓冲溶液包括始发剂、dNDP、盐和DNA聚合酶。通过将驱动溶液注入到PCR芯片的入口中而填满反应室之后，用小塞和环氧树脂封住反应室的入口和出口。恒温控制设备分别建立55℃、72℃、95℃的温度区段和30秒钟的维持时间。
图6示出了根据本发明的另一个实施例用示波器在A/D转换器输入端头上测量的铂传感器电压的波形。图7示出了也是根据本发明的另一个实施例从CPU上得到的铂传感器的电压波形。如图6和图7所示，CPU真正地识别了铂传感器的输出值。
图8示出了根据本发明的另一个实施例的铂加热器的温度的过冲量。图9进而根据本发明的另一个实施例示出了铂加热器温度的正常状态误差。如图8和图9所示，当PCR芯片的正常状态误差为0.4℃左右、过冲量小于0.6℃、增长速度为6.8℃/秒时，根据本发明的温度控制设备能够控制微型的PCR芯片。根据本发明的上述温度控制设备的性能与用0.2毫升的试管放大PCR的常规产品的性能一样好。
图10示出了根据本发明的另一个实施例的放大的DNA的荧光图像。在图10中，示出了清晰放大的带状DNA的图像。
可将本发明的实施例作为能在计算机中操作的计算机程序嵌入到计算机中，以便在数字计算机中实现本发明的实施例，该数字计算机通过使用用于计算机中的记录介质来操作此程序。
用于计算机中的记录介质包括磁记录介质，例如ROM、软盘、硬盘，和光记录介质，例如CD-ROM、DVD，和载波，例如通过互联网传输的载波。
尽管己参照本发明的优选实施例具体地示出和说明了本发明，但是，上述的优选实施例仅仅是说明性的而不是旨在限制本发明的范围。对于本领域的技术人员而言，可以理解的是，只要不偏离如同下面附上的权利要求所定义的本发明的精神和范围，就可以在形式和细节上进行各种改动和等同变化。
产业上的可利用性
作为结果，在不同的温度条件下同时检查了多个DNA的样品，因而能减少检查和分析的时间。此外，这样的检查只需要少量的样品，因此不仅能够减少环境污染，而且也能减轻病人的负担。
此外，根据本发明的温度控制设备控制细小的PCR芯片的温度，以便迅速地升高和降低此温度。此外，通过使用附着在PCR芯片腔体下面的铂传感器，能够准确地测量反应室的温度，从而能够准确地控制PCR芯片的温度。