一種PCR儀校準(zhǔn)裝置溫度檢測(cè)組件

/ 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分析儀（Polymerase Chain Reaction Analyzer,簡(jiǎn)稱PCR儀），是一種DNA聚合酶在指定的溫度場(chǎng)條件下使基因發(fā)生復(fù)制的儀器。2015年國(guó)家質(zhì)檢總局正式發(fā)布了JJF1527-2015《聚合酶鏈反應(yīng)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》[1]，該規(guī)范推薦使用15點(diǎn)測(cè)溫布置方式，如圖1所示。

圖1 15點(diǎn)校準(zhǔn)位置布點(diǎn)

PCR儀的校準(zhǔn)過(guò)程中，測(cè)溫探頭和反應(yīng)孔壁的接觸情況差異會(huì)影響溫度的測(cè)量，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，因此傳感器外形設(shè)計(jì)和如何適當(dāng)?shù)毓潭ǘ嗤ǖ纻鞲衅魈筋^成為需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前校準(zhǔn)存在如下問(wèn)題：人工操作難以在相同的狀態(tài)下將溫度傳感器探頭逐個(gè)插入對(duì)應(yīng)的反應(yīng)孔；傳感器外形過(guò)大，無(wú)法閉蓋測(cè)量，不能如實(shí)反應(yīng)PCR儀實(shí)際工作情況；傳感器導(dǎo)線過(guò)細(xì)，不易固定，可能導(dǎo)致傳感器與反應(yīng)孔直接接觸或接觸到上蓋，由于熱蓋反應(yīng)導(dǎo)致測(cè)出溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際溫度；成本高，國(guó)外設(shè)備多在30～40萬(wàn)/套。因此，本文設(shè)計(jì)了一種PCR儀校準(zhǔn)裝置溫度檢測(cè)組件，包括測(cè)溫探頭、固定板、電路板和FPC排線，可以優(yōu)化布線，減少?gòu)?fù)雜的人工布線工作，提高測(cè)溫的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)可有效降低校準(zhǔn)成本[2,3]。

1 PCR儀校準(zhǔn)裝置

圖2 PCR儀校準(zhǔn)裝置組成結(jié)構(gòu)

PCR儀校準(zhǔn)裝置包括主機(jī)、溫度檢測(cè)組件和上位機(jī)軟件系統(tǒng)，如圖2所示。溫度檢測(cè)組件采集PCR儀反應(yīng)孔內(nèi)溫度參數(shù)傳輸至主機(jī)，經(jīng)過(guò)主機(jī)處理后無(wú)線傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)進(jìn)一步處理，并保存生成原始記錄等。

2 溫度檢測(cè)組件

本文主要介紹其中的溫度檢測(cè)組件，結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括測(cè)溫探頭、固定板、電路板和FPC排線。

圖3 溫度檢測(cè)組件結(jié)構(gòu)

2.1 測(cè)溫探頭

擁有良好傳熱能力的探頭封裝能夠有效地將時(shí)間延遲縮小，并提高傳感器的響應(yīng)速度。因此，應(yīng)選用比熱容小、導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬材料制作探頭封裝，而且應(yīng)盡可能地減小探頭的體積。市場(chǎng)上幾種常用的金屬材料的熱物理性能如表1所示，在綜合考慮熱物理性能、加工難易度和價(jià)格后，本文選用銅作為探頭的材料。之后在銅外層鍍金，使整體結(jié)構(gòu)耐腐蝕、耐高溫、抗變色性能好，提高了探頭的使用壽命和溫度檢測(cè)的穩(wěn)定性。采用導(dǎo)熱硅膠密封傳感器，不僅具有保護(hù)作用，而且導(dǎo)熱系數(shù)大且性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱效率高，保障了傳感器能夠迅速地感應(yīng)反應(yīng)孔中的溫度，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后放入中間帶孔的彈性塑料中，填充彈性系數(shù)相同的彈性塑料，使探頭整體在反應(yīng)孔中產(chǎn)生彈性形變，固定測(cè)溫探頭在反應(yīng)孔中部，避免測(cè)溫探頭接觸反應(yīng)孔底部造成測(cè)溫誤差過(guò)大的情況，并且可以縮短測(cè)溫的延遲時(shí)間[4]。

表1 探頭導(dǎo)熱材料對(duì)比

因此，測(cè)溫探頭結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，模型圖如圖4（b）所示。紫銅外殼為中空?qǐng)A柱體，溫度傳感器放入紫銅外殼中，紫銅外殼前部用導(dǎo)熱硅膠密封，后部用耐高溫膠密封；然后將紫銅外殼放入彈性塑料中，彈性塑料為圓柱形，頂端有固定沿。

圖4 測(cè)溫探頭

2.2 測(cè)溫探頭的固定

測(cè)溫探頭安裝在固定板上，如圖1所示。固定板在15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)有對(duì)應(yīng)沉孔，如圖5所示，測(cè)溫探頭彈性塑料的固定沿與沉孔貼合，再打膠進(jìn)行固定。固定板采用酚醛層壓紙板，機(jī)械強(qiáng)度良好，長(zhǎng)期使用不易變形。同時(shí)電路板在15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)有通孔，測(cè)溫探頭的引線從通孔中穿過(guò)，焊接在電路板上。15路溫度信號(hào)再集成至FPC排線輸出。這樣就能夠保證在測(cè)試相同樣品時(shí)，每個(gè)探頭和反應(yīng)孔的接觸更可控和嚴(yán)密，而且一致性也得到了很好的保證。電路板上FPC排線的設(shè)計(jì)[5]，將傳感器與電路板連接成為整體，解決了傳感器固定的問(wèn)題，同時(shí)整套檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有外置的引線，不僅避免了引線的損壞，還減少了引線之間的互相纏繞問(wèn)題，便于使用。

圖5 固定板

2.3 溫度修正

上位機(jī)軟件對(duì)溫度檢測(cè)組件進(jìn)行多點(diǎn)溫度修正，利用標(biāo)準(zhǔn)油槽，通過(guò)對(duì) 0℃、30℃、60℃、90℃、120℃五個(gè)點(diǎn)設(shè)置修正值，即可對(duì)全量程作線性修正。每?jī)牲c(diǎn)間為線性修正，即kt測(cè)+b=t真，其中t測(cè)為傳感器測(cè)得的溫度值，t真為環(huán)境實(shí)際溫度值。根據(jù)式（1）可得到任意溫度的修正結(jié)果，可提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)在PCR儀的校準(zhǔn)過(guò)程中，測(cè)溫探頭和反應(yīng)孔壁的接觸情況差異會(huì)影響測(cè)溫準(zhǔn)確度的情況，本文設(shè)計(jì)的一種溫度檢測(cè)組件，包括測(cè)溫探頭、固定板、電路板和FPC排線，可以優(yōu)化布線，減少?gòu)?fù)雜的人工布線工作，有效降低校準(zhǔn)成本，有效提高了測(cè)溫的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度。本文所述溫度檢測(cè)組件已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01910895549.4。