本發(fā)明屬于生物檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型熱傳遞檢測設(shè)備。

背景技術(shù)：

DNA基因擴(kuò)增的一個基本循環(huán)過程由變性--退火--延伸三個反應(yīng)階段構(gòu)成，經(jīng)歷過幾十個基本循環(huán)過程后，就能使待擴(kuò)增的基因放大百萬倍。在三個基本反應(yīng)階段中，DNA變性階段的溫度一般在93℃-95℃，雙鏈DNA模板在本階段的熱作用下， 氫鍵斷裂后形成單鏈DNA；退火階段的溫度一般在42℃-55℃，在本階段系統(tǒng)溫度降低，引物與DNA模板結(jié)合，形成局部雙鏈；延伸階段的溫度一般在70℃-75℃，在本階段在酶作用下合成與DNA模板互補(bǔ)的DNA鏈。

將DNA聚合酶引入PCR的步驟是：DNA反應(yīng)液放在試管中，裝有反應(yīng)液的試管放在反應(yīng)室的PCR模塊各孔中，基因擴(kuò)增過程由控制程序自動完成。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者在控制程序上主要利用自動控制技術(shù)對PCR模塊的溫度變化進(jìn)行控制，Stephanie J. Culler課題組利用PCR設(shè)備分析了基因的內(nèi)在結(jié)構(gòu)表達(dá)，但多數(shù)研究成果集中在改進(jìn)PCR技術(shù)和提高PCR設(shè)備的某些指標(biāo)。E.T. Lagally 早在2001年采用提高升降溫速率的方法對DNA擴(kuò)增過程進(jìn)行了研究，Grover J.和 Juncosa R.D于2008年對常規(guī)PCR設(shè)備的升降速率進(jìn)行了研究， T.M.H. Lee 等采用數(shù)字化控制方式提高了PCR的反應(yīng)控制精度。在PCR的臨床應(yīng)用中，一個普遍存在的問題是：位于模塊各孔試管中的DNA反應(yīng)液的狀態(tài)隨反應(yīng)階段的不同而發(fā)生變化，在這個過程中，DNA的化學(xué)鍵不斷斷裂或生成，伴隨著的吸、放熱狀態(tài)也不同，如何分析這些狀態(tài)變化規(guī)律，對提高DNA擴(kuò)增質(zhì)量和對放在模塊各孔中試管反應(yīng)液的溫度變化進(jìn)行精確控制有直接影響，現(xiàn)有技術(shù)裝置操作復(fù)雜，不能靈活地根據(jù)需要進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，應(yīng)用在實(shí)際工程中有一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新型熱傳遞檢測設(shè)備，所述裝置利用光纖布拉格光柵傳感器及其分布特性模型，利用此特性對DNA反應(yīng)液的數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行采集和分析，分析DNA擴(kuò)增的熱傳遞規(guī)律，對DNA反應(yīng)傳熱規(guī)律。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種新型熱傳遞檢測設(shè)備，包括DNA反應(yīng)室、光纖數(shù)據(jù)處理模塊、熱控制處理模塊、散熱空間和主處理器，所述DNA反應(yīng)室為一個密閉空間，所述散熱空間位于所述DNA反應(yīng)室的下部，并與DNA反應(yīng)室隔離，在所述DNA反應(yīng)室內(nèi)設(shè)有DNA擴(kuò)增模塊，在所述DNA擴(kuò)增模塊的上部設(shè)置有反應(yīng)孔，反應(yīng)孔內(nèi)設(shè)有布拉格傳感探頭，所述布拉格傳感探頭與光纖芯相連接，光纖芯連接一個解調(diào)模塊，所述解調(diào)模塊與所述光纖數(shù)據(jù)處理模塊相連接，所述光纖數(shù)據(jù)處理模塊通過信號線連接一個比較器，在所述DNA擴(kuò)增模塊的底部設(shè)有傳感單元和加熱單元，在所述加熱單元內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體加熱芯片，在所述半導(dǎo)體加熱芯片的下方設(shè)有一個阻熱帶，在所述傳感單元內(nèi)設(shè)有鉑電阻傳感器，所述鉑電阻傳感器通過信號線與一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器位于散熱空間內(nèi)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過一個硬件接口單元與所述熱控制處理模塊相連接，所述熱控制處理模塊通過信號線與所述比較器相連接，所述比較器通過信號線與所述主處理器相連接。

所述半導(dǎo)體加熱芯片通過控制線與一個熱控制器相連接，所述熱控制器位于散熱空間內(nèi)，熱控制器通過所述硬件接口單元與所述熱控制處理模塊相連接。

在散熱空間內(nèi)設(shè)有散熱裝置。

本發(fā)明具有如下有益效果

1) 本發(fā)明采用光纖布拉格光柵和鉑電阻傳感器分別檢測，集中處理，構(gòu)建數(shù)據(jù)控制模型，模擬DNA整個擴(kuò)增過程，揭示對DNA樣本的影響因素，為揭示DNA內(nèi)部反應(yīng)的客觀規(guī)律提供依據(jù) 。

2) 本發(fā)明建立光纖布拉格光柵隨溫度變化的分布特性，揭示DNA 擴(kuò)增階段的吸放熱規(guī)律，揭示DNA內(nèi)部反應(yīng)的客觀規(guī)律，提供一整套光纖布拉格光柵隨溫度變化的理論技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3) 本發(fā)明建立了建立DNA擴(kuò)增過程切實(shí)可行的數(shù)據(jù)采集方式。

4）本發(fā)明揭示了DNA的反應(yīng)規(guī)律，將有利于PCR設(shè)備的可開發(fā)，市場前景和社會效益巨大。

附圖說明

附圖是本發(fā)明的框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1、反應(yīng)孔；2、布拉格傳感探頭；3、光纖芯；4、DNA反應(yīng)室；5、解調(diào)模塊；6、光纖數(shù)據(jù)處理模塊；7、比較器；8、主處理器；9、熱控制處理模塊；10、硬件接口單元；11、熱控制器；12、半導(dǎo)體加熱芯片；13、鉑電阻傳感器；14、散熱空間；15、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括DNA反應(yīng)室4、光纖數(shù)據(jù)處理模塊6、熱控制處理模塊9、散熱空間14和主處理器8，所述DNA反應(yīng)室4為一個密閉空間，所述散熱空間14位于所述DNA反應(yīng)室4的下部，并與DNA反應(yīng)室4隔離，在所述DNA反應(yīng)室4內(nèi)設(shè)有DNA擴(kuò)增模塊，在所述DNA擴(kuò)增模塊的上部設(shè)置有若干個反應(yīng)孔1，通常為96個孔，反應(yīng)孔1內(nèi)裝有DNA反應(yīng)液，在某些反應(yīng)孔1內(nèi)設(shè)有布拉格傳感探頭2，布拉格傳感探頭2的數(shù)量依據(jù)具體的檢測方案確定，在設(shè)置有布拉格傳感探頭2的反應(yīng)孔1內(nèi)可以裝有DNA反應(yīng)液，所述布拉格傳感探頭2與光纖芯3相連接，光纖芯3連接一個解調(diào)模塊5，所述解調(diào)模塊5與所述光纖數(shù)據(jù)處理模塊6相連接，所述光纖數(shù)據(jù)處理模塊6通過信號線連接一個比較器7，在所述DNA擴(kuò)增模塊的底部設(shè)有傳感單元和加熱單元，在所述加熱單元內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體加熱芯片12，在所述半導(dǎo)體加熱芯片12的下方設(shè)有一個阻熱帶，在所述傳感單元內(nèi)設(shè)有鉑電阻傳感器13，所述鉑電阻傳感器13通過信號線與一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器15（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）相連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器15位于散熱空間14內(nèi)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器15通過一個硬件接口單元10與所述熱控制處理模塊9相連接，所述熱控制處理模塊9通過信號線與所述比較器7相連接，所述比較器7通過信號線與所述主處理器8相連接。所述半導(dǎo)體加熱芯片12通過控制線與一個熱控制器11相連接，所述熱控制器11位于散熱空間14內(nèi)，熱控制器11通過所述硬件接口單元10與所述熱控制處理模塊9相連接。在散熱空間14內(nèi)設(shè)有散熱裝置。

利用所述光纖布拉格光柵傳感器檢測溫度時，根據(jù)耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長可以表示為

（1）

式中為導(dǎo)模的有效折射率，為光柵的周期。由(1)式可以看出，中心反射波長與有效折射率和光柵周期有關(guān)；

當(dāng)光柵受到溫度的變化影響時，其有效折射率和光柵周期會隨之變化，從而反射波長也會發(fā)生變化，關(guān)系式為：

把上式代入（1）得到

（2）

由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化式和熱光系數(shù)引起有效折射率變化式分別為：

其中和分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。

把上述兩式代入（2）式可得：

令 ，則上式可以寫為：

（3）

通常光纖的中心反射波長=1200 nm，溫度靈敏度系數(shù)kT=7.5 x 10-6/C, 因此，是溫度的函數(shù)。公式（3）對某溫度是線性關(guān)系，但當(dāng)溫度變化較大時，上述的線性公式表現(xiàn)出非線性特征。溫度靈敏度系數(shù)較大的聚合材料，kT=87 x 10-6/C，此時，=9.88，即，對于每度的空間分辨率在0-9.88之間。

本發(fā)明采用96孔的常規(guī)模塊單元，數(shù)據(jù)控制單元分三路布置傳感器組，每路設(shè)置四個鉑電阻傳感器13，用于進(jìn)行試驗(yàn)控制數(shù)據(jù)采集單元，可以（在）條件許可的情況下，在模塊上部的反應(yīng)孔空隙中與鉑電阻傳感器13的對應(yīng)位置布置12個反應(yīng)室內(nèi)的鉑電阻傳感器13，簡稱反應(yīng)室傳感器，用于采集模塊溫度的均一和均衡性，建立起來的數(shù)據(jù)采集單元用于對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并做為布拉格光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輔助基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

假設(shè)鉑電阻傳感器13為Aij（i=1-3，j=1-4），反應(yīng)室傳感器為Wij（i=1-3，j=1-4），

其中，Aij（i=1-3，j=1，2）和Wij（i=1-3，j=1-4）均為模擬量，設(shè)模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)量（十進(jìn)制溫度值）的函數(shù)為G，通過實(shí)驗(yàn)和耦合計(jì)算后可得：在任一時刻t，其鉑電阻傳感器獲得的溫度數(shù)據(jù)為：

Tij（t）= （4）

其中，i=1-3，j=1-4，上式表示的是自動控制系統(tǒng)加載的某個測試點(diǎn)的實(shí)際溫度值。

在任一時刻t，光纖的值是不斷變化的，依據(jù)測量的DNA樣本的DNA反應(yīng)液的數(shù)據(jù)，依據(jù)（3）式可得：

（5）

從（5）式可知，在t時刻局部區(qū)間（）內(nèi)的DNA反應(yīng)液的溫度變化量能夠依據(jù)布拉格光柵的解調(diào)設(shè)備通過計(jì)算而求出，而在任一t時刻溫度值可以由模塊溫度的三路傳感器聯(lián)合計(jì)算。

于是，在任一時刻t0，其自動控制系統(tǒng)加載的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)可由（4）式計(jì)算得出，Tij（t0）=

其中，i=1-3，j=1-4。從上面的分析可知，到t0時刻為止的局部區(qū)間內(nèi)，其反應(yīng)室內(nèi)的相對應(yīng)的測試點(diǎn)的實(shí)際溫度的變化量可由（5）式計(jì)算得出：

經(jīng)過（4）式和（5）式的比較，可以精確計(jì)算出在任一t0時刻，DNA反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)液的精確溫度變化值，即，

（6）

從（6）式可以推算出DNA反應(yīng)液在反應(yīng)過程中的吸熱和放熱的具體規(guī)律，并可以依據(jù)上述公式精確模擬出DNA生物反應(yīng)特性，進(jìn)而建立DNA反應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，依據(jù)取得的數(shù)據(jù)Tij（t），通過與的對比即可確定DNA反應(yīng)階段和吸放熱狀態(tài)。