一种用于生物芯片的空气传输部件、加热组件及生物芯片的制作方法

1.本发明涉及生物芯片加热组件，特别是一种用于板式生物芯片的空气传输部件、加热组件及生物芯片。


背景技术：

2.pcr(聚合酶链式反应)是指利用dna在体外95℃的高温时会变性成单链、低温60℃左右时该单链会与引物按碱基互补配对的原则结合、在调温度至dna聚合酶最适反应温度72℃左右时dna聚合酶会沿着磷酸到五碳糖(5
’‑3’
)的方向合成互补链的性质，实现放大扩增特定的dna片段的分子生物学技术。
3.而pcr仪则是在变性温度、复性温度、延伸温度之间实现很好的控制，使特定dna的扩增得以实现的设备。
4.板式生物芯片，以微流控芯片为例，它是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
5.目前生物芯片的反应器都采用非独立的反应器，把反应器与芯片做成一个整体，而pcr仪需要提供dna扩增所需求的不同温度。
6.对于传统的板式芯片，采用半导体制冷片进行升温与降温的温度调节，对芯片与半导体制冷片的接触面要求较高，对芯片表面平整度也要求较高。
7.为了同时满足加热与荧光检测的需求，板式芯片某一侧需要设置透明结构，半导体制冷片只能放在芯片的侧边，这会造成帕尔贴对芯片的加热效果不均。
8.公开号为cn213012879u的专利公开了一种pcr扩增仪，涉及生物分子仪器领域，包括壳体、样本加载模块、帕尔贴和循环风机，样本加载模块设置在壳体内且样本加载模块用于容置样本，帕尔贴设置在样本加载模块的下方，帕尔贴通电后能够发热或者制冷，循环风机设置在帕尔贴的一侧，以使循环风机能够将帕尔贴制冷或制热的空气吹向样本加载模块。其中样本加载模块用于放置需要进行扩增的pcr样本，帕尔贴通电后能够进行制冷或者制热，从而对壳体内的空气进行制热或者制冷，而循环风机能够将热气体或者冷气体在壳体内循环，使得放置在样品记载模块上的的样本能够快速地升温或者降温，从而提高pcr样品的扩增速率。
9.该专利采用半导体制冷片进行升温与降温的温度调节的控制方式，这种加热方式的主要热传递途径是靠热传导，因此其对芯片与半导体制冷片的接触要求较高，要求芯片表面平整度高且加热件与被加热件之间的接触有一定的压力，这一点在生产过程中很难保证。
10.另外，为了同时满足加热与荧光检测的需求，板式芯片某一侧需要设置透明结构，半导体制冷片只能放在板式芯片的侧边，这种靠热传导进行加热的方式，一旦热源偏向芯片的某一侧，芯片上会有明显的温度偏差，这会造成帕尔贴对芯片的加热效果不均；目前有离心管式的加热方式可以避开这个问题，但是无法解决板式芯片的检测问题。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于生物芯片的空气传输部件、加热组件，使多个热空气出口的流量及温度基本一致，保证加热的均一性，同时不影响光学检测。
12.本发明还提供了一种生物芯片，保证生物芯片加热的均一性，同时不影响光学检测。
13.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于生物芯片的空气传输部件，包括u型结构件，所述u型结构件内部设有空气槽，所述u型结构件包括第一直线部、第二直线部和与所述第一直线部、所述第二直线部连接的连接部，所述连接部固定有与所述空气槽连通的空气入口，所述第一直线部的上表面开设有安装槽，贯穿所述安装槽的底部和所述第一直线部的下侧壁开设有多个出气管，所述安装槽中安装有透明面板，所述第二直线部的上侧壁开设有多个出气管，所述第一直线部、所述第二直线部远离所述连接部的端部均开设有条形槽，所述条形槽与所述空气槽连通；
14.板式生物芯片置于所述第一直线部与所述第二直线部之间，所述出气管与所述板式生物芯片正反面所需加热的微室一一对应。
15.本发明采用热空气加热的方式加热板式生物芯片，热空气出口与芯片留有一定间隙，对芯片表面的平整度要求也相对较低。设计了一个上下对称的空气槽，通过在连接部的端部均开设条形槽，减少最里侧的气流漩涡，使得多个出气管温度更加接近，该设计能在很大程度上改善不同微室被加热时的温度均匀性。安装槽中安装有透明面板不影响光学检测。光学检测仪透过出气管即可对板式生物芯片进行检测。
16.进一步地，为了使多个出气管温度更加接近，所述条形槽的长度为15-25mm，宽为0.5-1.5mm。
17.进一步地，所述空气槽采用变截面设计，所述空气槽的截面从所述空气入口侧至所述出气管侧依次减小。由于流动过程中热量与速度的损耗，每一列槽出口热空气的温度与速度必定不同，为了解决每一列槽之间的温度差，采用了变截面设计去改善温度差异。
18.所述第一直线部、所述第二直线部中的空气槽可采用圆锥形设计，所述第一直线部、所述第二直线部中的空气槽也可以采用轴向剖面为直角梯形的设计，使得所述第一直线部中的空气槽的入口至出口的截面积逐渐减少。
19.进一步地，为了改善多个出气管之间的温差，所述出气管从所述空气入口侧至所述出气管侧的管长依次增加1-1.5mm。
20.进一步地，所述出气管的直径比微室直径大0.1-1mm。能够将热空气的热量全部集中于所需要加热的微室，使微室升温速率达到最大，提高检测效率。
21.进一步地，所述出气管设置有三列，每列设置有四个所述出气口。
22.进一步地，为了将加热管固定在空气入口上，并且让空气在入口段充分发展，使流动更加稳定，所述空气入口的长度为10-25mm。
23.进一步地，所述出气管端部距所述板式生物芯片0.5-1.5mm，不与板式生物芯片直接接触，对芯片表面的平整度要求也相对较低，出气的热空气能将板式生物芯片的微室完全覆盖。
24.本发明还公开了一种用于生物芯片的加热组件，包括空气传输部件，还包括与所
述空气入口连通的加热管，所述加热管上设有电磁阀，所述加热管的另一端连通有气泵，所述加热管上设有调压模块。
25.从气泵排出的带有一定压力的气体通过电磁阀后，在加热管被加热成一定温度的热空气，热空气经过设计的空气槽同时对多个微室的样本液加热，得到dna扩增所需要的稳定温度，稳定温度的获取需要靠pid控制。
26.进一步地，所述加热管设置两组或多组，并通过接头与所述空气入口连通。
27.本发明还公开了一种包括所述加热组件的生物芯片。
28.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
29.1、本发明能够很好的解决半导体制冷片加热的两个主要问题，发明采用热空气加热的方式加热芯片，主要热传递方式是热对流，热空气出口与芯片之间留有一定间隙，避开了加热件与被加热件之间接触的要求，同时对芯片表面的平整度要求也相对较低；
30.2、另外，在芯片加热部分，本发明设计了一个上下对称的空气槽，通过对空气槽内流道的优化，可实现不同空气槽出口的热空气流量及温度基本一致，很好的保证了芯片加热的均一性；
31.3、由于是空气加热，只需将空气槽的某一侧盖板换成不影响光学检测的透明材料，即可在不影响光学检测的前提下，避开了半导体制冷片顾及光学检测导致加热效果不均的问题。
附图说明
32.图1为本发明一实施例中空气传输部件的立体结构示意图一。
33.图2为本发明一实施例中空气传输部件的立体结构示意图二。
34.图3为本发明一实施例中空气传输部件的使用状态立体结构示意图。
35.图4为本发明一实施例中空气传输部件的空气槽结构示意图。
36.图5为本发明一实施例中空气传输部件的平面结构示意图。
37.图6为图5的仰视图。
38.图7为图5的右视图。
39.图8为本发明一实施例中加热组件的结构示意图一。
40.图9为本发明一实施例中加热组件的结构示意图二。
41.图10为本发明一实施例中加热组件的加热控制示意图。
42.图11为板式芯片的结构图。
具体实施方式
43.如图1-图3所示，本发明一实施例中空气传输部件1，包括u型结构件1，u型结构件1内部设有空气槽1-1，u型结构件1包括第一直线部1-2、第二直线部1-3和连接部1-4，连接部1-4的两端分别与第一直线部1-2、第二直线部1-3连接，空气槽1-1开设于第一直线部1-2、第二直线部1-3和连接部1-4的内腔。连接部1-4固定有与空气槽1-1连通的空气入口2，第一直线部1-2的上表面开设有安装槽1-5，贯穿安装槽1-5的底部和第一直线部1-2的下侧壁开设有多个出气管1-6，安装槽1-5中安装有透明面板1-7，第二直线部1-3的上侧壁开设有多个出气管1-6，多个出气管1-6分别与空气槽1-1连通。第一直线部1-2、第二直线部1-3远离
连接部1-4的端部均开设有条形槽1-8，条形槽1-8与空气槽1-1连通；第一直线部1-2和第二直线部1-3之间安装有温度反馈探头1-10。板式生物芯片置于第一直线部1-2与第二直线部1-3之间，出气管1-6与板式生物芯片正反面所需加热的微室一一对应。
44.如图5-图7所示，空气入口2设计为圆柱形，距离空气传输部件1上下左右侧距离相等，其入口段内径4-6mm，外径8-10mm，也可以设计成宝塔形，这样设计主要是为了与加热管3进行连接；空气入口2长度在10-25mm，这样设计主要是考虑将管道固定在空气槽上，并且让空气在入口段充分发展，使流动更加稳定。
45.如图8-图10所示，本发明还公开了一种加热组件，包括空气传输部件1，还包括与空气入口2连通的加热管3，加热管3上设有电磁阀4，加热管3的另一端连通有气泵。
46.本发明的循环加热主要包括以下步骤
47.1)气泵的排气压力在0-0.7mpa之间可调，流量在0-100l/min之间可调，加热时气泵处于常开状态，通过电磁阀4来控制气流的走向，本发明所设计的温度循环共2个温度：95℃与60℃。实际上按照现有的加热组件，可以达到室温-150℃之间任意的温度。
48.2)加热组件共2根加热管3，实际上可根据不同需要添加3根或多根加热管3，其原理不变，本发明中的2根加热管3，1根管负责输出使芯片温度稳定在95℃的热空气；另1根管负责输出使芯片温度稳定在60℃的热空气；
49.3)如图10所示，2根热管之间的气路切换由电磁阀4的开断控制实现，其中电磁阀4与加热管3在控制上可以实现同步工作，即电磁阀4换向后，与之对应的加热管3也同步开启，加热管3的控温由调压模块5和pid参数进行控制；
50.4)由于板式生物芯片6一般有10多个微室需要同时加热，因此空气传输部件1的出口设置了相同数量、且直径比圆柱微室直径稍大0.1-1mm的出气管1-6，一一对应，这样设计能够将热空气的热量全部集中于所需要加热的微室，使微室升温速率达到最大，提高检测效率，这一点已经通过cfd仿真计算和实验进行了验证。
51.5)由于空气传输部件1的上方需要检测，因此热空气入口只能分布在侧边，见图1，为了解决芯片不同微室间的温度均匀性问题，对空气槽内部流道进行了特殊的变截面及关键部位开条形槽1-8设计：
52.开条形槽1-8的位置在空气传输部件1最里侧，如图1所示，槽长约19mm，宽约1.5mm，其目的是减少最里侧的气流漩涡，使得最里侧的1排出气管1-6温度与其它几排的出气管1-6温度更加接近，该设计能在很大程度上改善不同微室被加热时的温度均匀性。
53.不开槽气流形成漩涡的原因是流动存在回流，即空气进入空气槽之后流动到最里侧，气流受到阻挡开始换向与新进的空气进行相互作用，最终形成漩涡，造成各空气槽出口温度与速度不均。而开槽可以使得进入到里侧的气流从槽口流出，极大程度上减小了漩涡的产生。
54.变截面的设计如图4所示，箭头为空气流动路径，从右侧的空气入口2流至空气槽1-1，由于热空气从某一侧进入空气槽，其依次经过1列、2列、3列、4列，如果采用相同的出气口设计，由于流动过程中热量与速度的损耗，每一列槽出口热空气的温度与速度必定不同，为了解决每一列槽之间的温度差，采用了变截面设计去改善温度差异。
55.图4中虚线为出气管1-6的中轴线，每列孔出口管长依次相差1-1.5mm，具体数值与孔大小、空间距等多种因素相关，实际设计时采用的cfd(计算流体力学)方法进行流固传热
耦合计算获得最佳的参数。
56.6)关于空气槽与板式生物芯片的安装问题，图11所示为板式生物芯片的结构图，图中12个等大的圆形区域为需要进行温度循环的微室，图8、9为板式生物芯片与空气槽的安装图，加热的时候板式生物芯片是悬挂在空气槽间隙内的，出气管1-6的出口端距离芯片微室外壁约0.5-1.5mm，且微室所在的区域完全被空气槽出口区域包裹。
57.本发明所提出的一种适用于板式芯片温度循环的空气传输部件、加热组件，采用热空气加热的方式加热芯片，热空气出口与芯片留有一定间隙，避开了半导体制冷片与芯片贴合的要求，同时对芯片表面的平整度要求也相对较低；
58.另外，在芯片加热部分，本发明设计了一个上下对称的空气槽，通过对空气槽内流道的优化，可实现空气槽出口的热空气流量及温度基本一致，很好的保证了芯片加热的均一性；由于是空气加热，只需将空气槽的某一侧盖板换成不影响光学检测的透明材料，即可在不影响光学检测的前提下，避开半导体制冷片加热效果不均的问题。