一种PCR仪校准装置温度检测组件

/ 福建省计量科学研究院

0 引言

聚合酶链式反应分析仪（Polymerase Chain Reaction Analyzer,简称PCR仪），是一种DNA聚合酶在指定的温度场条件下使基因发生复制的仪器。2015年国家质检总局正式发布了JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》[1]，该规范推荐使用15点测温布置方式，如图1所示。

图1 15点校准位置布点

PCR仪的校准过程中，测温探头和反应孔壁的接触情况差异会影响温度的测量，产生较大的测量误差，因此传感器外形设计和如何适当地固定多通道传感器探头成为需要解决的关键问题。目前校准存在如下问题：人工操作难以在相同的状态下将温度传感器探头逐个插入对应的反应孔；传感器外形过大，无法闭盖测量，不能如实反应PCR仪实际工作情况；传感器导线过细，不易固定，可能导致传感器与反应孔直接接触或接触到上盖，由于热盖反应导致测出温度远远高于实际温度；成本高，国外设备多在30～40万/套。因此，本文设计了一种PCR仪校准装置温度检测组件，包括测温探头、固定板、电路板和FPC排线，可以优化布线，减少复杂的人工布线工作，提高测温的准确性和可靠性，同时可有效降低校准成本[2,3]。

1 PCR仪校准装置

图2 PCR仪校准装置组成结构

PCR仪校准装置包括主机、温度检测组件和上位机软件系统，如图2所示。温度检测组件采集PCR仪反应孔内温度参数传输至主机，经过主机处理后无线传输至上位机，在上位机进一步处理，并保存生成原始记录等。

2 温度检测组件

本文主要介绍其中的温度检测组件，结构如图3所示，包括测温探头、固定板、电路板和FPC排线。

图3 温度检测组件结构

2.1 测温探头

拥有良好传热能力的探头封装能够有效地将时间延迟缩小，并提高传感器的响应速度。因此，应选用比热容小、导热系数大的金属材料制作探头封装，而且应尽可能地减小探头的体积。市场上几种常用的金属材料的热物理性能如表1所示，在综合考虑热物理性能、加工难易度和价格后，本文选用铜作为探头的材料。之后在铜外层镀金，使整体结构耐腐蚀、耐高温、抗变色性能好，提高了探头的使用寿命和温度检测的稳定性。采用导热硅胶密封传感器，不仅具有保护作用，而且导热系数大且性能稳定，导热效率高，保障了传感器能够迅速地感应反应孔中的温度，提高系统的响应速度。最后放入中间带孔的弹性塑料中，填充弹性系数相同的弹性塑料，使探头整体在反应孔中产生弹性形变，固定测温探头在反应孔中部，避免测温探头接触反应孔底部造成测温误差过大的情况，并且可以缩短测温的延迟时间[4]。

表1 探头导热材料对比

因此，测温探头结构如图4（a）所示，模型图如图4（b）所示。紫铜外壳为中空圆柱体，温度传感器放入紫铜外壳中，紫铜外壳前部用导热硅胶密封，后部用耐高温胶密封；然后将紫铜外壳放入弹性塑料中，弹性塑料为圆柱形，顶端有固定沿。

图4 测温探头

2.2 测温探头的固定

测温探头安装在固定板上，如图1所示。固定板在15个测温点有对应沉孔，如图5所示，测温探头弹性塑料的固定沿与沉孔贴合，再打胶进行固定。固定板采用酚醛层压纸板，机械强度良好，长期使用不易变形。同时电路板在15个测温点有通孔，测温探头的引线从通孔中穿过，焊接在电路板上。15路温度信号再集成至FPC排线输出。这样就能够保证在测试相同样品时，每个探头和反应孔的接触更可控和严密，而且一致性也得到了很好的保证。电路板上FPC排线的设计[5]，将传感器与电路板连接成为整体，解决了传感器固定的问题，同时整套检测系统没有外置的引线，不仅避免了引线的损坏，还减少了引线之间的互相缠绕问题，便于使用。

图5 固定板

2.3 温度修正

上位机软件对温度检测组件进行多点温度修正，利用标准油槽，通过对 0℃、30℃、60℃、90℃、120℃五个点设置修正值，即可对全量程作线性修正。每两点间为线性修正，即kt测+b=t真，其中t测为传感器测得的温度值，t真为环境实际温度值。根据式（1）可得到任意温度的修正结果，可提高温度测量的准确度。

3 结语

针对在PCR仪的校准过程中，测温探头和反应孔壁的接触情况差异会影响测温准确度的情况，本文设计的一种温度检测组件，包括测温探头、固定板、电路板和FPC排线，可以优化布线，减少复杂的人工布线工作，有效降低校准成本，有效提高了测温的准确度和响应速度。本文所述温度检测组件已申请国家发明专利，申请号：201910895549.4。