專利名稱：一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基因檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1998年底美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)將電化學(xué)基因傳感器技術(shù)列為1998年度自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，足見(jiàn)其在科學(xué)史上的意義。它以其可同時(shí)、快速、準(zhǔn)確地分析數(shù)以千計(jì)基因組信息的本領(lǐng)而顯示出了巨大的威力。這些應(yīng)用主要包括基因表達(dá)檢測(cè)、突變檢測(cè)、基因組多態(tài)性分析和基因文庫(kù)作圖以及雜交測(cè)序等方面。采用電化學(xué)基因傳感器檢測(cè)基因表達(dá)的改變能夠節(jié)省大量的人力物力和財(cái)力，在以前，科學(xué)家不得不重復(fù)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察多個(gè)基因的改變情況，如果采用傳統(tǒng)的方法研究細(xì)胞中的上千個(gè)基因的改變幾乎是不可想象的，因?yàn)楸仨毺崛∈紫忍崛〖?xì)胞的核酸，而且要足夠多以滿足Northern雜交的需要，然后標(biāo)記每一種探針，再分別進(jìn)行雜交檢測(cè)。而采用電化學(xué)基因傳感器則可以使工作量成千上萬(wàn)倍地減少，利用電化學(xué)基因傳感器同時(shí)檢測(cè)了酵母菌中6000個(gè)基因的功能，而斯坦福大學(xué)I^atrick Brown領(lǐng)導(dǎo)的科研小組則成果地檢測(cè)了人成纖維細(xì)胞中8600個(gè)基因的表達(dá)改變。電化學(xué)基因傳感器還可用于基因測(cè)序，目前美國(guó)人類基因組計(jì)劃正在大力發(fā)展這一技術(shù)爭(zhēng)取能替代目前的自動(dòng)測(cè)序，同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比，電化學(xué)基因傳感器測(cè)序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。在基因表達(dá)檢測(cè)的研究上人們已比較成功地對(duì)多種生物包括擬南芥、酵母及人的基因組表達(dá)情況進(jìn)行了研究。實(shí)踐證明電化學(xué)基因傳感器技術(shù)也可用于核酸突變的檢測(cè)及基因組多態(tài)性的分析，與常規(guī)測(cè)序結(jié)果一致性達(dá)到98%等的突變檢測(cè)，對(duì)人類基因組單核苷酸多態(tài)性的鑒定、作圖和分型、人線粒體基因組多態(tài)性的研究等。將生物傳感器與芯片技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)改變探針陣列區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)證明可以檢測(cè)到基因的單堿基突變，通過(guò)確定重疊克隆的次序從而對(duì)酵母基因組進(jìn)行作圖。雜交測(cè)序是電化學(xué)基因傳感器技術(shù)的另一重要應(yīng)用。該測(cè)序技術(shù)理論上不失為一種高效可行的測(cè)序方法，但需通過(guò)大量重疊序列探針與目的分子的雜交方可推導(dǎo)出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探針。電化學(xué)基因傳感器技術(shù)可以比較容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的問(wèn)世無(wú)疑為雜交測(cè)序提供了實(shí)踐的可能性。采用電化學(xué)基因傳感器技術(shù)，可以大大加快人類基因組計(jì)劃的工作進(jìn)度，例如用于基因測(cè)序、基因表達(dá)檢測(cè)和新的遺傳標(biāo)志如SNP定位等，這對(duì)尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點(diǎn)和開(kāi)發(fā)新的基因藥物具有重要意義。采用電化學(xué)基因傳感器可以進(jìn)行超乎以前想象的工作量來(lái)檢測(cè)不同物種、不同組織、不同病種、不同處理?xiàng)l件下的基因表達(dá)改變，從而知道開(kāi)發(fā)具有不同用途的的診斷試劑盒。新藥在實(shí)驗(yàn)階段必須通過(guò)人體安全性實(shí)驗(yàn)，就必須觀察藥物對(duì)人基因表達(dá)的影響，由于并不知道藥物對(duì)那一種基因起作用，就必須對(duì)已知所有或一定范圍內(nèi)的基因表達(dá)都進(jìn)行檢測(cè)，采用電化學(xué)基因傳感器可以迅速而準(zhǔn)確地完成這一任務(wù)。
但是現(xiàn)有通過(guò)電化學(xué)傳感器進(jìn)行基因檢測(cè)需要較多的步驟，并且對(duì)于人工的操作要求比較高，同時(shí)檢測(cè)的步驟繁瑣時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于需要同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行檢測(cè)的情況需要大量的人力物力，提高了檢測(cè)成本，再且，由于受到地方和設(shè)備的限制，對(duì)于多樣品的處理明顯有的很大的限制，特別是對(duì)于醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室等地方，受到空間的限制，不能安裝過(guò)多的設(shè)備和容納過(guò)多的操作人員，大大的減低了對(duì)于樣品的檢測(cè)效率，比且對(duì)于檢測(cè)過(guò)程中需要對(duì)樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移或操作，由于多個(gè)步驟分離處理，容易使到樣品或數(shù)據(jù)受到影響，從而大大的影響了檢測(cè)準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便、快速的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)。一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，包括上位處理終端和檢測(cè)終端；
所述檢測(cè)終端包括基因檢測(cè)器和控制器，所述基因檢測(cè)器用于根據(jù)雜交反應(yīng)，采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記，并通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，所述控制器控制所述基因檢測(cè)器進(jìn)行基因檢測(cè)，接收基因檢測(cè)器的掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果分析，并將分析結(jié)果傳送到上位處理終端，所述上位處理終端用通過(guò)發(fā)送控制指令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器；
優(yōu)選地，所述基因檢測(cè)器包括電化學(xué)基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置和芯片加熱裝置，所述電化學(xué)基因傳感器采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)待檢測(cè)物雜交反應(yīng)后的分子進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)基因檢測(cè)，所述第二連接管理裝置通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)所述控制器的指令控制基因檢測(cè)的過(guò)程，以及控制所述芯片加熱裝置的溫度；所述連接器用于所述電化學(xué)基因傳感器與第二連接管理裝置和芯片加熱裝置連接。
優(yōu)選地，所述上位處理終端包括
用于在處理過(guò)程中創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)的設(shè)置模塊；
用于在處理過(guò)程中接收控制器傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)的第二接收模塊；
用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)對(duì)第二接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的運(yùn)算模
塊；
用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)向控制器發(fā)送控制信號(hào)的輸出模塊； 用于在處理過(guò)程中接收用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入的第一接收模塊，所述用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)；
優(yōu)選地，所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊，所述第一管理連接模塊與所述基因檢測(cè)器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數(shù)據(jù)，并與所述第二連接管理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；所述第二處理模塊對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析；所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，對(duì)芯片加熱裝置進(jìn)行控制，并用于對(duì)外的通信和連接管理。優(yōu)選地，本發(fā)明包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)終端，用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述檢測(cè)終端包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器， 用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述芯片加熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)芯片加熱端，與所述一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器連接。優(yōu)選地，所述連接器包括
第一連接端，用于連接所述電化學(xué)基因傳感器；環(huán)境控制端，與所述芯片加熱裝置連接，調(diào)節(jié)控制電化學(xué)基因傳感器的溫度； 第二電信號(hào)傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；
所述第一連接端包括電化學(xué)基因傳感器固定位和與所述電化學(xué)基因傳感器連接的第一電信號(hào)傳輸接口，所述電化學(xué)基因傳感器固定位用于固定電化學(xué)基因傳感器，所述第一電信號(hào)傳輸接口用于與電化學(xué)基因傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
所述第二電信號(hào)傳輸接口與所述第一電信號(hào)傳輸接口相互連接，用于第二連接管理裝置與所述電化學(xué)基因傳感器之間傳輸電信號(hào)。優(yōu)選地，所述第一處理模塊包括數(shù)據(jù)處理單元和溫度控制單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，并用于對(duì)外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用于控制芯片加熱裝置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電化學(xué)基因傳感器的溫度。優(yōu)選地，述溫度控制單元包括一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件和一個(gè)或多個(gè)溫度反饋元件，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫反饋元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫度檢測(cè)元件跟據(jù)所述一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元對(duì)基因檢測(cè)器的溫度監(jiān)控，分別對(duì)一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器上的芯片加熱裝置實(shí)時(shí)控制。優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件包括
比較元件，用于將一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元所檢測(cè)到的溫度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較；
控制元件，基于比較結(jié)果，根據(jù)溫度變化的幅度、速率等參數(shù)預(yù)測(cè)溫度變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整溫度控制輸出量；
執(zhí)行元件，根據(jù)控制元件的輸出控制量，控制所述芯片加熱裝置的溫度優(yōu)選地，第二連接管理裝置包括數(shù)字電路、轉(zhuǎn)換模塊、低壓驅(qū)動(dòng)模塊和電壓采集反饋電路；
所述數(shù)字電路控制低壓驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的激勵(lì)電壓的輸出量，電壓采集反饋電路采集激勵(lì)電壓，并且轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，控制器采集包含電壓采集以及經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)、控制和結(jié)果分析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的技術(shù)方案由于擬采用各個(gè)芯片獨(dú)立的溫度控制為DNA雜交提供非常穩(wěn)定獨(dú)立的環(huán)境，并采用高精度儀器對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，大大的提高了檢驗(yàn)的速度和效率，并且有效的節(jié)約了檢驗(yàn)的成本和人力資源，達(dá)到高速、準(zhǔn)確和精確的檢驗(yàn)DNA。用于基因測(cè)序，同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比，能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。整個(gè)檢測(cè)雜交和檢測(cè)過(guò)程只要30分鐘，快速和簡(jiǎn)便，廉價(jià)，和測(cè)序相比大大的降低了成本，實(shí)現(xiàn)低成本對(duì)特定基因片斷的檢測(cè)?？梢酝瑫r(shí)對(duì)M個(gè)芯片進(jìn)行雜交檢測(cè)，高通量的進(jìn)行疾病的篩查和檢測(cè)。整個(gè)雜交和檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人看守，減輕了操作者的負(fù)擔(dān)，提高了效率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明中第一處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明中連接器的連接結(jié)構(gòu)；圖5為本發(fā)明中溫度控制的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1-4所示，本發(fā)明提供一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，包括上位處理終端和檢測(cè)終端；
所述檢測(cè)終端包括基因檢測(cè)器和控制器，所述基因檢測(cè)器用于根據(jù)雜交反應(yīng)，采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記，并通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，所述控制器控制所述基因檢測(cè)器進(jìn)行基因檢測(cè)，接收基因檢測(cè)器的掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果分析，并將分析結(jié)果傳送到上位處理終端，所述上位處理終端用通過(guò)發(fā)送控制指令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器；
優(yōu)選地，所述基因檢測(cè)器包括電化學(xué)基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置用于提供交流伏安法激發(fā)、模擬信號(hào)調(diào)整、模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、與處理器板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的電子器件，和芯片加熱裝置，所述電化學(xué)基因傳感器采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)待檢測(cè)物雜交反應(yīng)后的分子進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)基因檢測(cè)，所述第二連接管理裝置通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)所述控制器的指令控制基因檢測(cè)的過(guò)程，以及控制所述芯片加熱裝置的溫度；所述連接器用于所述電化學(xué)基因傳感器與第二連接管理裝置和芯片加熱裝置連接。其中，所述的電化學(xué)基因傳感器包括檢測(cè)區(qū)和電信號(hào)傳輸端，所述檢測(cè)區(qū)用于對(duì)待檢測(cè)物雜交前后的樣品采用電化學(xué)技術(shù)，并通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)， 經(jīng)由電信號(hào)傳輸端傳輸?shù)剿龅诙B接管理裝置中，進(jìn)而作進(jìn)一步的分析處理，所述檢測(cè)區(qū)可以為DNA電化學(xué)傳感器或電子電化學(xué)基因傳感器等等，能夠?qū)崿F(xiàn)電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)的基因檢測(cè)工具。優(yōu)選地，所述上位處理終端包括
用于在處理過(guò)程中創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)的設(shè)置模塊；
用于在處理過(guò)程中接收控制器傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)的第二接收模塊；
用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)對(duì)第二接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的運(yùn)算模
塊；
用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)向控制器發(fā)送控制信號(hào)的輸出模塊； 用于在處理過(guò)程中接收用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入的第一接收模塊，所述用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)；
優(yōu)選地，所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊； 所述第一管理連接模塊與所述基因檢測(cè)器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數(shù)據(jù)，并與所述第二連接管理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所述第二處理模塊對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析；所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，對(duì)芯片加熱裝置進(jìn)行控制，并用于對(duì)外的通信和連接管理。優(yōu)選地，包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)終端，用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述檢測(cè)終端包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述芯片加熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)芯片加熱端，與所述一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器連接。優(yōu)選地，所述連接器包括
第一連接端，用于連接所述電化學(xué)基因傳感器，與電化學(xué)基因傳感器的電信號(hào)輸出端連接；
環(huán)境控制端，與所述芯片加熱裝置連接，調(diào)節(jié)控制電化學(xué)基因傳感器的溫度； 第二電信號(hào)傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；
所述第一連接端包括電化學(xué)基因傳感器固定位和與所述電化學(xué)基因傳感器連接的第一電信號(hào)傳輸接口，所述電化學(xué)基因傳感器固定位用于固定電化學(xué)基因傳感器，所述第一電信號(hào)傳輸接口用于與電化學(xué)基因傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
所述第二電信號(hào)傳輸接口與所述第一電信號(hào)傳輸接口相互連接，用于第二連接管理裝置與所述電化學(xué)基因傳感器之間傳輸電信號(hào)，將由電化學(xué)基因傳感器電信號(hào)輸出端傳輸?shù)男畔l(fā)送到第二連接管理裝置上，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。基因檢測(cè)器和電化學(xué)基因傳感器的連接通過(guò)連接器進(jìn)行連接，兩者之間的連接線包括電化學(xué)基因傳感器上電信號(hào)輸出端連接線和與第二連接管理裝置的連接線。芯片連接器部件的連接性能非常關(guān)鍵，擬采用特殊處理的高性能的金屬?gòu)椘途茏⑺芰慵M(jìn)行組合裝配，確保接觸阻抗和使用壽命達(dá)到要求。優(yōu)選地，所述第一處理模塊包括數(shù)據(jù)處理單元(即CPU)和溫度控制單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，并用于對(duì)外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用于控制芯片加熱裝置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電化學(xué)基因傳感器的溫度?；驒z測(cè)器和控制器存在大量的數(shù)據(jù)交換和眾多的控制線，為達(dá)到高性能的硬件連接和靈活的連接配置，兩者中第一管理連接模塊和第二連接管理裝置均采用FPGA作為連接界面。FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、 EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA的使用非常靈活，同一片F(xiàn)PGA通過(guò)不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能。檢測(cè)模塊擬采用10 — 50萬(wàn)門級(jí)的FPGA器件，塔控制板采用100萬(wàn)門級(jí)的FPGA器件?；驒z測(cè)器和的FPGA連接控制本模塊激勵(lì)電壓的產(chǎn)生，激勵(lì)電壓包括三角波和正弦波疊加，波形由數(shù)字信號(hào)通過(guò)DAC產(chǎn)生；芯片電極通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和放大后經(jīng)過(guò)ADC得到數(shù)字量，ADC和開(kāi)關(guān)陣列由FPGA連接控制。為傳感器提供雜交環(huán)境得溫度控制系統(tǒng)和FPGA 連接，實(shí)現(xiàn)溫度控制和流速控制。以上模塊的控制量通過(guò)基因檢測(cè)器的FPGA和上位處理終端，控制器的FPGA連接，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)通訊。控制器可以連接8個(gè)基因檢測(cè)器，要求能同時(shí)對(duì)8個(gè)傳感器進(jìn)行掃描、數(shù)據(jù)采集和分析處理。控制器和基因檢測(cè)器間存在大量的指令和數(shù)據(jù)交換，為實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通訊，采用FPGA進(jìn)行兩種模塊硬件連接。同時(shí)控制器必需分析各個(gè)電極的掃描數(shù)據(jù)，每個(gè)電極的數(shù)據(jù)必需進(jìn)行數(shù)據(jù)變換和分析，快速數(shù)處理的任務(wù)由第二處理模塊DSP完成。DSP通過(guò)第一管理連接模塊(FPGA)高速獲取數(shù)據(jù)，分析結(jié)果同樣通過(guò)FPGA連接數(shù)據(jù)處理單元(CPU)公共數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，由CPU通知PC直接從該區(qū)域獲取分析結(jié)果?？刂破鞯氖聞?wù)管理由CPU (ARM9處理器)完成，CUP需要對(duì)各個(gè)模塊和DSP數(shù)據(jù)分析起始進(jìn)行控制管理。CPU和基因檢測(cè)器、DSP的連接通過(guò)第一管理連接模塊(FPGA)進(jìn)行硬件連接，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行控制管理，各個(gè)控制對(duì)象的狀態(tài)標(biāo)志也通過(guò)FPGA 反饋到CPU。控制器的數(shù)據(jù)上傳PC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。CPU軟件內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，硬件上與網(wǎng)卡控制器連接。系統(tǒng)包括3個(gè)檢測(cè)塔，每個(gè)檢測(cè)塔與內(nèi)部的路由連接，路由再和內(nèi)嵌的工控 PC連接，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)塔和PC的網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)內(nèi)部的局域網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)檢測(cè)塔和內(nèi)嵌工控PC的數(shù)據(jù)交換。優(yōu)選地，述溫度控制單元包括一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件和一個(gè)或多個(gè)溫度反饋元件，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫反饋元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫度檢測(cè)元件跟據(jù)所述一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元對(duì)基因檢測(cè)器的溫度監(jiān)控，分別對(duì)一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器上的芯片加熱裝置實(shí)時(shí)控制。優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件包括
比較元件，用于將一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元所檢測(cè)到的溫度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較；
控制元件，基于比較結(jié)果，根據(jù)溫度變化的幅度、速率等參數(shù)預(yù)測(cè)溫度變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整溫度控制輸出量；
執(zhí)行元件，根據(jù)控制元件的輸出控制量，控制所述芯片加熱裝置的溫度。本發(fā)明的技術(shù)方案最多可以同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行M塊采用電化學(xué)技術(shù)的電化學(xué)基因傳感器進(jìn)行雜交檢測(cè)，每個(gè)傳感器都要求隨到隨檢，因此儀器必需具備M個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)模 ±夬，每個(gè)模塊都能進(jìn)行單獨(dú)的溫度控制，以滿足不同雜交檢測(cè)階段和不同檢測(cè)項(xiàng)目的溫度要求，而且每個(gè)模塊的溫度控制必需準(zhǔn)確穩(wěn)定。為了達(dá)到這個(gè)要求，每個(gè)模塊都采用單獨(dú)的閉環(huán)溫度控制單元，系統(tǒng)包括基于ARM9處理器的比較元件、基于PWM輸出控制的控制元件、 基于加熱功率管的執(zhí)行元件、基于高導(dǎo)熱性能銅基板的加熱對(duì)象(即芯片加熱裝置)和基于高精度傳感放大及ADC的反饋元件，如圖5所示；
基于ARM9處理分析各個(gè)元件的檢測(cè)項(xiàng)目，并通過(guò)該項(xiàng)目芯片協(xié)議和雜交階段得到當(dāng)前的各個(gè)模塊的目標(biāo)溫度，同時(shí)通過(guò)溫度反饋元件(包括高精度溫度傳感器、高精度放大、 精密ADC)得到銅基板當(dāng)前溫度，經(jīng)過(guò)比較計(jì)算后得到溫度偏差和控制量，執(zhí)行元件控制功率輸出到加熱管，對(duì)銅基片進(jìn)行溫度控制，使其得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的溫度。銅基片與插入檢測(cè)模塊的芯片充分接觸，溫度被傳導(dǎo)到芯片上，為芯片雜交提供適合的溫度環(huán)境。溫度控制算法采用基于ARM9的比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器算法具有穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，用于本發(fā)明的雜交溫度控制預(yù)期能達(dá)到很好的效果。被控對(duì)象銅基板的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和隨機(jī)的擾動(dòng)不能完全掌握，得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其它算法難以采用，因此溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)階段的調(diào)試來(lái)確定，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。比例 (P)控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I)控制的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系，對(duì)本儀器的溫度控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)溫度誤差，這個(gè)溫度控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)溫度誤差的，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中引入“積分項(xiàng)”，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，這樣即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)溫度誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器算法，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)溫度誤差。微分(D)控制的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系，溫度控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件(銅基板導(dǎo)熱可能出現(xiàn)滯后)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于溫度誤差的變化。為解決這個(gè)問(wèn)題，使抑制誤差的作用的變化“超前”，使得在溫度誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用為零，需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。這樣，具有PID的穩(wěn)定控制器和算法，就能夠提前使抑制溫度誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 優(yōu)選地，第二連接管理裝置包括數(shù)字電路、轉(zhuǎn)換模塊、低壓驅(qū)動(dòng)模塊和電壓采集反饋電路；
所述數(shù)字電路控制低壓驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的激勵(lì)電壓的輸出量，電壓采集反饋電路采集激勵(lì)電壓，并且轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，控制器采集包含電壓采集以及經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)、控制和結(jié)果分析。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括上位處理終端和檢測(cè)終端；所述檢測(cè)終端包括基因檢測(cè)器和控制器，所述基因檢測(cè)器用于根據(jù)雜交反應(yīng)，采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記，并通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，所述控制器控制所述基因檢測(cè)器進(jìn)行基因檢測(cè)，接收基因檢測(cè)器的掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果分析，并將分析結(jié)果傳送到上位處理終端，所述上位處理終端通過(guò)發(fā)送控制指令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述基因檢測(cè)器包括電化學(xué)基因傳感器、連接器、第二連接管理裝置和芯片加熱裝置，所述電化學(xué)基因傳感器采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)待檢測(cè)物雜交反應(yīng)后的分子進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)基因檢測(cè)，所述第二連接管理裝置通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)所述控制器的指令控制基因檢測(cè)的過(guò)程，以及控制所述芯片加熱裝置的輸出溫度；所述連接器用于所述電化學(xué)基因傳感器分別與第二連接管理裝置和芯片加熱裝置連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述上位處理終端包括用于在處理過(guò)程中創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)的設(shè)置模塊；用于在處理過(guò)程中接收控制器傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)的第二接收模塊；用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)對(duì)第二接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的運(yùn)算模塊；用于在處理過(guò)程中根據(jù)用戶設(shè)置項(xiàng)向控制器發(fā)送控制信號(hào)的輸出模塊；用于在處理過(guò)程中接收用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入的第一接收模塊，所述用戶的一個(gè)或多個(gè)輸入對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)置項(xiàng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括第一管理連接模塊、第一處理模塊和第二處理模塊；所述第一管理連接模塊與所述基因檢測(cè)器連接，接收第二連接管理裝置輸出的掃描數(shù)據(jù)，并與所述第二連接管理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所述第二處理模塊對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析；所述第一處理模塊與所述第一管理連接模塊連接，用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，對(duì)芯片加熱裝置進(jìn)行控制，并用于對(duì)外的通信和連接管理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)終端，用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述檢測(cè)終端包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)待檢測(cè)物進(jìn)行基因檢測(cè)，所述芯片加熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)芯片加熱端，與所述一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述連接器包括第一連接端，用于連接所述電化學(xué)基因傳感器；環(huán)境控制端，與所述芯片加熱裝置連接，調(diào)節(jié)控制電化學(xué)基因傳感器的溫度；第二電信號(hào)傳輸接口，與所述第二連接管理裝置連接；所述第一連接端包括電化學(xué)基因傳感器固定位和與所述電化學(xué)基因傳感器連接的第一電信號(hào)傳輸接口，所述電化學(xué)基因傳感器固定位用于固定電化學(xué)基因傳感器，所述第一電信號(hào)傳輸接口用于與電化學(xué)基因傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；所述第二電信號(hào)傳輸接口與所述第一電信號(hào)傳輸接口相互連接，用于第二連接管理裝置與所述電化學(xué)基因傳感器之間傳輸電信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理模塊包括數(shù)據(jù)處理單元和溫度控制單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于對(duì)所述基因檢測(cè)器進(jìn)行控制和管理，并用于對(duì)外的通信和連接管理，所述溫度控制單元用于控制芯片加熱裝置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電化學(xué)基因傳感器的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，述溫度控制單元包括一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件和一個(gè)或多個(gè)溫度反饋元件，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫反饋元件分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器，所述一個(gè)或多個(gè)溫度檢測(cè)元件跟據(jù)所述一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元對(duì)基因檢測(cè)器的溫度監(jiān)控，分別對(duì)一個(gè)或多個(gè)基因檢測(cè)器上的芯片加熱裝置實(shí)時(shí)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件包括比較元件，用于將一個(gè)或多個(gè)溫度反饋單元所檢測(cè)到的溫度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較；控制元件，基于比較結(jié)果，根據(jù)溫度變化的幅度、速率等參數(shù)預(yù)測(cè)溫度變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整溫度控制輸出量；執(zhí)行元件，根據(jù)控制元件的輸出控制量，控制所述芯片加熱裝置的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，第二連接管理裝置包括數(shù)字電路、轉(zhuǎn)換模塊、低壓驅(qū)動(dòng)模塊和電壓采集反饋電路；所述數(shù)字電路控制低壓驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的激勵(lì)電壓的輸出量，電壓采集反饋電路采集激勵(lì)電壓，并且轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，控制器采集包含電壓采集以及經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)、控制和結(jié)果分析。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電化學(xué)基因檢測(cè)系統(tǒng)，包括上位處理終端和檢測(cè)終端；所述檢測(cè)終端包括基因檢測(cè)器和控制器，所述基因檢測(cè)器用于根據(jù)雜交反應(yīng)，采用電化學(xué)技術(shù)對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記，并通過(guò)交流伏安法掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)記的檢測(cè)信號(hào)，所述控制器控制所述基因檢測(cè)器進(jìn)行基因檢測(cè)，接收基因檢測(cè)器的掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果分析，并將分析結(jié)果傳送到上位處理終端，所述上位處理終端用通過(guò)發(fā)送控制指令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器。采用高精度儀器對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，大大的提高了檢驗(yàn)的速度和效率，并且有效的節(jié)約了檢驗(yàn)的成本和人力資源，達(dá)到高速、準(zhǔn)確和精確的檢驗(yàn)DNA。
文檔編號(hào)C12M1/34GK102533544SQ201110455940
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者周詩(shī)寒, 李明, 洪俊安, 蔡偉光, 謝劍鋒, 陳華云 申請(qǐng)人:中山大學(xué)達(dá)安基因股份有限公司