CN111346685A - 可实现快速温控的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现快速温控的装置和方法，该装置包括：温控目标接收部件，其用于容纳温控目标；至少一组恒温流体源装置，其用于向温控目标接收部件输送所需要温度的恒温流体源，以置换所述温控目标接收部件中现存的流体，将所述温控目标接收部件中的温控目标的温度调控至设定值；以及用于连接所述温控目标接收部件与所述恒温流体源装置的流体通道。本发明采用具有适合温度的流体直接进入温控腔体中，而不需要通过温控部件逐渐加热或降温温控腔体，最大限度减少了温控过程中的升温和降温过程所需时间，提高了温控的速率，对于一些对温控速度要求较高的领域，如PCR等领域，其可以显著的缩短检测过程中温控的时间消耗，提高检测效率和通量。

Description

可实现快速温控的装置和方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域与热力学领域，特别涉及一种可实现快速温控的装置和方法。

背景技术

温度控制是一种常见的控制过程，在很多领域，如化学化工反应、生物医学工程检测等应用广泛。在一些应用中，需要对温控目标在几个温度点之间快速的切换，切换速度和温控精度是影响这类温控的主要参数。PCR技术的温度控制是正是这种形式的典型。

PCR技术是分子诊断领域检测浓度核酸的主要技术，在基因表达研究、microRNA研究、基因组拷贝数鉴定、癌症标志物稀有突变检测等领域应用广泛。一个完成的PCR温控过程为：

步骤一：将样品加热到94℃进行变性；

步骤二：将样品降温到40℃～60℃进行退火；

步骤三：将样品加热到70℃～75℃进行延伸。

步骤四：重复步骤一至步骤三35～40次。

可见，PCR温控过程是一个较为复杂的过程，需要在三个温区不断的切换，现有的温控技术，升、降温速度只能达到2～5℃/s，升、降温切换消耗的时间较多，导致整个PCR温控时间很长，达到2小时甚至更久。而如果可以将不同温区之间的切换时间缩短甚至去除，则PCR温控时间可以缩短至30min以内，可以大大提高PCR检测的速率和通量。

现有的温控技术升、降温速度慢，只能达到2～5℃/s，其原因在于，现有技术的温控装置通常温控目标放置于大块金属上或者金属腔体中，通过帕尔贴、PI膜加热片等对温控目标以及金属块、金属腔进行整体加热，导致热惯量较大，升降温时间长。

微流控芯片是20世纪末新型出现的一种技术，其通常具有小、薄的特点，典型的尺寸是长、宽5cm以下，厚度2mm甚至更薄。这样的芯片具有很小的热惯量和优异的升降温特性，但如果采用现有的温控技术，金属腔和金属块将成为主要的热惯量源，无法发挥出微流控芯片惯量小的优势。

可见，根据微流控芯片小热惯量的特点，研发一种可以实现快速温控的方法和装置，对于提高如PCR等领域的温控速率和检测效率，具有重要的意义。

发明内容

本发明针对现有温控技术无法发挥微流控芯片热惯量小的不足，本发明提出一种可实现快速温控的装置和方法，本发明摒弃了现有的通过帕尔贴、PI膜加热片等加热方式，而是利用一种流体置换的方式实现对微流控芯片超快速的温控。

本发明采用的技术方案是：一种可实现快速温控的装置，其特征在于，包括：

温控目标接收部件，其用于容纳温控目标；

至少一组恒温流体源装置，其用于向温控目标接收部件输送所需要温度的恒温流体源，以置换所述温控目标接收部件中现存的流体，将所述温控目标接收部件中的温控目标的温度调控至设定值；

以及用于连接所述温控目标接收部件与所述恒温流体源装置的流体通道。

优选的是，所述温控目标接收部件为可完全包裹所述温控目标的腔体结构，或者为可部分包裹所述温控目标的板、槽或孔结构。

优选的是，所述恒温流体源装置包括流体存储装置、分别设置在所述流体存储装置的入口端和出口端的输入阀和输出阀以及用于对所述流体存储装置中的流体的温度进行调控的温控部件。

优选的是，所述流体通道包括与所述输入阀连接的第一通道和将所述输出阀连接至所述温控目标接收部件的第二通道。

优选的是，还包括至少一个设置在所述第一通道或第二通道上的用于实现流体输送的动力源装置。

优选的是，还包括用于将所述温控目标接收部件排出的流体输送回所述恒温流体源装置中的流体回收通道。

优选的是，所述温控目标接收部件中还设置有至少一个温度传感器。

优选的是，包括至少两组所述动力源装置；

多组所述恒温流体源装置中的每组恒温流体源装置分别对应一个所述动力源装置，或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置通过第一多通接头共用一个所述动力源装置。

优选的是，多组所述恒温流体源装置中的每组恒温流体源装置分别对应一个所述流体回收通道，或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置通过第二多通接头共用一个所述流体回收通道。

本发明的另一方面在于，还提供一种可实现快速温控的方法，其采用如上所述的装置对所述温控目标进行温度控制；

假定所述温控目标需要在温度T₁保持时间t₁，在温度T₂保持时间t₂，在温度T₃保持时间t₃,…，在温度T_n保持时间t_n；与之对应的所述可实现快速温控的装置包括n组所述恒温流体源装置，该方法包括以下步骤：

1)确定所述恒温流体源装置内部的流体的温度控制值：

1-1)设定第一组所述恒温流体源装置内部的流体的温度T₀₁，并向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T₀₁温度的流体，测量所述温控目标接收部件温度稳定后的实际温度T，调整T₀₁，直至所述温控目标接收部件的实际温度T达到T₁，并记下此时的所述恒温流体源装置内部的流体的温度T’₀₁，将其作为第一组恒温流体源装置内部温度控制值；

1-2)按照上述步骤1-1)的方法，得到其余组恒温流体源装置内部的流体的温度控制值，分别记为：T’₀₂、T’₀₃、…T’_0n；

2)测量所述温控目标在相邻两温度之间实现温度转换所需的时间：

2-1)通过第一组恒温流体源装置向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₁温度的流体，同时测试温控目标的实际温度T，得到T由环境温度变化至T₁所需要的时间t₀₁；

2-2)通过第二组恒温流体源装置向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₂温度的流体，同时测试温控目标的实际温度T，得到T由T₁变化至T₂所需要的时间t₀₂；

2-2)按照与上述步骤2-1)相同的方法依次测量其余的温度转换时间，直至完成温控目标在第n组所述恒温流体源装置提供的温度T_0n的流体的热浴下，测试所述温控目标的实际温度T，得到温控目标的实际温度T由T_n-1变化至T_n所需要的时间t_0n；

3)对温控目标进行温度控制：

3-1)通过第一组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₁温度的流体，输送时间为t₁+t₀₁；

3-2)通过第二组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₂温度的流体，输送时间t₂+t₀₂；

…

3-n)通过第n组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’_0n温度的流体，输送时间t_n+t_0n；

直至完成所有n组恒温流体源装置对温控目标接收部件流体的输送，完成对温控目标的温控。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种可以实现快速温控的装置和方法，本发明采用具有适合温度的流体直接进入温控腔体中，而不需要通过温控部件逐渐加热或降温温控腔体，因而最大限度的减少了温控过程中的升温和降温过程所需时间，提高了温控的速率，对于一些对温控速度要求较高的领域，如PCR等领域，其可以显著的缩短检测过程中温控的时间消耗，提高检测效率和通量。

附图说明

图1为本发明的一种实施例中的可实现快速温控的装置的结构示意图；

图2为本发明的另一种实施例中的可实现快速温控的装置的结构示意图(具有动力源)；

图3为本发明的另一种实施例中的可实现快速温控的装置的结构示意图(多个恒温流体源装置共用动力源)；

图4为本发明的另一种实施例中的可实现快速温控的装置的结构示意图(具有流体回收通道)；

图5为本发明的另一种实施例中的可实现快速温控的装置的结构示意图(多个恒温流体源装置共用回收通道)；

图6为本发明的实施例1中的数字PCR芯片的结构示意图；

图7为本发明的实施例1中的可实现快速温控的装置的结构示意图；

图8为本发明的实施例1中的温控目标接收部件的结构示意图；

图9为本发明的实施例2中的数字PCR芯片的结构示意图；

图10为本发明的实施例2中的可实现快速温控的装置的结构示意图；

图11为本发明的实施例2中的温控目标接收部件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种可实现快速温控的装置，包括：

温控目标接收部件30，其用于接受、容纳并装夹温控目标32；

至少一组恒温流体源装置10，其用于向温控目标接收部件30输送所需要温度的恒温流体源，以置换温控目标接收部件30中现存的流体，将温控目标接收部件30中的温控目标32的温度快速调控至设定值；

以及用于连接温控目标接收部件30与恒温流体源装置10的流体通道。

其中，温控目标接收部件30用于提供一个实现热量传递、交换的场所。在优选的实施例中，温控目标接收部件30为可完全包裹/覆盖温控目标32的腔体结构，或者为可部分包裹/覆盖温控目标32的板(如通过多块板夹持覆盖温控目标32)、槽或孔结构。

其中，恒温流体源装置10用于提供温控目标32所需要的具有特定温度的流体，它可以将其他温度的流体转换成恒温流体源装置10设定的温度的流体。在优选的实施例中，恒温流体源装置10包括流体存储装置12、分别设置在流体存储装置12的入口端和出口端的输入阀11和输出阀以及用于对流体存储装置12中的流体的温度进行调控的温控部件14。其中温控部件14为可以实现温度探测与控制的部件组合，用于控制流体存储装置12中的流体温度，使之达到温控目标32所需要的温度值。流体存储装置12用于存储一定量的流体，供温控时使用。输入阀11、输出阀为流体存储装置12输入、输出流体时的控制阀。

其中，用于恒温流体源装置10向恒温流体源装置10输送所需温度的恒温流体的通道。在优选的实施例中，流体通道包括与输入阀11连接的第一通道41和将输出阀连接至温控目标接收部件30的第二通道42。第一通道41和第二通道42的数量均与恒温流体源装置10的数量一致。

在优选的实施例中，该可实现快速温控的装置还包括至少一个设置在第一通道41或第二通道42上的用于实现流体输送的动力源装置20，如图2。动力源装置20为可以实现流体输送的部件或装置，可以为但不限于各类泵如蠕动泵、气泵等，其作用在于，输送恒温流体源装置10中的流体至温控目标接收部件30。

在一种实施例中，动力源装置20可以为持续工作状态，使用恒温流体持续进入温控目标接收部件30，并置换温控目标接收部件30中现存流体；其有益效果是，可以保证温控目标接收部件30内的流体温度的恒定，而不会因为温控目标接收部件30与环境温度之间的差异而引起温度变化，降低温控精度。

在另一种实施例中，动力源装置20可以为间歇性的工作状态，使用恒温流体间歇性进入温控目标接收部件30；其有益效果是，在满足温控精度情况下，降低动力源和恒温流体源装置10的功耗。

在一种实施例中，包括至少两组动力源装置20；其中多组恒温流体源装置10中的每组恒温流体源装置10分别对应一个动力源装置20(如附图2)；或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置10通过第一多通接头43共用一个动力源装置20(如附图3)。通过多通接头将两条或多条第二通道42合并成一条流体通道44进入动力源。第一多通接头43可以为三通、四通或更高通道的接头，其通道数量为所合并流体通道数量之和加。

在优选的实施例中，温控目标接收部件30中还设置有至少一个温度传感器，如图1-3。流体在从恒温流体源装置10经过流体通道和动力源装置20后到达温控目标接收部件30的过程中温度可能会有所降低或上升，导致温控精度的损失。温度传感器可以直接检测温控目标接收部件30中的温度，恒温流体源装置10可以据此适当提高或降低其内部的恒温流体源温度，以作为流体在经过第一通道41和动力源装置20后到达温控目标接收部件30的过程中温度损失的补偿。

在优选的实施例中，该可实现快速温控的装置还包括用于将温控目标接收部件30排出的流体输送回恒温流体源装置10中的流体回收通道45，见附图4-5。体回收通道45与流体通道41相连接，作用在于，其与输入阀11相配合，将从温控目标接收部件30排出的流体重新输入至恒温流体源装置10中，其有益效果是，温控目标接收部件30排出的流体与恒温流体源装置10中的流体温度接近，将之回收回恒温流体源装置10，可以降低恒温流体源装置10温控时的能量损耗。进一步的，包括至少两组动力源装置20，多组恒温流体源装置10中的每组恒温流体源装置10分别对应一个流体回收通道45，如附图4；或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置10通过第二多通接头46共用一个流体回收通道45，如附图5。第二多通接头46可以为三通、四通或更多通道的接头，其通道数量为所分成流体通道数量之和加。

本实施例还提供一种可实现快速温控的方法，其采用如上的装置对温控目标32进行温度控制；

假定温控目标32需要在温度T₁保持时间t₁，在温度T₂保持时间t₂，在温度T₃保持时间t₃,…，在温度T_n保持时间t_n；与之对应的可实现快速温控的装置包括n组恒温流体源装置10，该方法包括以下步骤：

1)确定恒温流体源装置10内部的流体的温度控制值，以进温度补偿：

1-1)设定第一组恒温流体源装置10内部的流体的温度T₀₁，并向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₁温度的流体，测量温控目标接收部件30温度稳定后的实际温度T，调整T₀₁，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₁，并记下此时的恒温流体源装置10内部的流体的温度T’₀₁，将其作为第一组恒温流体源装置10内部温度控制值；

1-2)按照上述步骤1-1)的方法，得到其余组恒温流体源装置10内部的流体的温度控制值，分别记为：T’₀₂、T’₀₃、…T’_0n；

2)测量温控目标32在相邻两温度之间实现温度转换所需的时间：

2-1)通过第一组恒温流体源装置10向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁温度的流体，同时测试温控目标32的实际温度T，得到T由环境温度变化至T₁所需要的时间t₀₁；

2-2)通过第二组恒温流体源装置10向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂温度的流体，同时测试温控目标32的实际温度T，得到T由T₁变化至T₂所需要的时间t₀₂；

2-2)按照与上述步骤2-1)相同的方法依次测量其余的温度转换时间，直至完成温控目标32在第n组恒温流体源装置10提供的温度T_0n的流体的热浴下，测试温控目标32的实际温度T，得到温控目标32的实际温度T由T_n-1变化至T_n所需要的时间t_0n；

3)对温控目标32进行温度控制：

3-1)通过第一组恒温流体源装置10，向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁温度的流体，输送时间为t₁+t₀₁；

3-2)通过第二组恒温流体源装置10，向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂温度的流体，输送时间t₂+t₀₂；

…

3-n)通过第n组恒温流体源装置10，向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’_0n温度的流体，输送时间t_n+t_0n；

直至完成所有n组恒温流体源装置10对温控目标接收部件30流体的输送，完成对温控目标32的温控。

以上为本发明的整体思路，以下还提供更为具体的实施例，以对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例中，温控目标为基于微流控技术的数字PCR芯片，芯片直径130mm，厚度2mm，见附图6。本PCR反应所需的温度为：

步骤1：变性，温度94℃，时间30s；

步骤2：退火，温度55℃，时间30s；

步骤3：延伸，温度72℃，时间30s；

步骤4：重复步骤1～步骤3约35～40次。

参照图7，与该温控目标需求对应的，本实施例提供的可实现快速温控的装置包括：

温控目标接收部件30，用于接收、容纳和装夹温控目标32的部件；

三组恒温流体源装置101、102、103，用于提供所需要温度的恒温流体源；

动力源201、202、203，用于输送恒温流体源装置101、102、103中的流体至温控目标接收部件30；

两个温度传感器311、312，用于检测温控目标接收部件30中的实时温度；

第二通道421、422、423，用于连接动力源202、203与输出阀131、132、133的通道。

第一通道411、412、413，用于连接输入阀111、112、113的通道。

以及：

流体回收通道451、452、453，用于连接温控目标接收部件30与第一通道411、412、413的通道。

恒温流体源装置101、102、103分别包含各自的输入阀111、112、113，各自的输出阀131、132、133，各自的流体存储装置121、122、123，各自的温控部件141、142、143。

各部件之间的连接关系见附图7。

其中，温控目标接收部件30的结构形式为用于容纳数字PCR芯片的腔体，见附图8。温控目标接收部件30由上、下两个零件301、302构成，零件301和零件302之间形成一个扁平型的薄腔体，微流控芯片32位于薄腔体中。流体入口303、流体出口304分别为温控目标接收部件30的两侧，温控目标接收部件30腔内含有两个温度传感器311、312，用于对腔内温度进行检测。

本实施例中所使用的流体为空气，在进行温控时，所需温度的空气持续从输入口303输入，沿箭头方向流经整个扁平腔体，随后从输出口304流出，见附图8。在所需温度的空气环绕中，数字PCR微流控芯片迅速达到所需温度。

三组恒温流体源装置101、102、103，用于提供数字PCR芯片反应所需要的三个温度的恒温流体源，分别包含各自的输入阀111、112、113，各自的输出阀131、132、133，各自的流体存储装置121、122、123，各自的温控部件141、142、143。所述的流体存储装置12为储气罐，体积5L；所述输出阀131、132、133，输入阀111、112、113为截止式气阀；所述温控部件141、142、143各自均由温度传感器、温度控制器、PI加热膜构成，其作用在于，控制流体存储装置121、122、123内的温度达到所需要的温度值。

所述动力源201、202、203为隔膜泵，接直径8mm的PU管；

两个温度传感器311、312为铂热电阻式温度传感器，放置于温控目标接收部件30内部用于放置数字PCR芯片的腔体内。温控目标接收部件中的温度取两个温度传感器311、312的平均值。

所有流体通道，第一通道421、422、423，第二通道411、412、413，以及流体回收通道451、452、453都为为外径8mm，内径5.5mm的PU管。

本实施例中，针对数字PCR芯片作为温控目标，还与上述装置对应提供一种可实现快速温控的方法，根据数字PCR的温度循环过程可知，数字PCR芯片需要在T₁＝94℃温度下保持时间t₁＝30s，在T₂＝55℃温度下保持时间t₂＝30s，在T₃＝72℃温度下保持时间t₃＝30s。并重复此过程。实现快速温控的方法包括以下三个部分及步骤：

1)确定所述恒温流体源装置内部的流体的温度控制值，以进温度补偿：

步骤1-1：第一组恒温流体源装置101内部温度T₀₁，其流体在动力源201的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₁温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₁，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₁＝94℃时，此时的温度T’₀₁＝98℃，作为第一组恒温流体源装置10内部温度控制值。

步骤1-2：第二组恒温流体源装置101内部温度T₀₂，其流体在动力源202的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₂温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₂，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₂＝55℃时，此时的温度T’₀₂＝58℃，作为第二组恒温流体源装置10内部温度控制值。

步骤1-3：第三组恒温流体源装置103内部温度T₀₃，其流体在动力源203的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₃温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₃，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₃＝72℃时，此时的温度T’₀₃＝75℃，作为第三组恒温流体源装置10内部温度控制值。

2)测量所述温控目标在相邻两温度之间实现温度转换所需的时间：

步骤2-1：第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源201的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由环境温度变化至T₁＝94℃所需要的时间t₀₁＝5s；

步骤2-2：第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源202的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₁＝94℃变化至T₂＝55℃所需要的时间t₀₂＝3s；

步骤2-3：第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源203的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₂＝55℃变化至T₃＝72℃所需要的时间t₀₃＝3s；

步骤2-4：第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源201的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₃＝72℃变化至T₁＝94℃所需要的时间t₀₄＝3s；

需要理解的是：由于数字PCR温度过程为循环不断的过程，因此还需要测试温控目标32由T₃＝72℃变化至T₁＝94℃所需要的时间，即该步骤四；

3)对数字PCR芯片进行温度控制：

步骤3-1：通过第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源201的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，输送时间t₁+t₀₁＝35s；流体回收通道451将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置101。

步骤3-2：通过第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源202的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，输送时间t₂+t₀₂＝33s；流体回收通道452将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置102。

步骤3-3：通过第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源203的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，输送时间t₃+t₀₃＝33s；流体回收通道453将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置103。

步骤3-4：通过第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源201的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，输送时间t₁+t₀₄＝33s；流体回收通道451将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置101。

重复步骤2～步骤4过程33～37次。

步骤3-5：通过第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源202的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，输送时间t₂+t₀₂＝33s；流体回收通道452将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置102。

步骤3-6：通过第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源203的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，输送时间t₃+t₀₃＝33s；流体回收通道453将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置103。

实施例2

本实施例中，温控目标为基于微流控技术的数字PCR芯片，其结构如图9所示。该数字PCR芯进PCR反应所需的温度为：

步骤1：变性，温度94℃，时间30s；

步骤2：退火，温度55℃，时间30s；

步骤3：延伸，温度72℃，时间30s；

步骤4：重复步骤1～步骤3约35～40次。

参照图10，与该温控目标需求对应的，本实施例提供的可实现快速温控的装置包括：

温控目标接收部件30，用于接收、容纳和装夹温控目标32的部件；

三组恒温流体源装置101、102、103，用于提供所需要温度的恒温流体源；

一个动力源20，用于输送恒温流体源装置101、102、103中的流体至温控目标接收部件30；

一个温度传感器311，用于检测温控目标接收部件30中的实时温度；

第二通道421、422、423，通过四通接头43后合并成一路进入动力源20。

第一通道411、412、413，用于连接输入阀111、112、113的通道。

以及：

流体回收通道45，用于连接温控目标接收部件30与第一通道411、412、413的通道，其通过四通接头46分成三支，分别连接第一通道411、412、413。

恒温流体源装置101、102、103分别包含各自的输入阀111、112、113，各自的输出阀131、132、133，各自的流体存储装置121、122、123，各自的温控部件141、142、143。

温控目标接收部件30的机构形式为侧面贴合覆盖数字PCR芯片的结构，见附图11。温控目标接收部件30由上、下两个零件301、302构成，零件301和零件302之间形成一个腔体305，微流控芯片32位于腔体外侧，并紧贴301表面。流体入口303、流体出口304分别为温控目标接收部件30的两侧，温控目标接收部件30腔内含有一个温度传感器31，用于对腔内温度进行检测。

本实施例中所使用的流体为水，在进行温控时，所需温度的水持续从输入口303输入，沿箭头方向流经整个扁平腔体，随后从输出口304流出。所需要温度的水流经腔体305时，通过腔体305的上壁面传热至数字PCR芯片32，使之迅速达到所需温度，见附图11。

三组恒温流体源装置101、102、103，用于提供数字PCR芯片反应所需要的三个温度的恒温流体源，分别包含各自的输入阀111、112、113，各自的输出阀131、132、133，各自的流体存储装置121、122、123，各自的温控部件141、142、143。所述的流体存储装置为储液罐，体积500ml；所述输出阀131、132、133，输入阀111、112、113为截止式液体阀；所述温控部件141、142、143各自均由温度传感器、温度控制器、PI加热膜构成，其作用在于，控制流体存储装置121、122、123内的温度达到所需要的温度值。

所述动力源20为蠕动泵；

温度传感器31为铂热电阻式温度传感器，放置于温控目标接收部件30内部腔体305内。

所有流体通道，第二通道421、422、423，第一通道411、412、413，以及流体回收通道45都为为外径4mm，内径2.5mm的PU管。

所述四通接头43、46为PTFE材质接头。

本实施例中，针对数字PCR芯片作为温控目标，还与上述装置对应提供一种可实现快速温控的方法，根据数字PCR的温度循环过程可知，数字PCR芯片需要在T₁＝94℃温度下保持时间t₁＝30s，在T₂＝55℃温度下保持时间t₂＝30s，在T₃＝72℃温度下保持时间t₃＝30s。并重复此过程。实现快速温控的方法包括以下三个部分及步骤：

1)确定所述恒温流体源装置内部的流体的温度控制值，以进温度补偿：

步骤1-1：第一组恒温流体源装置101内部温度T₀₁，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₁温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₁，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₁＝94℃时，此时的温度T’₀₁＝98℃，作为第一组恒温流体源装置10内部温度控制值。

步骤1-2：第二组恒温流体源装置101内部温度T₀₂，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₂温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₂，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₂＝55℃时，此时的温度T’₀₂＝58℃，作为第二组恒温流体源装置10内部温度控制值。

步骤1-3：第三组恒温流体源装置103内部温度T₀₃，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T₀₃温度流体，同时在稳定状态下测试温控目标接收部件30的实际温度T，调整T₀₃，直至温控目标接收部件30的实际温度T达到T₃＝72℃时，此时的温度T’₀₃＝75℃，作为第三组恒温流体源装置10内部温度控制值。

2)测量所述温控目标在相邻两温度之间实现温度转换所需的时间：

步骤2-1：第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由环境温度变化至T₁＝94℃所需要的时间t₀₁＝5s；

步骤2-2：第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₁＝94℃变化至T₂＝55℃所需要的时间t₀₂＝3s；

步骤2-3：第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₂＝55℃变化至T₃＝72℃所需要的时间t₀₃＝3s；

步骤2-4：第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，同时测试温控目标32内部的实际温度T，得到T由T₃＝72℃变化至T₁＝94℃所需要的时间t₀₄＝3s；

需要理解的是，由于数字PCR温度过程为循环不断的过程，因此还需要测试温控目标32由T₃＝72℃变化至T₁＝94℃所需要的时间，即步骤2-4；

3)对数字PCR芯片进行温度控制：

步骤3-1：通过第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，输送时间t₁+t₀₁＝35s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置101。

步骤3-2：通过第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，输送时间t₂+t₀₂＝33s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置102。

步骤3-3：通过第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，输送时间t₃+t₀₃＝33s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置103。

步骤3-4：通过第一组恒温流体源装置101，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道421向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₁＝98℃温度流体，输送时间t₁+t₀₄＝33s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置101。

重复步骤2～步骤4过程33～37次。

步骤3-5：通过第二组恒温流体源装置102，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道422向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₂＝58℃温度流体，输送时间t₂+t₀₂＝33s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置102。

步骤3-6：通过第三组恒温流体源装置103，其流体在动力源20的持续驱动下经过第二通道423向处于环境温度下的温控目标接收部件30输送T’₀₃＝75℃温度流体，输送时间t₃+t₀₃＝33s；流体回收通道45将温控目标接收部件30中的流体回收回恒温流体源装置103。

完成温控

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种可实现快速温控的装置，其特征在于，包括：

温控目标接收部件，其用于容纳温控目标；

至少一组恒温流体源装置，其用于向温控目标接收部件输送所需要温度的恒温流体源，以置换所述温控目标接收部件中现存的流体，将所述温控目标接收部件中的温控目标的温度调控至设定值；

以及用于连接所述温控目标接收部件与所述恒温流体源装置的流体通道。

2.根据权利要求1所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，所述温控目标接收部件为可完全包裹所述温控目标的腔体结构，或者为可部分包裹所述温控目标的板、槽或孔结构。

3.根据权利要求2所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，所述恒温流体源装置包括流体存储装置、分别设置在所述流体存储装置的入口端和出口端的输入阀和输出阀以及用于对所述流体存储装置中的流体的温度进行调控的温控部件。

4.根据权利要求3所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，所述流体通道包括与所述输入阀连接的第一通道和将所述输出阀连接至所述温控目标接收部件的第二通道。

5.根据权利要求4所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，还包括至少一个设置在所述第一通道或第二通道上的用于实现流体输送的动力源装置。

6.根据权利要求5所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，还包括用于将所述温控目标接收部件排出的流体输送回所述恒温流体源装置中的流体回收通道。

7.根据权利要求6所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，所述温控目标接收部件中还设置有至少一个温度传感器。

8.根据权利要求7所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，包括至少两组所述动力源装置；

多组所述恒温流体源装置中的每组恒温流体源装置分别对应一个所述动力源装置，或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置通过第一多通接头共用一个所述动力源装置。

9.根据权利要求8所述的可实现快速温控的装置，其特征在于，多组所述恒温流体源装置中的每组恒温流体源装置分别对应一个所述流体回收通道，或者是其中的至少两组或全部恒温流体源装置通过第二多通接头共用一个所述流体回收通道。

10.一种可实现快速温控的方法，其特征在于，其采用如权利要求1-9中任意一项所述的装置对所述温控目标进行温度控制；

假定所述温控目标需要在温度T₁保持时间t₁，在温度T₂保持时间t₂，在温度T₃保持时间t₃,…，在温度T_n保持时间t_n；与之对应的所述可实现快速温控的装置包括n组所述恒温流体源装置，该方法包括以下步骤：

1)确定所述恒温流体源装置内部的流体的温度控制值：

1-1)设定第一组所述恒温流体源装置内部的流体的温度T₀₁，并向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T₀₁温度的流体，测量所述温控目标接收部件温度稳定后的实际温度T，调整T₀₁，直至所述温控目标接收部件的实际温度T达到T₁，并记下此时的所述恒温流体源装置内部的流体的温度T’₀₁，将其作为第一组恒温流体源装置内部温度控制值；

1-2)按照上述步骤1-1)的方法，得到其余组恒温流体源装置内部的流体的温度控制值，分别记为：T’₀₂、T’₀₃、…T’_0n；

2)测量所述温控目标在相邻两温度之间实现温度转换所需的时间：

2-1)通过第一组恒温流体源装置向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₁温度的流体，同时测试温控目标的实际温度T，得到T由环境温度变化至T₁所需要的时间t₀₁；

2-2)通过第二组恒温流体源装置向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₂温度的流体，同时测试温控目标的实际温度T，得到T由T₁变化至T₂所需要的时间t₀₂；

2-2)按照与上述步骤2-1)相同的方法依次测量其余的温度转换时间，直至完成温控目标在第n组所述恒温流体源装置提供的温度T_0n的流体的热浴下，测试所述温控目标的实际温度T，得到温控目标的实际温度T由T_n-1变化至T_n所需要的时间t_0n；

3)对温控目标进行温度控制：

3-1)通过第一组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₁温度的流体，输送时间为t₁+t₀₁；

3-2)通过第二组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’₀₂温度的流体，输送时间t₂+t₀₂；

…

3-n)通过第n组所述恒温流体源装置，向处于环境温度下的所述温控目标接收部件输送T’_0n温度的流体，输送时间t_n+t_0n；

直至完成所有n组恒温流体源装置对温控目标接收部件流体的输送，完成对温控目标的温控。

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