PCR芯片控温系统研究

《PCR芯片控温系统研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、PCR芯片控温系统研究徐静平I黎沛涛2甘侠林I钟徳刚II华中科技大学，电了科学与技术系2香港大学，电机电子工程系摘要通过采用以单片机为核心的数字电路控温技术、PWM技术以及PID控温算法，研制出成木低、控温精度高、能用于DNA扩增的PCR芯片温度控制系统。实验结果表明，该系统能较好地进行PCR芯片所要求的不同温度(37C,55°C,72C和94°C)Z间的循环控制，控制精度达到土0.TC；采用热电致冷器作为发热体/散热器(通过控制电源极性)，升、降温速率分别达到4C/s和2.2C/S。关键词：PCR芯片，DNA,控温系统4、八1.刖§多聚酶链式反应技术(PolymerizeC

2、hainReaction,简称PCR),是美国学者K.B.Muhis和R.K.Saiki等于1985年首创，并于1993年获诺贝尔奖，是进步最快、应用面最广的体外扩增基因(DNA)片断的技术。PCR芯片是生物芯片的一种，它的关键技术之一是温度控制系统，即必须实现快速的热循环和恒温控制。热循环系统一般包括三个部分»PID微处理控制单元,数据采集单兀以及热发生器单元。一个热循环通常由四步组成：94C的引物变性温区，37、55「C的引物退火温区以及72C的引物延伸温区。每个温区恒温20・30秒，要求整个系统在尽町能短的时间里(如60分钟)完成30次热循坏，以使DNA片断得到有效扩增

3、。然而，目前所研制的这样的热循环控温系统大多采用反馈放大电路实现，其缺点在于电路比较复杂，控制不够灵活，不便于与计算机通讯，特*教育部骨干教师基金及香港大学“theinternalawardforCASmembershipv资助项H别是对于循环控温还需外加计时芯片等器件，使整个系统复朵化，成木较高，且控温精度不高。本文工作即在满足DNA扩增要求的前提下，改进设计，简化系统，捉高控温精度，并降低系统构造成木。2.PCR芯片控温电路设计为了克服现有循环控温系统的缺点，一个大的改进是采用以微处理器为核心的数字电路，选用了MICROCHIP公司PIC系列的PIC16F84单片机。此单

4、片机具有体积小、速度快、功耗低、输出功率较人等特点。传感器部分及功率驱动部分分别选用数字温度计DS1820、开关器件TP1101。系统的结构框图如图1所示，其主要设计思想为2）:数字温度计（测温芯片）将所测的温度值通过数据线传给单-图1.控温系统结构框图片机，与设定的温度值进行比较，这个温度值rfl软件控制在37、55、72和94°C之间循环，温度计的所有工作由单片机控制；然后，经过PID算法计算岀控制量，通过脉宽调制（PWM）技术，使单片机输出占空比随控制量变化而变的方波；此方波作为下一级功放电路中功率器件TP1101的开关信号，使功率器件导通对半导体热电致冷器进行加热或致

5、冷（通过反转电源极性）。DS1820传送到单片机的温度数值、控温过程中计算所得的控制量以及PID控制参数可通过异步通讯电路发送到PC机端，在PC机端用VB编写一个相应的处理串行通讯数据的程序，可观察控温效果，同时获取控制过程的参数，以便作进一步调试，达到最佳控制效果。2」数字测温部分测温部分是整个系统的基础，是微处理器的数据来源。微处理器对所测温度值的处理结果，直接影响其自身的控制行为。传统的温度测试系统是采用温度传感器（如PtlOO）,将测得的温度模拟信号转换为连续的电信号，然后通过A/D转换，把模拟信号转换为数字信号，再传给微处理器进行处理。这种模数混合的电路难度较大，涉

6、及元器件较多，且微处理器不便对传感器进行控制，整个系统稳式的测温器件DS1820o它采用单线总线结构，用一根I/O线传送数据与命令，并可兼作电源线。DS1820的测温电路如图2所示。图中，DS1820为三引脚封装结构，从左至右依次为GND、DB和VDD。实验屮用示波器观察到DB线上的数据信号如图3所示。2.2PWM控制及外围驱动电路PWM（PulseWidthModulator）控制方法的突出优点是既能提高控制精度，乂能缩短控制吋间。PWM调制波口J以用硬件模拟屯路产生，也口J利用微处理器采用软件编程实时产生，后者具有明显优势。因此，实验屮，我们采用了软件脉宽图4不同控温时期

7、的PWM波形图调制技术：首先由PID控制算法计算出控制量（输出方波的高电平），然后用PWM方法输出占空比随控制量变化而变的方波。图4即为不同控温时期的波形图，可见脉宽（占空比）明显不同。PWM输出的方波必须经过功率放人，才能实现发热体的温度控制。功放电路如图5所示。其工作原理为：当PWM输出为高电平时，NPN管导通，P-MOSFET栅极为0电平而导通，对发热体进行加热；当PWM输出为低电平时，NPN管截止，使P-MOSFET也截止，停止加热。DS1820将发热体的温度值传冋到单片机，通过PID程序计算出