CN103135634A - 聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法及装置，该装置包含电源模块、温度采集模块、信号放大模块、数据采集卡模块、芯片加热模块和芯片降温模块。由电源激励，温度采集模块将生物芯片上的铂温度传感器的电阻信号转为电压信号，信号经放大和滤噪，接入LabVIEW信号采集卡，采集卡自带A/D转换和信号调理功能，之后数字电压信号进入LABVIEW温控程序，由数据采集卡输出模拟控制信号，启动芯片加热或者降温模块使芯片温度符合反应要求，反应过程中温控曲线实时显示在PC显示屏上。提供的装置可实现闭环自动控温，升温降温过程快，稳定性好，人机交互性高，是一种新型的检测分析设备和方法。

Description

聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种生物芯片温度控制装置，具体地说，是一种基于LabVIEW的PCR生物芯片温度控制方法及装置。

背景技术

聚合酶链式反应（PCR），于20世纪80年代兴起，是一种在体外由引物介导的DNA序列酶促合成反应，是一个有温度控制和酶催化过程组成的不同温度下三步反应周期性重复的过程。由于其展现了前所未有的灵敏度和特异性，已成为基因研究的关键技术，广泛应用于分子生物学的各个领域。PCR反应的关键是重复和控制循环温度，而传统的PCR扩增仪加热和冷却速度慢，同时需要消耗大量的昂贵生化试剂，因此工作效率较低。

虚拟仪器（LABVIEW）是现代实验室的基础，由计算机、软件、模块式硬件组成，这些软硬件组合并配置后模拟了传统的硬件仪器功能。其软件编程环境又称为LABVIEW语言，是唯一的一种基于数据流的图形化语言，它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成图形模块编程，并用线条把各种图形连接起来，大大缩短了设计周期，提高了工作效率，易于普通工程人员掌握和学习，因此得到广泛的应用。而传统仪器，如此处的PCR扩增仪，对研究人员而言是封闭的，不具开放性和可扩展性，不利于创新型研究。

经检索发现，中国专利申请号为01103687.7的发明专利申请中提出了一种基于单片机的微型温度控制装置，可以实现温度控制自动化，但是该***的程序固定，功能简单，也不能进行实时温度显示，且该芯片采用空气散热，降温速率慢。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于LabVIEW的聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法及装置，可以解决上述的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法，该方法由电源激励，温度采集模块将生物芯片上的铂温度传感器的电阻信号转为电压信号，信号经放大和滤噪，接入LabVIEW信号采集卡，该采集卡自带A/D转换和信号调理功能，之后数字电压信号进入LABVIEW温控程序，根据预设的温度和实际温度做比较，由LabVIEW信号采集卡输出加热或者制冷的控制信号，通过该信号来启动芯片加热或者降温模块使芯片温度符合反应要求。

所述的温度采集模块采用铂电阻做温度传感器，利用其温度特性标定电阻特性曲线，通入电流后测量电压即可换算得到对应温度，进而实现温度采集。

所述的温度采集模块采用恒流源激励法作为电阻测量方法，即在被测铂电阻上通以恒流，电阻值将转为电压，将电阻上的电压测出，再根据恒流值，就可求得实时的电阻值。

所述的恒流源激励法采用串联电压基准芯片REF02AP作电源基准，温度采集模块输出端连接到运算放大器芯片OP07CP，该放大器低失调、高开环增益特性适用于放大此处的微弱电压信号，两者共同构成恒流源，此种恒流源最终输出小电流。

根据本发明的另一个方面，提供一种聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，该装置包含电源模块、温度采集模块、信号放大模块、数据采集卡模块、芯片加热模块和芯片降温模块共六部分。其中：

所述的电源模块，采用ATX开关电源，为后续模块及整个电路供电；

所述的温度采集模块，采用铂电阻做温度传感器，利用其温度特性标定电阻特性曲线，通入电流后测量电压即可换算得到对应温度，进而实现温度采集，并将信号传动到信号放大模块；

所述的信号放大模块，即放大测温电阻上的电压信号，恒流源激励铂电阻产生电压信号，并将信号输出到数据采集卡模块；

所述的数据采集卡模块包括LabVIEW信号采集卡和LABVIEW温控程序，信号放大模块放大后的信号输出端与LabVIEW信号采集卡输入端相连，由LabVIEW信号采集卡进行数据记录和后处理，采集到的电压信号经采集卡自带A/D转换变为数字信号后进入LABVIEW温控程序，LabVIEW信号采集卡根据温控程序的结果输出加热或者制冷的控制信号，分别传给芯片加热模块或芯片降温模块。

所述的温度采集模块采用恒流源激励法进行电阻测量，即在被测铂电阻上通以恒流，电阻值将转为电压，将电阻上的电压测出，再根据恒流值，就可以求得实时的电阻值。

所述的温度采集模块采用串联电压基准芯片REF02AP作精密电压基准，结合运算放大器芯片OP07CP构成恒流源。

所述的电源模块，输入电压为110/220V交流电，输出为直流电压，分为+5V，-12V，+12V三档，最大输出电流分别为3A，0.5A，0.5A。

所述的芯片降温模块采用半导体散热片和风扇组合式降温，芯片与散热片通过导热硅胶固定，在放置于风扇上方。所述的风扇和半导体散热片由继电器驱动，NI PXIe-6124数据采集卡输出降温控制信号，再触发继电器吸合，风扇和散热片工作。

所述的芯片加热模块采用铂电阻做加热电阻，NI PXIe-6124数据采集卡的加热控制信号接到运算放大器OPA552PA上，运算放大器OPA552PA的输出直接接在加热铂电阻的两端，实现升温。

本发明的工作原理是：

恒流源激励铂电阻，使之产生电压信号，经过电压放大转换成3-5V的直流电压，送到LABVIEW接口，经过程序计算，得到实时温度值。根据预设的温度和实际温度做比较，经LabVIEW温度控制程序控制NI PXIe-6124数据采集卡输出加热或者制冷模拟信号，然后再次采集实际温度，并与预设温度做对比，多次循环直至反应完全。提供的装置升降温速度快且控温精度高、易稳定，人机交互性好，是一种开放式的生物检测分析***。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用自行设计制作的MEMS工艺生物芯片，大大减少了生物实际用量，提高了反应效率和灵敏度。

2、本发明选用高精度恒流源激励电路来采集温度，实验结果证明能够达到0.1℃的采集精度。

3、本发明在温度采集电路部分加入电容滤波，滤去了其中的噪声干扰，使实验结果更为可靠。

4、本发明升温速度可在15℃/S以上，并且升温后立即稳定，升温加稳定总共需1S左右，控温精度可达±0.4℃，而市面上主要的仪器升温为3℃/S。

5、本发明采用风扇和半导体制冷片共同降温，大大提升了降温速度，且芯片温度分布均匀，保证生物反应有效进行。

6、本发明引入LABVIEW进行后台温度控制，软件设计周期短，人机交互性好，对研究工作者完全开放，可操作性和可扩展性高，适用于创新性研究。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为温度控制***原理框图；

图2为恒流源电路原理图；

图3为信号放大电路原理图；

图4为芯片加热电路原理图；

图5为芯片降温电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种用于PCR生物芯片温度控制装置，包含电源模块、温度采集模块、信号放大模块、数据采集卡模块、芯片加热模块和芯片降温模块共六部分。

所述的电源模块，即***供电电源，本实施例采用ATX开关电源，输入电压为110/220V交流电，输出为直流电压，分为+5V，-12V，+12V三档，最大输出电流分别为3A，0.5A，0.5A，为后续几个大功率芯片及整个电路供电。ATX电源稳定性好且成本低廉，便于日后产品化。

所述的温度采集模块，本实施例采用铂电阻做温度传感器，利用其温度特性标定电阻特性曲线，通入电流后测量电压即可换算得到对应温度，进而实现温度采集，包含电阻测量方法的选择和恒流源电路设计两部分。

所述的电阻测量方法选择，本实施例采用的是恒流源激励法，即在被测铂电阻上通以恒流，电阻值将转为电压，将电阻上的电压测出，再根据恒流值，就可以求得实时的电阻值。此方法测量电路简单、快速、准确，很适用于PCR生物反应。

所述的恒流源电路，重点是构筑恒流源，本实施例采用串联电压基准芯片REF02AP作电源基准，具有极佳的温度稳定性和电源调整率，结合运算放大器芯片OP07CP，其低失调、高开环增益特性适用于放大此处的微弱电压信号，两者共同构成恒流源。此种恒流源最终输出小电流，从而测温电阻的产热可以忽略，不会影响芯片内部本来温度。

所述的信号放大模块，即放大测温电阻上的电压信号，恒流源激励铂电阻产生电压信号，大小为325mv量级，而数据采集卡模块的LABVIEW信号采集卡的输入电压要求为0～5V，本实施例采用仪表放大器AD620AN放大电压信号，外接电阻为5K,放大倍数10.88，实际操作中可改变接入电阻调整放大倍数。

所述的数据采集卡模块，即经AD620AN放大后的信号输出端与LABVIEW信号采集卡输入端相连，由数据采集卡进行数据记录和A/D转换。本实施例采用美国NI公司NI PXIe-1062Q型号机箱，LABVIEW信号采集卡为NI PXIe-6124S系列多功能数据采集卡。采集到的电压信号经过LABVIEW信号采集卡自带的A/D转换后才能进入LABVIEW温控程序。本实施例中生物芯片只有一个铂电阻传感器，故使用1路模拟输入，将模拟输入的差分负端接地，接入温度电压信号，数据采集卡需要输出加热和降温两种信号，故使用两路输出。

所述的LABVIEW信号采集卡自带A/D转化，是由集成在采集卡内部的数模转换芯片实现电压模拟信号到数字信号的转换，这也正是采用LABVIEW软件及配套硬件的方便之处。

所述的芯片加热模块，本实施例使用生物芯片上的铂电阻作加热电阻，实现升温过程。采用的LABVIEW信号采集卡的负载能力为5mA的电流，其AO接口输出的仅是一个控制信号，要给芯片加热，需另加驱动电路。本实施例采用运算放大器OPA552PA作为驱动设备，提供的电流足以使生物芯片从室温加热到150℃。运算放大器OPA552PA驱动模块的输入信号来自NI PXIe-6124数据采集卡的模拟输出，运算放大器OPA552PA的输出直接接在加热铂电阻的两端。

所述的芯片降温模块，本实施例采用风扇和半导体制冷片共同降温，将CPU风扇固定，风扇端朝下，金属面朝上，将半导体制冷片的发热面通过导热剂与散热器金属接触端相连，此时半导体制冷片的至冷面朝上，然后将生物芯片的PCR反应区与至冷面连接在一起。

所述的风扇和半导体制冷片功率过大，故需添加继电器，制冷电路通过继电器与生物芯片相连。本实施例采用HJR-3FF-S-Z型TIANBO继电器，降温信号由NIPXIe-6124数据采集卡输出到运算放大器OPA552PA上，继电器控制端连接运算放大器OPA552PA的输出，继电器在3V以上吸合，被控制的制冷电路导通，实现降温过程。

图1所示为本实施例的***原理框图，恒流源激励PCR生物芯片上的铂电阻产生电压信号，信号经仪表放大器AD620AN放大，电容滤噪后接入NI PXIe-6124数据采集卡，再由编写的LabVIEW程序将电压换算成对应的温度，进而完成温度采集。而后由LabVIEW温度控制子程序计算出控制信号大小，由NI PXIe-6124数据采集卡输出控制模拟信号。模拟信号控制***电路继电器的闭合实现升温及降温模块。控制后的温度再次被NI PXIe-6124数据采集卡采集与预设温度对比，并再次输出控制信号，周而复始直至达到预设温度，最终形成闭环控制。整个过程NIPXIe-6124数据采集卡通过PCI总线与电脑相连，反应控制的实时图像均是可见与可控的。

图2所示为恒流源电路原理图。12V电源电压流经串联电压基准芯片REF02AP构成电源基准，在经过运算放大器OP07放大，最终输出2.5mA的恒电流，综合考虑REF02，OP07和电阻引入的误差，由误差公示最终可得电流误差为0.0048，可以忽略。输出的恒电流直接接到测温铂电阻丝的一端，电阻丝另一端接地，形成回路。

图3所示信号放大电路图。恒流源流经测温铂电阻，产生相应电压，但由于测温电阻阻值很小，加之恒流源是小电流，故采用专门的仪表放大器AD620AN进行放大，才能达到要求的采集精度。测温电阻丝两端直接与仪表放大器AD620AN的3端和2端相连，同时外接5K的电阻信号放大倍数为10.88，再根据NI PXIe-6124数据采集卡的16位采集位数，量化误差可实现0.017℃，可以实现采集精度0.1℃。

图4所示为芯片加热电路图。经过AD620AN放大的信号传输到NI PXIe-6124数据采集卡输入端，先经过其内部信号调理和AD转换，再由PID程序控制，当实时温度低于预设温度值，输出加热控制信号。此信号再接到运算放大器OPA552PA输入端，由运算放大器OPA552PA作为驱动设备，提供的电流可使芯片从室温加热到150℃.运算放大器OPA552PA的输出端接在加热铂电阻丝的两端。

图5所示为降温电路图。当实时温度达到预设温度并保持一段时间后，即需降温。此时数据采集卡输出降温信号，传递到运算放大器OPA552PA上，然后输出到继电器，继电器控制端连接运算放大器OPA552PA的输出，在3V以上吸合，吸合时间在0.01S左右，而后被控制供电端为12V的制冷电路导通。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (13)

1.一种聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法，其特征在于，该方法由电源激励，温度采集模块将生物芯片上的铂温度传感器的电阻信号转为电压信号，信号经放大和滤噪，接入LabVIEW信号采集卡，该采集卡自带A/D转换和信号调理功能，之后数字电压信号进入LABVIEW温控程序，根据预设的温度和实际温度做比较，由LabVIEW信号采集卡输出加热或者制冷的控制信号，通过该信号来启动芯片加热或者降温模块使芯片温度符合反应要求。

2.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法，其特征在于，所述的温度采集模块采用铂电阻做温度传感器，利用其温度特性标定电阻特性曲线，通入电流后测量电压即可换算得到对应温度，进而实现温度采集。

3.根据权利要求1或2所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法，其特征在于，所述的温度采集模块采用恒流源激励法作为电阻测量方法，即在被测铂电阻上通以恒流，电阻值将转为电压，将电阻上的电压测出，再根据恒流值，就可求得实时的电阻值。

4.根据权利要求3所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制方法，其特征在于，所述的恒流源激励法采用串联电压基准芯片REF02AP作电源基准，温度采集模块输出端连接到运算放大器芯片OP07CP，该放大器低失调、高开环增益特性适用于放大此处的微弱电压信号，两者共同构成恒流源，此种恒流源最终输出小电流。

5.一种聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，该装置包含电源模块、温度采集模块、信号放大模块、数据采集卡模块、芯片加热模块和芯片降温模块；其中：

所述的电源模块，采用ATX开关电源，为后续模块及整个电路供电；

所述的温度采集模块，采用铂电阻做温度传感器，利用其温度特性标定电阻特性曲线，通入电流后测量电压即可换算得到对应温度，进而实现温度采集，并将信号传动到信号放大模块；

所述的信号放大模块，即放大测温电阻上的电压信号，恒流源激励铂电阻产生电压信号，并将信号输出到数据采集卡模块；

所述的数据采集卡模块包括LabVIEW信号采集卡和LABVIEW温控程序，信号放大模块放大后的信号输出端与LabVIEW信号采集卡输入端相连，由LabVIEW信号采集卡进行数据记录，采集到的电压信号经LabVIEW信号采集卡自带的A/D转换变为数字信号后才能进入LABVIEW温控程序，LabVIEW信号采集卡根据温控程序的结果输出加热或者制冷的控制信号，分别传给芯片加热模块或芯片降温模块。

6.根据权利要求5所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的温度采集模块采用恒流源激励法进行电阻测量，即在被测铂电阻上通以恒流，电阻值将转为电压，将电阻上的电压测出，再根据恒流值，求得实时的电阻值。

7.根据权利要求6所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的温度采集模块采用串联电压基准芯片REF02AP作精密电压基准，结合运算放大器芯片OP07CP构成恒流源。

8.根据权利要求5所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的电源模块，输入电压为110/220V交流电，输出为直流电压，分为+5V，-12V，+12V三档，最大输出电流分别为3A，0.5A，0.5A。

9.根据权利要求5所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的芯片降温模块采用半导体散热片和风扇组合式降温，芯片与散热片通过导热硅胶固定，再放置于风扇上方。

10.根据权利要求9所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的风扇和半导体散热片由继电器驱动，LabVIEW信号采集卡输出降温控制信号，再触发继电器吸合，风扇和散热片工作。

11.根据权利要求5-10任一项所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的芯片加热模块采用铂电阻做加热电阻，LabVIEW信号采集卡的加热控制信号接到运算放大器OPA552PA上，运算放大器OPA552PA的输出直接接在加热铂电阻的两端，实现升温。

12.根据权利要求5-10任一项所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的数据采集卡模块采用美国NI公司NI PXIe-1062Q型号机箱，LabVIEW信号采集卡为NI PXIe-6124S系列多功能数据采集卡。

13.根据权利要求5-10任一项所述的聚合酶链式反应生物芯片温度控制装置，其特征在于，所述的信号放大模块采用仪表放大器AD620AN。

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