熒光定量PCR儀
1 系統(tǒng)的組成和工作原理
本系統(tǒng)由基本PCR部分、熒光檢測(cè)部分和上位計(jì)算機(jī)部分等組成,。
基本PCR部分是該儀器的基礎(chǔ),,包括加熱絲、溫度采集與處理等部分,,它必須具有精控溫,、快速升降溫,、溫度場(chǎng)均一等PCR儀的基本要求,保證PCR過(guò)程的順利完成,。
熒光檢測(cè)部分包括激勵(lì)光源,、光電倍增管、信號(hào)采集與處理等部分,。
上位計(jì)算機(jī)部分包括數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析軟件,,主要負(fù)責(zé)從下位機(jī)采集數(shù)據(jù),形成實(shí)時(shí)圖形,,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形分析,,得到目標(biāo)DNA段的含量和其它檢測(cè)報(bào)告信息等。
工作時(shí),,主計(jì)算機(jī)首先投入運(yùn)行,,同時(shí)工作人員把所測(cè)樣品放入PCR反映腔體的樣品架上,工作人員根據(jù)所測(cè)樣品的PCR反應(yīng)條件設(shè)置相應(yīng)的溫度參數(shù),、控溫時(shí)間以及循環(huán)次數(shù)等,,接著工作人員點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕控件,系統(tǒng)就進(jìn)入快速升溫,、恒溫,、快速降溫、恒溫等PCR循環(huán)過(guò)程,,直至所有的循環(huán)結(jié)柬,,同時(shí)在每一循環(huán)的低溫段恒溫結(jié)柬前系統(tǒng)進(jìn)行樣品的熒光信號(hào)實(shí)時(shí)采集,主計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的信號(hào)形成實(shí)時(shí)圖形,,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形分析,,得到目標(biāo)DNA段的含量和其它檢測(cè)報(bào)告信息等。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件主要由溫度信號(hào)采集處理部分,、熒光信號(hào)采集處理部分,、單片微機(jī)控制系統(tǒng)部分、驅(qū)動(dòng)電路部分以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成,。
2.1 溫度信號(hào)采集處理部分
這一部分包括溫度傳感器,、傳感器接口電路以及信號(hào)放大電路,在這里溫度傳感器采用熱電偶,,由于熱電偶通過(guò)微小電壓進(jìn)行溫度測(cè)量,,容易受干擾,在具體的設(shè)計(jì)中,,干擾問(wèn)題往往很難一下拿出明確的解決方案,,要根據(jù)干擾的種類找原因,對(duì)癥下藥。在本設(shè)計(jì)中,,主要采取了以下的抗干擾措施,,保證溫度采集的準(zhǔn)確性:(1)在熱電偶的輸出端追加濾波電容;(2)加變送器,,利用熱電偶的接口芯片,,把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),這個(gè)信號(hào)不易受干擾,。
2.2 熒光信號(hào)采集處理部分
熒光信號(hào)采集處理部分主要包括光檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)采樣處理系統(tǒng)兩部分,。
2.2.1 光檢測(cè)系統(tǒng)
光檢測(cè)系統(tǒng)主要包括光源(待測(cè)樣品)、濾光片,、光電倍增管以及敏感度選擇電路等,。微處理器在檢測(cè)過(guò)程中,按光檢測(cè)值大小動(dòng)態(tài)調(diào)整電位器輸出,,改變光電倍增管控制電壓板的電壓輸入,,自動(dòng)調(diào)整光電倍增管測(cè)量靈敏度。
光電倍增管采用H5783型倍增管,,它具有如下特性:
(1)結(jié)構(gòu)上將倍增管,、電磁屏蔽筒、高低壓供電單元,、電壓控制單元全部集成在一起,,使用方便;(2)光譜靈敏度高,,暗電流?。唬?)可根據(jù)測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度的不同,,通過(guò)程序調(diào)節(jié)控制電壓,,自動(dòng)調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度。
2.2.2 信號(hào)采樣處理電路
光電倍增管輸出的電流信號(hào)可作為恒流源,,將運(yùn)算放大器作為負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換,, 信號(hào)處理電路,其輸出電壓U0=一gf~xf,式中g(shù)f為運(yùn)算放大器的反饋電阻,,反饋電阻Rf值的選擇要按光電倍增管陽(yáng)極的最大輸出電流,、A/D采樣輸入滿量程值、運(yùn)算放大器的開環(huán)增益等來(lái)確定,,同時(shí)還要考慮保證系統(tǒng)的高頻特性,。
輸出電路的最小可測(cè)量電流受到運(yùn)算放大器的偏置電流、溫飄,、反饋電阻特性以及電路板的絕緣性能的影響,。
2.3 單片微機(jī)控制系統(tǒng)
這一部分主要負(fù)責(zé)溫度的采集,、溫度的控制、熒光信號(hào)的采集以及對(duì)光電倍增管控制極電壓的調(diào)整,、外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制以及與上位計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通訊等。主要由微處理器,、A/D轉(zhuǎn)換芯片,、通信接口芯片等組成。在該系統(tǒng)中,,微處理器采用P89C51微處理器,。該芯片具有并行可編程的非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器。是80C51的派生器件,,指令系統(tǒng)與80C51*相同,,其主要特性為:
(1)速度可達(dá)32M;(2)片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器,,可在線編程,;(3)RAM 可擴(kuò)展到65K字節(jié);(4)全雙工增強(qiáng)型UART~(5)4個(gè)8位I/O 口,;(6)6個(gè)中斷源,。上述特性可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)檢測(cè)處理、控制,、通訊等功能,。
A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD674,該芯片是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的12位逐次逼近快速A/D轉(zhuǎn)換器,。
片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路,,可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連,而無(wú)須附加邏輯接口電路,,且能與CMOS及1vrL電平兼容,,并且片內(nèi)含有高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路,這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切A/D轉(zhuǎn)換功能,,應(yīng)用非常方便,。為了保證A/D采樣的準(zhǔn)確性模擬信號(hào)輸入端可加采保器LF398。要注意的一點(diǎn)是與P89C51單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)時(shí),。單片機(jī)的時(shí)鐘一定要接12M及以上,,防止因AD674數(shù)據(jù)總線傳輸速度快而造成時(shí)序不匹配。
2.4 驅(qū)動(dòng)電路部分
考慮到風(fēng)門電機(jī),、磁吸開關(guān),、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、加熱風(fēng)扇等外圍執(zhí)行設(shè)施較多,,而且要分別單獨(dú)供電,,同時(shí),為了克服上述外設(shè)對(duì)微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能造成的干擾,就把這一部分單獨(dú)做成一塊驅(qū)動(dòng)板,,由單片機(jī)系統(tǒng)I/O擴(kuò)展口直接驅(qū)動(dòng)光電耦合器件,,經(jīng)光電耦合器件的輸出端再加電流放大驅(qū)動(dòng)。