基于stm32的PCR溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許健 李治宏

基因測(cè)序首先需要聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）要對(duì)樣品進(jìn)行擴(kuò)增，而溫度控制是PCR過程正常進(jìn)行的關(guān)鍵一步。PCR過程是由3個(gè)溫度循環(huán)過程，變性（95℃）、退火（65℃）、延伸（75℃）構(gòu)成。本項(xiàng)目以STM32F103ZET6為控制核心，通過AD590精準(zhǔn)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用模糊PID算法來快速、準(zhǔn)確調(diào)控半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706的工作電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快速、精確的溫度控制的目的。在滿足時(shí)間與溫度的精準(zhǔn)要求的同時(shí)使整個(gè)產(chǎn)品更加可靠，穩(wěn)定。

基因溫控;PID算法;半導(dǎo)體制冷

1研制背景及意義

1.1研制背景

基因擴(kuò)增和定量分析技術(shù)是生命科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的關(guān)鍵技術(shù)之一。在基因測(cè)序的過程中，首先要對(duì)稀有的基因樣品進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增，使待測(cè)基因的數(shù)量呈指數(shù)倍的增加，才能進(jìn)行測(cè)序。PCR反應(yīng)是指在一個(gè)微小小容器中進(jìn)行DNA復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)，采用DNA聚合酶，在體外進(jìn)行基因樣品的擴(kuò)增。在此過程中，溫度過高會(huì)損害酶活性，時(shí)間過短會(huì)使靶序列變性不徹底，易造成擴(kuò)增失敗。而國內(nèi)只有幾家廠家能夠生產(chǎn)出質(zhì)量較好的PCR儀器，要低于國外主廠家PCR儀器的指標(biāo)，因此研制開發(fā)適合國情，功能比較齊全，溫控要求準(zhǔn)，快，而且溫度的超調(diào)量比較小，升降溫度快，精度要求高，性能比較優(yōu)良，能為我國廣大中小用戶所接受的PCR儀器對(duì)促進(jìn)我國生命科學(xué)儀器的發(fā)展和其他領(lǐng)域應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義。

2工作原理及性能分析

2.1工作原理

2.1.1聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增

PCR反應(yīng)是指在一個(gè)微小小容器中進(jìn)行DNA復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)，采用DNA聚合酶，在體外進(jìn)行基因樣品的擴(kuò)增，其原理與生物體內(nèi)的復(fù)制過程類似，通過加熱高溫變性、降溫冷卻退火、恒溫延伸的辦法使DNA解鏈、復(fù)制，周期性的進(jìn)行變性、退火、延伸過程就可以擴(kuò)增DNA。PCR由變性--退火--延伸三個(gè)基本反應(yīng)步驟構(gòu)成：①模板DNA的變性：模板DNA經(jīng)加熱至95℃左右一定時(shí)間后，使模板DNA雙鏈或經(jīng)PCR擴(kuò)增形成的雙鏈DNA解離，使之成為單鏈，②模板DNA與引物的退火：模板DNA經(jīng)加熱變性成單鏈后，溫度降至65℃左右，引物與模板DNA單鏈的互補(bǔ)序列配對(duì)結(jié)合;③引物的延伸：DNA模板--引物結(jié)合物在75℃條件下、按堿基互補(bǔ)配對(duì)與半保留復(fù)制原理，合成一條新的與模板DNA鏈互補(bǔ)的半保留復(fù)制鏈，不斷重復(fù)此循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)DNA數(shù)量的迅速增加。

3設(shè)計(jì)方案

3.1控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)所采用的主控芯片STM32F103ZET6是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。集成嵌入式Flash和SRAM存儲(chǔ)器的ARMCortex-M3內(nèi)核。和8/16位設(shè)備相比，ARMCortex-M332位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個(gè)嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和軟件。

3.1.2主要工作模塊：

（1）半導(dǎo)體制冷片TEC1—12706

本項(xiàng)目采用半導(dǎo)體制冷片對(duì)溫度進(jìn)行控制，使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，它的熱慣性也非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差，從而使我們的溫控效果更精確、迅速。它不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)。此外，半導(dǎo)體制冷片是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長。符合該項(xiàng)目的溫控需求。

（2）溫度傳感器AD590

AD590溫度控制精度較高，故選擇傳感器作為本系統(tǒng)的感溫原件。AD590是一款雙端集成電路溫度傳感器，其輸出電流與絕對(duì)溫度成比例。在至電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1ua/k。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準(zhǔn)器件，使該器件在300K（27℃）時(shí)輸出300ua電流。適用于150℃以下采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢測(cè)應(yīng)用低成本的審芯片集成電路及無需支持電路的特點(diǎn)，使它成為許多溫度測(cè)量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用時(shí)，無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測(cè)量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。

3.2基因擴(kuò)增反應(yīng)腔

本設(shè)計(jì)采用聚二甲基硅氧烷作為反應(yīng)腔，其為一種高分子有機(jī)硅化合物。具有光學(xué)透明和抗紫外線的作用，且在一般情況下，被認(rèn)為是惰性，無毒，不易燃。較好的保證了基因擴(kuò)增過程的進(jìn)行。

4應(yīng)用前景

本作品采用單片機(jī)作為控制核心，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行溫度控制，采用PID算法來完成短時(shí)間內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)，解決在PCR擴(kuò)增過程中的時(shí)間與溫度控制的不精確問題，具有造價(jià)低、制作簡單、環(huán)保無污染等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。