影响PCR仪温度控制精度的因素分析
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因为pcr仪的温度控制不同于化工厂和炼油厂等31脉宽调制pwm方式功率bjt和功率gto工作在开关状态效率高耗直流pwm方式如图4所示一般是将控制周期固定改变在周期tr内的占空比8从而调节温温度信号测量滤波和ad转换电路交流pwm方式如图5所示它是调节控制周期t则可输出的周波个数最多为n1rrt50个
生命科学仪器 2007 第 5 卷 /2 月刊研 究报告影 响 PCR仪温度控 制精度 的 因素分析王 宇松 1 ， 佟慧艳 2， 张文超 3（辽宁石油化T 大学 信息与控制工程学院， 抚顺 113001 ）摘要简述了PCR 仪器的基本原理， 归纳阐述了影响 PCR 仪器温度控制精度的四种因素： 加热器结构形式 、 温度传感与测量电路的形式 、 加热器的控制方式和温度控制算法。 对每种因素都进行了比较研究。关键词PCR ，温度控制引言在许多生命科学仪器 、 生化分析仪器和各种科学 仪器中需要对被测试样的温度进行控制 ， 例如基因扩 增分析仪 （ PCR 仪 ） 中就需要对被测试样的温度进行周 期性的循环控制， 使其按照给定的升温 、 恒温和降温曲 线对被测试样进行温度控制。 温度控制的精度直接影 响检测结果的精度和准确度。 因此 ， 各种仪器中温度的 精密控制成为影响仪器整体性能指标的关键技术之一 。 PCR即聚合酶链反应(PloymeraseChainReaction) ，就是体外酶促合成特异 DNA 片段的新方法 ， 通过 PCR仪，主要由高温变性 、 低温退火和适温延伸三个步骤 反复的热循环完成 ， 如图 l。 它是 80 年代中期发展起 来的体外核酸扩增技术。 它具有特异 、 敏感 、 产率高 、 快速 、简便 、重复性好 、 易 自 动化等突出优点。 能在一个试管内将所要研究的 目的基因或某-DNA 片段于 数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和 判断。可从一根毛发 、 一滴血 、 甚至一个细胞中扩增出足量的 DNA供分析研究和检测鉴定。 t( ℃)957255┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ┓ ┃l 弟 1 个循讣t┃第 n 个循讣┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃'11┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃l＼{||f┃ ┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃变性土 退火 ^i ， 延伸 lI退火， 延伸~┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃’ ly1┃ ┃’ 、_ l 一┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ┫ ┃ ┃ ┃．┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ t(min┃ ┗ ━ ━ ━ ┻ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┛图 1 典型的 PCR 升降温工作循环曲线影 响温度控制精度和效果的因素主要有四个方面 ：①加热器结构形式 、 ②温度传感与测量电路的形式 、③加热器的控制方式和④温度控制算法。 作者所在团 队在这 四个方面作 了 比较深入的研 究 ，并应用在实际产品 1890 型 PCR 荧光分析仪 （ 上 海沪国科学仪器有限公司 ） 仪器上 ， 取得了较好的温度控制效果。 现将研制心得体会整理 出来 ，与读者一起探讨适合于 PCR 仪的高效精密温度控制系统。1 加热器结构形式目前 PCR仪变温方式主要有： ①变温水浴 、 ②变温铝块 、 ③半导体变温和（ 梦 变温气流四种。 它们各有 优缺点： ①变温水浴简单易行， 虽然也是电子调温， 但 由于它的体积较大 ， 导致热惯性很大 ， 从而使得升降 温速率不能很快。 ②变温铝块是应用较多的方式 （ 著 名生命科学仪器公司-ABI 公司的 9700 型 PCR 扩增 仪(GeneAmpPCR SYstem9700)就是采用这种结构 ） ，其特点是试管受热比较均匀 ， 它采用电热丝或热油管 路加热和采用压缩机或水致冷技术 ， 由于铝块的热惯 性也 比较大 ， 所以其升降温速率比变温水浴方式快 ， 但比后两种要慢。 ③半导体变温是刚发展起来的一种 新的方法 ， 半导体制冷又称热电制冷或温差制冷， 它 既无复杂的机械结构 ，又无传统制冷机必需的制冷剂。 它是利用具有热电能量转换特性的特种导体材料组成 串联的P ． N 结 ， 通上直流电就能制冷， 几秒钟内就可 +作者简介 ：
影响PCR仪温度控制精度的因素分析
王宇松;佟慧艳;张文超
【摘 要】简述了PCR仪器的基本原理,归纳阐述了影响PCR仪器温度控制精度的四种因素:加热器结构形式、温度传感与测量电路的形式、加热器的控制方式和温度控制算法.对每种因素都进行了比较研究.
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2007(005)002
6 ．com王宇松1，佟慧艳2张文超3PCR温度控制在许多生命科学仪器 、 生化分析仪器和各种科学仪器中需要对被测试样的温度进行控制 ， 例如基因扩增分析仪 （ PCR 仪 ） 中就需要对被测试样的温度进行周期性的循环控制， 使其按照给定的升温 、 恒温和降温曲线对被测试样进行温度控制。 温度控制的精度直接影响检测结果的精度和准确度。 因此 ， 各种仪器中温度的精密控制成为影响仪器整体性能指标的关键技术之一。即聚合酶链反应(PloymeraseChainReaction) ，主要由高温变性 、 低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环完成 ， 如图 l。 它是 80 年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。 它具有特异 、 敏感 、 产率高 、快速 、一个试管内将所要研究的 目的基因或某-DNA 片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和判断。 t(℃) 95 72 55┏━┳┓弟个循讣 t第n┣╋┫' 1＼ { |土退火 ^i ， 延伸 l延伸~’ y、 _ l一┻┗┛图典型的 PCR升降温工作循环曲线③加热器的控制方式和④温度控制算法。作者所在团 队在这 四个方面作 了 比较深入的研究 ，并应用在实际产品 1890 型 PCR 荧光分析仪 （ 上海沪国科学仪器有限公司 ） 仪器上 ，取得了较好的温度控制效果。 现将研制心得体会整理出来 ，控制系统。加热器结构形式温铝块 、 ③半导体变温和（ 梦 变温气流四种。 它们各有优缺点： ①变温水浴简单易行， 虽然也是电子调温， 但由于它的体积较大 ， 导致热惯性很大 ， 从而使得升降温速率不能很快。 ②变温铝块是应用较多的方式 （ 著名生命科学仪器公司-ABI 公司的 9700 型 PCR 扩增仪( GeneAmp SYstem9700)就是采用这种结构 ） ，其特点是试管受热比较均匀 ， 它采用电热丝或热油管路加热和采用压缩机或水致冷技术 ， 由于铝块的热惯性也 比较大 ， 所以其升降温速率比变温水浴方式快 ，但比后两种要慢。 ③半导体变温是刚发展起来的一种新的方法 ， 半导体制冷又称热电制冷或温差制冷， 它既无复杂的机械结构 ，又无传统制冷机必需的制冷剂。它是利用具有热电能量转换特性的特种导体材料组成串联的P ． N 结 ， 通上直流电就能制冷， 几秒钟内就可作者简介 ： 1 ． 王宇松 ， 1977 年一男汉族 ，江苏省盐城市 ， 硕士研究生 （ 在读 ） 。 辽 宁石油化T 大学信息工程 2．佟慧艳 ，197 8年一女辽 宁铁岭 ， 助教 ， 辽 宁白 ． 油化工大学信息工程学院电子信息工程系。 研究方向山东青州 ， 教授 ， 博士 ， 指导教师。 辽 宁石油化T- 大学信息工程学院。从事检测技术与智能仪器方面的教学 、 科研和产品开发 'r作。 E-mail:zwczhang@126 ．com以使冷端结霜 ， 而 且只要改变供电电压极性就可 以使 冷热两端交换 ， 从而可 以快速地完成升降温的变换 ， 但半导体变温的最大缺点是冷热两端骤冷骤热的快速 温度变化将产生很大的“ 心力 ” 而使半导体温差制冷模块因接触不 良寿命缩短 ^￡ 至“ 解体 ” 损坏。 ④变温 气流方式 ， 如图 2 所示 ， 它采用电热丝加热 ， 空气制冷 ：电热丝通 电时 ， 风扇就将热风吹向内装生化样品 的试管 （ 外直径 1.5mm 的石英毛细管 ） 。 控制通 电功率 大小即可控制温度的高低， 从而可以 自动控制温度的 升温 、降温和恒温 ， 由于石英毛细管的直径很小 ， 所 以质量小其热惯性就很小 ； 而 且也由于它的直径很小 导致它的外表面积 与 体积之 比很大 ， 从而吸热和散热 的速度都十分迅速。 再有 ， 每分钟 1200 转左右转速的 风扇可以极快地将热风或冷风传递给石英毛细管。 比 较而言 ， 变温气流方式是四种方式中升降温速率最快 的方式 ， 取得 了很好的温度控制效果j场合的温度控制 ， 生化和生物-r： 程技术人员为了试验 和为了缩短仪器运行时间 ， 希望它的升降温速率尽可 能地快速 ， 目前最快达到 15~20C/s ： 因此对温度传 感器的第一个要求就是反应灵敏 ， 亦即要求它的滞后 要小时间常数要小 ） 。 再有就是可靠性高和价格低。 温度传感器可有多种选择 ： 热电偶 、 热敏电阻 、 铂电 阻、 半 导体传感器等。 在 PCR 仪器中， 因为需要升降温阶段升降温速率高 ， 恒温阶段控温精度高， 这对整 个温度测 量和控制系统提出了很高的要求： 在 1890 型PCR荧光分析仪中选用专门定制的外径仅 2mm 的 K 型 热电偶作为温度传感器 ， 它的时间常数很小 、 反应灵 敏 ，计量精度较高。温度信号的放大调理 电路采用低噪声低漂移的 专用 J （ 或 K ）型热 电偶信号放大调理芯 片 AD594 ， 其 内部 白带冷端补偿 电路和 热 电偶 断线报警 电路 ， 在-50 ℃ +150 ℃测温范围内具有较好的线性性和较高的测量精度（ 内部激光校准到 loC） 。 采用南低噪声 、 低漂移和超低失调 11、 运放OP77 与阻容元件构成的具有放大作用的同相输入的有源低通 滤波器 ， 对热电偶的输出信号进行放大滤波 ， 然后送 给A/D 转换器 一A/D 转换器必须选用较高转换速度和分辨率的芯片， 以适应快速升降温和恒温段控温精度高的要求。 我们选用 了 BB(Burr-Brown) 公 司的 ADS7805 ， 其转 换速度 为 10ns ， 分辨率为 16 位 （ 无失码 ） ， 完全满足 要求。由于 ADC和 DAC 以及单片机系统的滞后通常可以忽略 ， 而石英毛细管 、 空气 、 加热丝和热电偶的热 惯性都很小 ， 所设计的整个测控系统的时间常数也很 小。这就是变温气流方式可以达到很高的升降温速率 的原因。 图 3 是设计的热电偶温度测量电路。 3加热器的控制方式图 2 变温气流方式的系统结构示意图很多公司， 如罗氏 (Rorhe) 公司 (www.roche-appljpd-scienre) 和 卜 ． 海沪闰科学仪器有限公司 (www ．) 都采用这种结构 一 2温度传感与测量 电路的形式 、 选择和设计 准确 的 温 度 测 量 是进 行精确 温度控 制 的 基础 。PCR仪中，温度柃测是关系整个系统能否正常一 1i 作的 关键温度传感器和温度信 号调理I 乜 路 二者都十分重要因 为P( ： R 仪的温度控川／ fi 同 r 化 I： 厂 和炼油厂等 3.1脉宽调制 (PWM)方式脉宽调制 ( PWM) 方式下的执行元件 （ 功率 MOS 、 功率 BJT 和功率 GTO ） 工作在开关状态 ， 效率高， 耗 电少？又可细分为直流 PWM 方式和交流 PWM 方式两种 。 直流 PWM 方式如图 4 所示 ， 一般是将控制周期 Tc 固定 ， 改变在周期 Tc 内的 占空 比 8 ， 从而调节温度。以使冷端结霜 ， 而 且只要改变供电电压极性就可 以使冷热两端交换 ， 从而可 以快速地完成升降温的变换 ，但半导体变温的最大缺点是冷热两端骤冷骤热的快速温度变化将产生很大的“心力”而使半导体温差制冷解体损坏。④变温气流方式 ， 如图 2 所示 ， 它采用电热丝加热 ， 空气制电热丝通 电时 ， 风扇就将热风吹向内装生化样品的试管 （ 外直径 1.5mm 的石英毛细管 ） 。 控制通 电功率大小即可控制温度的高低， 从而可以 自动控制温度的升温 、降温和恒温 ， 由于石英毛细管的直径很小 ， 所以质量小其热惯性就很小 ； 而 且也由于它的直径很小导致它的外表面积 与 体积之 比很大 ， 从而吸热和散热的速度都十分迅速。 再有 ， 每分钟 1200 转左右转速的风扇可以极快地将热风或冷风传递给石英毛细管。 比较而言 ， 变温气流方式是四种方式中升降温速率最快的方式 ， 取得 了很好的温度控制效果j场合的温度控制 ， 生化和生物-r： 程技术人员为了试验和为了缩短仪器运行时间 ， 希望它的升降温速率尽可能地快速 ， 目前最快达到 15~20C/s ： 因此对温度传感器的第一个要求就是反应灵敏 ， 亦即要求它的滞后要小时间常数要小 ） 。 再有就是可靠性高和价格低。温度传感器可有多种选择 ： 热电偶 、 热敏电阻 、 铂电阻半导体传感器等。 在 PCR 仪器中， 因为需要升降温阶段升降温速率高 ， 恒温阶段控温精度高， 这对整个温度测 量和控制系统提出了很高的要求： 在 1890 型荧光分析仪中选用专门定制的外径仅 2mm 的 K 型热电偶作为温度传感器 ， 它的时间常数很小 、 反应灵敏 ，温度信号的放大调理 电路采用低噪声低漂移的专用 J （ 或 K ）型热 电偶信号放大调理芯 片 AD594 ，其 内部 白带冷端补偿 电路和 热 电偶 断线报警 电路 ，在-50℃+150℃测温范围内具有较好的线性性和较高的测量精度 （ 内部激光校准到 loC） 。采用南低噪声 、 低漂移和超低失调11、 运放OP77 与阻容元件构成的具有放大作用的同相输入的有源低通滤波器 ， 对热电偶的输出信号进行放大滤波 ， 然后送给A/D转换器 一 A/D转换器必须选用较高转换速度和分辨率的芯片， 以适应快速升降温和恒温段控温精度高的要求。我们选用 了 BB(Burr-Brown) 公 司的 ADS7805 ， 其转换速度 为 10ns ， 分辨率为 16 位 （ 无失码 ） ， 完全满足要求。和DAC以及单片机系统的滞后通常可以忽略 ， 而石英毛细管 、 空气 、 加热丝和热电偶的热惯性都很小 ， 所设计的整个测控系统的时间常数也很小。这就是变温气流方式可以达到很高的升降温速率的原因。 图 3 是设计的热电偶温度测量电路。变温气流方式的系统结构示意图很多公司， 如罗氏 (Rorhe) 公司(www.roche- appljpd-scienre) 和 卜 ． 海沪闰科学仪器有限公司 (www ． ) 都采用这种结构 一温度传感与测量 电路的形式 、 选择和设计准确 的 温 度 测 量 是进 行精确 温度控 制 的 基础 。1i 作的关键脉宽调制 ( PWM) 方式下的执行元件 （ 功率 MOS 、功率 BJT 和功率 GTO ） 工作在开关状态 ， 效率高， 耗电少？种 。直流 PWM方式如图 4 所示 ， 一般是将控制周期生命科学仪器 2007 第 5 卷 /2 月■图 3 温度信号测量、 滤波和 A/D 转换电路交流 PWM方式如图5 所示 ， 它是调节控制周期T ，内通过的交流电周波个数， 一般 T ， 取为交流电周期 T 的整倍数 ， 例如 ， 采用市电 ， T=20ms ， 如果取 T ．.=ls ， 则可输出的周波个数最多为N=T ，，／ T=50 个。 也就是说 可调节输出的周波个数范围是 0 。 50 个。 交流 PWM 方 式又称为交流调功调温方式 。 PWM方式需要元器件少 ， 电路简单。 交流 PWM方式 比直流 PWM 方式的控制电路更加简单。图 4 直流 PWM 方式┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ┓ ┃┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃八 八 八T┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ┫ ┃一 VT ， V ＼ TOFF┃ ┃ ┗ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ┛图5 交流 PWM 方式 3.2交流调相调压方式控制效果如图 6 所示 ， 控制双向可控硅 （ 双向晶闸管 ）的导通角就改变了交流电的面积 ， 也就改变了 交流电的有效值 ， 从而调节了加热丝的功率， 最终调 节 了加热温度。┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┓ ┃‘ 么 ．厥┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━
生命科学仪器 2007 第 5 卷 /2 月刊研 究报告影 响 PCR仪温度控 制精度 的 因素分析王 宇松 1 ， 佟慧艳 2， 张文超 3（辽宁石油化T 大学 信息与控制工程学院， 抚顺 113001 ）摘要简述了PCR 仪器的基本原理， 归纳阐述了影响 PCR 仪器温度控制精度的四种因素： 加热器结构形式 、 温度传感与测量电路的形式 、 加热器的控制方式和温度控制算法。 对每种因素都进行了比较研究。关键词PCR ，温度控制引言在许多生命科学仪器 、 生化分析仪器和各种科学 仪器中需要对被测试样的温度进行控制 ， 例如基因扩 增分析仪 （ PCR 仪 ） 中就需要对被测试样的温度进行周 期性的循环控制， 使其按照给定的升温 、 恒温和降温曲 线对被测试样进行温度控制。 温度控制的精度直接影 响检测结果的精度和准确度。 因此 ， 各种仪器中温度的 精密控制成为影响仪器整体性能指标的关键技术之一 。 PCR即聚合酶链反应(PloymeraseChainReaction) ，就是体外酶促合成特异 DNA 片段的新方法 ， 通过 PCR仪，主要由高温变性 、 低温退火和适温延伸三个步骤 反复的热循环完成 ， 如图 l。 它是 80 年代中期发展起 来的体外核酸扩增技术。 它具有特异 、 敏感 、 产率高 、 快速 、简便 、重复性好 、 易 自 动化等突出优点。 能在一个试管内将所要研究的 目的基因或某-DNA 片段于 数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和 判断。可从一根毛发 、 一滴血 、 甚至一个细胞中扩增出足量的 DNA供分析研究和检测鉴定。 t( ℃)957255┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ┓ ┃l 弟 1 个循讣t┃第 n 个循讣┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃'11┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃l＼{||f┃ ┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃变性土 退火 ^i ， 延伸 lI退火， 延伸~┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃’ ly1┃ ┃’ 、_ l 一┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ╋ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ┫ ┃ ┃ ┃．┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ t(min┃ ┗ ━ ━ ━ ┻ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┛图 1 典型的 PCR 升降温工作循环曲线影 响温度控制精度和效果的因素主要有四个方面 ：①加热器结构形式 、 ②温度传感与测量电路的形式 、③加热器的控制方式和④温度控制算法。 作者所在团 队在这 四个方面作 了 比较深入的研 究 ，并应用在实际产品 1890 型 PCR 荧光分析仪 （ 上 海沪国科学仪器有限公司 ） 仪器上 ， 取得了较好的温度控制效果。 现将研制心得体会整理 出来 ，与读者一起探讨适合于 PCR 仪的高效精密温度控制系统。1 加热器结构形式目前 PCR仪变温方式主要有： ①变温水浴 、 ②变温铝块 、 ③半导体变温和（ 梦 变温气流四种。 它们各有 优缺点： ①变温水浴简单易行， 虽然也是电子调温， 但 由于它的体积较大 ， 导致热惯性很大 ， 从而使得升降 温速率不能很快。 ②变温铝块是应用较多的方式 （ 著 名生命科学仪器公司-ABI 公司的 9700 型 PCR 扩增 仪(GeneAmpPCR SYstem9700)就是采用这种结构 ） ，其特点是试管受热比较均匀 ， 它采用电热丝或热油管 路加热和采用压缩机或水致冷技术 ， 由于铝块的热惯 性也 比较大 ， 所以其升降温速率比变温水浴方式快 ， 但比后两种要慢。 ③半导体变温是刚发展起来的一种 新的方法 ， 半导体制冷又称热电制冷或温差制冷， 它 既无复杂的机械结构 ，又无传统制冷机必需的制冷剂。 它是利用具有热电能量转换特性的特种导体材料组成 串联的P ． N 结 ， 通上直流电就能制冷， 几秒钟内就可 +作者简介 ：
影响PCR仪温度控制精度的因素分析
王宇松;佟慧艳;张文超
【摘 要】简述了PCR仪器的基本原理,归纳阐述了影响PCR仪器温度控制精度的四种因素:加热器结构形式、温度传感与测量电路的形式、加热器的控制方式和温度控制算法.对每种因素都进行了比较研究.
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2007(005)002
6 ．com王宇松1，佟慧艳2张文超3PCR温度控制在许多生命科学仪器 、 生化分析仪器和各种科学仪器中需要对被测试样的温度进行控制 ， 例如基因扩增分析仪 （ PCR 仪 ） 中就需要对被测试样的温度进行周期性的循环控制， 使其按照给定的升温 、 恒温和降温曲线对被测试样进行温度控制。 温度控制的精度直接影响检测结果的精度和准确度。 因此 ， 各种仪器中温度的精密控制成为影响仪器整体性能指标的关键技术之一。即聚合酶链反应(PloymeraseChainReaction) ，主要由高温变性 、 低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环完成 ， 如图 l。 它是 80 年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。 它具有特异 、 敏感 、 产率高 、快速 、一个试管内将所要研究的 目的基因或某-DNA 片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和判断。 t(℃) 95 72 55┏━┳┓弟个循讣 t第n┣╋┫' 1＼ { |土退火 ^i ， 延伸 l延伸~’ y、 _ l一┻┗┛图典型的 PCR升降温工作循环曲线③加热器的控制方式和④温度控制算法。作者所在团 队在这 四个方面作 了 比较深入的研究 ，并应用在实际产品 1890 型 PCR 荧光分析仪 （ 上海沪国科学仪器有限公司 ） 仪器上 ，取得了较好的温度控制效果。 现将研制心得体会整理出来 ，控制系统。加热器结构形式温铝块 、 ③半导体变温和（ 梦 变温气流四种。 它们各有优缺点： ①变温水浴简单易行， 虽然也是电子调温， 但由于它的体积较大 ， 导致热惯性很大 ， 从而使得升降温速率不能很快。 ②变温铝块是应用较多的方式 （ 著名生命科学仪器公司-ABI 公司的 9700 型 PCR 扩增仪( GeneAmp SYstem9700)就是采用这种结构 ） ，其特点是试管受热比较均匀 ， 它采用电热丝或热油管路加热和采用压缩机或水致冷技术 ， 由于铝块的热惯性也 比较大 ， 所以其升降温速率比变温水浴方式快 ，但比后两种要慢。 ③半导体变温是刚发展起来的一种新的方法 ， 半导体制冷又称热电制冷或温差制冷， 它既无复杂的机械结构 ，又无传统制冷机必需的制冷剂。它是利用具有热电能量转换特性的特种导体材料组成串联的P ． N 结 ， 通上直流电就能制冷， 几秒钟内就可作者简介 ： 1 ． 王宇松 ， 1977 年一男汉族 ，江苏省盐城市 ， 硕士研究生 （ 在读 ） 。 辽 宁石油化T 大学信息工程 2．佟慧艳 ，197 8年一女辽 宁铁岭 ， 助教 ， 辽 宁白 ． 油化工大学信息工程学院电子信息工程系。 研究方向山东青州 ， 教授 ， 博士 ， 指导教师。 辽 宁石油化T- 大学信息工程学院。从事检测技术与智能仪器方面的教学 、 科研和产品开发 'r作。 E-mail:zwczhang@126 ．com以使冷端结霜 ， 而 且只要改变供电电压极性就可 以使 冷热两端交换 ， 从而可 以快速地完成升降温的变换 ， 但半导体变温的最大缺点是冷热两端骤冷骤热的快速 温度变化将产生很大的“ 心力 ” 而使半导体温差制冷模块因接触不 良寿命缩短 ^￡ 至“ 解体 ” 损坏。 ④变温 气流方式 ， 如图 2 所示 ， 它采用电热丝加热 ， 空气制冷 ：电热丝通 电时 ， 风扇就将热风吹向内装生化样品 的试管 （ 外直径 1.5mm 的石英毛细管 ） 。 控制通 电功率 大小即可控制温度的高低， 从而可以 自动控制温度的 升温 、降温和恒温 ， 由于石英毛细管的直径很小 ， 所 以质量小其热惯性就很小 ； 而 且也由于它的直径很小 导致它的外表面积 与 体积之 比很大 ， 从而吸热和散热 的速度都十分迅速。 再有 ， 每分钟 1200 转左右转速的 风扇可以极快地将热风或冷风传递给石英毛细管。 比 较而言 ， 变温气流方式是四种方式中升降温速率最快 的方式 ， 取得 了很好的温度控制效果j场合的温度控制 ， 生化和生物-r： 程技术人员为了试验 和为了缩短仪器运行时间 ， 希望它的升降温速率尽可 能地快速 ， 目前最快达到 15~20C/s ： 因此对温度传 感器的第一个要求就是反应灵敏 ， 亦即要求它的滞后 要小时间常数要小 ） 。 再有就是可靠性高和价格低。 温度传感器可有多种选择 ： 热电偶 、 热敏电阻 、 铂电 阻、 半 导体传感器等。 在 PCR 仪器中， 因为需要升降温阶段升降温速率高 ， 恒温阶段控温精度高， 这对整 个温度测 量和控制系统提出了很高的要求： 在 1890 型PCR荧光分析仪中选用专门定制的外径仅 2mm 的 K 型 热电偶作为温度传感器 ， 它的时间常数很小 、 反应灵 敏 ，计量精度较高。温度信号的放大调理 电路采用低噪声低漂移的 专用 J （ 或 K ）型热 电偶信号放大调理芯 片 AD594 ， 其 内部 白带冷端补偿 电路和 热 电偶 断线报警 电路 ， 在-50 ℃ +150 ℃测温范围内具有较好的线性性和较高的测量精度（ 内部激光校准到 loC） 。 采用南低噪声 、 低漂移和超低失调 11、 运放OP77 与阻容元件构成的具有放大作用的同相输入的有源低通 滤波器 ， 对热电偶的输出信号进行放大滤波 ， 然后送 给A/D 转换器 一A/D 转换器必须选用较高转换速度和分辨率的芯片， 以适应快速升降温和恒温段控温精度高的要求。 我们选用 了 BB(Burr-Brown) 公 司的 ADS7805 ， 其转 换速度 为 10ns ， 分辨率为 16 位 （ 无失码 ） ， 完全满足 要求。由于 ADC和 DAC 以及单片机系统的滞后通常可以忽略 ， 而石英毛细管 、 空气 、 加热丝和热电偶的热 惯性都很小 ， 所设计的整个测控系统的时间常数也很 小。这就是变温气流方式可以达到很高的升降温速率 的原因。 图 3 是设计的热电偶温度测量电路。 3加热器的控制方式图 2 变温气流方式的系统结构示意图很多公司， 如罗氏 (Rorhe) 公司 (www.roche-appljpd-scienre) 和 卜 ． 海沪闰科学仪器有限公司 (www ．) 都采用这种结构 一 2温度传感与测量 电路的形式 、 选择和设计 准确 的 温 度 测 量 是进 行精确 温度控 制 的 基础 。PCR仪中，温度柃测是关系整个系统能否正常一 1i 作的 关键温度传感器和温度信 号调理I 乜 路 二者都十分重要因 为P( ： R 仪的温度控川／ fi 同 r 化 I： 厂 和炼油厂等 3.1脉宽调制 (PWM)方式脉宽调制 ( PWM) 方式下的执行元件 （ 功率 MOS 、 功率 BJT 和功率 GTO ） 工作在开关状态 ， 效率高， 耗 电少？又可细分为直流 PWM 方式和交流 PWM 方式两种 。 直流 PWM 方式如图 4 所示 ， 一般是将控制周期 Tc 固定 ， 改变在周期 Tc 内的 占空 比 8 ， 从而调节温度。以使冷端结霜 ， 而 且只要改变供电电压极性就可 以使冷热两端交换 ， 从而可 以快速地完成升降温的变换 ，但半导体变温的最大缺点是冷热两端骤冷骤热的快速温度变化将产生很大的“心力”而使半导体温差制冷解体损坏。④变温气流方式 ， 如图 2 所示 ， 它采用电热丝加热 ， 空气制电热丝通 电时 ， 风扇就将热风吹向内装生化样品的试管 （ 外直径 1.5mm 的石英毛细管 ） 。 控制通 电功率大小即可控制温度的高低， 从而可以 自动控制温度的升温 、降温和恒温 ， 由于石英毛细管的直径很小 ， 所以质量小其热惯性就很小 ； 而 且也由于它的直径很小导致它的外表面积 与 体积之 比很大 ， 从而吸热和散热的速度都十分迅速。 再有 ， 每分钟 1200 转左右转速的风扇可以极快地将热风或冷风传递给石英毛细管。 比较而言 ， 变温气流方式是四种方式中升降温速率最快的方式 ， 取得 了很好的温度控制效果j场合的温度控制 ， 生化和生物-r： 程技术人员为了试验和为了缩短仪器运行时间 ， 希望它的升降温速率尽可能地快速 ， 目前最快达到 15~20C/s ： 因此对温度传感器的第一个要求就是反应灵敏 ， 亦即要求它的滞后要小时间常数要小 ） 。 再有就是可靠性高和价格低。温度传感器可有多种选择 ： 热电偶 、 热敏电阻 、 铂电阻半导体传感器等。 在 PCR 仪器中， 因为需要升降温阶段升降温速率高 ， 恒温阶段控温精度高， 这对整个温度测 量和控制系统提出了很高的要求： 在 1890 型荧光分析仪中选用专门定制的外径仅 2mm 的 K 型热电偶作为温度传感器 ， 它的时间常数很小 、 反应灵敏 ，温度信号的放大调理 电路采用低噪声低漂移的专用 J （ 或 K ）型热 电偶信号放大调理芯 片 AD594 ，其 内部 白带冷端补偿 电路和 热 电偶 断线报警 电路 ，在-50℃+150℃测温范围内具有较好的线性性和较高的测量精度 （ 内部激光校准到 loC） 。采用南低噪声 、 低漂移和超低失调11、 运放OP77 与阻容元件构成的具有放大作用的同相输入的有源低通滤波器 ， 对热电偶的输出信号进行放大滤波 ， 然后送给A/D转换器 一 A/D转换器必须选用较高转换速度和分辨率的芯片， 以适应快速升降温和恒温段控温精度高的要求。我们选用 了 BB(Burr-Brown) 公 司的 ADS7805 ， 其转换速度 为 10ns ， 分辨率为 16 位 （ 无失码 ） ， 完全满足要求。和DAC以及单片机系统的滞后通常可以忽略 ， 而石英毛细管 、 空气 、 加热丝和热电偶的热惯性都很小 ， 所设计的整个测控系统的时间常数也很小。这就是变温气流方式可以达到很高的升降温速率的原因。 图 3 是设计的热电偶温度测量电路。变温气流方式的系统结构示意图很多公司， 如罗氏 (Rorhe) 公司(www.roche- appljpd-scienre) 和 卜 ． 海沪闰科学仪器有限公司 (www ． ) 都采用这种结构 一温度传感与测量 电路的形式 、 选择和设计准确 的 温 度 测 量 是进 行精确 温度控 制 的 基础 。1i 作的关键脉宽调制 ( PWM) 方式下的执行元件 （ 功率 MOS 、功率 BJT 和功率 GTO ） 工作在开关状态 ， 效率高， 耗电少？种 。直流 PWM方式如图 4 所示 ， 一般是将控制周期生命科学仪器 2007 第 5 卷 /2 月■图 3 温度信号测量、 滤波和 A/D 转换电路交流 PWM方式如图5 所示 ， 它是调节控制周期T ，内通过的交流电周波个数， 一般 T ， 取为交流电周期 T 的整倍数 ， 例如 ， 采用市电 ， T=20ms ， 如果取 T ．.=ls ， 则可输出的周波个数最多为N=T ，，／ T=50 个。 也就是说 可调节输出的周波个数范围是 0 。 50 个。 交流 PWM 方 式又称为交流调功调温方式 。 PWM方式需要元器件少 ， 电路简单。 交流 PWM方式 比直流 PWM 方式的控制电路更加简单。图 4 直流 PWM 方式┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ┓ ┃┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃八 八 八T┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ┫ ┃一 VT ， V ＼ TOFF┃ ┃ ┗ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ┛图5 交流 PWM 方式 3.2交流调相调压方式控制效果如图 6 所示 ， 控制双向可控硅 （ 双向晶闸管 ）的导通角就改变了交流电的面积 ， 也就改变了 交流电的有效值 ， 从而调节了加热丝的功率， 最终调 节 了加热温度。┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┓ ┃‘ 么 ．厥┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━