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作者：曹仙春 来源：山西电子技术
曹仙春
(广州市光机电工程研究开发中心，广东广州510635)
摘 要：介绍了一个DNA扩增和测定的实时热循环系统。主要介绍该系统的结构设计和工作原理，系统的硬
件设计思想。
关键词：热循环系统；扩增；测定；DNA
引言
近几年，随着生命科学的研究和发展，基因技术已被广泛地应用到疾病诊断与预防、药效评估、治疗评估、转基因研究、基因重组、以及与基因有关的个体确认、个性化治疗等方面，它的应用领域包括医疗、生物工程、食品、制药、农业等；对目标DNA的定量分析是基因临床诊断的重要手段，荧光定量PCR仪正是完成此功能的仪器，该仪器可完成多样品DNA快速体外扩增，并用荧光检测的方法，实时定量测定目标DNA片段的含量。
1 系统的组成和工作原理
本系统由基本PCR部分、荧光检测部分和上位计算机部分等组成。
基本PCR部分是该仪器的基础，包括加热丝、温度采集与处理等部分，它必须具有精确控温、快速升降温、温度场均一等PCR仪的基本要求，保证PCR过程的顺利完成。
荧光检测部分包括激励光源、光电倍增管、信号采集与处理等部分。
上位计算机部分包括数据采集和系统分析软件，主要负责从下位机采集数据，形成实时图形，并进行数据处理和图形分析，得到目标DNA片段的含量和其它检测报告信息等。
工作时，主计算机首先投入运行，同时工作人员把所测样品放入PCR反映腔体的样品架上，工作人员根据所测样品的PCR反应条件设置相应的温度参数、控温时间以及循环次数等，接着工作人员点击相应的按钮控件，系统就进入快速升温、恒温、快速降温、恒温等PCR循环过程，直至所有的循环结柬，同时在每一循环的低温段恒温结柬前系统进行样品的荧光信号实时采集，主计算机根据采集到的信号形成实时图形，并进行数据处理和图形分析，得到目标DNA片段
的含量和其它检测报告信息等。
2 系统的硬件设计
系统的硬件主要由温度信号采集处理部分、荧光信号采集处理部分、单片微机控制系统部分、驱动电路部分以及计算机系统等组成。其硬件结构框图如图1所示。
图1 系统硬件结构框图
2．1 温度信号采集处理部分
这一部分包括温度传感器、传感器接口电路以及信号放大电路，在这里温度传感器采用热电偶，由于热电偶通过微小电压进行温度测量，容易受干扰，在具体的设计中，干扰问题往往很难一下拿出明确的解决方案，要根据干扰的种类找原因，对症下药。在本设计中，主要采取了以下的抗干扰措施，保证温度采集的准确性：(1)在热电偶的输出端追加滤波电容；(2)加变送器，利用热电偶的专用接口芯片，把温度信号直接转换成电压信号，这个信号不易受干扰。
2．2 荧光信号采集处理部分
荧光信号采集处理部分主要包括光检测系统和信号采样处理系统两部分。
2．2．1 光检测系统
光检测系统主要包括光源(待测样品)、滤光片、光电倍增管以及敏感度选择电路等。其电路框图如图2所示。
图2中的数字电位器可为光电倍增管提供一个可程控控制电压，用于调整光电倍增管的测量灵敏度。微处理器在检测过程中，按光检测值大小动态调整电位器输出，改变光电倍增管控制电压板的电压输入，自动调整光电倍增管测量灵敏度。
光电倍增管采用H5783型倍增管，它具有如下特性：
(1)结构上将倍增管、电磁屏蔽筒、高低压供电单元、电压控制单元全部集成在一起，使用方便；(2)光谱灵敏度高，暗电流小；(3)可根据测量光信号强度的不同，通过程序调节控制电压，自动调整测量系统的灵敏度。
2．2．2 信号采样处理电路
光电倍增管输出的电流信号可作为恒流源，将运算放大器作为负载电阻实现电流电压的转换，其电原理框图如图3所示。
圈3 信号处理电路
其输出电压U0=一gf~xf，式中gf为运算放大器的反馈电阻，反馈电阻Rf值的选择要按光电倍增管阳极的最大输出电流、A／D采样输入满量程值、运算放大器的开环增益等来确定，同时还要考虑保证系统的高频特性。
输出电路的最小可测量电流受到运算放大器的偏置电流、温飘、反馈电阻特性以及电路板的绝缘性能的影响。
2．3 单片微机控制系统
这一部分主要负责温度的采集、温度的控制、荧光信号的采集以及对光电倍增管控制极电压的调整、外围执行机构的驱动控制以及与上位计算机的实时通讯等。主要由微处理器、A／D转换芯片、通信接口芯片等组成。在该系统中，微处理器采用P89C51微处理器。该芯片具有并行可编程的非易失性FLASH程序存储器。是80C51的派生器件，指令系统与80C51完全相同，其主要特性为：
(1)速度可达32M；(2)片内FLASH程序存储器，可在线编程；(3)RAM 可扩展到65K字节；(4)全双工增强型
UART~(5)4个8位I/O 口；(6)6个中断源。上述特性可实现本系统所要求的实时检测处理、控制、通讯等功能。
A/D转换芯片采用AD674，该芯片是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的12位逐次逼近快速A/D转换器。
片内配有三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及1vrL电平兼容，并且片内含有高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。为了保证A/D采样的准确性模拟信号输入端可加采保器LF398。要注意的一点是与P89C51单片机接口电路设计时。单片机的时钟一定要接12M及以上，防止因AD674数据总线传输速度快而造成时序不匹配。AD674与P89C51单片机的硬件接口电路如图4所示。
微处理器与上位计算机之间的通信采用232接口，接口必须完成TTL电平与232电平之间的转换，本系统中采用16脚双列直插器件，MAX232作为电平转换器件，实现TrL电平与I 32电平之间的转换。
2．4 驱动电路部分
考虑到风门电机、磁吸开关、转盘电机、加热风扇等外围执行设施较多，而且要分别单独供电，同时，为了克服上述外设对微计算机系统可能造成的干扰，就把这一部分单独做成一块驱动板，由单片机系统I／O扩展口直接驱动光电耦合器件，经光电耦合器件的输出端再加电流放大驱动。
3 结束语
该系统经一系列实验，表明系统达到了预期的技术指标，结构合理，控温精确，扩增效率高，预计有良好的市场前景。
参考文献
[1] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[2] 郭亨礼，林友德．传感器实用电路[M]．上海：上海科学技术出版社，1991．
[3] 张福学．传感器电子学及其应用[M]．北京：国防工业出版社．1990．
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