基于LabVIEW的PCR芯片温度控制系统*

李金凤，张卫平，伍择希，陈俊杰，陈文元，吴校生

（1．微米/纳米加工技术国家重点实验室，上海 200240;2．上海交通大学 微纳科学技术研究院，上海 200240）

0 引言

随着科学与技术的发展，生物实验在国民生活中逐渐扮演着越来越重要的地位。为了实现生物实验的集成化和自动化，人们提出了生物芯片的概念，生物芯片试图将整个生化检测分析过程缩微到单个芯片上。

为了实现研究一体化的 PCR—CE生物芯片［1］，实验室采用新手段制作集成电极的PDMS—玻璃微流控芯片［2］，将加热传感电极与电泳用电极加工于同一面上，用PDMS薄层保护电极并作为稳固键合的基底。

PCR反应需要3个不同的温度区，经历变性，退火在90～95℃加热一段时间，可以使模板DNA分解为单链，为下一步与引物结合的反应作准备，称为变性;在温度50～65℃持续一段时间，引物与模板DNA单链配对结合，称为退火或者复性;在70～75℃时，由于TaqDNA聚合酶的作用，实现与模板DNA链互补的半保留复制。

实现3个温度的不断循环，需要使用温度控制系统。

1 系统工作原理

图1是PCR—CE生物芯片的立体图。其中左边深色区域是PCR反应区，右边是CE分离区。

图2则介绍系统升降温原理框图。温度检测和升温的基础是沉积在玻璃表面的Pt。

图2 系统原理框图Fig 2 Block diagram of system principle

恒流源激励Pt电阻器，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［3］。根据预设的温度和实际温度作比较，使控制器输出加热或者制冷信号，然后再次采集实际温度，并与预设温度作对比，采取控制［4］，多次循环［5，6］。

2 硬件电路设计

2．1 恒流源电路设计

恒流源电路［7］采用高精度低失调电压的精密集成运放OP07构成，基准电压由REF02提供。REF02为高精度标准5 V输出，根据理想运放规定，反相输入端的电压也是5 V，通过电阻器R1的电流就为2．5 mA。电流完全由6脚输出端提供，那么流经Pt电阻器的电流2．5mA。无论Pt的阻值如何变化，通过Pt的电流恒定不变。恒流源电路如图3。

图3 恒流源电路Fig 3 Constant current source circuit

2．2 信号放大电路

信号放大电路主要由 AD620构成，如图4所示。AD620为仪表放大器，低输入电流，低噪声，高精度放大，R1为5 kΩ。本来应该接入可调电阻器以改变放大倍数，后经实验证明，可调电阻时大时小，充满随机性，稳定性很差。考虑到Pt电阻为100～150 Ω，通过2．5 mA 的电流，电压为0．25～0．375 V，放大10倍左右即可。采用5 kΩ电阻后，放大倍数为 10．88。

图4 信号放大电路Fig 4 Circuit for signal amplification

2．3 芯片加热模块

由于LabVIEW板卡的负载能力为几毫安的电流，所以，AO接口输出的仅仅是一个控制信号，要给芯片加热，需要驱动电路。OPA552是TI公司生产的一种优良的运算放大器，具有宽工作电压范围（±4～±30 V），高输出电流范围（最大200 mA）的特性。采用OPA552作为驱动设备，提供的电流足以使该芯片从室温加热到150℃。

2．4 芯片降温模块

降温环节采取半导体制冷片主动降温。制冷片分为上下两表面，一面升温一面降温。半导体制冷片通过的电流为A级别，由于电流很大，产热面如果不及时散热，将造成制冷片烧毁，所以，使用CPU散热风扇和散热片散热。一般的芯片提供不了如此大的电流。所以，降温模块采用继电器同时导通半导体制冷片和风扇。

3 程序设计

3．1 数据拟合

Pt阻值与温度的关系，在0～650℃范围内电阻公式为:R=Ro（1+At+Bt2）。其中，A，B为常数，Ro为0℃时的阻值，R为温度t时的阻值。温度与阻值的关系不是线性关系，但是在0～100℃线性度很高，并且温度控制系统本身就是一个动态过程，不需要控制精度达到0．1℃，PCR的三温区控制精度在几个摄氏度范围内就已经满足要求了。所以，对其进行近似线性化处理。

在干燥箱里调节不同温度，用TES 1310数字温度计和万用表VC 9806采集不同温度传感器的电阻值，数据如表1。

表1 实测温度—电阻表Tab 1 Measured temperature-resistance table

用Origin 8进行数据拟合，其关系如图5。

图5 温度-电阻关系图Fig 5 Relation diagram of temperature-resistance

3．2 LabVIEW 程序设计［9］

从AI 1口输入到LabVIEW，对电压数据采样200次后取平均，然后根据以上公式，计算出实时温度值。设定60 s为一个温控周期。0～16 s，控制温度为94℃;16～40 s，控制温度为72℃;40～60 s，控制温度为60℃。

实时温度与设定温度相减得到误差e，与上次得到的误差e1相减得到de，对所有得到的e积分，得到总误差∫edt，然后判断误差 e是否大于11℃，如果成立，采取 BANGBANG控制，直接快速加热，当误差小于11℃，按PID控制输出。如果－2＜yout＜0，则采取自然降温;如果yout＜－2，则采取风扇和半导体制冷片主动降温，使之快速达到设定温度。LabVIEW程序框图如图6。

图6 LabVIEW程序框图Fig 6 Block diagram of LabVIEW program

3．3 系统与软件调试

温度控制过程如图7～图9所示。实验开始先直接使用PID，发现控制效果不是很好。尝试性的结合BANGBANG控制后，使得控制过程快速，超调量小，稳定。

但是在由94℃转入低温60℃降温时，由于积分饱和的作用，使得降温下降缓慢。在降温时，积分器由于积分作用变为负数，而且会累积负的程度越来越大。此时创新性地采用预设积分器。经过多次调试验证，当积分器达到一定程度（800），直接将积分器调为200，降温迅速，而当积分器为负的时候，直接将积分器设为500，系统立即稳定。软件修改体现在LabVIEW公式节点C程序中。

图7～图9为升降温曲线，所采用的时间单位是0．1 s，升温过程很快，只有1 s左右，就稳定下来。而降温过程不能过快，否则片子破裂。并且降温过程是通过玻璃片后再降温，导热效率低。升温或者降温开始时，温度的突变是由于LabVIEW的I/O通道特性造成的，和实验控制无关。

图7 72～94℃升温曲线Fig 7 72～94℃ temperature rising curve

图8 60～72℃升温曲线Fig 8 60～72℃ temperature rising curve

图9 94～60℃降温曲线Fig 9 94～60℃ temperature decreasing curve

市面上主要的仪器升温为 3℃ /s［10～12］，而本系统升温速度可在15℃/s以上，并且升温后立即稳定。升温加稳定总共需1 s左右，控温精度可达到±0．4℃。

4 结论

通过TES 1310 TYPE—K数字温度计进行温度标定。本文在LabVIEW8．61的环境下，搭建了相关硬件电路，构建温控系统。系统升温迅速，升温速度在1 s左右;运行稳定，控温精确，原理清晰。

本文用LabVIEW构建的系统程序简单明了，可视化程度高，电路结构简单实用，可以作为一个微型温控系统可行性的验证装置，将来定会在工程中广泛使用。

系统不足的地方就是降温速度不够快，影响降温速度的一大关键因素是玻璃基片的隔热。由于温度是惯性量，降温不能及时的传递到芯片上。

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