一种毛细管电泳系统温度控制模块的设计

张琳，刘元元，王彦，闫超,2

（1.上海交通大学 药学院，上海 200240; 2.上海通微分析技术有限公司，上海 201203）

前言

毛细管电泳（capillary electrophoresis, CE）是一种新型液相分离分析技术，以弹性石英毛细管为分离通道，高压直流电场产生的电渗流为驱动力，根据试样中各组分的电泳淌度差异实现分离[1]。具有分离效率高、分析速度快、溶剂消耗少且分离模式多等诸多优点，但理论分析表明, 由于电泳过程中毛细管两端加了高压电场，引起毛细管中电解质产生焦耳热，将使流体在径向产生抛物线形温度分布，毛细管轴中心温度比近壁处温度高。溶液粘度随温度升高呈指数下降，温度梯度使介质粘度在径向产生梯度，从而影响溶质迁移速度，毛细管中心的溶质分子要比近管壁的分子迁移得更快，造成谱带展宽，柱效下降的不利后果[2]。

传统毛细管电泳仪系统利用一台柱上紫外检测器和一台高压电源即可搭建，但因为没有毛细管温度控制存在分析精度差和重复性（RSD）不理想的缺点，目前市场上还没有用于毛细管温度控制的产品的信息，这给研究工作带来一定的困难。市场成熟的进口毛细管电泳产品将毛细管温度控制系统集成到产品内部，而且产品价格昂贵，对于科研经费比较少的实验室来讲也是一大难题。本研究利用低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S52作为微处理器，以帕尔帖元件的半导体制冷原理和PID算法为控制基础，配以合理的毛细管温控循环管路，设计一个毛细管电泳毛细管温度控制模块。在电泳过程中，对毛细管电泳系统中的毛细管进行温度调节控制。通常使毛细管在低温下工作以消除电泳过程产生的焦耳热，降低焦耳热造成的不利影响，提高毛细管电泳系统的分离效率、精确度和重复性。

1 系统整体设计与工作原理

系统总体框图如图1所示。系统可分为单片机（MCU）、键盘输入、温度显示、温度采集、温度控制和状态读取与处理等部分。系统工作原理为：微控制器计算温度采集电路采集恒温箱的温度值与键盘设定的温度值的偏差，利用数字PID算法实时调整PWM的值，即可调整半导体驱动电路的两端的电压值，最终实现恒温控制。通过H桥电路的切换，实现加热与制冷的转换。柱温箱状态监控电路监控柱温箱的状态包括柱温箱内的液位检测和循环管路的流速监控，如果柱温箱状态出现故障，系统通过显示告知用户故障信息。

2 系统硬件设计

2.1 半导体制冷片的选择与驱动电路

半导体制冷[3,4]也称热电制冷，是一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，半导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法，利用帕尔帖效应的原理达到制冷目的。本系统选择型号为TEC1-12706D的半导体制冷片，根据提供参数得知该半导体制冷片是陶瓷式的，电偶对总数为127对，允许通过的最大电流Imax(A)=6.0A，最大电压Vmax= 15.4 V，在室温下，最大制冷温差△Tmax=68℃，最大制冷量Qcmax= 70.3W，外形尺寸为40 mm×40 mm×3.8mm。水箱底部尺寸为90 mm×90 mm×40 mm，因此选择4组半导体制冷片平铺在水箱下方。

制冷片的驱动电路是采用H桥驱动电路[5,6]来驱动的，H桥主要由两个P通道MOS管和两个N通道MOS管组成，该驱动方式通过半导体两端的电压方向来实现加热和制冷。如图2所示：PWM1和CTRL为高电平,PWM2和CTRL2为低电平时；半导体制冷片对柱温箱加热，微控制器将温度采集电路采集的温度值与设定值进行比较，经过PID控制算法的计算，微控制器由PWM1口输出相应的PWM信号，实现对柱温箱的加热恒温控制。反之，PWM1和CTRL为低电平，PWM2和CTRL2为高电平时，此时半导体制冷片电压翻转，半导体制冷片对柱温箱进行制冷，微控制器将温度采集电路采集的温度值与设定值进行比较，经过PID控制算法的计算，微控制器由PWM2口输出相应的脉宽调制信号，实现对柱温箱的制冷恒温控制。

2.2 温度传感器的选择

温度测量部分使用的是美国DALSS公司生产的数字温度传感器，它的体积小，使用方便，单线的接口方式，一条数据线即可实现DS18B20与微处理器的双向通讯。温度测量范围-55℃～+125℃，固有测量精度为±0.5℃（-10℃～85℃），最小分辨率为0.0625℃，不锈钢外壳封装的尺寸为Ø6*30mm,同时数据线为制作成防腐蚀、耐高温的导线，能够保证直接浸泡在液体介质中使用。

2.3 键盘及显示电路

键盘用作控制信息的输入。系统采用4个按键，分别实现系统的复位、设定温度逐次加1 、设定温度逐次减1 和确定所设定温度。系统的初始温度为25℃，用户可根据实际需要自行设定。系统采用液晶显示器1602显示设定的温度和当前的温度，不仅节省了单片机的I/O口资源，还使显示更加稳定。

3 系统软件设计

3.1 流程图

系统软件总体流程图如图3所示，系统上电后，进行系统初始化，包括I/O的输入输出设定，初始温度采集及显示等，当键盘输入设定值后，系统会将实时温度与设定温度进行比较，经过PID控制算法计算，微控制器根据结果输出相应的PWM信号，驱动H桥电路实现恒温控制。

3.2 PID控制算法

根据温度缓慢变化的特点，系统采用积分分离PID控制算法[7]进行控制，大大减少了超调量，降低了往复次数，提高了控制精度。该算法的思想是：根据被控对象的实际情况，设定一个偏差限值e，如果被控制量与设定值的偏差绝对值大于e，为避免积分作用使系统的稳定性变差，超调量加大，系统不会引入积分作用，此时只执行PD控制；当偏差的绝对值小于或等于e时，才会引入积分控制作用，即此时控制系统采用增量式PID控制，利用积分作用最终消除静差，提高控制的精度。积分分离PID控制算法可表示为：

式中，e(k)为本次采样偏差，e(k-1) 为上次采样偏差，β是一个双值权系数，当|e(k)|＜e时，的值为1，当|e(k)|＞e时，β的值为0。

如上所述，PID主要控制参数KP、KI、KD的选取是恒温系统设计的关键，本研究采取方法是试凑法：首先选择比例系数KP，以保证系统对偏差值有高灵敏度，可以快速响应输出，KP值不能过大，否则会导致控温系统不稳定；之后选择积分系数KI，当系统控制结果出现较大的震荡超调时，增大KI以减少系统调节的静误差量，使控制温度逐渐趋于设置温度值；最后选择微分系数KD，KD的作用是根据偏差信号变化的速率提前控制输出一个调节动作，缩短控制过渡时间[8]，使系统尽快进入平衡调节范围内。系统设定的偏差限值e=2。

4 温度控制模块的结构设计

温度控制模块的结构包括三部分，分别是恒温箱、蠕动泵、硅胶管和毛细管管套。工作原理为：系统对恒温箱内的液体进行温度控制，蠕动泵、硅胶管和毛细管管套构成液体循环回路，让恒温箱内部的液体在循环回路中不断地流动，达到动态平衡。毛细管管套将毛细管引入液体循环回路中，利用液体换热的方式实现对毛细管的温度控制。温度控制模块结构如图4所示。

4.1 恒温箱的结构

恒温箱结构设计如图5所示，半导体制冷片安装在水箱与铝制散热器之间，水箱和制冷片之间、制冷片与散热器之间需涂抹薄薄的一层导热硅脂，用于提高热交换效率。水箱的外表面需要粘贴厚度为4 mm的保温棉，防止在系统工作时水箱与外界空气进行热交换。本系统主要是起到制冷功能，为使制冷效果良好，制冷片下方安装铝制散热器及散热风扇，在系统处于制冷状态或者温度下降状态时风扇开启，形成强制对流散热系统。水箱和散热器都选用热传导率仅次于金、银和铜的材料铝，其热传导率为237 W/Mk，由于水箱内部长期有水冷液存在，需对其进行喷塑表面处理，增加水箱的耐腐蚀性。

4.2 温度控制循环管路的结构

毛细管温度控制模块的液体循环管路由硅胶管和毛细管管套组成，毛细管管套结构如图6所示。两个管套头之间用粗细两根硅胶管连接，细硅胶管的内径为2mm，外径为4mm；粗硅胶管的内径为8mm，外径为10mm。在系统在制冷时，由于结露现象[9]，细硅胶管的表面会产生冷凝水，毛细管管套内外两根硅胶管能够很好的抑制细硅胶管表面冷凝水的产生，同时粗硅胶管还起到保温的作用。在两个堵头将毛细

管固定在细硅胶管内，且在系统工作时，防止水冷液流出。毛细管管套将毛细管引入液体循环管路中，通过恒温箱内部的液体循环与毛细管表面的温度进行热交换，实现对毛细管温度控制的效果。毛细管管套的硅胶管、管套座和堵头拆卸方便，不存在盲穿毛细管的过程，所以更换毛细管非常方便。毛细管管套能够适应各种长度的实验毛细管，只需要改变两个管套头之间的硅胶管的长度即可实现，这样毛细管温度控制模块可以适用于各种毛细管电泳系统。

5 系统性能与验证

应用上述方法，本研究设计的毛细管温度控制模块能够对恒温箱内的液体实现4℃～40℃的温度精确控制，控制精度为±0.5℃，如果能够提高测温元件的精确度，则能够实现更好的控温效果。设计的温度控制循环管路能够实现对不同长度毛细管的温度控制，大大增加了设计的毛细管温度控制模块对不同毛细管电泳系统的适应性。

将设计的毛细管温度控制模块与上海通微分析技术有限公司的qSepTM-3010型全自动定量毛细管电泳系统[10,11]联用，用全自动定量毛细管电泳系统分离六种核苷（胞嘧啶、5-氟-2'-脱氧尿苷、腺苷、尿嘧啶、尿苷、肌苷）。验证设计的毛细管温度控制模块对毛细管电泳系统起到的改善作用。

选择背景电解质为30 mM，pH为9.4的硼酸缓冲液；设置加电电压15 kV，泵速1.0 μL/min，检测波长254 nm,进样体积10nL,分离毛细管40 有效长度，50 μm i.d.，360 μm o.d.，毛细管柱温箱温温度设定12℃，在此实验条件下，6种样品的分离谱图如图7。

在上述实验条件下，在毛细管温度控制在12℃和毛细管不控温两种情况下，连续进样，考查六种核苷的时间和峰面积重复性。实验结果见表1。

由表1可知，实现对毛细管的低温控制后，全自动毛细管电泳系统的性能得到提高，六种组分的迁移时间重复性均在0.6%以下，同时六种组分的峰面积重复性在恒定低温控制后也得到了明显的改善，均在3%以下，其中峰面积RSD值最小的是胞嘧啶的0.5%。

6 结论

本研究设计的毛细管温度控制模块，具有精度高、响应速度快的优点，能够实现对恒温箱内液体实现4℃～40℃的精确控温，控温精度±0.5℃。将温度控制模块与CE系统联用后，在相同实验条件下，毛细管温度控制后，6种核苷样品分离的时间重复性从原来的1%～2%，都提升到0.5%左右，峰面积重复性也提升了1个百分点，均在3%以下。实验验证了，本研究设计的温度控制模块能够有效的对毛细管进行低温控制，降低焦耳热的影响，提高了该电泳系统的重复性。

另外，本研究设计的液体温度控制循环管路能够满足不同长度毛细管，增强温度控制模块对多种CE系统的适应性。可以让实验室人员无需购买价格昂贵的进口CE产品，自己就可搭建带有毛细管温度控制系统的模块化CE系统。

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