1 系(xi)統的(de)組(zu)成(cheng)和工(gong)作原理(li)
本(ben)系(xi)統由基(ji)本PCR部(bu)分(fen)、熒光(guang)檢測(ce)部(bu)分(fen)和上(shang)位(wei)計算(suan)機(ji)部(bu)分(fen)等(deng)組(zu)成(cheng)。
基(ji)本PCR部(bu)分(fen)是該(gai)儀(yi)器的(de)基(ji)礎，包括(kuo)加(jia)熱絲、溫度(du)采(cai)集與(yu)處理等(deng)部(bu)分(fen)，它必(bi)須(xu)具有控溫、快速升(sheng)降(jiang)溫(wen)、溫度場(chang)均(jun)壹等(deng)PCR儀(yi)的基(ji)本要(yao)求，保(bao)證PCR過(guo)程(cheng)的順利(li)完(wan)成。
熒光(guang)檢測(ce)部(bu)分(fen)包括(kuo)激(ji)勵(li)光(guang)源(yuan)、光(guang)電倍(bei)增管(guan)、信號(hao)采集(ji)與處(chu)理(li)等(deng)部(bu)分(fen)。
上位(wei)計算(suan)機(ji)部(bu)分(fen)包括(kuo)數(shu)據(ju)采(cai)集和系(xi)統分(fen)析軟件(jian)，主要(yao)負(fu)責從下位(wei)機(ji)采集數(shu)據(ju)，形成(cheng)實時圖形，並進行(xing)數(shu)據(ju)處(chu)理和圖形分(fen)析，得(de)到目標DNA片(pian)段的(de)含(han)量和其(qi)它(ta)檢測(ce)報(bao)告(gao)信息(xi)等(deng)。
工(gong)作時，主(zhu)計算(suan)機(ji)首先投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)，同時工(gong)作人(ren)員(yuan)把所測(ce)樣品放入PCR反映腔(qiang)體(ti)的樣(yang)品架上，工(gong)作人(ren)員(yuan)根(gen)據(ju)所(suo)測樣品的(de)PCR反應(ying)條件(jian)設置(zhi)相應(ying)的溫度參數(shu)、控溫時間以(yi)及(ji)循環(huan)次(ci)數(shu)等(deng)，接(jie)著工作人(ren)員(yuan)點(dian)擊(ji)相應(ying)的按(an)鈕控件，系(xi)統就(jiu)進入快速升溫、恒(heng)溫(wen)、快(kuai)速(su)降(jiang)溫(wen)、恒(heng)溫(wen)等(deng)PCR循(xun)環過(guo)程(cheng)，直至(zhi)所(suo)有的循(xun)環(huan)結柬(jian)，同時在(zai)每(mei)壹循(xun)環的(de)低溫(wen)段恒(heng)溫(wen)結(jie)柬(jian)前(qian)系(xi)統進行(xing)樣品的(de)熒光(guang)信號(hao)實時采(cai)集，主(zhu)計算(suan)機(ji)根(gen)據(ju)采(cai)集到的信號(hao)形成(cheng)實時圖形，並進行(xing)數(shu)據(ju)處(chu)理和圖形分(fen)析，得(de)到目標DNA片(pian)段的(de)含(han)量和其(qi)它(ta)檢測(ce)報(bao)告(gao)信息(xi)等(deng)。
2 系(xi)統的(de)硬件設(she)計
系(xi)統的(de)硬件主(zhu)要(yao)由溫度(du)信號(hao)采集(ji)處理(li)部(bu)分(fen)、熒光(guang)信號(hao)采集(ji)處理(li)部(bu)分(fen)、單片(pian)微機控制系(xi)統部(bu)分(fen)、驅動電路(lu)部(bu)分(fen)以及(ji)計算(suan)機(ji)系(xi)統等(deng)組(zu)成(cheng)。
2.1 溫(wen)度(du)信號(hao)采集(ji)處理(li)部(bu)分(fen)
這壹部(bu)分(fen)包括(kuo)溫(wen)度傳感器、傳(chuan)感(gan)器接(jie)口(kou)電路(lu)以(yi)及信號(hao)放大(da)電路(lu)，在(zai)這(zhe)裏溫度(du)傳感(gan)器采(cai)用熱電偶(ou)，由於熱電偶(ou)通(tong)過(guo)微小電壓(ya)進行(xing)溫度(du)測量，容(rong)易受(shou)幹擾，在(zai)具體(ti)的設(she)計中，幹擾問(wen)題往往(wang)很難(nan)壹下拿出明(ming)確的解決方案，要(yao)根(gen)據(ju)幹擾的種類(lei)找原因(yin)，對癥(zheng)下藥。在(zai)本(ben)設(she)計中，主要(yao)采取了以下的抗(kang)幹擾措施，Roche_Light Cycler 480II熒光(guang)定(ding)量PCR儀保(bao)證溫度采(cai)集的準(zhun)確性:(1)在(zai)熱電偶(ou)的(de)輸出(chu)端(duan)追加(jia)濾(lv)波(bo)電容(rong);(2)加變(bian)送器，利(li)用熱電偶(ou)的(de)接(jie)口(kou)芯(xin)片(pian)，把溫度(du)信號(hao)直接(jie)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電壓(ya)信號(hao)，這個(ge)信號(hao)不易受幹擾。
2.2 熒光(guang)信號(hao)采集(ji)處理(li)部(bu)分(fen)
熒光(guang)信號(hao)采集(ji)處理(li)部(bu)分(fen)主要(yao)包括(kuo)光(guang)檢測(ce)系(xi)統和信號(hao)采樣(yang)處理(li)系(xi)統兩部(bu)分(fen)。
2.2.1 光檢測(ce)系(xi)統
光(guang)檢測(ce)系(xi)統主(zhu)要(yao)包括(kuo)光(guang)源(待測樣(yang)品)、濾(lv)光片(pian)、光(guang)電倍(bei)增管(guan)以(yi)及敏(min)感(gan)度(du)選擇電路(lu)等(deng)。微處理器在(zai)檢測(ce)過(guo)程(cheng)中，按(an)光檢測(ce)值(zhi)大(da)小動態調整(zheng)電位(wei)器輸出(chu)，改(gai)變(bian)光電倍(bei)增管(guan)控制電壓(ya)板(ban)的電壓(ya)輸入(ru)，自動調整(zheng)光電倍(bei)增管(guan)測(ce)量靈(ling)敏(min)度(du)。
光(guang)電倍(bei)增管(guan)采(cai)用H5783型(xing)倍(bei)增管(guan)，它(ta)具有如(ru)下特(te)性:
(1)結構上將倍(bei)增管(guan)、電磁(ci)屏(ping)蔽筒、高(gao)低壓(ya)供電單(dan)元(yuan)、電壓(ya)控制單元全(quan)部(bu)集(ji)成(cheng)在(zai)壹起(qi)，使用方便;(2)光(guang)譜靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)，暗電流(liu)小(xiao);(3)可(ke)根(gen)據(ju)測(ce)量光信號(hao)強度(du)的不同，通過(guo)程(cheng)序調節(jie)控制電壓(ya)，自動調整(zheng)測量系(xi)統的(de)靈(ling)敏(min)度(du)。
2.2.2 信號(hao)采樣(yang)處理(li)電路(lu)
光(guang)電倍(bei)增管(guan)輸出(chu)的(de)電流(liu)信號(hao)可(ke)作為(wei)恒(heng)流(liu)源(yuan)，將運(yun)算放大(da)器作為(wei)負(fu)載電阻(zu)實(shi)現電流(liu)電壓(ya)的(de)轉(zhuan)換(huan)， 信號(hao)處理(li)電路(lu),其(qi)輸出(chu)電壓(ya)U0=壹gf~xf，式(shi)中gf為(wei)運(yun)算放大(da)器的(de)反(fan)饋電阻(zu)，反(fan)饋電阻(zu)Rf值(zhi)的選擇要(yao)按(an)光電倍(bei)增管(guan)陽(yang)極的(de)大(da)輸出(chu)電流(liu)、A/D采(cai)樣輸入(ru)滿(man)量程值(zhi)、運(yun)算放大(da)器的(de)開(kai)環增益(yi)等(deng)來(lai)確定，同時還(hai)要(yao)考慮(lv)保(bao)證系(xi)統的(de)高(gao)頻特(te)性。
輸出(chu)電路(lu)的(de)小可(ke)測(ce)量電流(liu)受(shou)到運(yun)算放大(da)器的(de)偏(pian)置(zhi)電流(liu)、溫(wen)飄、反(fan)饋電阻(zu)特(te)性以及(ji)電路(lu)板(ban)的絕(jue)緣性能(neng)的影響(xiang)。
2.3 單(dan)片(pian)微機控制系(xi)統
這(zhe)壹部(bu)分(fen)主要(yao)負(fu)責溫度(du)的采集(ji)、溫(wen)度(du)的(de)控制、熒光(guang)信號(hao)的采(cai)集以(yi)及(ji)對(dui)光電倍(bei)增管(guan)控制極電壓(ya)的(de)調整(zheng)、外圍執行(xing)機構的驅動控制以及與(yu)上位(wei)計算(suan)機(ji)的實(shi)時通(tong)訊等(deng)。主(zhu)要(yao)由微處理器、A/D轉(zhuan)換(huan)芯(xin)片(pian)、通(tong)信接(jie)口(kou)芯(xin)片(pian)等(deng)組(zu)成(cheng)。在(zai)該(gai)系(xi)統中，微處理器采(cai)用P89C51微處理器。該(gai)芯(xin)片(pian)具有並行(xing)可(ke)編(bian)程的(de)非易失性FLASH程序(xu)存儲(chu)器。是(shi)80C51的(de)派生器件(jian)，指(zhi)令系(xi)統與(yu)80C51*相同，其(qi)主(zhu)要(yao)特(te)性為(wei):
(1)速(su)度(du)可(ke)達32M;(2)片(pian)內(nei)FLASH程(cheng)序存(cun)儲器，可(ke)在(zai)線(xian)編(bian)程;(3)RAM 可(ke)擴(kuo)展(zhan)到65K字節(jie);(4)全(quan)雙工(gong)增強(qiang)型(xing)UART~(5)4個(ge)8位(wei)I/O 口(kou);(6)6個(ge)中斷(duan)源(yuan)。上(shang)述(shu)特(te)性可(ke)實(shi)現(xian)本(ben)系(xi)統所(suo)要(yao)求的(de)實時檢測(ce)處(chu)理、控制、通訊等(deng)功(gong)能(neng)。
A/D轉(zhuan)換(huan)芯(xin)片(pian)采(cai)用AD674，該(gai)芯(xin)片(pian)是(shi)美國模擬(ni)器件(jian)公(gong)司(si)(Analog Devices)生產的(de)12位(wei)逐(zhu)次(ci)逼近(jin)快速(su)A/D轉(zhuan)換(huan)器。
片(pian)內(nei)配有三(san)態(tai)輸出(chu)緩(huan)沖(chong)電路(lu)，可(ke)直(zhi)接(jie)與各種典(dian)型(xing)的(de)8位(wei)或(huo)16位(wei)微處理器相連(lian)，而無須(xu)附(fu)加邏輯(ji)接(jie)口(kou)電路(lu)，且(qie)能(neng)與CMOS及1vrL電平兼容(rong)，並且(qie)片(pian)內(nei)含(han)有高(gao)精度(du)的(de)參考電壓(ya)源(yuan)和時鐘(zhong)電路(lu)，這(zhe)使它(ta)在(zai)不需要(yao)任何外(wai)部(bu)電路(lu)和時鐘(zhong)信號(hao)的情(qing)況下完(wan)成壹切(qie)A/D轉(zhuan)換(huan)功(gong)能(neng)，應(ying)用非(fei)常方便。為(wei)了(le)保(bao)證A/D采樣的(de)準(zhun)確性模擬(ni)信號(hao)輸入(ru)端(duan)可(ke)加(jia)采(cai)保(bao)器LF398。要(yao)註意的(de)壹點(dian)是與(yu)P89C51單(dan)片(pian)機(ji)接(jie)口(kou)電路(lu)設(she)計時。單(dan)片(pian)機(ji)的(de)時鐘(zhong)壹定(ding)要(yao)接(jie)12M及以上，防止(zhi)因(yin)AD674數(shu)據(ju)總線(xian)傳(chuan)輸速(su)度(du)快而造(zao)成時序(xu)不匹(pi)配。
2.4 驅動電路(lu)部(bu)分(fen)
考慮(lv)到風門電機(ji)、磁(ci)吸開(kai)關、轉(zhuan)盤電機(ji)、加(jia)熱風扇(shan)等(deng)外(wai)圍執行(xing)設施較(jiao)多(duo)，而且(qie)要(yao)分(fen)別單獨(du)供電，同(tong)時，為(wei)了(le)克(ke)服(fu)上述(shu)外(wai)設對(dui)微計算(suan)機(ji)系(xi)統可(ke)能(neng)造(zao)成的幹擾，就把這壹部(bu)分(fen)單獨(du)做(zuo)成壹塊(kuai)驅動板，Roche_Light Cycler 480II熒光(guang)定(ding)量PCR儀由單片(pian)機(ji)系(xi)統I/O擴(kuo)展(zhan)口(kou)直(zhi)接(jie)驅動光電耦合器件(jian)，經(jing)光電耦合器件(jian)的(de)輸出(chu)端(duan)再加(jia)電流(liu)放大(da)驅動。
