李金鳳，張衛(wèi)平，伍擇希，陳俊杰，陳文元，吳校生

（1．微米/納米加工技術國家重點實驗室，上海 200240;2．上海交通大學 微納科學技術研究院，上海 200240）

0 引言

隨著科學與技術的發(fā)展，生物實驗在國民生活中逐漸扮演著越來越重要的地位。為了實現(xiàn)生物實驗的集成化和自動化，人們提出了生物芯片的概念，生物芯片試圖將整個生化檢測分析過程縮微到單個芯片上。

為了實現(xiàn)研究一體化的 PCR—CE生物芯片［1］，實驗室采用新手段制作集成電極的PDMS—玻璃微流控芯片［2］，將加熱傳感電極與電泳用電極加工于同一面上，用PDMS薄層保護電極并作為穩(wěn)固鍵合的基底。

PCR反應需要3個不同的溫度區(qū)，經(jīng)歷變性，退火在90～95℃加熱一段時間，可以使模板DNA分解為單鏈，為下一步與引物結合的反應作準備，稱為變性;在溫度50～65℃持續(xù)一段時間，引物與模板DNA單鏈配對結合，稱為退火或者復性;在70～75℃時，由于TaqDNA聚合酶的作用，實現(xiàn)與模板DNA鏈互補的半保留復制。

實現(xiàn)3個溫度的不斷循環(huán)，需要使用溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1是PCR—CE生物芯片的立體圖。其中左邊深色區(qū)域是PCR反應區(qū)，右邊是CE分離區(qū)。

圖2則介紹系統(tǒng)升降溫原理框圖。溫度檢測和升溫的基礎是沉積在玻璃表面的Pt。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Block diagram of system principle

恒流源激勵Pt電阻器，使之產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過電壓放大轉(zhuǎn)換成3～5V的直流電壓，送到LabVIEW接口，經(jīng)過程序計算，得到實時溫度值［3］。根據(jù)預設的溫度和實際溫度作比較，使控制器輸出加熱或者制冷信號，然后再次采集實際溫度，并與預設溫度作對比，采取控制［4］，多次循環(huán)［5，6］。

2 硬件電路設計

2．1 恒流源電路設計

恒流源電路［7］采用高精度低失調(diào)電壓的精密集成運放OP07構成，基準電壓由REF02提供。REF02為高精度標準5 V輸出，根據(jù)理想運放規(guī)定，反相輸入端的電壓也是5 V，通過電阻器R1的電流就為2．5 mA。電流完全由6腳輸出端提供，那么流經(jīng)Pt電阻器的電流2．5mA。無論Pt的阻值如何變化，通過Pt的電流恒定不變。恒流源電路如圖3。

圖3 恒流源電路Fig 3 Constant current source circuit

2．2 信號放大電路

信號放大電路主要由 AD620構成，如圖4所示。AD620為儀表放大器，低輸入電流，低噪聲，高精度放大，R1為5 kΩ。本來應該接入可調(diào)電阻器以改變放大倍數(shù)，后經(jīng)實驗證明，可調(diào)電阻時大時小，充滿隨機性，穩(wěn)定性很差。考慮到Pt電阻為100～150 Ω，通過2．5 mA 的電流，電壓為0．25～0．375 V，放大10倍左右即可。采用5 kΩ電阻后，放大倍數(shù)為 10．88。

圖4 信號放大電路Fig 4 Circuit for signal amplification

2．3 芯片加熱模塊

由于LabVIEW板卡的負載能力為幾毫安的電流，所以，AO接口輸出的僅僅是一個控制信號，要給芯片加熱，需要驅(qū)動電路。OPA552是TI公司生產(chǎn)的一種優(yōu)良的運算放大器，具有寬工作電壓范圍（±4～±30 V），高輸出電流范圍（最大200 mA）的特性。采用OPA552作為驅(qū)動設備，提供的電流足以使該芯片從室溫加熱到150℃。

2．4 芯片降溫模塊

降溫環(huán)節(jié)采取半導體制冷片主動降溫。制冷片分為上下兩表面，一面升溫一面降溫。半導體制冷片通過的電流為A級別，由于電流很大，產(chǎn)熱面如果不及時散熱，將造成制冷片燒毀，所以，使用CPU散熱風扇和散熱片散熱。一般的芯片提供不了如此大的電流。所以，降溫模塊采用繼電器同時導通半導體制冷片和風扇。

3 程序設計

3．1 數(shù)據(jù)擬合

Pt阻值與溫度的關系，在0～650℃范圍內(nèi)電阻公式為:R=Ro（1+At+Bt2）。其中，A，B為常數(shù)，Ro為0℃時的阻值，R為溫度t時的阻值。溫度與阻值的關系不是線性關系，但是在0～100℃線性度很高，并且溫度控制系統(tǒng)本身就是一個動態(tài)過程，不需要控制精度達到0．1℃，PCR的三溫區(qū)控制精度在幾個攝氏度范圍內(nèi)就已經(jīng)滿足要求了。所以，對其進行近似線性化處理。

在干燥箱里調(diào)節(jié)不同溫度，用TES 1310數(shù)字溫度計和萬用表VC 9806采集不同溫度傳感器的電阻值，數(shù)據(jù)如表1。

表1 實測溫度—電阻表Tab 1 Measured temperature-resistance table

用Origin 8進行數(shù)據(jù)擬合，其關系如圖5。

圖5 溫度-電阻關系圖Fig 5 Relation diagram of temperature-resistance

3．2 LabVIEW 程序設計［9］

從AI 1口輸入到LabVIEW，對電壓數(shù)據(jù)采樣200次后取平均，然后根據(jù)以上公式，計算出實時溫度值。設定60 s為一個溫控周期。0～16 s，控制溫度為94℃;16～40 s，控制溫度為72℃;40～60 s，控制溫度為60℃。

實時溫度與設定溫度相減得到誤差e，與上次得到的誤差e1相減得到de，對所有得到的e積分，得到總誤差∫edt，然后判斷誤差 e是否大于11℃，如果成立，采取 BANGBANG控制，直接快速加熱，當誤差小于11℃，按PID控制輸出。如果－2＜yout＜0，則采取自然降溫;如果yout＜－2，則采取風扇和半導體制冷片主動降溫，使之快速達到設定溫度。LabVIEW程序框圖如圖6。

圖6 LabVIEW程序框圖Fig 6 Block diagram of LabVIEW program

3．3 系統(tǒng)與軟件調(diào)試

溫度控制過程如圖7～圖9所示。實驗開始先直接使用PID，發(fā)現(xiàn)控制效果不是很好。嘗試性的結合BANGBANG控制后，使得控制過程快速，超調(diào)量小，穩(wěn)定。

但是在由94℃轉(zhuǎn)入低溫60℃降溫時，由于積分飽和的作用，使得降溫下降緩慢。在降溫時，積分器由于積分作用變?yōu)樨摂?shù)，而且會累積負的程度越來越大。此時創(chuàng)新性地采用預設積分器。經(jīng)過多次調(diào)試驗證，當積分器達到一定程度（800），直接將積分器調(diào)為200，降溫迅速，而當積分器為負的時候，直接將積分器設為500，系統(tǒng)立即穩(wěn)定。軟件修改體現(xiàn)在LabVIEW公式節(jié)點C程序中。

圖7～圖9為升降溫曲線，所采用的時間單位是0．1 s，升溫過程很快，只有1 s左右，就穩(wěn)定下來。而降溫過程不能過快，否則片子破裂。并且降溫過程是通過玻璃片后再降溫，導熱效率低。升溫或者降溫開始時，溫度的突變是由于LabVIEW的I/O通道特性造成的，和實驗控制無關。

圖7 72～94℃升溫曲線Fig 7 72～94℃ temperature rising curve

圖8 60～72℃升溫曲線Fig 8 60～72℃ temperature rising curve

圖9 94～60℃降溫曲線Fig 9 94～60℃ temperature decreasing curve

市面上主要的儀器升溫為 3℃ /s［10～12］，而本系統(tǒng)升溫速度可在15℃/s以上，并且升溫后立即穩(wěn)定。升溫加穩(wěn)定總共需1 s左右，控溫精度可達到±0．4℃。

4 結論

通過TES 1310 TYPE—K數(shù)字溫度計進行溫度標定。本文在LabVIEW8．61的環(huán)境下，搭建了相關硬件電路，構建溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)升溫迅速，升溫速度在1 s左右;運行穩(wěn)定，控溫精確，原理清晰。

本文用LabVIEW構建的系統(tǒng)程序簡單明了，可視化程度高，電路結構簡單實用，可以作為一個微型溫控系統(tǒng)可行性的驗證裝置，將來定會在工程中廣泛使用。

系統(tǒng)不足的地方就是降溫速度不夠快，影響降溫速度的一大關鍵因素是玻璃基片的隔熱。由于溫度是慣性量，降溫不能及時的傳遞到芯片上。

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