聚合酶链式反应分析仪（PCR仪）校准装置的研究与设计

2019-11-28陈海凌

质量技术监督研究 2019年5期

魏群，吕丹，陈海凌

（1 福建省计量科学研究院，福建福州 350003）

（2 人民解放军91370部队，福建福州 350015）

1 概述

聚合酶链式反应分析仪（Polymerase Chain Reaction Analyzer,简称“PCR仪”）可提供制定的温度场，在该环境下DNA聚合酶发生复制进行扩增[1]。PCR技术具有极高的检测灵敏度和特异性，可广泛用于临床医学等的诊断和疗效观察，在器官移植的基因配型上作用是难以替代的。目前市场上的PCR仪有梯度PCR仪、实时荧光定量PCR仪、原位PCR仪和定性PCR仪等。常规的多通道温度检测方法，比如带热电偶或带热电阻传感器的温度巡检仪，在（0～100）℃测温范围内的最大示值误差能达到±0.3℃。但此类测温仪器由于传感器的结构与扩增仪孔板不能完全紧密接触，导致测温结果的准确度不能满足校准要求[2]。

目前，国内对聚合酶链式反应分析仪的温度计量还处于起步阶段，国内市场上的专业聚合酶链式反应分析仪温度校准装置还是空白，各计量检测单位多采用温度巡检仪或国外的检测系统，如荷兰Driftcon公司的无线PCR仪温度校验系统和美国OPULUS公司的温度巡回检测装置等。这些检测装置也存在一些问题。

（1）现有装置所配置的传感器只可适用于固定形状的PCR仪，或通道数固定，无法满足各类PCR仪的多样校准需求。

（2）某些装置是采用传统的温度巡回检测方法来实现温度测量，多通道测量时每通道的数据采样时间长，无法反应PCR仪的实时温度，也就无法实现温度超调和升降温速率的功能。

（3）价格昂贵，国外设备多在（30-40）万/套。

2 PCR仪自动校准装置的设计需求

2015年，原国家质检总局正式发布了JJF 1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》[3]，该规范推荐了使用的测温点布置方式（15点校准与位置分布，如图1所示）、校准设备和标准物质、软件温控程序数据读取的基本顺序、误差计算与校准结果表达方式等。

图1 15点校准位置布点

因此，根据JJF 1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》和PCR仪校准装置的存在问题，文中认为可以从以下三方面进行方案改进。

（1）设计一套专用自动化装置，配置触摸屏，支持至少15通道的高精度温度传感器的实时显示和记录、分析、处理；

（2）信号高速传输，每路数据采样频率大于2次/秒；

（3）设计一套自动校准软件系统，包括数据采集、数据处理和数据报表等功能，数据采集将终端数据采集至上位机，数据处理包括温度示值误差、温度均匀性、升降温速率等，数据报表包括聚合酶链反应分析仪校准原始记录的所有内容。

3 PCR仪自动校准装置的设计

PCR仪自动校准装置需采集多路温度传感器信号，显示并处理相关数据，总体框架如图2所示。多路温度传感器采用热敏电阻，采集PCR仪不同位置反应孔的温度信号，由片通电路实现各传感器的选通，每个传感器采样速率不小于2次/秒；温度信号经过信号转换模块由电阻信号转换为电压信号，并经过A/D转换进入MCU处理；MCU在触摸屏显示实时数据以及处理结果等，并可通过外扩输出数据；由按键控制装置的开启与关闭；由电源模块为传感器、MCU、触摸屏、外扩等供电，其未在图中画出；测试完成后，可由外扩设备将数据发至上位机软件进行数据处理等。

图2 硬件框架图

3.1 微处理器MCU

微处理器采用意法STM32F4系列，具有如下优点：集成ARM Cortex-M4内核，主频180MHz，高达2MB的片上双库Flash存储器，具有突出的高性能、高速数据传输能力和丰富的外部器件扩展和通信总线，以及杰出的能耗效率，适用于电池供电情况。

3.2 温度传感器

温度传感器采用热敏电阻，具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点，其缺点在于非线性，而文中采用的核心控制芯片提供大容量的数据存储空间，可完整记录该温度-阻值对应表，因此选择热敏电阻作为测温元件。

3.3 片选模块

利用移位寄存器74HC595级联电路来实现传感器选通设计，如图3所示。74HC595是一个8位串行输入、可串行或并行输出的移位寄存器存储寄存器和三态输出。该设备具有串行输入（DS）和串行输出（Q7）来级联和异步复位输入的功能。在移位寄存器时钟（SHCP）上升沿时，DS上的数据会被移入移位寄存器，在存储寄存器时钟（STCP）上升沿时，移位寄存器里的数据传输到存储寄存器，当输出使能OE为低时，存储寄存器里的数据就会并行输出。

图3 片选电路

3.4 外扩模块

文中数据外扩采用WiFi和USB两种模式。

WiFi利用ESP-12F WiFi模块实现，该模块支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，完整的 TCP/IP协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。内置Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，主频支持80MHz和160MHz，支持RTOS。深度睡眠保持电流为10uA，关断电流小于5uA，2ms之内唤醒、连接并传递数据包。待机状态消耗功率小于1.0mW。电路连接图如图4所示。