1 系統(tǒng)的組成和工作原理
本系統(tǒng)由基本PCR部分、熒光檢測部分和上位計算機(jī)部分等組成。
基本PCR部分是該儀器的基礎(chǔ)，包括加熱絲、溫度采集與處理等部分，它必須具有控溫、快速升降溫、溫度場均一等PCR儀的基本要求，保證PCR過程的順利完成。
熒光檢測部分包括激勵光源、光電倍增管、信號采集與處理等部分。
上位計算機(jī)部分包括數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析軟件，主要負(fù)責(zé)從下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，形成實(shí)時圖形，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形分析，得到目標(biāo)DNA片段的含量和其它檢測報告信息等。
工作時，主計算機(jī)首先投入運(yùn)行，同時工作人員把所測樣品放入PCR反映腔體的樣品架上，工作人員根據(jù)所測樣品的PCR反應(yīng)條件設(shè)置相應(yīng)的溫度參數(shù)、控溫時間以及循環(huán)次數(shù)等，接著工作人員點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕控件，系統(tǒng)就進(jìn)入快速升溫、恒溫、快速降溫、恒溫等PCR循環(huán)過程，直至所有的循環(huán)結(jié)柬，同時在每一循環(huán)的低溫段恒溫結(jié)柬前系統(tǒng)進(jìn)行樣品的熒光信號實(shí)時采集，主計算機(jī)根據(jù)采集到的信號形成實(shí)時圖形，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形分析，得到目標(biāo)DNA片段的含量和其它檢測報告信息等。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件主要由溫度信號采集處理部分、熒光信號采集處理部分、單片微機(jī)控制系統(tǒng)部分、驅(qū)動電路部分以及計算機(jī)系統(tǒng)等組成。
2.1 溫度信號采集處理部分
這一部分包括溫度傳感器、傳感器接口電路以及信號放大電路，在這里溫度傳感器采用熱電偶，由于熱電偶通過微小電壓進(jìn)行溫度測量，容易受干擾，在具體的設(shè)計中，干擾問題往往很難一下拿出明確的解決方案，要根據(jù)干擾的種類找原因，對癥下藥。在本設(shè)計中，主要采取了以下的抗干擾措施，Roche_Light Cycler 480II熒光定量PCR儀保證溫度采集的準(zhǔn)確性:(1)在熱電偶的輸出端追加濾波電容;(2)加變送器，利用熱電偶的接口芯片，把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成電壓信號，這個信號不易受干擾。
2.2 熒光信號采集處理部分
熒光信號采集處理部分主要包括光檢測系統(tǒng)和信號采樣處理系統(tǒng)兩部分。
2.2.1 光檢測系統(tǒng)
光檢測系統(tǒng)主要包括光源(待測樣品)、濾光片、光電倍增管以及敏感度選擇電路等。微處理器在檢測過程中，按光檢測值大小動態(tài)調(diào)整電位器輸出，改變光電倍增管控制電壓板的電壓輸入，自動調(diào)整光電倍增管測量靈敏度。
光電倍增管采用H5783型倍增管，它具有如下特性:
(1)結(jié)構(gòu)上將倍增管、電磁屏蔽筒、高低壓供電單元、電壓控制單元全部集成在一起，使用方便;(2)光譜靈敏度高，暗電流小;(3)可根據(jù)測量光信號強(qiáng)度的不同，通過程序調(diào)節(jié)控制電壓，自動調(diào)整測量系統(tǒng)的靈敏度。
2.2.2 信號采樣處理電路
光電倍增管輸出的電流信號可作為恒流源，將運(yùn)算放大器作為負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換， 信號處理電路,其輸出電壓U0=一gf~xf，式中g(shù)f為運(yùn)算放大器的反饋電阻，反饋電阻Rf值的選擇要按光電倍增管陽極的大輸出電流、A/D采樣輸入滿量程值、運(yùn)算放大器的開環(huán)增益等來確定，同時還要考慮保證系統(tǒng)的高頻特性。
輸出電路的小可測量電流受到運(yùn)算放大器的偏置電流、溫飄、反饋電阻特性以及電路板的絕緣性能的影響。
2.3 單片微機(jī)控制系統(tǒng)
這一部分主要負(fù)責(zé)溫度的采集、溫度的控制、熒光信號的采集以及對光電倍增管控制極電壓的調(diào)整、外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制以及與上位計算機(jī)的實(shí)時通訊等。主要由微處理器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、通信接口芯片等組成。在該系統(tǒng)中，微處理器采用P89C51微處理器。該芯片具有并行可編程的非易失性FLASH程序存儲器。是80C51的派生器件，指令系統(tǒng)與80C51*相同，其主要特性為:
(1)速度可達(dá)32M;(2)片內(nèi)FLASH程序存儲器，可在線編程;(3)RAM 可擴(kuò)展到65K字節(jié);(4)全雙工增強(qiáng)型UART~(5)4個8位I/O 口;(6)6個中斷源。上述特性可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所要求的實(shí)時檢測處理、控制、通訊等功能。
A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD674，該芯片是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的12位逐次逼近快速A/D轉(zhuǎn)換器。
片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及1vrL電平兼容，并且片內(nèi)含有高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。為了保證A/D采樣的準(zhǔn)確性模擬信號輸入端可加采保器LF398。要注意的一點(diǎn)是與P89C51單片機(jī)接口電路設(shè)計時。單片機(jī)的時鐘一定要接12M及以上，防止因AD674數(shù)據(jù)總線傳輸速度快而造成時序不匹配。
2.4 驅(qū)動電路部分
考慮到風(fēng)門電機(jī)、磁吸開關(guān)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、加熱風(fēng)扇等外圍執(zhí)行設(shè)施較多，而且要分別單獨(dú)供電，同時，為了克服上述外設(shè)對微計算機(jī)系統(tǒng)可能造成的干擾，就把這一部分單獨(dú)做成一塊驅(qū)動板，Roche_Light Cycler 480II熒光定量PCR儀由單片機(jī)系統(tǒng)I/O擴(kuò)展口直接驅(qū)動光電耦合器件，經(jīng)光電耦合器件的輸出端再加電流放大驅(qū)動。
