自动化的微流控PCR芯片控制系统研究

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微流控PCR芯片是PCR技术与微全分析系统(μ-TAS)相结合的技术。  近年来微流控芯片以其快速、高效、低耗、集成度高、易于实现自动化等方面的优点正受到越来越多的关注,并开始在分析化学、生命科学、医疗诊断和医学器件等领域发挥重要作用。  聚合酶链式反应(polymerase chain reaction简称PCR),可将极微量的靶DNA特异性的扩增上百万倍,能检测单分子DNA的样品,从而大大提高对DNA分子的分析和检测能力,是基因技术的一次重大发明。其中温度控制是PCR扩增的关键技术之一,而芯片技术则是PCR微型化、集成化、自动化、便携化的必由之路。因此研究一种稳定的专用于PCR芯片的小型化的温控系统对于PCR芯片的大范围推广具有重要意义。  本文的主要工作和创新点是设计一种小型化的集样品前处理与PCR温度控制于一体的PCR芯片自动控制系统。该系统将能够更进一步的节约样品和试剂,减少前处理时间,更利于芯片的集成化,外部控制设备小型化,便携化,能更充分的发挥微流控系统微型、自动、高效、低价等优点。研究方法是利用16位数字信号控制器dsPIC30F4011实现PCR扩增所需的三温度循环控制、PCR芯片上微泵阀系统的控制。本系统硬件电路主要包括人机接口电路(矩阵键盘、4LED显示),温度信号采集电路,DA转换电路,MAX1978电流驱动TEC电路,串口通信电路,CPLD泵阀控制电路等。系统主要由一块dsPIC30F4011温控主板,一块MAX1978温控子板和一块 EPM7064泵阀控制子板构成。在此基础上为使系统界面更加友好,更加小型化集成化,我们对系统进行了改进研究,采用256色3.5英寸 TFT液晶屏与触摸屏做人机接口部件,并将温度与泵阀系统用同一控制板完成控制,为减小电路板尺寸,器件全部采用贴片封装。本系统软件部分主要包括温度设定值输入模块、显示模块、通信模块、定时模块、CPLD泵阀控制模块、数据处理模块、PID运算模块、A/D,D/A转换模块以及上位机界面开发等几个部分。  通过实验证明该控制系统结构设计合理,通过嵌入式控制平台进行小型化集成化自动化的微流控PCR扩增仪的设计是可行的,对自动化的PCR控制系统具有理论指导意义。
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