基于多传感器融合技术的PCR仪温度校准系统

　　1 引 言

　　聚合酶链式反应 PCR( polymerase chain reaction) 是20 世纪 80 年代中期发展起来的在短时间内体外大量扩增特定的 DNA 片段的分子生物学技术[1-2]。PCR 一个热循环分 3 阶段，即高温变性( 约 95 ℃) 、低温退火( 通常50 ～ 60 ℃ ) 、中温延伸( 72 ℃ ) 。一个热循环的时间约为2 ～ 3 min。完成 PCR 功能的仪器，称为 PCR 仪。PCR 仪的控温精度、升降温速率以及样品基座的温度均匀性等直接影响 DNA 片段扩增的结果。PCR 仪经使用后，其温度传感器的计量特性会发生变化，作为计量设备一般须经定期校准后方能继续使用。程远霞[3]、王国田[4]、娄沂春[5]等人分别利用热电偶和热敏电阻作为感温元件对PCR 仪循环温度进行了实时跟踪和分析，并对温度准确性、均匀性和不同变性温度、变性时间对 PCR 检验结果的影响等进行了研究，提出了对 PCR 仪进行定期检测和维护的建议。然而他们报道的研究结果中缺少对所采用的测量系统进行误差评估的内容。另外，他们所用的传感器精度较低，难以胜任目前控温精度较高的 PCR 仪的温度校准。为此本文设计了一种以高精度热敏电阻为温度传感器的 PCR 仪温度校准系统，采用多传感器融合技术对测量结果进行数据处理，使系统的测温精度获得提高，系统的不确定度优于 0.03 ℃。

　　2 温度传感器安装方法

　　目前实验室常用的 PCR 仪按热循环系统大致可分为: 水浴式、气流式和半导体式 3 种[6-8]。其中应用最广的是半导体式 PCR 仪，其热循环系统结构如图 1 所示。半导体制冷片均匀地串联平铺，用以加热制冷，其上方为一带 96 孔的金属块基座，为保证基座各孔的温度均匀，其下方紧贴一块散热片并安装风扇。通常在制冷片与基座和散热片之间的接触面上均匀涂抹一层薄的导热胶，以减小热阻。

　　CR 仪示值温度为自带温度传感器测得的基座温度。实际使用中 PCR 仪反应试管与基座孔的底部大约存在 1 mm 的间隙，故反应试管中温度与基座温度( PCR仪示值) 有一定的偏差。而空气对流与导热胶涂抹不均匀，半导体片匹配等因素直接影响着 PCR 仪基座温度场的分布均匀性[9-10]。为了得到更接近反应试管中液体的温度，并给出仪器示值误差，实验中在反应管中放入缓冲液，将传感器探头插入到试管底部，安装位置如图 2 所示。这样既可以保证感温探头有足够的插入深度，以减少导热损失，又保证了与样品液充分热接触.

　　3 PCR 仪温度校准系统

　　研制的 PCR 仪温度校准系统采用高精度的感温元件感知 PCR 仪的反应温度，经数据采集卡采集，由 RS232串口传输到计算机，系统数据采集、分析处理、显示、报告打印等功能用 LabVIEW 软件编写，系统框图如图 3所示。