A Compact Thermocycler for Polymerase Chain Reaction

Abstract

DNA replication is the process whereby the main strands of DNA in the double helix are separated and each one is copied to produce a new strand. Nowadays, DNA replication is one of the most commonly used methods in gene analysis. Polymerase Chain Reaction (PCR) is the technique of replication of gene segmentation using relevant enzymes under cycling temperature values. Thermocycler in PCR is used to keep the temperature of the DNA tubes at certain discrete values (90°C, 55°C and 72°C) for a certain period.
In this study, a thermocycler which is the main element of PCR was designed. The thermocycler consists of a power supply, heater-cooler element, fan, temperature meter, control circuit, tube chamber and chamber box.
Peltier element was used for heating-cooling processes. Peltier elements on the market were researched and appropriate one was decided. Suitable sensor for temperature measurement was identified. The tube chamber is an aluminum container for microtubes. It was designed using a computer-aided design software however the production was made using lathe process on an aluminum block for a prototype. A heat insulation box is modified for the tube chambers.
For temperature control a PID control algorithm was determined and designed. The control circuit has Arduino Uno for microcontroller control, relays for changing the polarity of the current flow through the Peltier elements and the control of the fan, and a switch to control the application time of the current from the source.
The PID control algorithm takes the number of temperature cycles as input and determines the required temperature values and its application time for the PCR. The temperature sensor was located to the closest position to the tube chamber. The information from the temperature sensor is compared with the required temperature value and the PID coefficient is determined in terms of the application time of the heating or cooling, during this time the switch remains open. For cooling the polarity of the current applied to the Peltiers is changed and the fan is started to cool. All control algorithm was designed on Arduino Uno.
The whole system consists of a box for the chamber for 0.2 mL tubes, a 12V 6A power supply and control circuit. It costs 207 USD. It has been observed that temperature changes were occurred for providing the temperature cycles, but tests and determination of PID coefficients are continuing.

Keywords

• PCR
• Polymerase Chain Reaction
• DNA Amplification
• Gene Analysis
• Thermocycler
• Thermal Cycle

Polimeraz Zincir Tepkimesi İçin bir Sıcaklık Çevrimcisi Tasarımı

Abstract

DNA replikasyonu, çift sarmaldaki DNA'nın ana ipliklerinin ayrıldığı ve her birinin yeni bir iplik üretmek üzere kopyalandığı işlemdir. Gen çoğaltma, günümüzde gen analizinde en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Polimeraz Zincir Tepkimesi (PZT) gen bölütlerinin ilgili enzim varlığında, uygun sıcaklık değişimleri ile çoğaltılması tekniğidir. PZT, genetik tanı testlerinde ve yeni nesil gen dizileme teknolojilerinde kullanılmasıyla, genetik bilimin önemli basamağı olmuştur. PZT için DNA tüp haznelerinin sıcaklığını belli ayrık değerlerde (90°C,55°C,72°C) belli sürelerde otomatik olarak tutan sıcaklık çevrimcisi kullanılır.

Bu çalışmada, Polimeraz Zincir Reaksiyonunun ana elemanı olan bir sıcaklık çevrimcisi tasarlanmıştır. Sıcaklık çevrimcisi güç kaynağı, ısıtıcı - soğutucu malzeme, fan, sıcaklık ölçer, kontrol devresi, tüp haznesi ve hazne kutusundan oluşmaktadır.

Isıtma-soğutma işlemlerini gerçekleştirmek için Peltier eleman kullanılmıştır. Piyasadaki Peltier elemanlar araştırılmış ve tasarım için uygun olana karar verilmiştir. Sıcaklık ölçüm için uygun sensörler belirlenmiştir. Tüp haznesi için bilgisayar destekti tasarım yapılmış ancak prototip için torna tezgahında üretim yapılmıştır. Isı değişimini korumak için kapalı bir kutu satın alınmış ve tasarıma uyarlanmıştır.

Sıcaklık kontrolü için PID kontrol protokolü belirlenmiş ve tasarım gerçekleştirilmiştir. Kontrol devresinde mikrodenetleyici kontrolü için Arduino Uno, peltier elemanlara gelen akımın polaritesini değiştirmesi ve fan kontrolü için röleler ve kaynaktan gelen akımın uygulanma süresini kontrol etmek için bir anahtar bulunmaktadır.

PID kontrol algoritması sıcaklık çevrim sayısını girdi olarak alır ve PZT için gerekli sıcaklık değerlerini ve uygulama sürelerini belirler. Sıcaklık sensörü tüp haznesine en yakın konuma yerleştirilmiştir. Sıcaklık sensöründen gelen bilgi gerekli sıcaklık değeri ile kıyaslanır ve PID katsayısı ısıtma ya da soğutmanın uygulanma süresi cinsinden belirlenir ve bu süre boyunca anahtarın açık kalması sağlanır. Soğutma için peltierlere uygulanan akımının polaritesi değiştirilir ve soğutma için kullanılan fan çalıştırılır. Tüm kontrol algoritması Arduino Uno üzerinde tasarlanmıştır.

Tüm sistem 0.2 mL ‘lik tüplerin bulunduğu kutu, ve 12V 6A’lik güç kaynağı ve kontrol devresinden oluşmaktadır. Tüm sistem 1200 TL (207 USD)’ye mal olmuştur. Döngüyü sağlayarak sıcaklık değişimlerinin meydana geldiği gözlenmiş ancak testler ve PID katsayılarının belirlenmesi devam etmektedir.

Keywords

• PZT
• Polimeraz Zincir Tepkimesi
• DNA Çoğaltılması
• Gen Analizi
• Sıcaklık Çevrimcisi
• Sıcaklık Çevrimi

Thanks

Bu çalışmada tasarım ve uygulama ile ilgili fikirleri ile yardımcı olan, Başkent Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof. Dr. Emir Baki Denkbaş’a ve Dr. Öğr. Üyesi Hüseyin Kurtuldu’ya, sistemi oluşturma kısmında bize yardımcı olan okulumuzun makine mühendisliği laboratuvar sorumlusu İsmail Karabacak’a teşekkür ederiz.

References

1. Saiki, R.K. (1990). PCR Protocols (s. 13-20). Academic Press, Inc. Elsevier Inc.
2. Günel, T. (2007). QUANTITATIVE ANALYSIS OF GENE EXPRESSION "REAL-TIME PCR": SCIENTIFIC LETTER. Türkiye Klinikleri Tıp Bilimleri Dergisi, 763-767.
3. Pazdernik, N.J.& Clark, D.P, (2013). Polymerase Chain Reaction. Molecular Biology (s. 168-198). Elsevier Inc.
4. Garibyan, L. & Avashia, N,(2014). Research Techniques Made Simple: Polymerase Chain Reaction (PCR).
5. Heid, C.A. & Stevens, J. & Livak, K.J. (1996). Real Time Quantitative PCR.
6. Technical Specifications for PCR Thermal cycler. (2016). www.cmfri.org.in: http://www.cmfri.org.in/uploads/tender/5-11-2016.pdf
7. Chen J.J. & Hsieh, H. (2016). Using an IR lamp to perform DNA amplifications on an oscillatory thermocycler. Applied Thermal Engineering (s. 1-12).
8. Bansal, H.O. & Sharma, R. & Shreeraman, P. R (2012). PID Controller Tuning Techniques: A Review.