【摘 要】
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目前市场上最为常见的实时定量聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction,PCR）仪价格昂贵,且大多为固定实验室科研使用。易操作、低成本、高精度的小型化PCR仪研发对现场应急检测及推进基础医疗点建设有着深远的意义,在农村和第三世界国家影响更为重大。PCR仪温度单元的快速性、准确性和均一性对样品DNA的扩增效率起决定性作用,而PCR仪的小型化使其反应体积减小后且更容易受到外界波
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目前市场上最为常见的实时定量聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction,PCR）仪价格昂贵,且大多为固定实验室科研使用。易操作、低成本、高精度的小型化PCR仪研发对现场应急检测及推进基础医疗点建设有着深远的意义,在农村和第三世界国家影响更为重大。PCR仪温度单元的快速性、准确性和均一性对样品DNA的扩增效率起决定性作用,而PCR仪的小型化使其反应体积减小后且更容易受到外界波动的影响,对温度单元的设计提出了更高的挑战。本文主要针对PCR温度单元的优化及温度控制算法开展研究,以实现小型PCR仪温度循环过程中的高精确快速控温,能实现对DNA样品的扩增与鉴定。本文完成的工作和取得的结论主要包括:（1）在传统PCR有限元稳态仿真分析的基础上加以改进,通过构建小型化PCR温度单元模型,并根据引入实际传感与控制环节进行瞬态仿真分析,实现了PCR温度循环的瞬态仿真研究,提高了仿真的真实性并为后续温度单元优化及控制算法设计工作提供了实验平台。（2）在小型化PCR温度单元模型瞬态仿真结果基础上开展对基座控制参数、制造参数的优化设计。提出了约束条件下结合模型仿真与遗传算法的小型化PCR温度单元模型制造及控制优化参数求解方法,为后续小型化PCR硬件系统设计及控制算法设计提供理论基础。（3）基于优化后所取得的制造参数的基础上对小型化PCR温度单元硬件部分进行设计。基于所取得的制造参数完成16孔PCR温度单元结构的搭建。并完成对小型化PCR温度单元内各部件的选型及相应驱动电路的设计,基于上述设计工作完成16孔小型化PCR温度单元样机的搭建。（4）基于优化后所取得的控制参数的基础上对小型化PCR控制算法部分进行设计。基于PCR温度循环工作原理设计基于H桥驱动器的分段-PID控制方案实现小型化PCR温度循环控制,并提出采用有限元模型替代数学模型的方法开展控制算法仿真,解决了传统方法模型准确性和仿真真实性的问题。并根据PCR仪功能设计了相应的人机交互界面。完成了对16孔PCR仪样机相关指标测试与验证。结果表明:该样机成本仅为600元,外接19.5V,150W的笔记本电脑电源可进行工作,其在20u L反应体系中稳态误差可保持在±0.2℃,升降温速率能达到2.7℃/s和2.2℃/s,温度单元表面均一性＜0.1℃,所提出的优化方案成本低且能大幅提升小型化PCR仪温度单元性能,缩短完成反应所需时间。并在福建中医药大学开展了样机生物表征验证,通过对15个装有50μL小鼠DNA样本进行基因组鉴定,电泳结果表明15份DNA样品在琼脂糖凝胶上均有显示一条/两条亮带,结果表明所开发样机可成功实现对DNA样品的扩增与鉴定。
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