【摘 要】
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荧光定量PCR仪是基于微量DNA片段在体外大量扩增原理——聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction:PCR),经过高温变性、低温退火、延伸温度的热循环(25-45次),结合荧光检测和荧光探针等技术而开发的仪器,简称qPCR仪。荧光定量PCR仪核心技术包括“荧光检测系统”和“热循环温控系统”两个方面,是直接影响基因检测时长和扩增效率的重要因素,也是PCR产品开发技术难点。P
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荧光定量PCR仪是基于微量DNA片段在体外大量扩增原理——聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction:PCR),经过高温变性、低温退火、延伸温度的热循环(25-45次),结合荧光检测和荧光探针等技术而开发的仪器,简称qPCR仪。荧光定量PCR仪核心技术包括“荧光检测系统”和“热循环温控系统”两个方面,是直接影响基因检测时长和扩增效率的重要因素,也是PCR产品开发技术难点。PCR基因扩增实验,热循环反应时长达一小时以上,扩增效率低假阳性高,对于大量样本检测和传染病防控来说是弊端和缺陷。缩短PCR反应时间、提高扩增效率成为当下研究热点,一般从研发高效荧光试剂以增大荧光效率和优化控温系统以提高检测时间这两个方向入手。本课题研究内容聚焦于:提出一种大功率高效运行的半导体控温电路,针对荧光定量PCR仪热循环系统关键技术进行研究,旨在解决现有热循环控温技术难以满足PCR快速化、高效化和小型化等各种新发展要求的问题。论文主要工作如下:首先,设计并搭建了热循环温控系统平台。依据PCR热反应循环特点,设计各个模块及指标参数,根据控温功率计算对半导体制冷片选型,设计散热方案提高其工作效率,为热循环反应提供良好的实验平台。其次,提出一种基于Buck+H桥的大功率驱动电路,可精确调控温度、提高工作效率、保护并延长TEC使用寿命的半导体制冷片控温电路,解决了其大功率驱动、高效率运行的技术难点。设计总体控制电路,采用PWM脉宽调制技术实现对制冷片加热制冷切换及功率控制,有效地保障了温控系统的高效、可靠、稳定运行。再次,研究控制算法并进行性能分析。根据热循环系统响应特点,建立系统模型辨识,针对系统出现的温度超调和滞后等问题,在传统PID基础上设计模糊PID控制算法并仿真对比,有效提高热循环温度响应和稳定性。仿真分析样品块温度场均匀性,改进并提高了系统的传热效率和减小热量损失,从而得到温度分布均匀的反应模块,有利于提高PCR基因扩增实验效率。本课题对PCR的热循环系统进行深入研究,所设计的热循环系统有效解决了半导体制冷片控温技术难点,具备宽范围、快速变温、高效稳定运行的特点,适用于荧光定量PCR仪的热循环反应,具有较好的市场前景,有利于提高国内PCR仪的市场竞争力。
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