【摘 要】
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核酸体外扩增是分子生物学研究的基础,在体外以特定温度进行的基于酶促的DNA扩增反应被广泛研究,许多装置被开发以满足扩增需求。微流体设备作为一种微反应器,是用来研究体外扩增技术的有利工具。在进行核酸扩增实验时,温度的准确与否非常关键,如何准确测量和控制微流体实时温度是一个重要问题。本文以微流体接触式温控系统为研究对象,研究微流控中芯片级的温度补偿和温控方法,分别以开环和闭环控制方法实现芯片内核酸温度
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（No.51728502）；
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核酸体外扩增是分子生物学研究的基础,在体外以特定温度进行的基于酶促的DNA扩增反应被广泛研究,许多装置被开发以满足扩增需求。微流体设备作为一种微反应器,是用来研究体外扩增技术的有利工具。在进行核酸扩增实验时,温度的准确与否非常关键,如何准确测量和控制微流体实时温度是一个重要问题。本文以微流体接触式温控系统为研究对象,研究微流控中芯片级的温度补偿和温控方法,分别以开环和闭环控制方法实现芯片内核酸温度的准确测量和控制。本文的研究内容主要包括:为了能准确测得微流控芯片中流体样品溶液的实时温度,完成了传感器温度的补偿工作。利用COMSOL仿真软件模拟了开环温控模型,基于传感器安装位置和外部环境温度的不同,研究传感器温度和流道温度的变化。成功通过拟合传感器与流道温差的线性模型,使得传感器能够准确表征微流道流体温度。对比补偿后的传感器温度与热成像仪标定的流道温度,温度误差不超过±0.25℃。为了降低外部环境和硬件老化或漂移对开环控制带来的干扰,提高开环温控系统的鲁棒性,提出了一种基于多参数辨识的微流体开环温控方法。该方法基于不同工况下温度传感器采集实时温度数据,完成了开环温控系统的模型构建。利用上位机完成了温控模型的关键参数辨识,并根据下一轮数据采集来随时修正温控模型参数。通过对不同的恒温加热片温控模型分析,成功验证了该多参数辨识温控方法具有普适性。为了降低传统闭环PID算法针对带有滞后和惯性的温控系统而带来的高超调量和振荡,同时提高微流体温控反应的速率、稳定性和抗干扰性,提出了一种改进式的积分分离式PID-Fuzzy闭环温控方法。首先设计了改进式的积分分离式PID算法。然后仿真分析闭环温控模型的参数特性,利用仿真规律和实验实践结合的方法设计了模糊控制器,成功设计了改进式的积分分离式PID算法与模糊控制结合的PID-Fuzzy温控算法。最后对温控系统在90 s时施加干扰,发现改进后的温控系统能够具有更快的响应速度、更好的稳定性以及更低的超调量。通过MIRA技术实现了鸭源核酸的成功扩增,验证了基于多参数辨识的开环微流体温控系统和改进式的积分分离式PID-Fuzzy闭环微流体温控系统的正确性和准确性。通过d PCR技术实现了羊肉掺假鸡肉的鉴定,验证了闭环温控系统能够有效降低超调量（≤0.15℃）,达到较好的准确性（±0.1℃）和较高响应速度（5.7℃/s）。
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