【摘 要】
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基于聚合酶链式反应的核酸扩增检测技术是目前临床诊断的重要手段,其检测过程往往需要借助笨重的分析仪器,由专业人员操作、在特定的实验室中进行。送检过程中需要消耗大量的时间,并且很有可能因为保存不当而使待测样品变质或被污染,出现不正确的检测结果。现场即时检测技术要求能够在采样现场进行检测,从而避免上述问题,而且能够快速得到检测结果,因此现场即时检测所需的便携式分析仪器近年来得到了广泛关注。将核酸扩增检测
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2020YFB2008502）； 国家自然科学基金（51875083）； 大连市科技创新基金项目（2020JJ25CY018）；
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基于聚合酶链式反应的核酸扩增检测技术是目前临床诊断的重要手段,其检测过程往往需要借助笨重的分析仪器,由专业人员操作、在特定的实验室中进行。送检过程中需要消耗大量的时间,并且很有可能因为保存不当而使待测样品变质或被污染,出现不正确的检测结果。现场即时检测技术要求能够在采样现场进行检测,从而避免上述问题,而且能够快速得到检测结果,因此现场即时检测所需的便携式分析仪器近年来得到了广泛关注。将核酸扩增检测设备便携化对于病毒溯源、野外生物实验等具有重要意义。温度控制系统消耗的能量占检测设备能耗的大部分。在资源受限的条件下,仪器的供电条件可能受到限制,甚至必须采用电池供电,因此有必要对其功率进行优化设计,提高其续航能力。本文通过结构、硬件电路和控制算法三个方面对用于聚合酶链式反应的温度控制系统进行分析设计,在确保其正常功能的前提下,降低系统功耗。结构方面,本文设计了可以同时检测16个待测样品的控温样品台,可以兼容生物实验中常用的PCR管和八联管。使用两个半导体制冷片对样品台进行加热,为了确保其稳定工作,半导体制冷片工作面采用样品块进行均温,非工作面采用离心式风扇主动散热。通过对铜制样品块尺寸进行仿真分析,设计均温效果良好、低热容量的样品块,能够降低变温过程所需的能量,并且提高系统的升降温速率。通过绝热性能优良的纳米气凝胶材料包裹样品块减小系统热量散失,能够防止温度受周围环境影响而波动,保证温度分布均匀。硬件电路方面,本文设计了基于STM32微控制器的最小控制电路、基于Σ-Δ模数转换器高精度温度测量电路和全桥拓扑结构的双向电流驱动电路。微控制器读取温度数据,控制驱动电路输出电流对半导体制冷片进行调节,使控温样品台温度受控。主要通过对全桥驱动电路关键器件选型和PCB版图设计,减小大电流电路中的功率损耗。控制算法方面,本文首先通过实验测试了系统的开环响应曲线,通过系统辨识技术构建了系统的开环传递函数,经过仿真初步参数整定后进行实验。微调设计参数后获得了较好的温度控制效果,实时记录系统功率发现温度波动引起功率波动引起不必要的能量浪费。在此基础上引入模糊控制器,在线调整PID参数,明显改善了系统动态性能。设计实验对本文的温度控制系统进行测试,温度测量精度约为±0.05℃,样品块的控温精度小于±0.25℃,最大升降温速率分别为4.85℃/s和2.22℃/s。约1小时实现35次PCR热循环实验,共计消耗能量约55.65 Wh。
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