数字PCR测试仪结构设计与分析研究

摘要

数字PCR测试技术是通过将样本分到几万乃至几百万个微室中进行单独反应并扩增，再通过荧光检测的方法确定样本目标基因的个数，根据目标样本基因的含量，从而确定其疾病的类型。目前市面上比较成熟的PCR测试仪为荧光定量PCR测试仪，其采用技术相比于传统的水浴式PCR检测技术有了巨大的提升，但其检测依赖荧光曲线和Ct值，受环境影响较大，无法满足医疗行业的高精度要求，而数字PCR测试仪的应用很好的解决了这一问题，它的检测不依赖标准样本和Ct值。发展数字PCR测试仪为大势所趋，而目前市面上数字PCR测试仪都由国外公司垄断，设备价格昂贵，后期维护不便。因此，依靠科学的方法研究出具有自主知识产权、性价比高的数字PCR测试仪具有重要的实用价值。
　　本文以数字PCR测试仪的结构设计为研究重点，通过理论计算与计算机辅助设计相结合的方法，在充分考虑整机仪器的结构设计的合理性、外观和方便维修等基础上，基于最新一代的PTC Creo3.0软件、ADAMS与Ansys软件完成了数字PCR测试仪中有关机械部分的结构设计与整机的性能分析。
　　本文首先介绍了数字PCR测试仪的组成，研究了数字PCR测试仪的工作原理、工作流程，并对现代化的产品设计方法进行了分析研究。根据所设计仪器需要实现的功能，设计出合适的结构方案。设计采用丝杆步进电机与直线滑动导轨相结合的数字PCR测试仪取样平台的驱动系统，通过设计双层进样针，实现一次完成多个样本的取样，并避免样本之间的交叉污染，用以提高工作效率。通过设计先进的液路和光学检测系统，实现了一种显微成像型微滴式数字PCR荧光检测方法，克服了荧光定量PCR测试仪其检测结果依赖荧光曲线和Ct值的不足。通过理论计算与实际相结合的方式完成数字PCR测试仪的丝杆步进电机与滑动导轨的选型设计，并计算设计出所需要的泵、阀和各类传感器，实现了数字PCR测试仪的基本功能，并对关键零部件进行有限元分析研究。
　　同时，对数字PCR测试仪进行了机箱设计、箱体材料的选择和仪器的整体装配和布局研究。基于Adams软件对数字PCR测试仪取样平台进行了运动性能分析研究，研究出了合理的运动参数。并通过ANSYS软件对取样针进行了有限元分析，检验其强度是否满足设计要求，传感器选择是否合理。虚拟仿真结果表明，零部件设计合理，电机结构设计方案满足要求。最后对数字PCR测试仪识别荧光信号能力进行测试，测试结果显示，研究设计制造出的测试仪，其荧光信号能够很好的识别，微滴间隔均匀，荧光强度基本一致，阴阳分割明显。

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