基因扩增过程温度控制技术研究

摘要

基因扩增技术即聚合酶链反应(polymerasechainreaction)简称PCR，又称无细胞分子克隆系统或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增法，可将极微量的靶DNA特异地扩增上百万倍，从而大大提高对DNA分子的分析和检测能力。因而此方法立即在分子生物学、微生物学、医学及遗传学等多领域广泛应用和迅速发展。能够完成基因扩增反应的仪器就是PCR仪，又称酶链聚合扩增仪。目前，PCR仪的生产厂商国外居多，国内现有的PCR仪控温指标低于国外主要厂家生产的PCR仪。
　　 本文设计PCR仪的温度控制技术，以瑞萨单片机为控制处理器，采用半导体制冷器作为PCR仪的变温元件，在温度控制方法上采用分段控制，在温度上升和下降阶段的初期采用Bang-Bang控制，加快系统响应速度，达到设定的阈值时开始PID调节，并进入恒温阶段控制，在不同的恒温点整定PID的参数以满足系统控制要求。论文主要内容如下:第一章介绍了PCR技术的反应原理、反应条件以及国内外PCR仪的研究现状，阐述了常用的温度控制器和温度控制算法。第二章介绍了PCR仪的硬件结构和采用的温度控制系统。其中着重介绍了PCR仪温控系统的变温原理和温度传感器的选择依据。最后简单介绍了辅助元件-热盖。第三章具体说明了温度的控制方法。上升阶段和下降阶段采用Bang-Bang控制结合PID控制的策略，重要的是通过实验确定Bang-Bang控制的阈值。在恒温保持阶段采用继电整定参数的PID控制，保证控制的精度和稳态。最后简单说明了如何减小干扰对系统的影响。第四章是关于温度控制技术软件设计中的存储调度系统，重点是说明了用户程序的数据结构和接口定义。第五章对设计PCR仪过程中，应该考虑到的影响温度控制过程的因素进行分析。第六章是对本论文工作的总结。
　　 随着基因科学和分子生物学的发展，科研人员对基因扩增仪提出了更高的要求，期望仪器功能更完善、分析快速、检测灵敏度高、性能更为优越。这将促进基因扩增仪的发展，也有益于人类科学技术的发展。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 基因扩增过程技术概述

1．1．1 PCR反应原理

1．1．2 PCR反应的条件

1．1．3 PCR反应条件

1．1．4 PCR的技术应用

1．2 基因扩增仪研究现状

1．3 基因扩增仪的温度控制方案

1．4 PID控制器

1．4．1 PID基本控制原理

1．4．2 PID参数整定

1．5 本论文研究的主要内容

第2章 基因扩增过程温度控制硬件结构

2．1 温度控制的硬件结构

2．2 半导体变温原理

2．3 传感器选择

2．4 常见温度控制系统分析

2．4．1 开环温度控制系统

2．4．2 闭环温度控制系统

2．4．3 本方案采用的温度控制系统

2．5 辅助元件

2．6 本章小结

第3章 基因扩增过程温度控制方案设计

3．1 加热升温阶段温度控制

3．1．1 温度直升控制方法

3．1．2 直升温度停止点的确定

3．2 下降阶段温度控制

3．3 恒温阶段温度控制

3．3．1 继电整定PID参数

3．3．2 级联PID控制

3．4 抗干扰方法

3．5 本章小结

第4章 温度控制的用户程序存储结构及设计

4．1 系统存储结构

4．2 用户区数据存放格式和数据结构

4．2．1 程序区数据存放格式

4．2．2 用户区用户文件数据存放格式

4．3 温度数据采集模块数据结构定义

4．4 本章小结

第5章 影响温度控制过程中加热／制冷效果的因素

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得成果