聚合酶反應儀之等效溫度控制設計

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1、JournalofInformatics&Electronics,Vol.1,No.2,pp.19-29.October2006聚合酶反應儀之等效溫度控制設計李嘉陵、*吳榮峰、**龔鈴銘傳大學生物醫學工程學系E-mail:jllee@mcu.edu.tw*中正理工學院電機工程學系E-mail:jackwu520@hotmail.com**長庚大學電子工程研究所E-mail:betty19831121@yahoo.com.tw摘要聚合脢鏈鎖反應(PCR)是一種被廣泛應用於大量增殖某一種特定去氧核糖核酸(DNA)序列的標準技術。此技術因

2、具備快速、材料便宜、可用極少量DNA樣本大量增殖可供進一步分析的DNA分子⋯等特性，遂成為分子生物學實驗室不可或缺的要角，具有大量的市場需求。而PCR的技術原理是以少量耐熱性的DNA於高溫循環作用中經由變性、黏合及延伸的程序將其大量增殖。由於在增殖過程中，溫度循環控制的速度及準確度是非常重要的因素，然而傳統比例積分微分(PID)控制在溫度昇降速度與超越量間存在衝突。因此，本論文著手研究PCR儀的設計，其目的在改善目前PCR儀的溫度控制系統之性能。改善的方式是於控制架構上利用熱流迴授取代傳統PID控制中的溫度微分項部分，亦即是比例積分

3、熱流(PIT)控制器，可避免PID控制放大雜訊，使得PCR溫度循環控制系統有效達成PCR儀所需要的精確溫度；於理論上以李亞普諾夫(Lyapunov)穩定定理決定PIT與PID控制法則的穩定條件。其次利用PCR儀的實例模擬以驗證PIT控制器能有效維持期望的溫度循環與其強健性。最後，藉由ElettrronicaVeneta公司的溫控箱實驗証實本論文所提出PIT控制器的有效性。關鍵字:聚合脢鏈鎖反應、溫度循環、比例積分微分控制、熱流。1.緒論(Introduction)度與超越量(Overshoot)間存在衝突。因此，本論文著手研究PCR

4、儀的設計，其目的在改善目前PCR儀的溫度1.1研究動機與目的(MotivationandObjective)控制系統。改善的方式是於控制架構上利用熱流迴授來代替傳統PID控制中的溫度微分項部分，亦即是比例積由於醫療儀器產業與生物科技產業深具發展潛力，分熱流(Proportional-Integral-Thermal,PIT)控制使得在抗已成為各國競相發展之產業，亦為我國重點推動發展新雜訊的能力可以提高，以及PCR溫度循環控制能有效達興產業之一。因此希望藉由本論文研究能夠對於這方面成PCR儀所需要的精確溫度，於理論上以李亞普諾夫的技術

5、有所瞭解與突破，以提高國內醫療儀器的研發能(Lyapunov)穩定定理決定PIT與PID控制法則的穩定條力。由於聚合脢鏈鎖反應(PolymeraseChainReaction,件。其次利用PCR儀的實例模擬以驗證PIT控制器能有PCR)儀是分子生物學實驗室中的基本設備，目前聚合效維持期望的溫度循環與其強健性。最後，藉由脢連鎖反應技術PCR已是一種標準的方法應用於大量增ElettrronicaVeneta公司的溫控箱實驗証實本論文所提出殖某一種特定去氧核糖核酸(DeoxyribonucleicNucleicPIT控制器的有效性。Aci

6、d,DNA)的技術，而且更重要是它有廣泛的實務應用潛力[1-4]，因此聚合酶反應儀具有非常大量的市場需求。未來在醫療技術與生物技術方面它也必定繼續扮演1.2文獻回顧（ReviewofPreviousResearch）舉足輕重的角色。一般市面上的PCR儀，溫度的升降速度差不多都在由於在增殖過程中，溫度循環控制的速度及準確度02~4C/sec之間。其加熱方式可分成下列三種：1.Metal是非常重要之因素，然而傳統比例積分微分Block,2.Water3.Air。目前絕大部分的PCR儀屬於.Metal(Proportional-Integ

7、ral-Derivative,PID)控制在溫度昇降速-19-EquivalentControlDesignofTemperatureRegulationforPCRInstrumentationsBlock，其次是Air。PCR儀有幾個基本要求：1.溫度準的反應。因此，[10]利用專家系統結合PID控制器，使確性、再現性要高，2.Tube與Tube間之溫度要一致，3.PID控制器可以隨時在線上根據系統的變動做出適當的熱傳導性要佳。以下簡介這三種PCR儀：調整，而且對受控體愈了解時，愈能改善控制之結果。金屬板加熱方式是目前最常見的一

8、種。它是藉由一其它方法，例如模糊PID控制[11]和類神經PID控制種加熱器Peltier加熱在鋁合金的金屬板上。金屬板上有[12]等，都能夠即時去掌握系統目前的特性以讓PID控孔洞可插放0.5ml微量管。冷卻系統使用風扇來散熱。制器