基于分段式超前校正的微流控PCR温度控制器.pdf

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1、2012年第31卷第9期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)93基于分段式超前校正的微流控PCR温度控制器刘勇，高娜，李志刚，朱灵，李飞，张龙(中国科学院安徽光学精密机械研究所光电子技术研究室。安徽合肥230031)摘要：根据微流控聚合酶链式反应(PCR)对温度控制的要求，设计了一种分段式超前校正温度控制器。针对被控对象的动态特性，采用了超前校正改善系统性能；根据温度误差大小调节控制参数，误差较大时快速升降温，误差较小时精确控温。实验结果表明：分段式超前校正温度控制器不仅提高了系统响应速度，还减小了稳态误差，平均升温速率为4．46℃／s，

2、平均降温速率为4．36℃／s，稳态误差不大于0．5oC，已成功用于微流控PCR实验。关键词：微流控；聚合酶链式反应；温度控制；分段控制；超前校正中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)09--0093--03TemperaturecontrollerofmicrofluidicPCRbasedonsectionalleadcorrectionLIUYong，GAONa，LIZhi-gang，ZHULing，LIFei，ZHANGLong(OptoelectronicTechnologyLaboratory，AnhuiInstituteofOpticsand

3、FineMechanics，ChineseAcademyofSciences，Hefei230031，China)Abstract：AccordingtotemperaturecontrolrequirementofmicrofluidicPCR，asectionalleadcorrectiontemperaturecontrollerisdesigned．Aimingatthedynamiccharacteristicsofcontrolledobject，theperformanceofsystemisimprovedbyusingleadcorrection．Theparameters

4、ofcontrollerareadjustedaccordingtothetemperatureerorSOastoconductfastresponsewhentemperatureerorislargeandprecisecontrolwhentheerorissmal1．Experimentalresultsshowthatsectionalleadcorrectiontemperaturecontrollernotonlyimprovetheresponseratebutalsoreducethesteadystateerror．Theaverageheatingandcooling

5、rateofthesystemare4．46~C／sand4．36~C／srespectively，steadystateerrorisnotmorethan0．5℃，andthesystemissuccessfullyappliedinmicrofluidicPCRexperiment．Keywords：microfludics；PCR；temperaturecontrol；sectionalcontrol；leadcorrection0引言的精度非常重要，直接影响PCR实验成功与否，较大的温聚合酶链式反应(polymerasechainreaction，PCR)是度偏差会导致PCR实验失

6、败J。近年来研究表明J，提高20世纪8O年代发展起来的体外快速扩增特定基因或DNAPCR热循环中3个温区之间的升降温速率，不仅能够缩短序列的技术。它具有特异、敏感、快速、简便、产率高等优整个PCR扩增过程所需时间，而且特异性更好。因此，点，在分子生物学和基因工程实验室、疾病检测、临床应用、PCR反应中的温度控制不仅涉及升温、降温和恒温过程，还商品检疫、新医药开发和工农业制品等方面显示了巨大潜要求温度控制精度高，超调小，调节时间短。在温度控制力和广泛用途。微流控PCR是在微流控芯片上加工的中，微流控芯片周围环境温度也会对其造成干扰，因此，这微反应室中进行PCR，利用芯片体积小、比表面积大和集成

7、种温度控制具有时变、非线性等不利因素。如果采用传统度高等特点，实现芯片上的DNA快速扩增，具有耗样少、扩的PID算法，控制参数选择较困难，系统存在抗干扰能力增效率高、速度快和可集成等优势，在国内外已得到广泛研差、超调量大等缺点J。究和商业化应用J。本文采用系统辨识的方法建立了被控对象的数学模PCR由高温变性、低温退火和适温延伸组成一个周期，型，利用前馈控制对周围环境温度进行补偿，并根据所建模循环进行，使目的基