基于Smith预估器的PCR仪时滞温控系统.pdf

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1、第43卷第2期同济大学学报(自然科学版)Vo1．43No．22015年2月JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Feb．2Ol5文章编号：0253—374X(2015)02—0293—06基于Smith预估器的PCR仪时滞温控系统许秀锋，陆敏恂，周爱国，林宝照(同济大学机械与能源工程学院，上海200092)摘要：为了解决聚合酶链式反应(PCR)仪温度控制中的纯滞cloningtechnique)，是一种短时问内对特定的DNA后问题，在试验数据的基础上，基于Matlab搭建仿真模型．片段进行体外扩增的分子生物学技术．图1是典型仿真结果表明，加入Smi

2、th预估补偿环节可以较好地解决纯的PCR升降温工作循环曲线．PCR仪就是一种用来滞后效应带来的积分累积问题．将仿真得到的方法移植到实完成这种循环反应过程的仪器．际的控制中，可获得良好的控制效果．最后提出添加一个比例一积分一微分(PID)控制器的改进算法，用以解决Smith预估控制算法中鲁棒性不强的问题．关键词：聚合酶链式反应(PCR)仪；Smith预估；温度控制；纯滞后中图分类号：TK018文献标志码：ATime-delayControlSystemofPCRInstrumentBasedonSmithPredictorin图1PCR工作循环曲线示意图l1XUXiufew，LUMin~n，Z

3、IiOUAiguo，LINBaozhaoFig．1PCRworkcycle[](SchoolofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)从图1可以看出，PCR反应的周期性热循环涉及到多个反应温度的快速切换与精确跟踪控制．从Abstract：Inordertosolvethepuretimedelayproblemof动态性能上来说，一次PCR循环一般需要2～4temperaturecontrolinpolymerasechainreaction(PCR)min，而完成一次基因扩增所需要的循环次数通常为appara

4、tus，aMatlabsimulationmodelwasbuiltbasedonactual30~40次，这样一来，完成一次PCR试验就需要近experimentdata．ThesimulationresultsshowthatthetemperaturecontrolsystemwiththeSmithpredictorloopcan两个小时．如果能提高温度控制的响应能力，就可以reducetheaccumulatederrorinintegratedloop，whichis缩短每次PCR反应的时间，从而大大降低完成一次causedbythepuretimedelay．Theactual

5、PCRapparatuscanPCR试验所需的时间，这在缩短科学研究时间上有getabettertemperaturecontroleffectwiththemethod着重要的意义．从稳态精度上来说，以变性温度阶段concludedfromthesimulationmode1．Finally，anoptimized为例，一般情况下，93~94。C时仅需1min就能使模板algorithmofproportion—integration—division(PID)controllerDNA变性．若温度过低，就会使得解链不完全．但温度wasproposedtoimprovetherobustn

6、essoftheSmithpredictor．也不能过高，因为温度一旦过高(大于95。C)就会大大影响Taq酶的活性，导致它的半衰期急剧缩短．Keywords：polymerasechainreaction(PCR)equipment；图2给出了两种温控精度下的实时扩增曲线，Smithpredictor；temperaturecontrol；purelag曲线1到5分别对应4×10。，4×10，4×1O。，4×1O和4×1O份·mL的待增靶序列浓度．从图2a看聚合酶链式反应(polymerasechainreaction)，出，由于控制精度有限使得样品扩增没有严格按照简称PCR，又称无细胞克

7、隆技术(freebacteria指数函数形式进行；图2b扩增曲线的斜率更陡，形收稿日期：2013—12—30第一作者：许秀锋(1977-)，男，博士生，主要研究方向为生物实验仪器建模与控制．E-mail：xuxiufeng@tongji．edu．cn通讯作者：周爱国(1973-)，男，副教授，工学博士，主要研究方向为机电建模与控制、生物仪器开发．E-mail：zhouaiguo@tongii．edu．cn同济