基于光纤光栅传感技术的基因扩增实验数据分析方法研究.pdf

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1、第38卷第1期辽宁师范大学学报(自然科学版)Vol_38No．12015年3月JournalofLiaoningNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Mar．2Ol5文章编号：1000—1735(2015)01—0017-05doi：10．11679／lsxblk2O15O1OO17基于光纤光栅传感技术的基因扩增实验数据分析方法研究王金鹤，尹柯，张楠，迟春梅(青岛理工大学计算机工程学院，山东青岛266033)摘要：在基因扩增反应室中构建一种适宜高效的温控模型是一个研究热点和

2、难点，国内外学者对此类问题的研究比较活跃．基因扩增反应过程由自动控制程序完成，在这个扩增过程中，外部环境因素通常能影响扩增的最终分析结果，为了能正确分析扩增结果，合理推算扩增进程，文中对反应室热平衡状态下的光纤实验数据采集方法进行了深入研究，用数学方法给出了模块转换函数和反应转换函数等若干定义和相关定理，并依据这些基础理论给出了数据分析结果并对数据采集方法进行了总结，建立了实验数据分析模型，这为形成基因检测控制技术后续控制将能打下坚实基础．实验结果表明了所提出的实验数据分析方法效果良好．关键词：数学模型；过程控制

3、；光纤光栅传感器；基因；聚合酶链反应中图分类号：0242．1文献标志码：A将DNA聚合酶引入PCR，并使基因扩增过程由自动控制程序完成，已经引起了众多研究者所关注[1]．一方面，由于许多PCR的失败并不是发生在样本的扩增阶段，归因于标本的制备不当，PCR扩增的目的是对扩增片段的检测和分析，在这个研究领域，大量文献集中在PCR及其在各种试剂的作用方面l_6。；另一方面，PCR扩增阶段是基因检测控制系统的一个重要阶段，没有DNA的扩增，就谈不上后续的检测和分析．对影响聚合酶链反应结果的分析和研究早已受到国外研究专家的

4、高度重视，他们已经研究积累了大量科研成果，近年来国内亦有一些学者『8对影响PCR结果的因素进行了研究．笔者对检测系统的实验数据用数学方法建立了分析模型，这种模型把采集数据分为n路，每路数据限定在一维空间内，这样数据采集模型利用维空间T表达，数据采集模型能为后续的基因检测控制技术的控制方法打下基础．1数学模型建模实验数据采集系统能够利用测温单元直接把数据采集出来，模块采用96孔的常规模块单元，数据控制单元分n路布置光纤传感器组，每路共设置m个模块传感器，用于进行试验控制数据采集单元，在模块上部的反应孔布置的光纤传感

5、器探头简称反应室传感器，与模块的对应位置下部布置的传感器简称模块传感器，假设模块传感器为A(i一1，2，3，⋯，，一1，2，3，⋯，m)，反应室传感器为w(一1，2，3，⋯，，J=1，2，3，⋯，)，其中，A(i一1，2，3，⋯，72，J一1，2，3，⋯，m)和W(i一1，2，3，⋯，n，J一1，2，3，⋯，)均为模拟量．为了建立模型，给出如下定义和定理：收稿日期：2014-10—07基金项目：国家自然科学基金项目(31271077)作者简介：王金鹤(1963一)，男，河南清丰人，青岛理工大学教授，博士18辽宁师

6、范大学学报(自然科学版)第38卷定义l(模块转换函数)通过模块传感器A采集的数据值经过一个转换函数G后形成另外一种十进制数据量n，则这个函数G就称为模块转换函数，这个数据量n就称为模块温度．定义2(反应转换函数)通过反应室传感器w采集的数据值经过一个解调转换函数H后，形成另外一种十进制数据量_厂，则这个函数F就称为反应转换函数，这个数据量就称为反应温度．定义3(分支模式函数)把分支测试模块温度a和反应温度_厂通过耦合函数计算并经过实验校正后，得到的温度量Q称为分支测试温度，这个校正后的耦合函数B称为分支模式函数．

7、用向量A表示每路(或分支)模块温度a(i一1，2，3，⋯，)的数据，依据定义1可知，A可看做维空间丁的一个点，则有：A(A1，A2，⋯，A)一G(n1，a2，a3，⋯，a)，即，A—G(ala∈T)．用向量F表示每路反应温度_厂(一1，2，3，⋯，n)的数据，依据定义2可知，F可看做维空间T的一个点，则有：F(F，Fz，⋯，F)=H(f，f2，f3，⋯，f)即，F—H(fIf∈T)．维空间丁的点P在任意t时刻的反应模数lpf定义为厂—————一lPl()一／∑P。()／．于是，就得到了如下定理：定理1(分支模式函

8、数的存在定理)通过反应温度和模块温度的耦合和计算以及校正，则有在任意时刻t，分支模式函数B为：B(￡)一lFl()[1+叩(￡)]，其中，)=~／]@(IFI(t)-IAI(t))．标准模式函数表示的是自动控制系统加载得到的分支测试温度，是某路测试实际温度均值．依据取得的数据B()，可计算单个测试点的数据，进而确定DNA反应阶段和吸放热状态．定义4(关联系数和分支系数)对