實時小型PCR儀孔反應(yīng)池的熱學(xué)分析

1、實時小型PCR儀16孔反應(yīng)池的熱學(xué)分析摘要：本研究通過SolidWorks軟件構(gòu)建一種小型16孔PCR反應(yīng)池的三維實體模型，并對該反應(yīng)池和反應(yīng)樣品的熱通量進行了理論分析，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS軟件進行了溫度場動態(tài)分布的仿真分析，得出反應(yīng)池底的溫度均勻性一致，計算出樣品池底與反應(yīng)液的溫度差值，為溫度控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為自行設(shè)計的實時PCR儀的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：溫度控制；實時PCR；ANSYS；溫度分布Abstrac:Geometrically virtual models of three-dimensional PCR reaction chamber was constructe

2、d using SoiIdWorks software, and calculated the heat flux of the reaction chamber and sample . The temperature distribution of the reaction system was performed using finite element software ANSYS11.0 according to computation thermal method. Results showed that there are different effects on the Tem

3、perature in the the reaction chamber and the sample,and the same of Temperature Uniformity in the chamber bottom.This provide the experimental data and theoretical foundation develop a self-design realtime PCR instrumentKeywords：temperature control;realtime PCR;ANSYS; Temperature Uniformity引言PCR是聚合酶

4、鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction)的簡稱,是一種在體外由引物引導(dǎo)的DNA序列酶促合成反應(yīng),就是在體外合成特異DNA片段的新方法，通過PCR儀，主要由高溫變性、低溫退火和適溫延伸三個步驟反復(fù)的熱循環(huán)完成，如圖1。PCR儀通過控制樣品達(dá)到不同溫度,對被擴增的DNA片段進行變性、退火和聚合處理,以達(dá)到將DNA片段的量成倍擴增的目的，一般通過2030個循環(huán)，可以獲得10610倍的擴增1-2。因此,溫度控制的精度,尤其是各個溫度值的時間控制,直接影響DNA片段擴增的效率。圖1 典型的PCR升降溫工作循環(huán)曲線準(zhǔn)確的溫度測量是進行精確溫度控制的基礎(chǔ)。在PCR儀中，溫度檢測是關(guān)系整個

5、系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵3。PCR儀的溫度控制系統(tǒng)通常只能對樣品試劑反應(yīng)池的地座的有限個數(shù)點(通常是13個)進行溫度采樣和控制4-5,底座的溫度與反應(yīng)液的實際溫度是否存在差異，這將直接影響溫度檢測的準(zhǔn)確性以及DNA片段擴增的效率。 本研究針對本實驗室自行設(shè)計的實時PCR儀中的溫度控制系統(tǒng)進行研究，建立4*4孔板的整體反應(yīng)池模型，并對該反應(yīng)池和反應(yīng)樣品的熱通量(熱流密度)進行了理論計算，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS軟件進行了溫度場動態(tài)分布仿真分析，得出反應(yīng)池底的溫度均勻性，計算分析樣品池底與反應(yīng)液的溫度差，為溫度控制及檢測提供參考數(shù)據(jù)，為自行設(shè)計的實時PCR儀的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。1、 材料和方法1.

6、1 三維實體模型的建立 利用三維實體建模軟件Solidworks 2008建立三維熱學(xué)模型。熱學(xué)模型由三部分組成：16孔反應(yīng)池（如圖2），尺寸大小為20×20×10（單位：mm），反應(yīng)液試劑盒（如圖3）及反應(yīng)液。 圖2小型16孔反應(yīng)池 圖3小型16孔反應(yīng)液試劑盒1.2有限元熱學(xué)模型的建立 本例屬于熱瞬態(tài)分析，選用SOLID70三維六面體單元進行有限元分析。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，所劃分網(wǎng)格的質(zhì)量對計算精度和計算速度將產(chǎn)生直接影響6-7。為了使所建模型具有較高的質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)可靠性，本研究采用了多模塊分層網(wǎng)格劃分的思路。在網(wǎng)格劃分時，對試劑底部附近劃分的相對精細(xì)（

7、模型底部），如圖4所示。對整個模型上部進行了比較均勻的網(wǎng)格劃分（圖5）。這樣可以盡量減少單元和節(jié)點數(shù)目，加快計算，并保證計算精度，使網(wǎng)格劃分質(zhì)量引起的結(jié)果誤差降到最小。 圖4網(wǎng)格局部放大圖 圖5模型的網(wǎng)格劃分1.3邊界條件的施加樣品試劑反應(yīng)池的側(cè)壁與外圍空氣無對流換熱。根據(jù)文獻8可知，樣品試劑反應(yīng)池側(cè)壁與外圍空氣的自然對流換熱是影響PCR儀溫度均勻性的一個重要因素，在PCR儀樣品試劑反應(yīng)池基座側(cè)壁采用保溫材料環(huán)繞,可避免側(cè)壁與外圍空氣的對流換熱，故此不考慮樣品試劑反應(yīng)池的側(cè)壁與外圍空氣的對流換熱，視為絕熱。在樣品反應(yīng)池的下表面施加隨時間呈線性變化的溫度載荷（4/S的升溫速率），計算其熱流密度為

8、139762.5W/m2,連續(xù)加熱60秒。本實驗室采用半導(dǎo)體(帕爾貼)來搭建PCR儀加熱與制冷系統(tǒng)，根據(jù)帕爾貼性能參數(shù)及實驗室研究結(jié)果，在密閉條件下升溫溫度可達(dá)到4/S。反應(yīng)池的上表面視為絕熱。各部分材料的熱力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。表1材料的熱力學(xué)性能參數(shù)材料比熱J/(kg·c）密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/m3·鋁9462710226.1塑料1463.712000.50244反應(yīng)物418210000.6972、 結(jié)果分析2.1 溫度分布圖如圖6所示，為模型的溫度等值線圖。從圖中可以看出，模型溫度均勻分布，反應(yīng)池底的溫度均勻性一致。 （a）模型整體溫度等值線 （b）模型溫度等值

9、線剖面示意圖圖6溫度分布圖2.2 數(shù)據(jù)分析如圖7所示，反應(yīng)液中心節(jié)點隨時間變化曲線。反應(yīng)液的升溫速率大概在每秒3，與反應(yīng)池底面的升溫速率存在一定的差異。圖7反應(yīng)液中心節(jié)點隨時間變化曲線如表2所示，反應(yīng)液中心節(jié)點與其對應(yīng)反應(yīng)池底面垂直節(jié)點的溫度及溫度差。從表中可以看出反應(yīng)液的溫度與反應(yīng)池底面的溫度存在著一定的差異，并且這種差異隨著溫度的升高而增大。這意味著當(dāng)?shù)酌鏈囟冗_(dá)到95時，反應(yīng)液的溫度早已超過了95?？梢杂行У睦眠@一差異，提高PCR儀的擴增效率。表2反應(yīng)液中心節(jié)點與其對應(yīng)反應(yīng)池底面垂直節(jié)點的溫度及溫度差值點節(jié)間時度溫TEMP_2TEMP_3溫度差831.791232.5720.780810

10、35.244536.22290.97841239.400440.57651.17611444.258945.63261.37371649.8251.39131.57131856.083757.85261.76892063.0565.01651.96652270.718972.8832.16412479.090481.45212.36172688.164590.72382.55932897.9412100.6982.75683、 結(jié)論本文數(shù)值模擬了實時小型PCR儀16孔反應(yīng)池的熱學(xué)溫度分布。結(jié)果表明，本實驗室設(shè)計的反應(yīng)池結(jié)構(gòu)溫度均勻性一致、樣品池底與反應(yīng)液的溫度差存在一定的差異。這種差異可以為溫

11、度控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為自行設(shè)計的實時PCR儀的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。4、 參考文獻1 Saukkoriipi A, Palmu A, Kilpi T,et al. Real-time quantitative PCR for the detection of streptococcus pneumoniae in the middle ear fluid of childrenwith acute otitismedia J. Molecular and Cellular Probes, 2002,16: 385-390.2 Cunningham P, Marriott D, Harris C,

12、et al. False negative HIV-1 proviral DNA polymerase chain reaction in a patient with primary infection acquired in Thailand J. Journal of Clinical Virology,2003,26: 163-169.3王宇松,佟慧艷,等.影響PCR儀溫度控制精度的因素分析J. 生命科學(xué)儀器,2007,5(2):19-23.4 Grover J, Juncosa RD, Stoffel N,et al. Fast PCRThermal Cycling Device J

13、. IEEE SENSORS JOURNAL. 2008,8(5): 476-487.5邱憲波,袁景淇,唐日泉,等.基于ADuC824的PCR儀測溫系統(tǒng)的研制J.計算機工程, 2004,30(7): 159-160.6 Hassan T,Timofeev EV,Saito TA.Proposed parent vessel geometry-based categorization of saccular intracranial aneurysms:Computational flow dynamics analysis of the risk factors for lesion rupture.Neurosurg.2005;103:662-680.7 Tateshima S,Murayama Y,Vill