实时小型PCR仪16孔反应池的热学分析..doc

实时小型PCR仪16孔反应池的热学分析 摘要：本研究通过SolidWorks软件构建一种小型16孔PCR反应池的三维实体模型，并对该反应池和反应样品的热通量进行了理论分析，在此基础上利用ANSYS软件进行了温度场动态分布的仿真分析，得出反应池底的温度均匀性一致，计算出样品池底与反应液的温度差值，为温度控制提供数据依据，为自行设计的实时PCR仪的研发提供了理论基础。 关键词：温度控制；实时PCR；ANSYS；温度分布 Abstrac:Geometrically virtual models of three-dimensional PCR reaction chamber was constructed 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 Temperature 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 real—time PCR instrument． Keywords：temperature control;real—time PCR;ANSYS; Temperature Uniformity 引言 PCR是聚合酶链反应(polymerase chain reaction)的简称,是一种在体外由引物引导的DNA序列酶促合成反应,就是在体外合成特异DNA片段的新方法，通过PCR仪，主要由高温变性、低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环完成，如图1。PCR仪通过控制样品达到不同温度,对被扩增的DNA片段进行变性、退火和聚合处理,以达到将DNA片段的量成倍扩增的目的，一般通过20～30个循环，可以获得106～10倍的扩增[1-2]。因此,温度控制的精度,尤其是各个温度值的时间控制,直接影响DNA片段扩增的效率。 图1 典型的PCR升降温工作循环曲线 准确的温度测量是进行精确温度控制的基础。在PCR仪中，温度检测是关系整个系统能否正常工作的关键[3]。PCR仪的温度控制系统通常只能对样品试剂反应池的地座的有限个数点(通常是1~3个)进行温度采样和控制[4-5],底座的温度与反应液的实际温度是否存在差异，这将直接影响温度检测的准确性以及DNA片段扩增的效率。 本研究针对本实验室自行设计的实时PCR仪中的温度控制系统进行研究，建立4*4孔板的整体反应池模型，并对该反应池和反应样品的热通量(热流密度)进行了理论计算，在此基础上利用ANSYS软件进行了温度场动态分布仿真分析，得出反应池底的温度均匀性，计算分析样品池底与反应液的温度差，为温度控制及检测提供参考数据，为自行设计的实时PCR仪的研发提供了理论基础。 材料和方法 1.1 三维实体模型的建立 利用三维实体建模软件Solidworks 2008建立三维热学模型。热学模型由三部分组成：16孔反应池（如图2），尺寸大小为20×20×10（单位：mm），反应液试剂盒（如图3） 图2小型16孔反应池 图3小型16孔反应液试剂盒 1.2有限元热学模型的建立 本例属于热瞬态分析，选用SOLID70三维六面体单元进行有限元分析。 网格划分是建立有限元模型的重要环节，所划分网格的质量对计算精度和计算速度将产生直接影响[6-7]。为了使所建模型具有较高的质量，提高数据可靠性，本研究采用了多模块分层网格划分的思路。在网格划分时，对试剂底部附近划分的相对精细（模型底部），如图4所示。对整个模型上部进行了比较均匀的网格划分（图5）。这样可以尽量减少单元和节点数目，加快计算，并保证计算精度，使网格划分质量引起的结果误差降到最小。 图4网格局部放大图 图5模型的网格划分 1.3边界条件