实时小型PCR仪孔反应池的热学分析

1、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 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、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2030个循环，可以获得10610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

5、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13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。1、 材料和方法1.

6、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）及反应液。 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（

7、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边界条件的施加样品试剂反应池的侧壁与外围空气无对流换热。根据文献8可知，样品试剂反应池侧壁与外围空气的自然对流换热是影响PCR仪温度均匀性的一个重要因素，在PCR仪样品试剂反应池基座侧壁采用保温材料环绕,可避免侧壁与外围空气的对流换热，故此不考虑样品试剂反应池的侧壁与外围空气的对流换热，视为绝热。在样品反应池的下表面施加随时间呈线性变化的温度载荷（4/S的升温速率），计算其热流密度为

8、139762.5W/m2,连续加热60秒。本实验室采用半导体(帕尔贴)来搭建PCR仪加热与制冷系统，根据帕尔贴性能参数及实验室研究结果，在密闭条件下升温温度可达到4/S。反应池的上表面视为绝热。各部分材料的热力学性能参数如表1所示。表1材料的热力学性能参数材料比热J/(kg·c）密度kg/m3导热系数W/m3·铝9462710226.1塑料1463.712000.50244反应物418210000.6972、 结果分析2.1 温度分布图如图6所示，为模型的温度等值线图。从图中可以看出，模型温度均匀分布，反应池底的温度均匀性一致。 （a）模型整体温度等值线 （b）模型温度等值

9、线剖面示意图图6温度分布图2.2 数据分析如图7所示，反应液中心节点随时间变化曲线。反应液的升温速率大概在每秒3，与反应池底面的升温速率存在一定的差异。图7反应液中心节点随时间变化曲线如表2所示，反应液中心节点与其对应反应池底面垂直节点的温度及温度差。从表中可以看出反应液的温度与反应池底面的温度存在着一定的差异，并且这种差异随着温度的升高而增大。这意味着当底面温度达到95时，反应液的温度早已超过了95。可以有效的利用这一差异，提高PCR仪的扩增效率。表2反应液中心节点与其对应反应池底面垂直节点的温度及温度差值点节间时度温TEMP_2TEMP_3温度差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、 结论本文数值模拟了实时小型PCR仪16孔反应池的热学温度分布。结果表明，本实验室设计的反应池结构温度均匀性一致、样品池底与反应液的温度差存在一定的差异。这种差异可以为温

11、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。4、 参考文献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,佟慧艳,等.影响PCR仪温度控制精度的因素分析J. 生命科学仪器,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邱宪波,袁景淇,唐日泉,等.基于ADuC824的PCR仪测温系统的研制J.计算机工程, 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