| PCR自动检测系统及其数据分析软件设计
PCR Autodetection System and Its Data Analysis Software
黄斌 凌志浩
Huang,Bin Ling,Zhihao
摘要： 本文简述了PCR基本原理以及模板扩增方法，介绍了PCR检测系统的整体构成，描述了信号检测的A/D接口电路，讨论了数据分析软件的设计原理，并对两种分析方法的特征和对结果的影响做了比较分析。
关键字： 聚合酶链反应； 信号检测； Ct值； 标准曲线
中文分类号：TP274.5 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: The principle of PCR and the method of amplification of PCR template are introduced firstly. Then the composition of PCR detection system is presented. The A/D interface circuit of signal detection is described. The design principle of data analysis software is discussed. The features and the implication on the results of two different data analysis methods are compared in detail finally.
Key words: Polymerase Chain Reaction; Signal Detection; Cycle threshold; Standard curve
1 引言
现代生物化学与分子生物学是在生物化学、遗传学、微生物学、生物物理学、免疫学以及信息科学相互渗透融汇的基础上发展起来的，已经成为生命科学和医学中的前沿学科。
PCR (Polymerase Chain Reaction，聚合酶链反应)可以非常简便快速地采取体外扩增的方式从微量生物材料中获取大量特定的遗传物质，所以被迅速应用到生命科学、医学研究、遗传工程、SARS等疾病诊断以及法医和考古学等领域，被称为分子生物学实验技术发展的里程碑。
PCR技术原理是将待扩增的DNA做模板，用来与模板正链和负链互补的两种寡聚核苷酸做引物，经过模板DNA的变性、模板与引物结合复性以及在DNA聚合酶作用下发生引物链延伸反应等三步循环来扩增两引物间的DNA片段。每一循环的DNA产物经变性后又成为下一个循环的模板DNA。整个工作过程需要在三种不同温度下（即变性、退火、延伸）循环完成，每经历一次循环可使基因增加一倍，经过30次左右的循环，最终使基因扩增100万倍以上。
根据扩增原理，扩增是呈指数增长，因此在反应体系和反应条件相同的情况下，样本含量与扩增产物的对数成正比，故在一定的条件下荧光强度和样本含量成正比。实时荧光PCR自动检测系统就是利用对荧光信号的检测来监测整个PCR的扩增过程，以获得在线描述PCR过程动力学曲线。这样可将扩增和检测合二为一，降低传统方法过多人为因素的影响，提高检测的自动化水平。
2 系统结构
图1 PCR 检测系统总体构成图
（1）上位机。用于程序设置、数据分析以及结果报告，并实现对PCR全过程进行实时的动态检测。
（2）下位机。用于上位机和扩增仪之间的通信连接，一方面从上位机接收设置数据来控制扩增仪工作；另一方面通过采用先进的传感技术、光电技术和微电子技术将采集到的实时荧光信号及温度信号送到上位机，以实现对数据的分析操作。
（3）扩增仪。作为PCR的核心部分，主要包括：温度循环装置和荧光检测装置。
在聚合酶链反应过程中，温度的控制是关键环节，图2示意了PCR控制系统的基本结构。通过控制热导体加热丝来实现加热。要保证整个过程在变性、退火、延伸等三种不同的温度下连续循环工作，需要对温度进行快速、精确的控制。为了在升温过程中速率较快，这就要求温度传感器的滞后要小，反应灵敏。
在此采用定制的J型薄壁热电偶，它可使温度传感器反应灵敏迅速。由于试管所在的温度场中，空气、加热丝和热电偶的热惯性都很小，ADC和DAC以及单片机系统的滞后通常可以忽略。这样功率输出驱动电路的传输特性（特别是时间特性）对整个
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