聚合酶链式反应(PCR)是一种体外扩增特定DNA片段的分子生物学技术,自从此技术发明以来,在很多领域如分子克隆、遗传病法医学以及考古学等得到了相当广泛的应用。但是随着医学的发展,在某些领域如疾病的早期诊断、法医鉴定和生物反恐等方面对PCR产物的特异性/灵敏度以及检测速度上都提出了更高的要求,特别是PCR过程中非特异产物的扩增对模板DNA造成了较大的影响。因此PCR的实验条件应该进行优化,以确保获得更好的扩增效果。但是由于PCR所应用的对象千差万别,而影响PCR扩增结果的因素很多,用一般的单因素逐个调整法优化PCR体系麻烦费时而且常常得不到粗放耐用的实验体系,而计算生物学方法是解决这一难题的有利工具,将PCR的基本概念带入到数学模型中,通过数学方法建立囊括各个反应参数的通用表达方程,对于分子生物学家们快速直观地得到优化的PCR反应条件、工程师们设计有效的PCR设备以及化学工程师设计理想的PCR反应器均有一定的指导作用。另外,因为PCR包含了众多的变量和相互作用,如果能够确定出对扩增性能影响较大的参数,那么无论是对实验上的优化,还是精确数学模型的构建,都有一定的指导作用。而且,有研究者们发现某些纳米材料对PCR的性能有比较明显的促进作用,但是作用机制仍然存在争议,而数学模型的构建为研究作用机制提供了一个很好的平台。　　 本文采用基于微分方程的定量建模方法构建PCR的动力学模型,通过此模型不仅能够预测在任意初始条件以及引物和模板在不同的匹配度情况下,产物浓度随着时间的变化情况,同时也能够定量评价非特异扩增占总产量的分数和对模板DNA的影响。通过对比实验值和计算的Ct值,验证了此模型的可靠性。接着,我们采用局部和全局敏感性分析方法对PCR过程进行分析,共有6个动力学参数被筛选出来(敏感性指数大于0.9)。而主要的结果表明,在我们选择进行敏感性分析的体系中,引物和引物之问的退火速率常数,以及聚合酶同引物-引物复合物结合的速率常数对模板DNA的扩增有较大影响,当降低这两个参数的值时,能够增加模板DNA的浓度同时降低了非特异所占的分数。另外,对其余较敏感的四个参数(聚合酶同引物-模板复合物结合的速率常数,引物和模板复合物的退火速率常数,引物和反向引物的退火速率常数,聚合酶的失活速率常数)进行进一步分析时,发现改变这四个参数值,对模板DNA的浓度有一定的影响,但是对非特异所占的分数影响不大。相信这些结果对实验上优化PCR过程,快速准确的获得最优的实验条件,有一定的指导作用。另外,通过对模型进行鲁棒性分析,确定了鲁棒性较低的参数。最后,我们也采用此模型对一些添加剂,例如纳米材料对PCR扩增性能的影响进行了一些初步的研究,结果也表明,对于上述敏感性筛选出来的最敏感的两步反应,改变特异和非特异之间的比例,能够达到同实验上类似的效果。