DNA分析儀熒光信號采集與處理系統(tǒng)的研究.pdf

1、DNA序列分析在現(xiàn)代生物學和生命科學中扮演著重要的角色。DNA分析儀是DNA序列分析的重要科學儀器，可廣泛應用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)及司法鑒定等領域。DNA序列分析及配套技術的研究不僅是一門科學，更是一項高科技產(chǎn)業(yè)，它涉及微細加工、高分子科學、分析化學、生物工程、光學工程等多個學科領域。我國在相關技術及其應用的研究中雖然已有長足的發(fā)展，某些方面已達到或接近國際先進水平，但在相關科學儀器關鍵技術的研究方面，如快速、高通量、高靈敏度檢測等，仍明顯落后

2、于世界先進水平。本論文研究具有自主知識產(chǎn)權、高性能的DNA分析儀熒光信號采集和處理系統(tǒng)： 1、采用振鏡與行自設計的大數(shù)值孔徑遠心f-theta物鏡相結(jié)合的方法實現(xiàn)多通道DNA熒光信號的并行檢測，并在此基礎上研究設計了光機掃描裝置配套的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)DNA電泳熒光信號的低噪聲、高靈敏度的激光共聚焦掃描檢測。 2、在信號采集系統(tǒng)的光學部分，對受限衍射高斯光束的傳輸和激光束掃描系統(tǒng)的線分辨率進行詳細的理論分析。在不同孔徑圓孔的

3、限制下，對掃描物鏡焦面上的衍射光場分布進行數(shù)值計算，并利用二階矩統(tǒng)計的方法對焦面上的等效光斑半徑進行數(shù)值計算，將其與不受限時的理想情況進行對比，分析孔徑尺度對激光束掃描系統(tǒng)分辨率的影響。結(jié)果表明：受限衍射使激光束掃描系統(tǒng)的分辨率下降，但隨著孔徑尺度的增加，這一影響逐步變小，當圓孔半徑l≥2ω時，可忽略高斯光束衍射對掃描分辨率的影響。得到的這些結(jié)論對激光共焦掃描檢測系統(tǒng)的設計具有指導意義，此外也可對激光束在全光通信和集成光學等方面的應用提

4、供一些有益的幫助。 3、根據(jù)DNA分析儀熒光信號的處理流程，系統(tǒng)研究DNA熒光信號的處理，包括：預處理(數(shù)據(jù)段選取、基線調(diào)整、噪聲濾除、峰值識別)；四色熒光串擾校正；后處理(去卷積、遷移率校正、信號強度歸一化)。在優(yōu)化選擇去噪方式的研究中，為了真實構(gòu)建噪聲模型并準確評價去噪算法的有效性，使用實際系統(tǒng)電泳未出信號峰時采集到的噪聲疊加理想熒光信號的新方法來構(gòu)建DNA測序仿真信號，去噪分析的結(jié)果表明：DNA測序信號經(jīng)sym7小波基函數(shù)

5、去噪處理后，與db8、coif5等小波基的處理結(jié)果相比，峰位置、峰高的誤差最小，SNR最高，RAISE最小，為最優(yōu)的小波基函數(shù)。 在上述理論研究和創(chuàng)新設計的基礎上，本論文完成了DNA分析儀熒光信號采集與處理系統(tǒng)的研制。多通道DNA熒光信號的快速并行檢測由遠心f-theta掃描物鏡與振鏡實現(xiàn)，四色熒光共焦檢測由濾色片輪和單個光電倍增管實現(xiàn)，信號采集裝置中集成了嵌入式系統(tǒng)，圖譜可在計算機中實時顯示、存儲和分析處理。 新型設計

6、的DNA熒光信號采集系統(tǒng)只使用單個光電倍增管，降低了系統(tǒng)的制造成本；使用光學掃描方法使系統(tǒng)的工作噪聲比機械掃描系統(tǒng)的噪聲要低得多，且靈敏度也很高。在此系統(tǒng)中采用標準雙鏈DNA樣品：pBR322/HaeIII(使用TO染料)進行了毛細管電泳實驗，測得系統(tǒng)的檢測限可達：2.368×10-12mol/L，經(jīng)DNA圖譜信號處理系統(tǒng)分析處理，能夠滿足DNA序列分析的單堿基分辨要求。該系統(tǒng)可應用于基于激光誘導熒光的毛細管陣列和多通道微芯片的電泳檢測