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(xué)和生命科學(xué)中扮演著重要的角色。DNA分析儀是DNA序列分析的重要科學(xué)儀器，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)及司法鑒定等領(lǐng)域。DNA序列分析及配套技術(shù)的研究不僅是一門科學(xué)，更是一項(xiàng)高科技產(chǎn)業(yè)，它涉及微細(xì)加工、高分子科學(xué)、分析化學(xué)、生物工程、光學(xué)工程等多個學(xué)科領(lǐng)域。我國在相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用的研究中雖然已有長足的發(fā)展，某些方面已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，但在相關(guān)科學(xué)儀器關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)水平。本論文研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)、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(shè)計(jì)的大數(shù)值孔徑遠(yuǎn)心f-theta物鏡相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)多通道DNA熒光信號的并行檢測，并在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)了光機(jī)掃描裝置配套的控制系統(tǒng)，實(shí)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(xué)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(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用二階矩統(tǒng)計(jì)的方法對焦面上的等效光斑半徑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將其與不受限時的理想情況進(jìn)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(dāng)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(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，此外也可對激光束在全光通信和集成光學(xué)等方面的應(yīng)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(yù)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?dāng)_校正；后處理(去卷積、遷移率校正、信號強(qiáng)度歸一化)。在優(yōu)化選擇去噪方式的研究中，為了真實(shí)構(gòu)建噪聲模型并準(zhǔn)確評價(jià)去噪算法的有效性，使用實(shí)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)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(yuǎn)心f-theta掃描物鏡與振鏡實(shí)現(xiàn)，四色熒光共焦檢測由濾色片輪和單個光電倍增管實(shí)現(xiàn)，信號采集裝置中集成了嵌入式系統(tǒng)，圖譜可在計(jì)算機(jī)中實(shí)時顯示、存儲和分析處理。 新型設(shè)計(jì)

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(xué)掃描方法使系統(tǒng)的工作噪聲比機(jī)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(biāo)準(zhǔn)雙鏈DNA樣品：pBR322/HaeIII(使用TO染料)進(jìn)行了毛細(xì)管電泳實(shí)驗(yàn)，測得系統(tǒng)的檢測限可達(dá)：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(yīng)用于基于激光誘導(dǎo)熒光的毛細(xì)管陣列和多通道微芯片的電泳檢測