基于單粒子分析方法的水體總菌檢測系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、目的:本文所述課題旨在課題組研究的基礎上，進一步掌握單粒子檢測技術并將其應用于水體細菌總數的檢測。在系統(tǒng)樣機研制的過程中積累經驗，助力于單粒子檢測技術在水體樣本檢測專項應用方面的推廣，為單粒子檢測技術的應用提供新的思路。
　　方法和內容:
　　通過對現有的流式檢測原理進行剖析，在國外已有的檢測技術和相關裝備的基礎上，提出單粒子水體總菌檢測系統(tǒng)關鍵技術研究和實驗裝置的研制。主要研究內容及方法包括:
　?、?樣本前處理方法

2、研究;通過查閱文獻及實驗驗證，對不同原理的前處理方法進行探索，對比不同染料、不同碳點對細菌的染色效果，確立課題所使用的染色方案在該檢測原理下的可行性與準確性;通過前處理方案的確定，為光路系統(tǒng)光源選擇、探測通道鏡片參數制定提供必要的設計參數。
　?、?光學模塊設計與參數優(yōu)化;將光路模塊從總體上分為激發(fā)光路與檢測光路兩部分，通過理論仿真分析，設計激光光路實現對原始光斑的整形從而得到理想的檢測光斑;設計檢測光路對熒光信號進行選擇性接收;

3、在課題中對該系統(tǒng)的光源選擇、鏡片參數、光路結構三個方面進行系統(tǒng)性優(yōu)化，并依據前處理方案擬定的染料特性對檢測光路參數進行優(yōu)化處理。
　?、?液流模塊設計與參數優(yōu)化;通過不同設計方案對比，使用不同動力源控制樣本液和鞘液，使其在檢測區(qū)形成由外部鞘液流包裹內部樣本液流的同軸流動模式，通過對液流系統(tǒng)效果進行評價分析，優(yōu)化設計方案與控制參數。課題通過實驗探索，確定了具有較高安全性的進樣液路及整體流路方案。
　?、?信號處理模塊設計與優(yōu)化

4、;系統(tǒng)在檢測區(qū)由激發(fā)光斑激發(fā)染色后的細菌，經過檢測光路對熒光信號進行探測收集，通過光電倍增管將光信號轉換為電信號，再經過放大、濾波、AD轉換后成為數字信號傳遞給FPGA主控芯片。課題中針對系統(tǒng)的信號特點進行了相關電路設計及參數優(yōu)化，繪制PCB板并完成電路系統(tǒng)調試。
　?、?峰值處理算法的提出以及驗證;對微米級待測樣本粒子經熒光染色后熒光信號強度分布進行建模仿真，探尋待測樣本熒光信號的特征，結合系統(tǒng)檢測平臺的檢測需求設計具有針對性的

5、信號處理方法，在Verilog語言環(huán)境下實現算法的應用并通過實驗驗證算法的準確性及穩(wěn)定性，對算法進行優(yōu)化。
　　Ⅵ.系統(tǒng)結構設計與優(yōu)化;在系統(tǒng)搭建初期，采用獨立的分模塊構建方案，將總體系統(tǒng)劃分為幾個子系統(tǒng)模塊，在逐步實現各個模塊的擬定功能后，為了提高系統(tǒng)集成度，在控制系統(tǒng)采用以FPGA為核心的控制方案，在硬件電路中圍繞FPGA為核心分別構建中心電源板、信號處理板、信號控制板以及微控板為主體的4塊直插式電路控制系統(tǒng)，將各獨立模塊綜合

6、集成為一體，優(yōu)化系統(tǒng)結構。
　　結果:
　?、?光路系統(tǒng)采用設計方案后激光器原始光斑大小約為844*765um，橢圓度約為0.906，經過XY雙軸整形透鏡組整形后，在檢測點位置光斑大小77.8*19.8um，在焦點位置附近光斑變化趨勢較小，具有較好的穩(wěn)定性。
　?、?液流系統(tǒng)分別采用柱塞泵與氣壓泵作為動力源，解決了樣本“死體積”問題引入的污染，避免了“脈動”問題帶來的樣本回流現象;使樣品進樣不受樣本管體積限制，實現連續(xù)

7、檢測;大約0.4s即可在鞘液液瓶中建立穩(wěn)定的氣壓，電壓值約為1.1v，穩(wěn)定效果較好。
　?、?峰值處理算法重復檢測10組樣本相對標準偏差為5.36％，并且僅需3個參數即可實現系統(tǒng)信號的快速處理，與現有檢測方法相比具有較好的一致性，可滿足系統(tǒng)的檢測需求。
　　Ⅳ.整體系統(tǒng)微球測試表明當進樣速度處于0.5ul/s-1ul/s之間時，樣本檢測結果間差異較小，檢測過程更穩(wěn)定;針對不同濃度樣本檢測CV值均在2-3.5之間，達到了較好的

8、檢測精度。
　?、?系統(tǒng)整體測試人工添加金黃色葡萄球菌10倍梯度濃度結果表明，目前系統(tǒng)最佳檢測限為103-106cfu/ml濃度范圍，在該檢測限內與平皿計數法檢測結果具有較好的一致性，在低于該檢測限時檢測結果明顯高于平皿計數法;與現有流式細胞儀的統(tǒng)計結果始終保持較好的一致性。
　　總結與展望:
　　Ⅰ.在現有樣機的基礎上，通過對子系統(tǒng)各部分分別優(yōu)化，進一步提高整體系統(tǒng)的檢測靈敏度。
　?、?增加熒光收集通道，在理