基于磁分離的現(xiàn)場核酸檢測平臺(tái)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著微納加工、生物醫(yī)學(xué)、新材料、集成電路和智能控制等高新技術(shù)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)場檢測方法不斷向?qū)崟r(shí)、定量方向發(fā)展;檢測設(shè)備向小型化、自動(dòng)化和檢測項(xiàng)目的多樣化方向發(fā)展;檢測對(duì)象則由生化指標(biāo)、免疫指標(biāo)逐步外延到核酸指標(biāo)。而現(xiàn)場核酸分子檢測必須具有高特異性和高靈敏度，并且可大大減少疾病檢測的時(shí)間。長遠(yuǎn)來說，核酸分子檢測在疾病的易感性、疾病的分型、分期和預(yù)后判斷及療效檢查等方面都具有重要應(yīng)用前景。本文以核酸分子為樣本檢測指標(biāo)，以減少樣本檢測的時(shí)

2、間，減少工作量，降低檢測成本為目的，結(jié)合磁分離技術(shù)，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以及環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增等生化技術(shù)構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小型化，自動(dòng)化的核酸檢測平臺(tái);為實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化提供靈活的解決方案;對(duì)高精度、快速的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和溫度控制技術(shù)，微弱光電的檢測技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究與應(yīng)用。首先，設(shè)計(jì)了小型一體化步進(jìn)電機(jī)控制板和高精度的運(yùn)動(dòng)控制算法，研制了基于磁分離的快速全自動(dòng)核酸提取設(shè)備;其次，構(gòu)建了熱電制冷器變溫控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種高精度快速變溫控制策略，實(shí)現(xiàn)高

3、精度的熱循環(huán)控制，并用于核酸擴(kuò)增裝置的研制;最后，設(shè)計(jì)了重復(fù)性好，精度高的光電檢測系統(tǒng)，對(duì)其光電檢測電路進(jìn)行計(jì)算、仿真和參數(shù)優(yōu)化，研制了濁度檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了基于環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增的多通道核酸檢測。整個(gè)平臺(tái)在1小時(shí)左右完成核酸定性檢測。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對(duì)基于超順磁性納米顆粒提取核酸方法進(jìn)行了詳細(xì)的過程分析，設(shè)計(jì)了高效的磁分離結(jié)構(gòu)和小型的加熱結(jié)構(gòu);為了提高磁分離質(zhì)量，避免交叉污染，根據(jù)磁分離和深孔板特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了8通道一次性磁套

4、;為了體積最小化和控制靈活化，開發(fā)了基于總線控制策略的微型一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板;同時(shí)，為了提高控制精度，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性，改進(jìn)了基于脈沖法的等頻率步進(jìn)電機(jī)控制算法，優(yōu)于傳統(tǒng)S型加減速算法;在觸摸屏開發(fā)平臺(tái)上，使用java語言開發(fā)了操作簡單、參數(shù)可設(shè)置的用戶界面。最后，研制出小型化快速的全自動(dòng)核酸提取設(shè)備;并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主研制的磁珠法提取DNA試劑盒，對(duì)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和控制策略進(jìn)一步優(yōu)化，能夠在30分鐘內(nèi)完成高純度的DNA提取和純

5、化。⑵通過對(duì)核酸擴(kuò)增的原理進(jìn)行過程分析，提高熱循環(huán)系統(tǒng)性能可直接影響核酸擴(kuò)增的效率。為研制性能優(yōu)良的快速變溫核酸擴(kuò)增系統(tǒng)，本論文對(duì)熱循環(huán)控制中的核心執(zhí)行部件（熱電制冷器）的變溫機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究，包括理論分析、計(jì)算與器件選型;采用高速場效應(yīng)晶體管組成全電橋功率放大器，包括全橋驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路，以提高熱電制冷器工作效率;對(duì)基于恒流源的鉑電阻溫度采集方法設(shè)計(jì)了簡單的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)溫度-電阻分度表進(jìn)行了曲線擬合，在0℃～140℃范圍內(nèi)

6、尋找出誤差小于0.1℃的分段公式，在理論誤差分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，均表明其誤差小于0.1℃。在軟件方面，為了提高溫度控制的精度、魯棒性以及減少超調(diào)，我們開發(fā)了一種自適應(yīng)熱循環(huán)控制策略:根據(jù)繼電器反饋模型推導(dǎo)出階躍響應(yīng)產(chǎn)生等幅振蕩曲線，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的臨界參數(shù)和系統(tǒng)PID參數(shù)值，再結(jié)合模糊PID的控制思想，系統(tǒng)自動(dòng)尋找最合適的PID參數(shù);最后，研制出核酸擴(kuò)增設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高效核酸擴(kuò)增，溫度控制超調(diào)量小于0.5℃，溫控精度小于0.2℃，具有良好穩(wěn)

7、定性和魯棒性。與國外儀器相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大。⑶對(duì)環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增濁度法檢測方法進(jìn)行分析，構(gòu)建實(shí)時(shí)等溫?cái)U(kuò)增濁度檢測系統(tǒng)。首先，對(duì)濁度法多通道光電檢測原理進(jìn)行了理論研究，對(duì)關(guān)鍵部件光源和探測器進(jìn)行對(duì)比與選型;設(shè)計(jì)了恒功率激光二極管驅(qū)動(dòng)電路，以提高光電檢測的強(qiáng)度和光源的穩(wěn)定性;其次，以提高抗干擾和抗噪聲能力為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從微弱的生物信號(hào)提取有效的光電信號(hào)，我們對(duì)光電二極管模型進(jìn)行了分析、計(jì)算與仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了微弱信號(hào)調(diào)理電路，并且對(duì)調(diào)理電路關(guān)