基于光柵的微流控芯片電泳熒光檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、本文設(shè)計(jì)了一套基于光柵的、低成本的微流控芯片電泳熒光檢測(cè)裝置，此裝置采用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)檢測(cè)法，以488nm全固態(tài)激光器為激發(fā)光源，以600l/mm全息透射式衍射光柵為色散元件，通過(guò)CCD檢測(cè)光譜圖像。并用該裝置分離檢測(cè)多色熒光標(biāo)記的DNA片斷。該裝置由光學(xué)系統(tǒng)組建和DNA圖譜分析軟件兩部分組成，分別提供微流控芯片電泳的硬件平臺(tái)及圖譜分析的算法實(shí)現(xiàn)。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)采用Zemax對(duì)光柵進(jìn)行仿真。仿真光線入射

2、角、光柵參數(shù)、聚焦透鏡類型、透鏡焦距對(duì)光譜成像的影響。仿真結(jié)果顯示:光譜分辨率與光線入射角、光柵線對(duì)數(shù)，聚焦透鏡焦距正相關(guān)。采用雙膠合消色差聚焦透鏡會(huì)聚熒光所成像的質(zhì)量高于普通聚焦透鏡。根據(jù)仿真結(jié)果，選定熒光入射角為10.4度，會(huì)聚透鏡采用60mm雙膠合消色差透鏡。
　　(2)介紹了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、光學(xué)元件特性和光路組合模型，詳述了光路搭建過(guò)程與調(diào)試方法。調(diào)試主要分為單元調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。單元調(diào)試包括以光功率計(jì)為調(diào)試工具的激發(fā)光

3、路調(diào)試和以汞燈為光源的色散光路調(diào)試。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)以10-6mol/L熒光素鈉為樣品，獲取光譜圖像，驗(yàn)證了該裝置收集熒光的可行性。
　　(3)研究了該檢測(cè)裝置的靈敏度。以10-7mol/L，10-8mol/L和10-9mol/L的熒光素鈉溶液為樣本，分析激光功率、溶液濃度和曝光時(shí)間對(duì)光譜成像的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該裝置在1.2mw激光功率、50ms曝光時(shí)間下依舊能清晰呈現(xiàn)10-9mol/L熒光素鈉的熒光信號(hào)，其SNR為168.44dB，SBR

4、為1.82×105，檢出限達(dá)10-9mol/L。
　　(4)本文選擇汞燈完成系統(tǒng)波長(zhǎng)標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程中分別采用直讀法、質(zhì)心法和擬合法確定汞燈光譜峰值位置。根據(jù)光柵線性色散特性，設(shè)定光譜波長(zhǎng)與CCD成像像素位置的一階線性關(guān)系，比較多種擬合方法，最終發(fā)現(xiàn)高斯函數(shù)擬合配合一階多項(xiàng)式擬合效果最佳，具有最小的SSE為0.00323，由此確定系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)。隨后研究該裝置的光譜分辨率，選擇576.96nm、579.07nm兩種汞燈光譜，采用最小半

5、峰寬作為光譜分辨率的標(biāo)志量，經(jīng)計(jì)算光譜分辨率可達(dá)0.9889nm。
　　(5)本文還研究系列DNA圖譜分析與處理算法，以解決原始圖譜分辨率不高，信噪比較小導(dǎo)致堿基片斷排序困難的問(wèn)題。數(shù)據(jù)段選取法用于提取有效光譜數(shù)據(jù)，減少無(wú)效信號(hào)干擾并加快處理速度。提出改進(jìn)式柱狀圖法去基線，該方法綜合傳統(tǒng)柱狀圖法和分段法，吸取兩者的優(yōu)點(diǎn)，使得各個(gè)堿基片斷峰精確位于同一基線上。應(yīng)用中值濾波、高斯濾波和小波濾波法降低脈沖噪聲、高低頻噪聲、白噪聲和高斯噪

6、聲等影響，提高信噪比。為解決熒光光譜串?dāng)_及多種熒光物質(zhì)同時(shí)經(jīng)過(guò)檢測(cè)窗口這一問(wèn)題，我們構(gòu)建光譜矯正模型，采用非負(fù)約束的最小二乘法(NCLS)實(shí)現(xiàn)多色光譜的線性拆分。采用同型盲解卷積法減小堿基片斷峰的展寬效應(yīng)，提高堿基片斷峰譜分辨率。最后將上述算法應(yīng)用于MATLAB實(shí)現(xiàn)，并集成到GUIDE編寫軟件界面中，構(gòu)成完整的DNA圖譜分析軟件。
　　(6)本文最后進(jìn)行微流控芯片電泳實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)包含20個(gè)堿基片斷的marker進(jìn)行單色電泳實(shí)驗(yàn)，分