基于SPR技术的便携式体液全分析实验系统的单点实时信号采集与初步分析

论文摘要

表面等离激元共振（surface plasmon resonance, SPR）传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。自从Nylander和Liedberg于1982年首次将其用于气体检测和生物传感分析以来,SPR传感技术在实现方式和应用领域扩展上都获得了飞速的发展。本文由国家自然科学基金资助,针对用于检测生物大分子反应的SPR系统的实时信号采集和分析方法进行研究。文中首先介绍了表面等离激元现象的理论基础,检测系统的结构与具体设计方案。基于SPR的体液微全分析系统包括光学单元,传感单元,芯片检测单元,图像采集与处理单元等几个主要部分。重点说明了实时信号采集和分析方法的设计思路、软件设计及实验结果。本文设计出了嵌入式系统方案,采用华恒公司的ARM9系列的嵌入式计算机芯片,用来采集和分析SPR信号,通过分析光信号的变化来分析芯片检测单元中生物芯片上发生的生物大分子之间的反应。图像采集单元利用CMOS视频采集设备,采用面向对象的C++编程语言、Visual C++编程工具和微软MFC基础类库设计出信号采集和分析软件。其中,信号采集可分为基于光电池的点信号采集和基于CMOS采集卡的图像采集。点信号采集部分通过将光电池获取的光信号经过A/D转换成数字信号,然后由采集卡采集到计算机,在计算机上进行信号的实时显示、固化存盘、模拟与仿真以及分析。图像处理部分可实现图像的存储、显示、处理功能。便携式系统是基于嵌入式开发平台扩展设计的,其核心是根据系统需要所选择的芯片。设计初期考虑到了DSP、ARM、DSP+ARM等多种设计方案,基于成本、性能等多方面的考虑,选择了ARM。在软件上选择了Linux+Minigui,因此本文采用了ARM+Linux+Minigui嵌入式开发方案。HHARM2410为一台采用S3C2410处理器、提供RS232接口,安装有Linux操作系统的软硬件开发平台,其功用相当于一台装有Redhat Linux,装有串口的PC机。MiniGUI是由北京飞漫软件技术有限公司主持的自由软件,遵循GPL条款发布。其目标是为实时嵌入式操作系统建立一个跨操作系统的、快速、稳定和轻量级的图形用户界面支持系统。MiniGUI作为本文嵌入式系统开发的软件资源库,是便携式系统图形界面开发与信号采集处理的合适选择。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 SPR 生物传感器的特点和应用领域
• 1.3.1 SPR 生物传感器的特点
• 1.3.2 SPR 生物传感器的应用领域
• 1.4 本文研究内容
• 2 表面等离激元共振（SPR）的理论分析
• 2.1 表面等离子波（SURFACE PLASMON WAVE，SPW）
• 2.2 表面等离激元共振（SPR）的光学激发
• 2.3 SPR 传感模型及影响因素
• 3 系统设计方法
• 3.1 光学检测系统及生物芯片传感器设计
• 3.1.1 系统研究目标
• 3.1.2 研究方案
• 3.1.3 光学器材以及生物芯片的选择
• 3.2 信号采集及处理的软硬件选择
• 3.2.1 硬件选择
• 3.2.2 软件选择
• 3.3 总体设计思路与流程
• 4 SPR 实时信号采集与分析以及软件的实现
• 4.1 整体结构
• 4.2 光学系统
• 4.3 信号采集软件介绍
• 4.3.1 软件结构界面
• 4.3.2 视频信号采集的实现
• 4.3.3 创建捕获窗口
• 4.3.4 设置设备、打开预览
• 4.3.5 图像采集、灰阶图像转换及图像处理实现
• 4.3.6 样点选取与采集
• 4.3.7 样点曲线的显示与选择
• 4.3.8 SPR 仿真模拟实现
• 4.4 实时图像信号采集与分析
• 4.4.1 图像信号采集
• 4.4.2 图像信号分析
• 4.5 基于光电池的点信号采集分析
• 4.5.1 光电池
• 4.5.2 采集卡
• 4.6 串口通信控制、信号采集与SPR 曲线分析
• 4.6.1 串口通信
• 4.6.2 U587310 模入数据采集模块
• 4.6.3 基于SPR 采集曲线分析
• 4.6.4 SPR 曲线动力学分析
• 5 便携式系统设计及嵌入式操作系统软件实现
• 5.1 便携式系统设计
• 5.2 嵌入式系统软件开发
• 5.2.1 建立宿主机开发环境
• 5.2.2 软件开发模式
• 5.2.3 基于MiniGUI 软件开发
• 5.3 MINIGUI 库的编译与移植
• 5.3.1 MINIGUI 编译
• 5.3.2 MINIGUI 移植
• 5.4 实验结果分析
• 6 单点SPR 信号采集及分析实验
• 6.1 无样品芯片实验
• 6.2 N-乙酰半胱氨酸单分子层的SPR
• 6.3 不同生物膜厚度SPR 检测与动力学曲线分析
• 6.3.1 理论模拟SPR 曲线
• 6.3.2 两组实验数据动力学曲线对比
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在硕士期间发表论文目录
• B. 作者在硕士期间发表的会议论文目录
• C. 作者在硕士期间获得的科研成果
• D. 程序资料