多通道毛细管电泳芯片及其检测系统研究

论文摘要

为满足人类后基因组研究计划,以及在流行性疾病、血液和药物等筛查中大量的平行检测和分析的需求,迫切需要利用高通量检测系统来完成。另外,激光诱导荧光检测是毛细管电泳芯片检测中灵敏度和信噪比较高的一种检测方法,常用的共聚焦式激光诱导荧光检测仪体积庞大,不利于毛细管电泳检测仪的进一步微型化。因此,本文开展基于光纤扫描式多通道毛细管电泳芯片检测系统的研究。该系统以光纤代替激光诱导荧光检测系统中复杂庞大的共聚焦检测光路,利用雪崩二极管作为荧光检测单元,通过曲柄实现了电机的匀速旋转到扫描轴的扫描运动转换,实现了多通道的扫描检测,构建了体积小、灵敏度高、功耗小的多通道毛细管电泳检测系统。嵌入式控制系统以STM32F103 SOC芯片为核心,在简单外围接口电路的配合下实现了高速荧光信号采集、多通道的识别及同PC机通信等功能,有效降低了电路设计复杂度,提高了控制系统的性价比。在光电信号检测方面,采用了雪崩二极管作为光电转换器件,在降低检测系统体积的同时,实现了高增益电泳荧光信号的测量。检测系统的软件由嵌入式软件和PC机数据处理软件两部分组成。其中,以μCOS-Ⅱ平台实现了嵌入式软件,为并行多任务的创建和任务间的通信带来很大的方便,并减少了完善系统功能或升级时软件开发的复杂度。上位机软件完成信号采集、数据文件保存和图形显示等功能。在PC机端程序中采用多线程方式实现PC机数据采集及处理,有效降低数据处理软件对CPU的占用率。本文设计组建的装置,体积小,方便易用,能较好地完成多通道毛细管电泳芯片荧光信号采集、通道识别、绘制荧光信号曲线等任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 多通道毛细管电泳检测的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 多通道检测系统的机械扫描及光路系统设计
• 2.1 扫描式多通道检测的机械系统设计
• 2.1.1 系统结构总体设计方案
• 2.1.2 扫描系统的机械结构设计
• 2.1.3 扫描系统的实现及其改进
• 2.2 检测光路设计
• 2.2.1 荧光检测光路
• 2.2.2 元器件的选择
• 2.3 芯片制作
• 3 嵌入式控制系统设计
• 3.1 控制系统的总体结构
• 3.2 光电转换电路设计
• 3.2.1 雪崩二极管及其偏置电路设计
• 3.2.2 信号放大及滤波电路
• 3.3 控制及数据采集电路设计
• 3.3.1 模数转换及数据采集电路设计
• 3.3.2 通道识别电路设计
• 3.3.3 通信接口电路设计
• 4 检测及控制软件设计
• 4.1 嵌入式软件设计与实现
• 4.1.1 STM32 Firmware库函数下的系统编程
• 4.1.2 μCOS-Ⅱ下的控制系统软件开发
• 4.2 PC端软件设计及实现
• 4.2.1 Windows串口操作API
• 4.2.2 Windows线程编程
• 4.2.3 PC端软件整体设计
• 4.2.4 串口数据采集设计
• 4.2.5 波形绘制设计
• 5 系统测试结果及其分析
• 5.1 测试系统的组建及多通道毛细管芯片的制备
• 5.2 测试系统的运行及其结果显示
• 5.3 系统噪声分析及降噪措施
• 5.3.1 系统光路结构产生的噪声及其降噪措施
• 5.3.2 芯片表面洁净度与噪声的关系
• 5.3.3 透射激光再反射引起的噪声
• 5.4 多通道芯片检测
• 5.4.1 不同样品的区分检测
• 5.4.2 样品分离检测
• 结论
• 参考文献
• 附录A 硬件电路结构图
• 附录B MCU芯片及外围电路
• 附录C 系统电源电路图
• 附录D 系统接口电路图
• 附录E 系统模拟电路部分
• 附录F 系统硬件电路实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢