流动QCM全自动DNA分析系统的研制

论文摘要

QCM传感器利用石英晶体的压电效应，将样品的质量信号转化为频率信号，具有灵敏度高、可实时监测等优点，可广泛应用于生物医学、化学分析、环境检测等领域。QCM生物传感器涉及生物学、化学、物理学、计算机、电子学等相关技术，是多学科交叉的产物。本论文在改进常规静态检测QCM传感器的基础上，研制了一种具有流动检测和恒温功能，并可实现生物检测全过程自动控制的“流动QCM全自动DNA分析系统”。该系统由蠕动泵驱动的多通道流动系统、反应池恒温控制系统以及DNA检测过程自动控制系统组成，其主要内容包括：（1）“流动QCM全自动DNA分析系统”的整机研制，包括多通道进样池、流动反应池、流动通路以及箱体的设计与制作。样品在蠕动泵和重力差作用下，经多通道流动通路进入反应池，在石英金电极表面发生反应，其频率变化由QCM检测仪实时监测。反应完成后，废液及清洗液由蠕动泵排出系统。（2）反应池温度控制系统的研制，实现DNA反应和检测的恒温控制。其核心为单片机，以DS18B20为测温传感器和PN结二极管为控温传感器；并且利用PN结二极管温度~电压特性，实现温度控制精度达到±0.1℃。（3）DNA杂交实验控制软件的开发。针对DNA检测的进样、固定、杂交、清洗等实验步骤编写了控制软件和人机操作界面，设计了QCM串口通信协议，可实现DNA检测过程的全自动控制。（4）完成硬件和软件的整机开发后，将本系统应用于DNA杂交检测，进行了DNA吸附和杂交实验，结果表明本系统具有良好的稳定性和重复性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 石英晶体的特性
• 1.1.2 QCM基本原理
• 1.1.3 QCM的基本结构
• 1.1.4 QCM的应用
• 1.2 QCM仪器国内外现状
• 1.2.1 常规石英晶体传感器（QCM）
• 1.2.3 耗散型石英晶体微天平（QCM-D）
• 1.2.4 阵列式石英晶体微天平
• 1.2.5 电化学石英晶体微天平系统（EQCM）
• 1.3 本论文研究内容和意义
• 第二章 流动QCM全自动DNA分析系统总体设计思路
• 2.1 引言
• 2.2 流动QCM全自动DNA分析系统硬件设计
• 2.3 流动QCM全自动DNA分析系统软件控制
• 2.4 流动QCM全自动DNA分析系统总体实现方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 流动QCM全自动DNA分析系统硬件制作
• 3.1 引言
• 3.2 流动反应池设计与制作
• 3.3 流动系统与箱体的设计制作
• 3.4 控制电路设计与制作
• 3.4.1 单片机选择
• 3.4.1.1 Atmega128 的简介
• 3.4.1.2 AVR单片机开发工具
• 3.4.2 温度采集电路
• 3.4.2.1 DS18B20 传感器
• 3.4.2.2 PN结温度传感器
• 3.4.3 恒温控制电路设计
• 3.5 继电器控制电路
• 3.6 串口通信电路
• 3.7 稳压电源电路
• 3.8 显示电路
• 3.9 本章小结
• 第四章 流动QCM全自动DNA分析系统软件设计与编写
• 4.1 引言
• 4.2 流动反应池温度控制
• 4.2.1 PID算法原理
• 4.2.2 流动池温度采集与控制
• 4.3 DNA检测过程控制
• 4.3.1 上位机串口通信
• 4.3.2 下位机串口通信
• 4.3.3 DNA检测控制实现
• 4.3.3.1 DNA检测实验流程
• 4.3.3.2 DNA检测实验步骤
• 4.6 DNA检测控制的实现
• 4.6.1 QCM串口通信协议结构;
• 4.6.2 串口通信命令
• 4.7 本章小结
• 第五章 流动QCM全自动DNA分析系统的应用
• 5.1 引言
• 5.2 仪器与试剂
• 5.3 实验过程
• 5.4 DNA杂交检测
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要成果
• 致谢