基于SPR技术的肽核酸型基因芯片检测系统

论文摘要

很多的生物分子反应可在介质的接触面上进行,SPR（Surface Plasmon Resonance）就是这样一种检测技术,它可以高灵敏的实时检测生物分子反应并且无需标记,SPR成像技术为监测传感器表面较大区域的吸附反应提供了手段。肽核酸（Peptide Nucleic Acid,PNA）是借助计算机的辅助设计出的一种人工合成的DNA的模拟物。肽核酸（PNA）以N-（2-氨基乙基）甘氨酸替代DNA分子中的磷酸戊糖骨架。它能特异性地识别与DNA、RNA所形成的杂交体。PNA-DNA、PNA-RNA的稳定性要比相应的DNA-DNA、DNA-RNA高,而且PNA识别单碱基的能力强于DNA和RNA,使之在微阵列,有着广泛的应用前景。这非常符合临床检测的实际需要,可能会成为未来基因芯片探针的主要杂交模式。纳米直径的金颗粒用于生命科学研究中的示踪技术已有较长的历史,由于其独特的物理、化学性质及生物相容性,近年来更是在芯片检测技术中得到了广泛的应用,特别是用不具备吸附能力的纳米金作为信号报告分子则被认为是芯片检测中的一个重要进展。本文由国家自然科学基金资助,研究目的是设计出高通量的SPR检测系统。这里先给出了表面等离子体波的理论分析,叙述了肽核酸和纳米金的性质与应用。本文根据SPR成像方法描述了高通量技术及其发展,并以此来研究PNA和DNA的杂交。在该实验中,PNA被固定在纳米金膜表面。开发自制的SPR检测系统来研究PNA和DNA的反应具有重要意义。自制的高通量SPR检测系统包括光学单元,传感单元,流通单元,图像采集与处理单元四个主要部分。采用角度调制方式,具有灵活的角度可变性,满足较大的测量范围。本文给出了流通系统的设计方法,可通过蠕动泵、六通阀及测量池实现。CCD面阵检测器、图像采集卡、图像采集软件构成了采集单元,图像处理软件可实现图像的存储、显示、处理功能。通过candy算子,实现了SPR图像的边缘检测。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 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 传感器的应用领域
• 1.3.3 SPR 传感器的缺陷
• 1.4 本文研究内容
• 2 表面等离子体共振（SPR）的理论分析
• 2.1 表面等离子体波（Surface Plasmon Wave，SPW）
• 2.2 表面等离子体谐振（SPR）的光学激发
• 2.3 SPR 传感模型及影响因素
• 2.3.1 棱镜耦合结构
• 2.3.2 光学波导结构
• 2.3.3 光栅耦合结构
• 2.3.4 光纤耦合结构
• 2.4 常规SPR 高通量检测方法
• 2.4.1 基于角度的检测方式
• 2.4.2 基于波长高通量检测方法
• 2.4.3 基于相位高通量检测方法
• 2.4.4 基于光强的检测方式
• 2.4.5 小结
• 2.5 SPR 传感技术的发展趋势
• 2.5.1 进一步提高检测灵敏度及分辨率
• 2.5.2 实现多通道检测
• 2.5.3 器件微型化和阵列化
• 2.5.4 降低检测成本
• 3 肽核酸与纳米金
• 3.1 肽核酸
• 3.1.1 PNA 的性质
• 3.1.2 PNA 的应用前景
• 3.1.3 总结
• 3.2 纳米金
• 3.2.1 纳米级金颗粒
• 3.2.2 纳米金在生物学检测中的应用
• 3.2.3 纳米级金颗粒的研究进展
• 4 SPR 生物传感器的实现
• 4.1 整体结构
• 4.2 光学系统
• 4.3 肽核酸探针传感头部分
• 4.4 光电检测设备
• 4.4.1 CCD
• 4.4.2 采集卡
• 4.5 流通系统
• 5 图像处理系统
• 5.1 SPR 基因芯片软件实现方案
• 5.2 分割算法
• 5.2.1 边缘提取
• 5.2.2 颗粒图像的提取
• 6 实验与总结
• 6.1 实验结果
• 6.2 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录