微滴式数字PCR仪的温度控制与荧光信号处理技术研究

发布时间：2020-05-04 19:12

【摘要】：链式聚合酶反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是为研究目标DNA分子而在体外对特定DNA分子进行扩增的一种技术。微滴式数字PCR仪是对包含目标DNA分子的微液滴进行扩增反应并对目标DNA分子进行绝对定量的仪器,在现代社会得到了广泛的关注与应用。本论文基于我国现阶段微滴式数字PCR仪研发生产不足的现状,针对微滴式数字PCR仪中的关键技术进行了研究,主要涉及PCR扩增过程中的温度控制和微液滴荧光信号的检测与峰值识别两部分内容。本文主要研究内容为:(1)本文对PCR扩增过程中的温度要求进行了分析,并完成了数字PCR仪温度控制系统相关硬件方面的设计,包含了重要的三部分:CPU电路、加热/制冷电路、测温电路。在CPU电路中,对最小系统进行了设计,在加热/制冷电路中,本文通过选择制冷片及设计制冷片的连接方式来达到数字PCR仪对升降温速度方面的要求,在温度检测电路中,通过对比元件的各项指标,选择PT100作为温度传感器,并对测温电路进行了设计。在温度控制算法中本文选择模糊PID控制算法,通过Matlab仿真实验,结果表明模糊PID控制算法在系统控制效果上优于传统PID控制。(2)对微液滴荧光信号检测系统的组成部分进行了分析。完成了微液滴荧光信号光电探测电路的设计,包含光电转换级放大电路,前级放大电路和中间级放大电路。(3)对微液滴荧光信号的处理流程进行了研究,包含三个部分:基线调整,滤波,峰值识别。在基线调整部分,本文选择分段法对实际采集到的荧光信号进行处理,得到了较好的效果。由于在荧光信号检测平台采集得到的荧光信号存在噪声干扰的现象,本文对荧光信号分别进行FIR滤波、IIR滤波和S-G滤波,实验表明S-G滤波的保真性和去噪能力均优于其他两种方法。微液滴数字PCR仪中的荧光信号峰值识别的真伪会导致被检测微液滴存在假阳性和假阴性问题,从而使得微滴式数字PCR的检测结果出现较大误差,因此本文提出了一种新的基于高斯平滑策略的峰值识别方法,通过仿真实验,结果表明新方法能够准确识别锋位,对重叠峰也能准确识别,另外,在不滤波的情况下依然能取得理想的效果。本文通过对数字PCR仪温度控制模块和荧光检测模块的研究,进行了相关电路的设计、对比选择出了较适合于系统的滤波方法以及提出了新的峰值识别方法,这些设计和方法将有望应用到数字PCR仪中去。
【图文】：

通道法

CR 实验的失败。识别、计数，在 PCR 扩增的延伸阶段，目标序列通合发出荧光，PCR 检测仪将对荧光信号进行采集，，NA 分子相关的信息，荧光信号通过光电探测电路输转换器将电压信号传输到 PCR 检测仪的芯片中再进要对数字化的荧光信号进行峰值检测，通过峰值检液滴的个数。若峰值检测结果不准确，将导致液滴和假阴性液滴的情况，从而影响目标 DNA 分子的定指检测过程中把荧光信号的亮度高的信号错误判为指检测过程中荧光信号的亮度低且有类波形的信号分析定量，经过峰值数据的统计分析，然后结合泊松 DNA 分子进行绝对定量。

示意图,反应过程,荧光探针,基团

图 1-3 PCR 反应过程图Fig.1-3 The reaction process diagram of PCR光定量原理R 扩增反应能被荧光检测平台检测，是因为在荧光物质的 DNA 检测探针，且常用探针为 T利用 TaqMan 荧光探针进行发光的示意图。在 P时还需要加入 TaqMan 荧光探针，荧光探针特异性结合。荧光探针上的两端由报告基团（，当荧光探针完整时，淬灭基团 Q 对报告基用。在 PCR 反应的延伸阶段，脱氧核糖核苷分子进行碱基配对，当延伸到探针位置时，在基团 R 与淬灭基团 Q 分离，从而报告基团 R
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH79

【参考文献】