开放式全自动核酸样本处理工作站之软件系统的设计与开发

发布时间：2020-09-18 18:18

　　随着实验室自动化技术的发展,高通量核酸检测设备成为当今分子诊断领域的有力工具,为疾病筛查及个体化精准医疗服务提供了新的技术平台。然而,由于不同商用平台系统的软件接口设计存在较大差异,且不同类型硬件设备之间兼容性不足,导致现有的实验室自动化平台在针对新的实验需求和将不同设备和耗材集成起来协同工作时往往十分困难。为此,本论文针对前期搭建的高通量核酸样本处理自动化硬件系统,提出了一种基于SiLA(实验室自动化标准)的开放式软件架构,旨在通过统一软硬件接口和通信协议,简化核酸样本处理自动化系统硬件的集成复杂度,提高集成系统的执行效率和工作性能。首先,采用SiLA标准,对系统控制对象进行模型化设计;然后,针对标准化系统硬件(设备和耗材)模型的建立,进一步为自己研发的硬件系统开发了一个3D可视化建模组件,可以让用户通过软件进行系统平台的硬件配置,并对自动化工作流进行设置和实时跟踪。为了对集成后的自动化工作流进行优化控制,提高平台的执行效率,基于论文中所设计的开放软件架构,提出了一种结合图论分析与遗传算法(Genetic Algorithms,GA)的工作流智能规划算法。最后,为了验证这种工作流优化算法的性能,在自己研制的高通量样本处理系统上开展了两组自动化核酸提取实验,对系统工作流优化前后的工作性能和执行效率进行了分析和比较。实验结果显示,论文提出的智能优化算法能够有效优化多设备集成式系统的自动化工作流,加速系统平台并行化处理效率。这进一步说明开发的平台控制软件及其开放式架构设计不仅有助于高通量核酸样本处理平台硬件的标准化集成,还有助于对自动化工作流实施更好的优化控制,使研发的核酸处理平台具有更好的开放性,可以满足核酸样本的不同检测、分析需求。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP311.52;R440
【部分图文】：

流程图,流程,磁珠,核酸

东南大学硕士学位论文核酸检测关键方法简介核酸提取原理核酸提取和纯化方法包括煮沸裂解法[32]、蛋白酶K消化法[33]、碘化钠法[35,36]等，磁珠法核酸提取是基于生物磁珠和核酸适配体识别技术共物磁珠是指具有细小粒径的超顺磁微球，具有合适且差别较小的粒径磁响应性并有利于在溶液中均匀分布。磁珠法核酸提取技术将纯化介生物磁珠表面，超顺磁性氧化铁表面带有正电，易于吸附带负电的核料，同时通过修饰功能基团或高分子材料实现不同功能[40-42]。当外界磁珠能够迅速聚集并使核酸依附于磁珠定向移动，从而达到分离纯化

检测工作站

图 1-2 Tecan Freedom EVO 系列检测工作站1.3.2 国内自动化检测工作站发展现状国内自动化检测工作站产品集中于实验室通用的小型、功能单一的仪器，而对于相关高集成度工作站的研发尚处于起步阶段，主要是针对移液的自动化过程实现，功能的丰富性并没有达到国外知名厂商产品的水平。另外值得注意的是，国内自动化检测工作站产品，往往采用集成国外具有一定智能性的设备模块实现，缺乏完整的自主知识产权，在成本和核心技术方面都受制于人。表 1-2 国内产商自动化检测工作站产品国内生厂商地区自动化检测工作站产品同信天博北京自动液体样品处理平台 alsp-01奥美泰克北京 AMTK HL1209 高通量全自动化液体处理工作站，AMTK 全自动 NGS 样品前处理工作站，LH1209 自动液体处理平台

平台结构,工作站,工作站系统

第 2 章自动化核酸检测工作站系统总体设计多工位平台：工作站平台设计为标准 4×4 共计 16 个工位，可根据实验要行灵活配置。通过为耗材、设备模块提供适配器，可放置包括枪尖栈、储液96 孔板、磁分离与振荡混匀模块以及废物回收容器等。现核酸检测功能的基础上，为应对未来实验需求的变化，围绕着工作站平，工作站系统需要兼容更多实验类型、协议与条件，对系统软件设计提出。作站硬件方案以上对自动化核酸检测工作站的功能需求，本课题组自主研发了一系列的，并集成为工作站系统，工作站平台的整体结构如图 2-1 所示，大致可以部分：移液器、机械抓手、振荡混匀模块、磁分离模块以及多工位平台，抓手都挂载于独立的三轴机械臂上，便于对各个工位上的实验耗材进行操

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