基于智能手机的手持式数字PCR系统开发及其应用研究

发布时间：2021-02-03 03:12

　　数字PCR由于其无需建立标准曲线即可实现核酸精确定量的优点,已经成为生物研究领域越来越受欢迎的核酸检测技术。然而,现有的商业化数字PCR仪器体积庞大、集成度低、价格昂贵,需要专业技术人员操作和维护,因而并不适用于资源有限地区以及需要即时现场检测的场合。为了实现上述场景的核酸精准定量分析,本课题开发了一台基于智能手机的手持式数字PCR装置并对相关技术进行了研究。此外,为了提高对数字PCR荧光图片的处理效果,本文提出了一种基于机器学习的图像处理方法。本文的具体研究工作和成果主要包括以下几个方面:（1）开发了适合于手持式数字PCR仪的微型温控热循环系统,分别从硬件和温度控制算法上进行了设计和优化,并验证了其性能。（2）基于所采用的Taqman探针的荧光检测原理,搭建了适合于手持式数字PCR仪的荧光检测系统,实现了良好的荧光成像效果,开发了运行于智能手机的图像处理软件对荧光图像进行处理。（3）结合微型温控循环系统、荧光检测系统和微流控芯片,成功搭建了一台手持式数字PCR仪,所有功能单元均采用自主开发的Android软件自动控制。仪器的三维尺寸仅为90 mm×90 mm × 100 mm,重约5... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：84 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１?ＰＣＲ原理示意图（来源：维基百科）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ?Ｃｈａｉｎ?Ｒｅａｃｔｉｏｎ．?（Ｆｒｏｍ?Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）??

Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒｅａｌ－ｌｉｍｅ?ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ?ＰＣＲ．?（Ｆｒｏｍ?Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）??数字ＰＣＲ是近几年所发展起来的第三代ＰＣＲ技术［２４，２５］，其发展得益于微加??工技术的兴起。其原理如图１．３所示，样本被连续稀释到一定倍数后，分散成彼??此独立的微型反应单元，每个单元理论上有零个或者一个目标核酸分子，随后同??时进行ＰＣＲ扩增。扩增后的反应单元中若含有目标分子，则其可以用荧光标记??法被检测到，称为阳性腔室，不含目标分子的反应单元不会产生特定荧光信号，??称为阴性腔室。只需要通过对阳性和阴性腔室逬行统计，并利用泊松分布对结果??进行矫正，就可以得出所测样本的浓度、突变等重要信息，能实现单个核酸分子??的检测。这种方法无需绘制标准曲线，能够对目标分子进行绝对定量，避免了建??立标准内参曲线所带来的实验间的误差［２６，２７］。此外，在数字ＰＣＲ中，核酸样本??被分散到大量独立的反应单元中

从而产生成千上万个均匀的微液滴，作为独立的ＰＣＲ反应单元。在ＰＣＲ??扩增后用流式细胞法或者ＣＣＤ成像法获取定量信息。２０１２年伯乐公司相继推出??了微滴式数字ＰＣＲ系统ＱＸ１００和ＱＸ２００?（图１．４?Ａ）。其中ＱＸ１００售价８９，０００??美元，（＾２００售价约１５０，０００？２９０，０００美元，每个样品检测费用３美元。如图１．４??Ｂ所示，微滴发生器（ｄｒｏｐｌｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒ）产生成千上万个纳升级的微滴，每个微??滴都作为一个独立的ＰＣＲ反应器，经ＰＣＲ扩增后，采用微滴分析仪（ｄｒｏｐｌｅｔｒｅａｄｅｒ）??逐个对每个微滴进行检测，最终分析软件可计算给出目标分子的浓度或拷贝数。??同年，美国ＲａｉｎＤａｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司推出了?ＲａｉｎＤｒｏｐ数字ＰＣＲ系统（图１．４??Ｃ），该仪器基于ＲａｍＳｔｏｒｍ微液滴技术，在每个液滴生成通道能产生１００￣１０００??万个皮升级（ｐｉｃｏｌｉｔｅｒ）的液滴，提高了动态检测范围（图１．４Ｄ）。该系统售价约??２６０

【参考文献】：
期刊论文
[1]数字核酸扩增检测技术的研究与应用进展[J]. 丁雄,牟颖.  分析化学. 2016(04)
[2]入射角度对高反膜及干涉滤光片的影响[J]. 方靖岳.  大学物理实验. 2013(01)
[3]半导体制冷技术原理与应用[J]. 李洪斌,杨先.  现代物理知识. 2007(05)

硕士论文
[1]自吸自离散式数字核酸扩增微流控芯片的研究[D]. 高一博.浙江大学 2013



本文编号：3015809