基于STM32的核酸检测系统研究

发布时间：2017-07-19 09:14

  本文关键词：基于STM32的核酸检测系统研究

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【摘要】：目前，疾病预防和治疗往往基于生物样品如血液和尿液中的化学参数的测量。通常，样品需要送到中心实验室由熟练的技术人员进行分析，检测结果也需要几个小时甚至几天才可以得到。因此，需要小型、快速和易于操作的设备来降低成本和提高效率。床旁快速检测(POCT)，一种紧凑和灵活的临床检测设备，把疾病诊断从中心实验室带到病人身边并能快速的获得检测结果。核酸检测可以为传染性和遗传性疾病提供快速、灵敏和特异的检测。聚合酶链反应(PCR)为核酸扩增提供了一种简单和优雅的方法。这种方法通过使用耐高温的聚合酶和温度循环使DNA链变性和复性。不幸的是，PCR反应所需要的温度循环使设计变得复杂、耗能和笨重，，从而使微观尺度的PCR不能很好的集成到POCT平台上。为了克服传统PCR扩增的局限性，等温的核酸扩增成为最新的研究方向。它避免了由核酸扩增阶段的温度循环带来的额外复杂性和相关的控制机制，从而为基于POCT平台的核酸扩增提供了强大的支持。本论文主要设计一种基于滑移芯片技术和环介导等温扩增(LAMP)技术的POCT设备，该设备包含了核酸扩增、光学检测和温度控制。 本文完成了基于STM32的核酸检测系统的设计。该系统主要由微流控芯片、温控模块和光学模块组成。本文在滑移芯片上实现了环介导等温扩增；微流控芯片采用了滑移芯片技术，为核酸扩增提供反应平台，实现了对微量试样的灵活操作，通过旋转即可反应并得到结果的特点使其具有使用简单、快速和高效的优点；核酸扩增采用环介导等温扩增，使温控模块的设计得到简化。温控模块对核酸反应的温度进行控制，为了简化加工工艺和便于产品化，采用了基于热电制冷器(TEC)的接触式加热方法，通过改变热电制冷器的电流方向来改变其制冷和加热的工作状态。光学模块主要对试样中的荧光染料进行激发并检测其发射光从而判断目标检测物的有无。 系统的硬件设计以基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6为核心，实现了温度采集、温度控制、光电信号检测、LCD显示、串口、按键等功能。系统的软件设计使用了标准外设库从而大大提高了开发效率。温控精度是核酸扩增成功与否的关键，本文采用了增量式PID温控算法和PWM技术实现了对温度的精确控制，并通过遗传算法和粒子群算法实现在线PID参数自整定。 本系统的温控解决方案能够对核酸反应的温度进行精确控制，并能够在线对微弱的荧光信号进行检测，实现了用于核酸检测的便携式的POCT设备。
【关键词】：POCT 微流控芯片 STM32 温度控制
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274;R197.39
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 引言10
• 1.2 床旁快速检测（POCT）10-11
• 1.3 环介导等温核酸扩增（LAMP）11-12
• 1.4 微流控 PCR 芯片12-15
• 1.5 微流控 PCR 芯片的温度控制系统15-18
• 1.6 本文的主要工作18-19
• 2 系统总体设计方案19-24
• 2.1 温控模块19-20
• 2.2 光学模块20-22
• 2.3 微流控 LAMP 芯片22-24
• 3 系统硬件设计24-45
• 3.1 ARM Cortex-M3 内核24-26
• 3.2 STM32F103 微处理器26-27
• 3.3 最小系统设计27-32
• 3.4 温度采集模块设计32-34
• 3.5 温度控制模块设计34-42
• 3.6 光电信号检测模块42-43
• 3.7 TFT-LCD 显示模块43-45
• 4 系统软件设计45-52
• 4.1 系统软件总体设计45-46
• 4.2 温度采集模块设计46-48
• 4.3 温度控制模块设计48-49
• 4.4 光电信号检测模块49-50
• 4.5 TFT-LCD 显示模块50-52
• 5 温度控制算法的研究52-63
• 5.1 PID 控制的基本原理52-54
• 5.2 增量式 PID 控制54-55
• 5.3 PID 控制算法的改进55-56
• 5.4 基于遗传算法的 PID 控制器参数整定56-59
• 5.5 基于粒子群算法的 PID 控制器参数整定59-63
• 6 实验和结论63-71
• 7 总结与展望71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-76

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本文编号：562108