基于單粒子分析方法的水體總菌檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目的:本文所述課題旨在課題組研究的基礎(chǔ)上，進一步掌握單粒子檢測技術(shù)并將其應(yīng)用于水體細菌總數(shù)的檢測。在系統(tǒng)樣機研制的過程中積累經(jīng)驗，助力于單粒子檢測技術(shù)在水體樣本檢測專項應(yīng)用方面的推廣，為單粒子檢測技術(shù)的應(yīng)用提供新的思路。
　　方法和內(nèi)容:
　　通過對現(xiàn)有的流式檢測原理進行剖析，在國外已有的檢測技術(shù)和相關(guān)裝備的基礎(chǔ)上，提出單粒子水體總菌檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和實驗裝置的研制。主要研究內(nèi)容及方法包括:
　?、?樣本前處理方法

2、研究;通過查閱文獻及實驗驗證，對不同原理的前處理方法進行探索，對比不同染料、不同碳點對細菌的染色效果，確立課題所使用的染色方案在該檢測原理下的可行性與準(zhǔn)確性;通過前處理方案的確定，為光路系統(tǒng)光源選擇、探測通道鏡片參數(shù)制定提供必要的設(shè)計參數(shù)。
　　Ⅱ.光學(xué)模塊設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化;將光路模塊從總體上分為激發(fā)光路與檢測光路兩部分，通過理論仿真分析，設(shè)計激光光路實現(xiàn)對原始光斑的整形從而得到理想的檢測光斑;設(shè)計檢測光路對熒光信號進行選擇性接收;

3、在課題中對該系統(tǒng)的光源選擇、鏡片參數(shù)、光路結(jié)構(gòu)三個方面進行系統(tǒng)性優(yōu)化，并依據(jù)前處理方案擬定的染料特性對檢測光路參數(shù)進行優(yōu)化處理。
　?、?液流模塊設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化;通過不同設(shè)計方案對比，使用不同動力源控制樣本液和鞘液，使其在檢測區(qū)形成由外部鞘液流包裹內(nèi)部樣本液流的同軸流動模式，通過對液流系統(tǒng)效果進行評價分析，優(yōu)化設(shè)計方案與控制參數(shù)。課題通過實驗探索，確定了具有較高安全性的進樣液路及整體流路方案。
　　Ⅳ.信號處理模塊設(shè)計與優(yōu)化

4、;系統(tǒng)在檢測區(qū)由激發(fā)光斑激發(fā)染色后的細菌，經(jīng)過檢測光路對熒光信號進行探測收集，通過光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號傳遞給FPGA主控芯片。課題中針對系統(tǒng)的信號特點進行了相關(guān)電路設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化，繪制PCB板并完成電路系統(tǒng)調(diào)試。
　　Ⅴ.峰值處理算法的提出以及驗證;對微米級待測樣本粒子經(jīng)熒光染色后熒光信號強度分布進行建模仿真，探尋待測樣本熒光信號的特征，結(jié)合系統(tǒng)檢測平臺的檢測需求設(shè)計具有針對性的

5、信號處理方法，在Verilog語言環(huán)境下實現(xiàn)算法的應(yīng)用并通過實驗驗證算法的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，對算法進行優(yōu)化。
　　Ⅵ.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化;在系統(tǒng)搭建初期，采用獨立的分模塊構(gòu)建方案，將總體系統(tǒng)劃分為幾個子系統(tǒng)模塊，在逐步實現(xiàn)各個模塊的擬定功能后，為了提高系統(tǒng)集成度，在控制系統(tǒng)采用以FPGA為核心的控制方案，在硬件電路中圍繞FPGA為核心分別構(gòu)建中心電源板、信號處理板、信號控制板以及微控板為主體的4塊直插式電路控制系統(tǒng)，將各獨立模塊綜合

6、集成為一體，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　結(jié)果:
　?、?光路系統(tǒng)采用設(shè)計方案后激光器原始光斑大小約為844*765um，橢圓度約為0.906，經(jīng)過XY雙軸整形透鏡組整形后，在檢測點位置光斑大小77.8*19.8um，在焦點位置附近光斑變化趨勢較小，具有較好的穩(wěn)定性。
　?、?液流系統(tǒng)分別采用柱塞泵與氣壓泵作為動力源，解決了樣本“死體積”問題引入的污染，避免了“脈動”問題帶來的樣本回流現(xiàn)象;使樣品進樣不受樣本管體積限制，實現(xiàn)連續(xù)

7、檢測;大約0.4s即可在鞘液液瓶中建立穩(wěn)定的氣壓，電壓值約為1.1v，穩(wěn)定效果較好。
　?、?峰值處理算法重復(fù)檢測10組樣本相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.36％，并且僅需3個參數(shù)即可實現(xiàn)系統(tǒng)信號的快速處理，與現(xiàn)有檢測方法相比具有較好的一致性，可滿足系統(tǒng)的檢測需求。
　　Ⅳ.整體系統(tǒng)微球測試表明當(dāng)進樣速度處于0.5ul/s-1ul/s之間時，樣本檢測結(jié)果間差異較小，檢測過程更穩(wěn)定;針對不同濃度樣本檢測CV值均在2-3.5之間，達到了較好的

8、檢測精度。
　　Ⅴ.系統(tǒng)整體測試人工添加金黃色葡萄球菌10倍梯度濃度結(jié)果表明，目前系統(tǒng)最佳檢測限為103-106cfu/ml濃度范圍，在該檢測限內(nèi)與平皿計數(shù)法檢測結(jié)果具有較好的一致性，在低于該檢測限時檢測結(jié)果明顯高于平皿計數(shù)法;與現(xiàn)有流式細胞儀的統(tǒng)計結(jié)果始終保持較好的一致性。
　　總結(jié)與展望:
　?、?在現(xiàn)有樣機的基礎(chǔ)上，通過對子系統(tǒng)各部分分別優(yōu)化，進一步提高整體系統(tǒng)的檢測靈敏度。
　?、?增加熒光收集通道，在理