基于磁分離的現(xiàn)場核酸檢測平臺若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著微納加工、生物醫(yī)學(xué)、新材料、集成電路和智能控制等高新技術(shù)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)場檢測方法不斷向?qū)崟r、定量方向發(fā)展;檢測設(shè)備向小型化、自動化和檢測項目的多樣化方向發(fā)展;檢測對象則由生化指標(biāo)、免疫指標(biāo)逐步外延到核酸指標(biāo)。而現(xiàn)場核酸分子檢測必須具有高特異性和高靈敏度，并且可大大減少疾病檢測的時間。長遠來說，核酸分子檢測在疾病的易感性、疾病的分型、分期和預(yù)后判斷及療效檢查等方面都具有重要應(yīng)用前景。本文以核酸分子為樣本檢測指標(biāo)，以減少樣本檢測的時

2、間，減少工作量，降低檢測成本為目的，結(jié)合磁分離技術(shù)，聚合酶鏈式反應(yīng)以及環(huán)介導(dǎo)等溫擴增等生化技術(shù)構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小型化，自動化的核酸檢測平臺;為實驗室自動化提供靈活的解決方案;對高精度、快速的運動控制技術(shù)和溫度控制技術(shù)，微弱光電的檢測技術(shù)進行系統(tǒng)研究與應(yīng)用。首先，設(shè)計了小型一體化步進電機控制板和高精度的運動控制算法，研制了基于磁分離的快速全自動核酸提取設(shè)備;其次，構(gòu)建了熱電制冷器變溫控制平臺，設(shè)計了一種高精度快速變溫控制策略，實現(xiàn)高

3、精度的熱循環(huán)控制，并用于核酸擴增裝置的研制;最后，設(shè)計了重復(fù)性好，精度高的光電檢測系統(tǒng)，對其光電檢測電路進行計算、仿真和參數(shù)優(yōu)化，研制了濁度檢測裝置，實現(xiàn)了基于環(huán)介導(dǎo)等溫擴增的多通道核酸檢測。整個平臺在1小時左右完成核酸定性檢測。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對基于超順磁性納米顆粒提取核酸方法進行了詳細的過程分析，設(shè)計了高效的磁分離結(jié)構(gòu)和小型的加熱結(jié)構(gòu);為了提高磁分離質(zhì)量，避免交叉污染，根據(jù)磁分離和深孔板特點，設(shè)計了8通道一次性磁套

4、;為了體積最小化和控制靈活化，開發(fā)了基于總線控制策略的微型一體化步進電機驅(qū)動電路板;同時，為了提高控制精度，根據(jù)步進電機的特性，改進了基于脈沖法的等頻率步進電機控制算法，優(yōu)于傳統(tǒng)S型加減速算法;在觸摸屏開發(fā)平臺上，使用java語言開發(fā)了操作簡單、參數(shù)可設(shè)置的用戶界面。最后，研制出小型化快速的全自動核酸提取設(shè)備;并且結(jié)合實驗室自主研制的磁珠法提取DNA試劑盒，對設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和控制策略進一步優(yōu)化，能夠在30分鐘內(nèi)完成高純度的DNA提取和純

5、化。⑵通過對核酸擴增的原理進行過程分析，提高熱循環(huán)系統(tǒng)性能可直接影響核酸擴增的效率。為研制性能優(yōu)良的快速變溫核酸擴增系統(tǒng)，本論文對熱循環(huán)控制中的核心執(zhí)行部件（熱電制冷器）的變溫機理進行詳細的研究，包括理論分析、計算與器件選型;采用高速場效應(yīng)晶體管組成全電橋功率放大器，包括全橋驅(qū)動電路和邏輯控制電路，以提高熱電制冷器工作效率;對基于恒流源的鉑電阻溫度采集方法設(shè)計了簡單的信號調(diào)理電路，對溫度-電阻分度表進行了曲線擬合，在0℃～140℃范圍內(nèi)

6、尋找出誤差小于0.1℃的分段公式，在理論誤差分析和實驗驗證中，均表明其誤差小于0.1℃。在軟件方面，為了提高溫度控制的精度、魯棒性以及減少超調(diào)，我們開發(fā)了一種自適應(yīng)熱循環(huán)控制策略:根據(jù)繼電器反饋模型推導(dǎo)出階躍響應(yīng)產(chǎn)生等幅振蕩曲線，進而計算出系統(tǒng)的臨界參數(shù)和系統(tǒng)PID參數(shù)值，再結(jié)合模糊PID的控制思想，系統(tǒng)自動尋找最合適的PID參數(shù);最后，研制出核酸擴增設(shè)備，實現(xiàn)了高效核酸擴增，溫度控制超調(diào)量小于0.5℃，溫控精度小于0.2℃，具有良好穩(wěn)

7、定性和魯棒性。與國外儀器相比實驗結(jié)果相差不大。⑶對環(huán)介導(dǎo)等溫擴增濁度法檢測方法進行分析，構(gòu)建實時等溫擴增濁度檢測系統(tǒng)。首先，對濁度法多通道光電檢測原理進行了理論研究，對關(guān)鍵部件光源和探測器進行對比與選型;設(shè)計了恒功率激光二極管驅(qū)動電路，以提高光電檢測的強度和光源的穩(wěn)定性;其次，以提高抗干擾和抗噪聲能力為出發(fā)點，實現(xiàn)從微弱的生物信號提取有效的光電信號，我們對光電二極管模型進行了分析、計算與仿真驗證，設(shè)計了微弱信號調(diào)理電路，并且對調(diào)理電路關(guān)