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《浙江大学》 2007年
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DNA分析仪荧光信号采集与处理系统的研究

郑华  
【摘要】: DNA序列分析在现代生物学和生命科学中扮演着重要的角色。DNA分析仪是DNA序列分析的重要科学仪器,可广泛应用于医疗、农业及司法鉴定等领域。DNA序列分析及配套技术的研究不仅是一门科学,更是一项高科技产业,它涉及微细加工、高分子科学、分析化学、生物工程、光学工程等多个学科领域。我国在相关技术及其应用的研究中虽然已有长足的发展,某些方面已达到或接近国际先进水平,但在相关科学仪器关键技术的研究方面,如快速、高通量、高灵敏度检测等,仍明显落后于世界先进水平。本论文研究具有自主知识产权、高性能的DNA分析仪荧光信号采集和处理系统: 1、采用振镜与自行设计的大数值孔径远心f-theta物镜相结合的方法实现多通道DNA荧光信号的并行检测,并在此基础上研究设计了光机扫描装置配套的控制系统,实现DNA电泳荧光信号的低噪声、高灵敏度的激光共聚焦扫描检测。 2、在信号采集系统的光学部分,对受限衍射高斯光束的传输和激光束扫描系统的线分辨率进行详细的理论分析。在不同孔径圆孔的限制下,对扫描物镜焦面上的衍射光场分布进行数值计算,并利用二阶矩统计的方法对焦面上的等效光斑半径进行数值计算,将其与不受限时的理想情况进行对比,分析孔径尺度对激光束扫描系统分辨率的影响。结果表明:受限衍射使激光束扫描系统的分辨率下降,但随着孔径尺度的增加,这一影响逐步变小,当圆孔半径l≥2ω时,可忽略高斯光束衍射对扫描分辨率的影响。得到的这些结论对激光共焦扫描检测系统的设计具有指导意义,此外也可对激光束在全光通信和集成光学等方面的应用提供一些有益的帮助。 3、根据DNA分析仪荧光信号的处理流程,系统研究DNA荧光信号的处理,包括:预处理(数据段选取、基线调整、噪声滤除、峰值识别);四色荧光串扰校正;后处理(去卷积、迁移率校正、信号强度归一化)。在优化选择去噪方式的研究中,为了真实构建噪声模型并准确评价去噪算法的有效性,使用实际系统电泳未出信号峰时采集到的噪声叠加理想荧光信号的新方法来构建DNA测序仿真信号,去噪分析的结果表明:DNA测序信号经sym7小波基函数去噪处理后,与db8、coif5等小波基的处理结果相比,峰位置、峰高的误差最小,SNR最高,RMSE最小,为最优的小波基函数。 在上述理论研究和创新设计的基础上,本论文完成了DNA分析仪荧光信号采集与处理系统的研制。多通道DNA荧光信号的快速并行检测由远心f-theta扫描物镜与振镜实现,四色荧光共焦检测由滤色片轮和单个光电倍增管实现,信号采集装置中集成了嵌入式系统,图谱可在计算机中实时显示、存储和分析处理。 新型设计的DNA荧光信号采集系统只使用单个光电倍增管,降低了系统的制造成本;使用光学扫描方法使系统的工作噪声比机械扫描系统的噪声要低得多,且灵敏度也很高。在此系统中采用标准双链DNA样品:pBR322/HaeⅢ(使用TO染料)进行了毛细管电泳实验,测得系统的检测限可达:2.368×10~(-12)mol/L,经DNA图谱信号处理系统分析处理,能够满足DNA序列分析的单碱基分辨要求。该系统可应用于基于激光诱导荧光的毛细管阵列和多通道微芯片的电泳检测。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP274.2

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【引证文献】
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【同被引文献】
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