微滴式数字PCR仪的温度控制与荧光信号处理技术研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工程硕士）微滴式数字PCR仪的温度控制与荧光信号处理技术研究易雁飞二零一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111504174广东工业大学硕士学位论文（工程硕士）微滴式数字PCR仪的温度控制与荧光信号处理技术研究易雁飞校内导师姓名、职称:章云教授校外导师姓名、职称:魏晓磊学科(专业)或领域名称:控制工程学生所属学院:自动化学院论文答辩日期:2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDeg

2、reeofMaster(MasterofEngineering)ResearchontheTemperatureControlandFluorescenceSignalProcessingofMicro-dropletDigitalPCRSystemCandidate:YiYanfeiSupervisor:Prof.ZhangYunMay2018SchoolofAutomationGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要链式聚

3、合酶反应（PolymeraseChainReaction,PCR）是为研究目标DNA分子而在体外对特定DNA分子进行扩增的一种技术。微滴式数字PCR仪是对包含目标DNA分子的微液滴进行扩增反应并对目标DNA分子进行绝对定量的仪器，在现代社会得到了广泛的关注与应用。本论文基于我国现阶段微滴式数字PCR仪研发生产不足的现状，针对微滴式数字PCR仪中的关键技术进行了研究，主要涉及PCR扩增过程中的温度控制和微液滴荧光信号的检测与峰值识别两部分内容。本文主要研究内容为：（1）本文对PCR扩增过程中的温度要求进行了分析，并完成了数字PC

4、R仪温度控制系统相关硬件方面的设计，包含了重要的三部分：CPU电路、加热/制冷电路、测温电路。在CPU电路中，对最小系统进行了设计，在加热/制冷电路中，本文通过选择制冷片及设计制冷片的连接方式来达到数字PCR仪对升降温速度方面的要求，在温度检测电路中，通过对比元件的各项指标，选择PT100作为温度传感器，并对测温电路进行了设计。在温度控制算法中本文选择模糊PID控制算法，通过Matlab仿真实验，结果表明模糊PID控制算法在系统控制效果上优于传统PID控制。（2）对微液滴荧光信号检测系统的组成部分进行了分析。完成了微液滴荧光信

5、号光电探测电路的设计，包含光电转换级放大电路，前级放大电路和中间级放大电路。（3）对微液滴荧光信号的处理流程进行了研究，包含三个部分：基线调整，滤波，峰值识别。在基线调整部分，本文选择分段法对实际采集到的荧光信号进行处理，得到了较好的效果。由于在荧光信号检测平台采集得到的荧光信号存在噪声干扰的现象，本文对荧光信号分别进行FIR滤波、IIR滤波和S-G滤波，实验表明S-G滤波的保真性和去噪能力均优于其他两种方法。微液滴数字PCR仪中的荧光信号峰值识别的真伪会导致被检测微液滴存在假阳性和假阴性问题，从而使得微滴式数字PCR的检测结

6、果出现较大误差，因此本文提出了一种新的基于高斯平滑策略的峰值识别方法，I广东工业大学硕士学位论文通过仿真实验，结果表明新方法能够准确识别锋位，对重叠峰也能准确识别，另外，在不滤波的情况下依然能取得理想的效果。本文通过对数字PCR仪温度控制模块和荧光检测模块的研究，进行了相关电路的设计、对比选择出了较适合于系统的滤波方法以及提出了新的峰值识别方法，这些设计和方法将有望应用到数字PCR仪中去。关键词：链式聚合酶反应；温度控制；荧光检测；PID；峰值识别IIABSTRACTABSTRACTPolymerasechainreactio

7、n(PCR)isatechniqueusedinmolecularbiologytoamplifyasinglecopyorafewcopiesofasegmentofDNAacrossseveralordersofmagnitude,generatingthousandstomillionsofcopiesofaparticularDNAsequence.DigitalPCRinstrument(DPCRI)canwellamplifyandquantifytargetDNA.Therefore,DPCRIhasattrac

8、tedgreatattentionsandbeenwidelyapplied.Thisthesisfirstlyreviewsthestate-of-the-artofDPCRI.Basedonthereview,itinvestigateskeytechniquesofDP