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基于焦磷酸测序的基因检测装置的研制

作　者: 葛剑徽
导　师: 陆祖宏
学　校: 东南大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 焦磷酸测序微弱光检测光电二极管光电转换电路噪声电磁兼容微量加样
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

焦磷酸测序技术适于对短序列的测序分析,它不需要凝胶电泳,也不需要进行任何形式的标记和染色,具有大通量、高灵敏度、快速的特点,很容易实现自动化。但焦磷酸测序仪器高昂的购置费用,阻碍了焦磷酸测序技术的进一步的推广和应用。本课题的主要目的是研制一种基于焦磷酸测序技术的、低成本、结构简单的基因检测装置,提供一个便宜快捷的测序平台。基于液相焦磷酸测序原理,进行了装置机械结构设计和工作模块划分,设计了装置的工作流程,确定微弱光检测模块和微量dNTP加样模块是实现该装置的关键。选择S1133-01型光电二极管作为装置的光敏元件,设计了高灵敏度的光电转换电路,并用Tina-Ti SPICE电路仿真软件进行了稳定性测试,光电转换电路最低光电流检测能力达到5.24×10^-15A（信噪比等于2）。利用光电二极管阵列构成96通道微弱光检测模块,并采用了运放输入端保护、高绝缘电阻电路板和透明导电膜等措施,增强微弱光检测模块的电磁兼容性能,有效降低了外界干扰对微弱光检测的影响。设计了气压控制微量dNTP加样模块,可实现96路dNTP溶液的同时加样,最小加样量值为1.2微升,最大误差13%。结合协作设计的机械结构和信号采集部分,完成了一台基于焦磷酸测序的基因检测装置样机。实验表明能够实现焦磷酸反应检测,但信号噪声较大,需要进一步改进。

全文目录

中文摘要  7-8
Abstract  8-9
绪论  9-10
第一章焦磷酸测序技术的应用及进展  10-17
  1.1 焦磷酸测序技术基础  10-12
    1.1.1 液相焦磷酸测序法和固相焦磷酸测序法  10-11
    1.1.2 焦磷酸测序技术的改进  11-12
    1.1.3 焦磷酸测序技术的特点  12
  1.2 焦磷酸测序技术的应用进展  12-13
    1.2.1 在单核苷酸多态性研究中的应用  12
    1.2.2 在病原微生物快速鉴定中的应用  12
    1.2.3 在病因学研究中的应用  12-13
    1.2.4 在病法医鉴定研究中的应用  13
  1.3 焦磷酸测序装置及发展  13-15
    1.3.1 微量板反应器  13-14
    1.3.2 微流控芯片反应器  14-15
    1.3.3 微阵列芯片反应器  15
    1.3.4 微弱光检测装置  15
  1.4 商品化的焦磷酸测序仪器  15-16
    1.4.1 Pyrosequencing AB 公司  15
    1.4.2 454 Life Sciences 公司  15-16
  1.5 课题的目的和主攻方向  16-17
第二章光电倍增管和单通道焦磷酸测序实验装置  17-23
  2.1 光电倍增管分析  17-19
  2.2 单通道焦磷酸测序实验装置  19-22
    2.2.1 R6355 侧窗型光电倍增管介绍  19
    2.2.2 装置结构和功能  19-21
    2.2.3 工作过程  21
    2.2.4 实验和分析  21-22
  2.3 小结  22-23
第三章基于焦磷酸测序的96通道基因检测装置设计构想  23-27
  3.1 设计目标  23
  3.2 光敏元件的选择  23
  3.3 结构框图  23-24
    3.3.1 结构框图和基本工作过程  24
    3.3.2 工作模块划分  24
  3.4 机械结构设计  24-26
  3.5 工作流程设计  26
  3.6 关键问题预期  26
  3.7 小结  26-27
第四章微弱光检测电路的设计与分析  27-50
  4.1 光电二极管的特性分析  27-31
    4.1.1 光电二极管等效电路  27-28
    4.1.2 电流－电压特性和测量线性度  28-29
    4.1.3 光谱响应特性  29
    4.1.4 噪声和信噪比  29-30
    4.1.5 小结  30-31
  4.2 S1133-01型光电二极管分析  31-33
    4.2.1 外型与参数  31
    4.2.2 噪声和噪声等效功率计算  31-32
    4.2.3 量子效率和最低可探测光子数  32-33
  4.3 光电流－电压转换方法选择  33-34
    4.3.1 负载电阻转换方法  33-34
    4.3.2 短路电流转换方法  34
    4.3.3 小结  34
  4.4 光电转换电路设计  34-37
    4.4.1 光电转换电路  34-35
    4.4.2 运算放大器的确定  35-37
    4.4.3 反馈电阻的确定  37
  4.5 转换电路的交流稳定性分析  37-42
    4.5.1 运放环路增益模型和稳定性标准  38
    4.5.2 环路增益测试与稳定性分析  38-42
    4.5.3 结论  42
  4.6 Gain peaking 现象与反馈电容的确定  42-43
    4.6.1 Gain peaking现象  42-43
    4.6.2 Gain peaking 现象的预防  43
    4.6.3 反馈电容的确定  43
  4.7 光电转换电路的噪声分析  43-48
    4.7.1 噪声模型和叠加原理  43-44
    4.7.2 与电容并联的电阻热噪声输出  44-45
    4.7.3 反馈电阻的热噪声输出  45
    4.7.4 光电二极管内阻的热噪声输出  45-46
    4.7.5 运算放大器等效噪声电压源的输出  46-47
    4.7.6 运算放大器等效噪声电流源的输出  47
    4.7.7 光电转换电路的总噪声  47
    4.7.8 噪声计算与分析  47-48
  4.8 微弱光检测电路  48-49
  4.9 小结  49-50
第五章微弱光检测模块和电磁兼容性设计  50-54
  5.1 微弱光检测模块结构  50
  5.2 微弱荧光检测模块的电磁兼容性设计  50-53
    5.2.1 电磁兼容性设计的意义  50-51
    5.2.2 运算放大器的输入端保护  51-52
    5.2.3 高绝缘电阻聚四氟乙烯覆铜板  52
    5.2.4 电磁屏蔽  52-53
    5.2.5 透明导电膜  53
  5.3 小结  53-54
第六章微量dNTP 加样模块设计  54-60
  6.1 Spot-on 微量加样技术  54-55
    6.1.1 原理分析  54-55
    6.1.2 技术特点  55
  6.2 气压控制微量加样技术  55-58
    6.2.1 原理分析  55-56
    6.2.2 影响加样量和速度的因素  56-57
    6.2.3 试验装置与测试  57-58
    6.2.4 小结  58
  6.3 电磁控制冲击微量加样法  58-59
  6.4 小结  59-60
第七章基于焦磷酸测序的基因检测装置介绍  60-61
参考文献  61-64
作者简介  64-65
致谢  65

基于焦磷酸测序的基因检测装置的研制

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