DNA檢測平臺數據預處理關鍵方法研究

摘要：近年來科學技術在社會生產生活中的應用實踐證明，DNA檢測技術在疾病診斷、防控、法醫鑒定等方面均能夠發揮重要作用。在國內的相關研究中，由于受到資金及技術水平等方面的制約，DNA檢測平臺的相關研究未能取得實質性的發展，數據預處理方面的研究也相對落后?；诖?，本研究以DNA檢測技術的主要內容為基礎，對其平臺中數據的預處理方法進行研究，包括空間校正、光譜校正以及STR預處理等，以探究該項技術的發展情況，促進其不斷進步革新。

關鍵詞：DNA檢測平臺；數據預處理；方法

隨著現代科技的不斷發展，DNA檢測技術開始被廣泛應用于社會各領域中，并逐漸影響人類的生活及生產方式。在DNA檢測平臺中，數據預處理是DNA檢測質量的重要保障，其方法多樣，對DNA數據采集具一定影響，通過對DNA信息的獲取與了解，既可幫助進行疾病診斷，也可預測病癥風險，有效改善人類社會的生活習慣與生活環境。由此，如何在DNA檢測中保障數據采集及處理的質量逐漸成為行業內研究人員關注的重點，在此背景下，本研究對DNA檢測平臺數據的預處理關鍵方法進行研究，具有一定現實意義。

1 DNA檢測平臺數據預處理

現代醫學觀點認為，DNA為人體遺傳信息的主要承擔者，是生物完成遺傳以及人類進行生物遺傳研究的基礎，不同的生物其核算的排列順序也各不相同，其與多數疾病之間均存在有一定聯系，DNA的多態性使得不同人對周圍環境的敏感性產生差異，因此，對DNA進行的檢測即是通過基因的檢測技術，獲取DNA信息，了解相關疾病中病原體、病毒及細菌的核酸排列順序，提前預測疾病發生的可能性[1]；同時，該技術在法醫的相關鑒定工作中也發揮著重要作用，法醫學中的DNA檢測經歷了指紋圖像分析、AMPFPLP技術及線粒體DNA技術等技術革新，其中線粒體DNA技術可用于親緣鑒定與個體識別，且能夠分析腐敗、陳舊或只具角化細胞的檢材，為法醫的工作提供了有效幫助。目前DNA檢測的主要方法包括微流控技術、液態生物芯片技術、基因芯片技術及PCR技術，為保證檢測時信號質量，還需要對空間校正、成像區間進行設計，對數據及算法進行采集與處理，將所得數據轉換格式得到DNA的數據文件，其中，數據的預處理結果對檢測信號的質量影響性最大，預處理的環節屬的分型的軟件平臺及硬件平臺間的關鍵環節，在DNA檢測過程中主要起到承上啟下的功能。由此可知數據的預處理效果在DNA檢測中的關鍵性，下文對DNA檢測平臺中數據預處理的流程及關鍵方法進行探究。

2數據預處理的流程及關鍵方法探究

2.1空間校正，保障成像質量 在DNA檢測平臺的數據預處理中，應先進行空間校正處理，該處理方式與毛細管在面陣CCD中的陣列及成像過程相關，首先在毛細管的陣列中打入激光，使得陣列內的DNA信息片段在激光的刺激下發出熒光，此時光路系統對熒光進行分光處理，將其投影于面陣CCD中，產生光譜譜帶，該光譜帶由分子內各能級的跳動、原子及分子震動形成，因此光線強度顯示具一定差異。面陣CCD同譜帶間又存在映射關系，相關研究表明，若在映射時出現毛細管的陣列間隔相異、面陣CCD安裝呈非水平狀態、激光不均勻發射、光路系統的聚焦模糊以及有效地成像區間設計不當等情況，則可能造成面陣CCD中毛細管血管的陣列成像產生異常反應，影響DNA光譜的獲取質量[2]。該影響主要表現為當激光發生不均勻時，毛細管由于陣列差異，其對信號的通道采集存在強弱方面的不一致性，導致部分文件及數據無法解析，若此時弱信號的通道處于Ladder標志物中，還可能造成數據文件丟失DNA分型。綜上可知，空間校正能夠進一步提升毛細管采集DNA光譜的質量，維持信號強弱的一致，糾正長短波強弱不均等，從而保證面陣CCD中光譜的成像質量，保證對有效成像區間的正確選取。

2.2光譜校正，計算評價參數 光譜校正的實施目標是將由光譜空間映射向染料空間的矩陣模型建立起來，在本研究中光譜校正的流程如下：首先，對光譜校正所需要的模式數據進行采集，其次，對數據進行算法處理，建立染料光譜的分布矩陣，最后，利用上述矩陣對其條件數、峰形參數及質量數進行計算[3]。在進行STR檢測時，較為理想的情況為熒光染料的光譜空間較為狹窄，所選擇的5類熒光空間（熒光染料）各能夠代表一類引物片段，以用于標識檢測到的某類熒光染料光譜，但在STR檢測的實際操作中，多數熒光染料的光譜范圍均較寬，主要表現在以下方面：若選擇STR檢測中常見的熒光染料（TAMRA、FAM、LIZ、ROX、VIC等），則染料之間存在有面積較大的光譜重疊，光譜范圍可分別達到530nm～620nm及510nm～590nm，且若此時FAM與VIC染料同時標識了引物片段，則其光譜可在一定波長（510nm～590nm）內產生重合，從而無法對其各自的光譜進行區分，導致STR檢測失敗。由此，在進行STR檢測前進行光譜空間處理，能夠有效位不同類型的熒光染料建立光譜的分布矩陣，從而幫助STR完成實時的校正任務[4]。光譜空間映射染料空間，并對混疊的光譜進行熒光染料的區分，從數學觀點來看該過程可稱為逆過程。

2.3 STR預處理，生成數據文件 在DNA檢測中，STR的數據預處理環節是最為關鍵的檢測環節，在該環節中軟硬件性能及所使用試劑的作用均能夠得到集中體現，其具體時間步驟如下：①依據STR運行的設計模型或所需檢測的樣本對DNA檢測平臺中各項子系統進行規劃，主要規劃內容為STR在進行數據采集時所遵循的動作序列；②依據試劑盒中不同類型染料所產生的染料集對光譜的分布矩陣進行查找，同時按照求逆運算法則對非規則性的矩陣進行處理，以提前獲取光譜校正的矩陣；③將命令集發送至DNA檢測儀器的硬件平臺中，通過指令控制檢測儀器完成STR的數據采集，采集完成后對實時光譜及基線進行調整與處理；④采集得來的數據包括文件信息、用戶信息、樣本信息、染料集信息、儀器信息、運行信息、光譜及空間校正信息、電泳檢測過程數據信息及光譜數據信息等，以ABIF及FID的信息數據格式為基礎，將采集得來的信息生成為DNA數據信息。

通過STR數據預處理，成功建立了IdentifilerTM、DNATyperTM15等不同試劑盒性能下染料的光譜矩陣及其校正信息文件，根據IdentifilerTM試劑盒的光譜校正結果可得，毛細管的染料光譜順序正確、無大范圍光譜峰傾斜或交疊等情況發生，DNATyperTM15試劑盒的光譜校對則顯示原始的光譜數據圖顏色順序正確，同樣無大范圍光譜峰傾斜或交疊，在上述數據分析結果的基礎上，本研究選取不同的檢驗材料（如唾液、骨骼、精液、牙齒、血液、脫落細胞等）進行數據分析驗證，最終結果與國外相關DNA檢測平臺的結果相類似，證明本研究中的數據預處理關鍵方法適用于相關應用領域，且可取得科學的檢測結果。

3結論

在本研究中，通過設計空間校正，實現對面陣CCD有效成像區域的選擇；通過探究光譜校正模式的機理，有效解決不同類型熒光染料的光譜重疊的問題；通過設計STR數據預處理環節中的相關步驟，完成對DNA數據信息的格式轉化，從而實現整個數據預處理過程。DNA檢測技術通過對人體的DNA信息數據進行提取、處理與解析，能夠有效促進人類對疾病及生物方面的認知，在疾病控制、藥物選擇以及法醫檢驗等方面發揮積極總用，從而提升人類社會的生活水平。

參考文獻：

[1]趙興春，浦國斌，姜伯瑋，等.DNA檢測中的檢測分離耗材研究[J].警察技術，2014，02（1）：12-14.

[2]龐曉東，陳學亮，許正光，等.法醫DNA檢測儀器及其發展動向分析[J].警察技術，2014，25（01）：8-11.

[3]孫敬，趙興春，葉健，等.國產法醫DNA檢驗試劑耗材檢測DNA標準品的準確性研究[J].刑事技術，2013，32（02）：25-27，37.

[4]洪敏，朱進，尹漢東.納米材料應用于DNA 檢測領域的研究進展[J].分析化學，2011，39（01）：146-154.

編輯/申磊