生物芯片信號(hào)處理與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳灃恒+張正平

隨著科技的發(fā)展，生物芯片技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比如：食物，制藥等等。為了系統(tǒng)操作更便捷，價(jià)格更低廉，性能更實(shí)用，我們提出了基于生物芯片的熒光信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】生物芯片 信號(hào)采集 數(shù)據(jù)處理

生物芯片是一種通過微加工或微型化的方法在固相支持物表面實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的快速、準(zhǔn)確、高通量檢測和系統(tǒng)化分析的技術(shù)。國內(nèi)研究生物芯片技術(shù)和光譜處理系統(tǒng)相對(duì)較晚，但發(fā)展很快，但大多無法滿足市場的要求，在這樣的背景下，研究一種便捷，低廉，高效的信號(hào)檢測系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 需求分析

生物芯片的檢測過程為：

（1）在上位機(jī)上打開檢測系統(tǒng)軟件，打開對(duì)應(yīng)的串口和USB，初始化電機(jī)和光譜儀，將生物芯片放置在檢測平臺(tái)上。

（2）打開CCD，配合電機(jī)定位第一個(gè)量子點(diǎn)的位置，依次確認(rèn)邊角四點(diǎn)的位置，然后通過位置算法算出25個(gè)點(diǎn)陣列的位置。檢查每個(gè)點(diǎn)的位置是否準(zhǔn)確，如果沒有在量子點(diǎn)的中心的話，通過微調(diào)將定位到準(zhǔn)確位置。

（3）確定生物芯片檢測點(diǎn)以后，需要光學(xué)原理來檢測，需要激發(fā)光源，由于光信號(hào)在傳輸過程中對(duì)角度精度要求較高，所以采用三相伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)來控制。這樣光譜儀采集到的信號(hào)才準(zhǔn)確。

（4）開啟六輪檢測，由于抗原抗體結(jié)合需要一定的時(shí)間，所以通過六輪光譜檢測來做最后分析，繪出波形曲線。

（5）保存數(shù)據(jù)，顯示光譜圖，特征值，偏振角的波形曲線。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體檢測系統(tǒng)分為五個(gè)模塊，第一個(gè)模塊是觀測物滑動(dòng)模塊，即采用三相X、Y、Z方向電機(jī)控制生物芯片的位置，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的高精準(zhǔn)度，第二個(gè)模塊是激光源，分為照明光源和激發(fā)光源。照明光源主要用于CCD定位每個(gè)量子點(diǎn)的精準(zhǔn)位置，采用無連續(xù)白光LED；激發(fā)光源主要是用于檢測過程中，需要激發(fā)光源的照射光譜儀才可以精確檢測抗原抗體結(jié)合過程中光譜發(fā)生的變化。然后是微型光譜儀，光譜儀與上位機(jī)是通過USB口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的采集和傳輸。CCD數(shù)據(jù)傳輸采用串口方式。落射式的顯微鏡是整個(gè)檢測的主體，光譜儀和CCD是放在目鏡上來檢測和觀察。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用是控制偏振片旋轉(zhuǎn)到特定角度的控制，在不同的偏振角度時(shí)光譜反饋的數(shù)據(jù)是不同的，會(huì)隨著角度的變化而變化，因?yàn)楣庠吹娜肷浣嵌劝l(fā)生變化時(shí)，對(duì)光的吸收是不同的。

檢測系統(tǒng)中分為上位機(jī)和下位機(jī)。PC用于上位機(jī)，整個(gè)軟件部分熒光信號(hào)的采集和處理算法是通過Qt Creator來開發(fā)，Qt Creator平臺(tái)由于其開放性、圖形化、可移植、多線程、靈活性而得到廣泛的應(yīng)用。下位機(jī)采用STM32F103VE處理器，來配合上位機(jī)控制電機(jī)以及反饋。

該系統(tǒng)的整體框圖如圖1。

3 上位機(jī)與下位機(jī)通信

上位機(jī)是一臺(tái)電腦，包括鍵盤，鼠標(biāo)，顯示屏等等。采用PC作為上位機(jī)是因?yàn)樾枰€(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的環(huán)境，并且需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析、處理的能力。與此同時(shí)考慮到整個(gè)系統(tǒng)的高效、便捷、微型化等需求。下位機(jī)是采用STM32為核心處理器，STM32具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足檢測系統(tǒng)的需求。上位機(jī)與下位機(jī)通信傳輸采用RS232方式。由于量子點(diǎn)的特性，要求電機(jī)的精度必須達(dá)到0.5 um。

具體通信過程如圖2。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

在與下位機(jī)通信和CCD操作都需要用到串口通信，這勢必會(huì)造成串?dāng)_，是傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性受到影響，這樣就導(dǎo)致整個(gè)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，為此通過嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)傳輸間隔時(shí)間，校驗(yàn)方式和波特率的形式來解決這個(gè)問題。首先我們?cè)O(shè)置數(shù)據(jù)傳輸間隔時(shí)間為30ms，這樣在30ms中上位機(jī)可以相應(yīng)出相應(yīng)的處理。通過添加幀頭和幀尾校驗(yàn)的方式來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

數(shù)據(jù)采集是指將指令發(fā)送至光譜儀，通過USB連接在上位機(jī)上接收光譜數(shù)據(jù)。首先通過編寫USB驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)USB口的打開、讀和寫等操作。整個(gè)光譜采集是光源激發(fā)量子點(diǎn)，通過顯微鏡的目鏡連接至準(zhǔn)直鏡，光信號(hào)通過光纖跳線收集到微型光譜儀，信號(hào)采集卡分析通過USB口傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)精度要求很高，必須保持在同一軸線上，這樣才能保證光信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

需要對(duì)采集到的大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先對(duì)25個(gè)矩陣點(diǎn)進(jìn)行通道劃分，每五個(gè)為一個(gè)通道。我們需要對(duì)標(biāo)記最強(qiáng)中心光強(qiáng)與波長，以及每一個(gè)通道特征值和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行處理和繪圖。波長計(jì)算公式：

λp=I+C1p+C2p2+C3p3

其中p為像素pixel的序號(hào)，p的取值1～1024；系數(shù) I、C1、C2、C3通過USB接口命令獲得。

計(jì)算出波長之后分析出每個(gè)量子點(diǎn)的特征波長，然后在對(duì)每個(gè)通道內(nèi)的量子點(diǎn)的特征波長進(jìn)行分析，取出這個(gè)通道的特征值。并且對(duì)不同時(shí)刻該通道的特征值進(jìn)行比較，分析出特征值的差值。判斷抗原抗體的結(jié)合情況。根據(jù)特征波長來確定最優(yōu)偏振角，同時(shí)我們需要對(duì)每個(gè)量子點(diǎn)的最優(yōu)偏振角進(jìn)行記錄并且處理，繪制出一輪測試每個(gè)通道的最優(yōu)偏振角圖。

在算法中加入了多線程，多線程是指從軟件或者硬件上實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。具有多線程能力的計(jì)算機(jī)因有硬件支持而能夠在同一時(shí)間執(zhí)行多于一個(gè)線程，進(jìn)而提升整體處理性能。整個(gè)檢測系統(tǒng)中代碼不僅繁瑣，還比較多。加入多線程是為了優(yōu)化數(shù)據(jù)處理部分的代碼，即使有將近20萬的數(shù)據(jù)分析，整個(gè)程序運(yùn)行順暢。

5 結(jié)果分析與對(duì)比

上位機(jī)分別分析出實(shí)時(shí)波形、特征值、偏振角、波長-角度四種曲線，如圖3。

這四種圖形分別代表不同的含義，第一個(gè)波形顯示是檢測過程中每一個(gè)點(diǎn)波長、光強(qiáng)變化值的實(shí)時(shí)顯示。特征值曲線是檢測完之后通過算法分析出每一輪的特征值曲線。偏振角曲線是每一輪每個(gè)通道檢測中的最優(yōu)偏振角變化圖。波長-角度圖是檢測完分析出的二者的關(guān)系圖。通過算法分析的波形圖與光譜儀自帶的軟件對(duì)比圖如圖4。

通過對(duì)比圖可以看出兩款軟件在光譜采集和處理上已經(jīng)相差無幾，并且在噪聲處理方面我們開發(fā)的軟件處理的更加好一些，對(duì)細(xì)節(jié)處理更加精準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

本文從生物芯片的原理和市場的需求提出了檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于量子點(diǎn)生物芯片的熒光信號(hào)采集與處理系統(tǒng)精度高、速度快、更自動(dòng)化、操作更便捷來進(jìn)行量子點(diǎn)生物芯片的檢測。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

吳灃恒（1992-），男，黑龍江省鐵力市人。現(xiàn)為貴州大學(xué)碩士研究生在讀。主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信與處理。

作者單位

貴州大學(xué) 貴州省貴陽市 550025