生物芯片信號處理與檢測系統設計

吳灃恒+張正平

隨著科技的發展，生物芯片技術已經成功應用在很多領域，比如：食物，制藥等等。為了系統操作更便捷，價格更低廉，性能更實用，我們提出了基于生物芯片的熒光信號采集與處理系統。

【關鍵詞】生物芯片 信號采集 數據處理

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現對生物分子的快速、準確、高通量檢測和系統化分析的技術。國內研究生物芯片技術和光譜處理系統相對較晚，但發展很快，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，高效的信號檢測系統就顯得尤為重要。

1 需求分析

生物芯片的檢測過程為：

（1）在上位機上打開檢測系統軟件，打開對應的串口和USB，初始化電機和光譜儀，將生物芯片放置在檢測平臺上。

（2）打開CCD，配合電機定位第一個量子點的位置，依次確認邊角四點的位置，然后通過位置算法算出25個點陣列的位置。檢查每個點的位置是否準確，如果沒有在量子點的中心的話，通過微調將定位到準確位置。

（3）確定生物芯片檢測點以后，需要光學原理來檢測，需要激發光源，由于光信號在傳輸過程中對角度精度要求較高，所以采用三相伺服電機和旋轉電機來控制。這樣光譜儀采集到的信號才準確。

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

（5）保存數據，顯示光譜圖，特征值，偏振角的波形曲線。

2 檢測系統設計

整體檢測系統分為五個模塊，第一個模塊是觀測物滑動模塊，即采用三相X、Y、Z方向電機控制生物芯片的位置，實現檢測系統的高精準度，第二個模塊是激光源，分為照明光源和激發光源。照明光源主要用于CCD定位每個量子點的精準位置，采用無連續白光LED；激發光源主要是用于檢測過程中，需要激發光源的照射光譜儀才可以精確檢測抗原抗體結合過程中光譜發生的變化。然后是微型光譜儀，光譜儀與上位機是通過USB口連接，實現對光譜數據的采集和傳輸。CCD數據傳輸采用串口方式。落射式的顯微鏡是整個檢測的主體，光譜儀和CCD是放在目鏡上來檢測和觀察。旋轉電機的作用是控制偏振片旋轉到特定角度的控制，在不同的偏振角度時光譜反饋的數據是不同的，會隨著角度的變化而變化，因為光源的入射角度發生變化時，對光的吸收是不同的。

檢測系統中分為上位機和下位機。PC用于上位機，整個軟件部分熒光信號的采集和處理算法是通過Qt Creator來開發，Qt Creator平臺由于其開放性、圖形化、可移植、多線程、靈活性而得到廣泛的應用。下位機采用STM32F103VE處理器，來配合上位機控制電機以及反饋。

該系統的整體框圖如圖1。

3 上位機與下位機通信

上位機是一臺電腦，包括鍵盤，鼠標，顯示屏等等。采用PC作為上位機是因為需要穩定的數據采集和數據處理的環境，并且需要對大量數據進行快速分析、處理的能力。與此同時考慮到整個系統的高效、便捷、微型化等需求。下位機是采用STM32為核心處理器，STM32具有高性能、低成本、低功耗的優點，可以滿足檢測系統的需求。上位機與下位機通信傳輸采用RS232方式。由于量子點的特性，要求電機的精度必須達到0.5 um。

具體通信過程如圖2。

4 數據采集與處理

在與下位機通信和CCD操作都需要用到串口通信，這勢必會造成串擾，是傳輸數據的準確性和穩定性受到影響，這樣就導致整個檢測系統的穩定性和精準性，為此通過嚴格控制數據傳輸間隔時間，校驗方式和波特率的形式來解決這個問題。首先我們設置數據傳輸間隔時間為30ms，這樣在30ms中上位機可以相應出相應的處理。通過添加幀頭和幀尾校驗的方式來驗證數據的正確性。

數據采集是指將指令發送至光譜儀，通過USB連接在上位機上接收光譜數據。首先通過編寫USB驅動來實現對USB口的打開、讀和寫等操作。整個光譜采集是光源激發量子點，通過顯微鏡的目鏡連接至準直鏡，光信號通過光纖跳線收集到微型光譜儀，信號采集卡分析通過USB口傳輸至計算機系統，整個系統對精度要求很高，必須保持在同一軸線上，這樣才能保證光信號傳輸的準確度。

需要對采集到的大量光譜數據進行處理，首先對25個矩陣點進行通道劃分，每五個為一個通道。我們需要對標記最強中心光強與波長，以及每一個通道特征值和旋轉角度進行處理和繪圖。波長計算公式：

λp=I+C1p+C2p2+C3p3

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

計算出波長之后分析出每個量子點的特征波長，然后在對每個通道內的量子點的特征波長進行分析，取出這個通道的特征值。并且對不同時刻該通道的特征值進行比較，分析出特征值的差值。判斷抗原抗體的結合情況。根據特征波長來確定最優偏振角，同時我們需要對每個量子點的最優偏振角進行記錄并且處理，繪制出一輪測試每個通道的最優偏振角圖。

在算法中加入了多線程，多線程是指從軟件或者硬件上實現多個線程并發執行的技術。具有多線程能力的計算機因有硬件支持而能夠在同一時間執行多于一個線程，進而提升整體處理性能。整個檢測系統中代碼不僅繁瑣，還比較多。加入多線程是為了優化數據處理部分的代碼，即使有將近20萬的數據分析，整個程序運行順暢。

5 結果分析與對比

上位機分別分析出實時波形、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，第一個波形顯示是檢測過程中每一個點波長、光強變化值的實時顯示。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通道檢測中的最優偏振角變化圖。波長-角度圖是檢測完分析出的二者的關系圖。通過算法分析的波形圖與光譜儀自帶的軟件對比圖如圖4。

通過對比圖可以看出兩款軟件在光譜采集和處理上已經相差無幾，并且在噪聲處理方面我們開發的軟件處理的更加好一些，對細節處理更加精準。

6 結束語

本文從生物芯片的原理和市場的需求提出了檢測系統的設計，基于量子點生物芯片的熒光信號采集與處理系統精度高、速度快、更自動化、操作更便捷來進行量子點生物芯片的檢測。

參考文獻

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[2]馬立人，蔣中華.生物芯片-第二版[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]高西全，丁玉美.數字信號處理（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

作者簡介

吳灃恒（1992-），男，黑龍江省鐵力市人。現為貴州大學碩士研究生在讀。主要研究方向為數據通信與處理。

作者單位

貴州大學 貴州省貴陽市 550025