可控CCD光學SPR生物分析儀設計及數(shù)據(jù)分析.pdf

1、光學表面等離子體共振(Surface plasmon resonance，SPR)生物傳感技術是一種快速高效的生物敏感檢測方法，具有免標記、非破壞、實時在線檢測等特點，目前已經(jīng)在食品安全分析、環(huán)境保護、臨床醫(yī)學、藥物研究以及農業(yè)等方面得到廣泛的應用。在生物分子相互作用過程中，光學SPR生物傳感器能夠實時監(jiān)測生物分子間的反應速度和親和力，對蛋白質功能分析、藥物開發(fā)、基因組學和蛋白質組學的研究提供強有力的支持。光學SPR生物傳感器能夠實時在

2、線監(jiān)測抗原與抗體（配體與受體）之間的結合與解離過程，根據(jù)監(jiān)測獲得的結合與解離曲線對樣品中耦聯(lián)到生物敏感膜上的生物分子進行定量分析，通過曲線擬合計算得到生物分子相互作用的動力學數(shù)據(jù)和親合力常數(shù)，對于研究生物分子相互作用的動力學過程具有重大意義。
　　本論文介紹了一種新穎的可控CCD光學SPR生物分析儀的設計方案，成功構建了一個可控CCD光學SPR生物分析儀的檢測機構;介紹了可控CCD光學SPR生物分析儀的結構組成、光電信號檢測和數(shù)據(jù)

3、處理算法。通過直流電機驅動一字線激光器在導軌上做變速往復運動，完成對蒸鍍在棱鏡端面的金膜角度掃描。通過計算分析SPR生物傳感器的靈敏度，采用直角棱鏡結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的等邊三角棱鏡結構，既便于安裝與調節(jié)，又避免了對入射光線的角度干涉的限制。采用霍爾傳感器A44E檢測一字線激光器的位移信號，然后傳輸給單片機STC89C51進行計數(shù)，利用Keil C軟件對單片機STC89C51進行編程，通過中斷信號控制面陣CCD圖像數(shù)據(jù)的采集，實時記錄采集圖像的

4、時間、位置等信息。利用限幅濾波、中值濾波和基于動態(tài)基線一階矩算法等方法對采集得到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，以獲得光學SPR共振最低點。采用體積分數(shù)為10％、25％、30％、40％、50％和60％的乙醇溶液對可控CCD光學SPR生物分析儀的性能進行實驗驗證，獲得光學SPR共振像素位點與乙醇體積分數(shù)之間的對應關系曲線。結果表明:可控CCD光學SPR生物分析儀在檢測乙醇溶液的體積分數(shù)上具有很好的線性關系與較高的靈敏度，相關系數(shù)為0.9988，靈敏度

5、可達845.60(共振像素位點/乙醇體積分數(shù))。本論文提出了一種新穎的基于Gauss-Newton算法的Marquardt算法對生物分子相互作用的動力學數(shù)據(jù)進行分析。首先建立生物分子相互作用的準一級動力學方程，然后對乙型肝炎表面抗原與抗體分子的相互作用數(shù)據(jù)由自制的生物分析儀獲得，最后使用準一級動力學模型的Marquardt算法對實驗結果進行非線性擬合，從而獲得抗原與抗體分子相互作用的結合和解離常數(shù)，結果表明Marquardt算法不但能夠

6、有效降低對初始值的依賴性，也大大降低了迭代次數(shù)。
　　對可控CCD光學SPR生物分析儀的研究，適應了生物分析儀便攜化的發(fā)展要求，不僅解決了一字線激光器角度掃描式光學SPR生物分析儀中面陣CCD的采集頻率與激光器速率不匹配而產(chǎn)生拖影現(xiàn)象，而且解決了采集圖像數(shù)據(jù)量過大造成面陣CCD采集停滯現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高了檢測效率與測試精度。隨著面陣CCD技術的不斷創(chuàng)新且廣泛應用于快速檢測，面陣CCD圖像采集可以方便地滿足多通道及多種物質檢測的要