纳米通道数据实时监测与分析软件的研究与实现

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纳米通道单分子检测技术由于其快速、低成本、无需标记等优势而受到广泛关注和发展。这一技术的原理是待测分析物在外加电场的驱动下穿越纳米通道时的占位效应改变了通道阻抗,使得流经通道的离子电流发生变化,形成特异性阻断电流信号。这些信号与分析物的微观信息直接相关,通过采集和分析这些信号可实现对这些信息的解读。  为了精确地分析这些信号,一方面需要高精度低噪声的数据采集仪器完成实验数据的采集,另一方面则需要借助快速精准的数据处理软件完成数据的分析。然而,目前国内外对于纳米通道实时处理软件的研究较少,现有软件仅支持对离线数据进行分析。实验中连续高速(>100kHz)采集获取的数据量巨大(GB级别),上述离线分析过程会消耗大量时间和计算资源。为提高数据处理效率,本文研究并实现了与自主研发的纳米通道高速数据采集设备配套使用的实时数据监测和分析软件。  本文首先对该技术的基本原理、应用现状、研究意义及系统组成进行了研究,对数据处理的现有挑战、基本过程及软件现状等进行了探讨,并据此提出了软件研究目标。为实现此软件,本文分析了软件功能需求,论证了关键技术路线,确定了具体功能模块。随后,本文对各模块具体实现和关键技术进行了阐述。数据分析模块是软件的核心,在设计时提出了基于双缓冲结构和有限冲击响应滤波方法的实时自适应阈值算法,该算法能够在数据采集记录时完成信号的识别分析。为验证软件性能,本文依据实验信号特征设计了仿真实验进行研究,结果表明软件能够满足强噪声、低带宽、高采样率环境下的数据处理要求。最后,本文将该软件用于poly(dA)4分子的Aerolysin纳米通道分析实验中,实验结果进一步证明此软件能够对庞杂的实验数据进行实时快速精准的分析处理。  本文的研究有助于研究人员快速进行纳米通道实验数据处理,进而提高数据处理效率,对于纳米孔道单分子检测技术的发展具有促进作用。
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