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近年来,生命科学研究和生物技术研究发展很快,这与相关生命科学仪器的使用是分不开的。在现代生命科学的研究中,研究人员常常需要对大量的生物样本进行分析处理,工作量十分大。如果没有自动化、准确以及高通量的生物大分子检测平台与之相配合,研究速度与研究进展将会受到很大的制约。
单核苷酸多态性(SNPs)是人类基因组中最常见的变异,研究SNP有助于解释个体的表型差异、不同群体和个体对疾病的易感性,以及对各种药物的耐受性和对环境因子的反应。但是SNP检测通常意味着多样本多位点的高通量并行检测,这就需要一种具有高通量、自动化特点的检测技术,以及能够实现该检测方法的自动化操作系统,将研究人员从繁重的劳动中解放出来,提高实验室工作效率。但我国缺少具有自主知识产权的相关技术平台。根据磁性纳米颗粒在分离生物分子时,分离速度快、效率高,可重复使用,特别是易实现功能化和自动化等特点,本课题组研发了一系列基于磁性纳米颗粒的SNP检测技术,在此基础上,拟开发一种快速、高通量且适用于临床诊断分析的生物大分子检测自动化操作分析系统。
本文研究了上述生物大分子检测自动化操作分析系统的磁分离模块与温度控制模块。针对自动化系统对磁分离模块的要求,设计了一种基于96孔微孔板的磁分离装置,能够完成对96孔板中样本的磁分离,分离后的磁性纳米颗粒被吸附在反应管侧壁上,有利于进一步的分离操作。针对生化反应对高精度温度控制模块的要求,设计温度控制模块的系统结构,系统使用一种半导体制冷器作为加热/制冷的载体,实现加热/制冷的转换。同时,设计与实现了一种高精度温度控制模块,该模块以ADuC845单片机为控制核心,选择合适的温度传感器,设计相应的测温电路、半导体制冷器控制输出电路、以及串口通信电路等。在硬件的基础上,研究了包括Bang-Bang控制和Fuzzy-PID控制算法,提出了基于Bang-Bang控制和Fuzzy-PID控制的复合控制策略,并编写温度控制模块软件,实验结果验证了该算法在温度控制中获得了较为理想的动态和稳态性能。对磁分离模块和温度控制模块的功能进行了实际测试,结果表明:磁分离模块和温度控制模块的各项指标均达到系统要求。
最后,应用自动化工作站的磁分离模块和温度控制模块,对96个样本进行了分型检测。实验结果表明,能够实现从“样本制备-分型杂交-信号检测”整个分型实验过程的半自动化操作。