生物芯片信號處理與檢測系統(tǒng)設計

吳灃恒+張正平

隨著科技的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)。

【關鍵詞】生物芯片 信號采集 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現(xiàn)對生物分子的快速、準確、高通量檢測和系統(tǒng)化分析的技術。國內研究生物芯片技術和光譜處理系統(tǒng)相對較晚，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）在上位機上打開檢測系統(tǒng)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(fā)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(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)設計

整體檢測系統(tǒng)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(xiàn)檢測系統(tǒng)的高精準度，第二個模塊是激光源，分為照明光源和激發(fā)光源。照明光源主要用于CCD定位每個量子點的精準位置，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，光譜儀與上位機是通過USB口連接，實現(xiàn)對光譜數(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(shù)據(jù)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(fā)生變化時，對光的吸收是不同的。

檢測系統(tǒng)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(fā)，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(tǒng)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(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的環(huán)境，并且需要對大量數(shù)據(jù)進行快速分析、處理的能力。與此同時考慮到整個系統(tǒng)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(yōu)點，可以滿足檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性受到影響，這樣就導致整個檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準性，為此通過嚴格控制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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連接在上位機上接收光譜數(shù)據(jù)。首先通過編寫USB驅動來實現(xiàn)對USB口的打開、讀和寫等操作。整個光譜采集是光源激發(fā)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(tǒng)，整個系統(tǒng)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?shù)臏蚀_度。

需要對采集到的大量光譜數(shù)據(jù)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(shù) 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(jù)特征波長來確定最優(yōu)偏振角，同時我們需要對每個量子點的最優(yōu)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(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現(xiàn)多個線程并發(fā)執(zhí)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(zhí)行多于一個線程，進而提升整體處理性能。整個檢測系統(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(yōu)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(fā)的軟件處理的更加好一些，對細節(jié)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(tǒng)的設計，基于量子點生物芯片的熒光信號采集與處理系統(tǒng)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

[1]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++ GUI Qt 4編程（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

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

[3]高西全，丁玉美.數(shù)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(xiàn)為貴州大學碩士研究生在讀。主要研究方向為數(shù)據(jù)通信與處理。

作者單位

貴州大學 貴州省貴陽市 550025