提高微流控荧光分析系统检测能力的研究

摘要

微流控分析系统可以把样品引入、混和、分离甚至检测集成在同一芯片上，为最终实现分析仪器的微型化、集成化、便携化开创了广阔的前景。但样品有效检测体积的减少，增加了检测的难度，提高微流控系统的检测能力便成为一个重要的研究方向。适于微体积中高灵敏测定的荧光检测已成为当前微流控分析系统的主导检测方法。本论文对提高微流控分析系统的荧光检测能力进行了系统研究，分别利用数学、电子和化学的方法提高微流控荧光分析系统的检测能力。 在应用数学方法方面，首次在微流控分析芯片上利用哈达玛变换提高微分析系统的信噪比。在简单的十字通道微流控玻璃芯片上，利用门控进样技术，以7阶-127步假随机二进制序列作为进样模板实现假随机多次进样，将缓冲液和Cy5衍生后的氨基酸试样交替注入到分离通道，检测到的电泳信号经过哈达玛反变换还原信号，使信噪比提高5倍，而各个组分的出峰时间、峰高和峰形均完全还原。在连续测定时，与传统微流控芯片毛细管电泳测量速度相近。 在应用电子技术方面，首次提出了一个在微流控荧光检测中去除噪声的双波长同步调制解调系统，利用液芯波导微流控荧光检测系统建立了双波长同步调制装置，并对FITC衍生的混合氨基酸在毛细管电泳分离后作了测定。经与通常的锁相放大检测技术进行对比，信噪比提高了5倍，背景基线降低了两个数量级，而电泳分离的分辨率保持不变。 在双波长同步调制提高基于发光二极管的液芯波导微流控系统中荧光检测信噪比的基础上，又在相似的微流控分析平台上实现了双光路同步调制解调来提高基于发光二极管的荧光检测系统的信噪比。该系统取得了优于双波长同步调制的效果，与通常的锁相放大检测技术相比，荧光信号信噪比提高6倍。与不采用调制技术的荧光检测系统相比，以发光二极管为激发光源的微流控荧光分析系统的信噪比提高了两个数量极以上。 通过双波长同步调制或双光路同步调制使基于发光二极管的微流控荧光分析系统已基本上接近一般激光诱导荧光系统的检测水平。 在应用化学方法方面我们初步探讨了温度梯度富集的方法，研制了相关的温控装置、CCD检测系统，并建立了相关的图象处理系统。在此基础上成功地在25min内对荧光素溶液实现了7200倍富集，为进一步将温度梯度富集与芯片毛细管电泳分离实现集成化打下了基础。

目录

文摘

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第一章导论

1.1引言

1.2微流控系统荧光检测技术

1.2.1激发光源

1.2.2微流控系统荧光检测技术及装置

1.3提高信噪比的数学方法

1.3.1傅立叶变换及小波变换技术

1.3.2互相关技术提高信噪比

1.3.3哈达玛变换技术提高信噪比

1.4提高信噪比的电子技术

1.4.1分析测量中的信噪比

1.4.2调制解调技术

1.4.3锁相放大技术88，89

1.5微流控系统化学预富集

1.5.1微流控芯片萃取富集技术

1.5.2场放大堆积和场放大进样

1.5.3等速电泳

1.5.4微流控芯片温度梯度富集

1.6本论文工作目的及设计思路

第二章哈达玛变换提高微流控分析系统的信噪比

2.1芯片毛细管电泳应用哈达玛变换法的原理

2.1.1卷积及循环卷积运算

2.1.2伪随机二进制序列的生成和性质

2.2实验部分

2.2.1实验装置

2.2.2化学试剂

2.2.3进样序列

2.2.4数据处理

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章双波长同步调制提高基于发光二极管的液芯波导微流控系统中荧光检测的信噪比

3.1双波长同步调制提高信噪比的原理

3.2实验部分

3.2.1实验装置

3.2.2试剂

3.2.3顺序注射程序

3.3结果与讨论

3.3.1电泳分离条件的优化

3.3.2调制频率对信噪比的影响

3.3.3对LED驱动电流波动的抑制

3.3.4对光电倍增管噪声的抑制

3.3.5检测性能的改善

3.3.6系统的线性

3.4结论

第四章双光路同步调制提高基于发光二极管的液芯波导微流控系统中荧光检测的信噪比

4.1双光路同步调制设计思路

4.2实验部分

4.2.1试验装置

4.2.2试剂

4.2.3实验条件优化

4.3结果与讨论

4.3.1对LED驱动电流波动的抑制

4.3.2对光电倍增管噪声的抑制

4.3.3检测性能的改善

4.4结论

第五章温度梯度化学富集法的初步探讨

5.1温度梯度富集的原理115

5.2实验部分

5.2.1实验装置

5.2.2试剂

5.3实验过程

5.4结果与讨论

5.4.1 PID温度控制127，128，129

5.4.2富集区带漂移原因分析

5.4.3富集曲线

5.4.3富集倍率

5.5结论

参考文献

致 谢

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