基因快速检测仪的自动进样控制系统的研制_田学隆

基因快速检测仪的自动进样控制系统的研制

田学隆1,刘国传1,罗庆慧1,朱冰莲2,彭承琳1,万小萍1

(重庆大学1.生物工程学院生物力学与组织工程教育部重点实验室;2.通信工程学院,重庆400044)

近年来,国内外有关基因快速检测仪的研究十分活跃,正成为生物技术的研究热点[1,2]。

基因快速检测以其简易、快捷、价廉的独特优越性,在分子生物学、医学检验和环境监测等领域具有广泛的应用前景,除基因序列分析、基因突变、基因检测和诊断外、还涉及DNA 与药物、蛋白质分子间相互作用的研究等。在新材料和计算机技术快速发展的基础上,将使基因快速检测仪能快速、准确、全自动化地进行对医学检验样品处理和条件控制,开发出一种价格低廉、使用方便,可原位和实时监测;可用于同时检测多组标本;自动化程度高的基因快速检测仪成为可能[3,4]。

基于此,我们进行了基因快速检测仪自动进样控制系统的研制。

生物物理学报第十七卷第四期二★★一年十二月

ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol .17

No .4Dec .2001摘要:基因检测是遗传工程的重要技术之一,基因检测技术的自动化对遗传工程的研究具有重

要意义,而自动进样控制系统是基因快速检测仪的重要组成部分。该系统的硬件部分主要由液位检测电路及其接口电路组成;软件部分主要由Visual C ++6.0编程对硬件实现其自动控制功能。

该系统主要包括:控制清洗通道流程、排除废液流程和进样流程等功能,工作模式可根据人机对话方式设定,并能将扩增反应后的试样自动送到基因检测池中进行检测。系统具有快速、操作方便、智能化程度高、准确性高等特点。

关键词:基因快速检测;进样控制系统;人机对话

中图分类号:Q 6-3文献标识码:A 文章编号:1000-6737(2001)04-0801-05

收稿日期:2000-10-24

作者简介:田学隆,1957年生,副教授,重庆大学生物医学工程系主任,中国电子学会生物医学电子学学会委员,主要从事生物医学仪器的教学和科研工作。电话:023-********,E -m ail :xltian 163@https://www.wendangku.net/doc/5515646326.html, .

通讯作者:刘国传

Fig .1T he f rame of

system

生物物理学报8022001年

1系统设计

1.1系统原理框图及工作流程图

系统原理框图及工作流程图如图1、图2所示。

在系统工作流程中,吸取样本的具体实现为:把25个装有DNA 样本的试管放在按5×5方阵排列的多孔板上,标号按照数组形式,如第一行,第一列样本编号为D [1.1];第二行,第一列样本编号为D [2.1],......。本自动进样装置的吸针有三个自由度(X ,Y ,Z ),X 、Y 为水平方向自由度,由它确定样本位置,Z 为竖直方向的自由度,由它确定吸针处于吸样或清洗状态。每检测完一个样本后,该装置用专用清洗液自动对吸针、管道及电极进行清洗3次,清洗时间约3～5分钟,以消除样本间的交叉污染。

1.2

系统实现

Fi g .2The flow chart of the s y stem

803人类脑计划与神经信息学第4期系统硬件电路结构如图3所示,该系统采用软件对DAC -7112PG 卡编程控制,利用DAC -7112PG 卡DO 口控制三通阀、蠕动泵的动作,根据检测纯度指标通过硬件电路对DAC -7112PG 卡的DI 口进行输入,软件检测DAC -7112PG 卡的DI 口相应输入位的状态,再对三通阀、蠕动泵进行控制。液位检测器(光电传感器)1、2检测到液位信号,通过放大器把信号放大,然后利用比较器与阈值电平进行比较,将此转化成二进制输入到DAC -7112PG 卡的DI 口某位,软件对该位状态进行检测,并对蠕动泵、三通阀进行控制,即完成整个自动进样过程。

2系统硬件电路的设计

2.1液位检测电路设计

液位检测器1,2检测到液位信号,通过放大器把信号放大,然后利用比较器与阈值电平进行比较,将此转化成二进制输入到DAC -7112PG 卡的DI /0位和DI /1位,软件对该位状态

进行检测,并对DAC -7112PG 卡的DO 端口操作而控制蠕动泵和三通阀的动作,即完成液位检测功能。

2.2液位检测信号调理电路

信号调理电路部分包括放大电路、比较器、光耦合器、电压跟随器、接口电路等(如图4)。由于光电传感器输出的信号比较微弱,所以对光敏三极管的输出电压放大,使之达到被检电压的强度。在该电路设计中,采用了一个LM 324,一组运算放大器对该输出电压进行放大,一组运算放大器用来做比较器,一组运算放大器用来做电压跟随器,将放大后的信号与比较器

Fig .3The hardw are chart of t he

system

Fig .4The chart of signal process circuit of the

system

生物物理学报8042001年

Fi g .5T he chart of

trivalve 的阈值电平相比较,然后将输出的高或低电平输入到光耦

合器件,通过光耦合器件输给接口电路,再传到DAC -

7112PG 卡的DI /0位或DI /1位,以致把信号传到PC 机。

液位检测2设计同理。

2.3接口电路设计

在基因快速检测仪的自动进样系统中,由于最终测量

结果将由计算机进行自动处理,因而除了信号采集,信号处

理等硬件电路外,还需要有计算机及其相应的接口硬件的

支持,所以系统设计了信号检测电路与DAC -7112PG 卡

的接口电路。

2.3.1控制三通阀工作状态原理

三通阀的工作采用电平驱动,当输入电平幅度为12V 时,1通道和2通道是相通的;当无输入电平时,2通道和3通道是相通的,该系统利用三极管的开关特性来控制三通阀的状态。(三通阀如图5)

2.3.2控制蠕动泵的工作状态原理

步进电机是由输入脉冲的频率控制,根据步进电机的步距及进样管的内径,对8253编程用方式3-方波发生器对蠕动泵转速控制,实现了清洗通道、排清洗液、液位检测器以及进样流量控制。蠕动泵的开启控制是用高低电平来控制,该高低电平根据三极管的开关特性来提供。

本自动进样控制系统的硬件电路中使用了光耦合器TLP521,目的是使输入系统和输出系统在电气上绝缘,电路灵敏度高,噪声容限大。采用光电传感器,实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。传感器做成遮光指套式,减少了外界的干扰。将传感器套在进样管的规定位置上,这样就可以测得液位到位信号,使用方便,灵敏度高,性能稳定。

3系统的控制软件设计

在用Visual C ++6.0给软件编程时,由于C ++语言本身具有很好的直接与硬件接口的内部函数,所以在编程时没有调用DAC -7112PG 多功能采集卡所附带的驱动程序和动态库。本程序具体包括6个函数模块,分别为三通阀函数、蠕动泵函数、分频函数、液位检测1函数、液位检测2函数、延时函数。

4自动进样控制系统的重要性能指标

经实验测试表明:本自动进样控制系统实现了基因快速检测仪自动的清洗通道、排出废液、自动进样、自动检测液体到位信号等功能,系统主要技术指标:1)通道清洗液流量:30m l ±0.5ml /min ;2)试样进样流量:15m l ±0.5m l /min (快速),7.5ml ±0.5ml /min (慢速);3)液位检测精度:1.5m m ±0.5mm 。

5结论

随着基因结构与功能研究的不断深入,特别是后基因组时代的到来,基因的分离及分析检验在卫生防疫、医学诊断、药物研制、环境科学及生物工程等领域发挥着越来越重要的作用[5]。许多新的生物技术的开发,为发展高灵敏度、高特异性的生物分析检验方法注入了活力,

805人类脑计划与神经信息学第4期已引起了国内外生物分析工作者的广泛关注。其中利用DNA 分子间的特异性互补配对规律,研究用基因快速检测仪对特定核酸序列(基因片段)实现快速分析的新方法。

由于该方法能对基因进行定量检测,而且定量检测核酸时,只需进行经过简单的提取处理,而不进行聚合酶链扩增反应,因而操作步骤简单,且不存在扩增效率的问题,结果也较为客观,可以准确的反映待测核酸的真实含量。它具有价格低廉、便于携带,可原位和实时监测,不需要标记,杂交信号的检测不需漂洗,可同时检测多组样本,操作简便快速等特点。预期它将在以下几个方面得到应用:探讨某种病原体的致病性、研究某些疾病的发病机理、动态监测病情进展和治疗过程、评价药物的疗效、研究基因的表达情况等。

相信随着电子技术及计算机技术的发展,一些新型的基因快速检测技术将会给基因检测注入更新的活力,使得基因快速检测仪早日商品化,服务于社会。

参考文献:

[1]

李玉栋,孙骞,张春平,张光寅.DNA 自动测序技术进展[J ].生物工程进展,1999,19(5):67-71.[2]

I sola N R ,S tokes D L ,Vo -Dinh T .Su rface -enhan ced Ram an gene p robe fo r H IV detection [J ].A na l Chem ,1998,70:1352-1356.[3]

Wan g J ,Rivas G ,Cai X .S creen -p rinted electrochemical h y bridization biosen sor for the detection of DNA se q uence from th e Escherich ia co li .p ath o g en [J ].Electroan al y sis ,1997,9:395-398.[4]

杨福愉.展望21世纪的分子生物学[J ].生物物理学报,1999,15(1):1-4.[5]Francis S .Collins ,A ri Patrinos ,et al .New Goals fo r th e U .S .H uman Genom e P rojict :1998-2003[J ].

Science ,1998,282:682-689.

THE DEVELOPMENT OF SAMPLING C ONTROL SYSTEM

FOR HIGH -SPEED GENE DETECTING

TIAN Xue -lon g 1,LIU Guo -chuan 1,LUO Qin g -hui 1,ZHU Bin g -lian 2,

PENG C heng -lin 1,WAN Xiao -ping 1

(1.Colle g e o f Bioen g i neerin g and Ke y Lab f or Biomechanics ＆Tissue En g ineerin g under the S tate

Ministr y o f Ed ucation ,Chon gq in g U niversit y ,Chon gq in g 400044,China ;

2.Colle g e o f Com m unication En g ineeri n g ,Chon gq in g U niversit y ,Chon gq in g 400044,China )Abstract :As g ene detectin g is an im p o rtant technolo g y of g enetic en g ineerin g ,automation of the techno lo gy is of g reat im p o rtance to the stud y of g enetic en g inee r -ing ,Sampling co ntrol system is an im po rtant part fo r high -speed ge ne detecting .The hardw are of the sy stem includes liquid detecting circuit and interface circuit .The softw are p erform s autom aticall y controllin g the flow of channel cleanin g ,w aste li q uid cleanin g and sam p lin g .T he w ork mode of the sam p lin g control s y stem is based o n m an -m achine conversa tion ,and transmit autom atically sample of PC R to the po ol fo r

g ene de tectin g .

T his s y stem has the character of ra p idit y ,feasible to m ani p ula te ,hi g h intelli g ence ,and accurac y etc .

Ke y Words :Gene Detecting ;Sam pling Control Sy stem ;M an -machine Conversation