基于光谱解调技术的荧光微球编解码方法研究

In recent years, liquid bio-chip technology in gene sequencing, protein analysis, medical diagnostics and other areas shows great prospect and research value. The core of liquid bio-chip technology is the functional fluorescent coded microspheres, therefore, the preparation and demodulation of high-quality fluorescent coded microspheres have important significance..At present, the detection of liquid bio-chip is mainly based on flow cytometry.The same kind of coded microspheres are required to be a uniform luminance when detecting,and the empirical compensation algorithm is used to deal with the spectral overlap of different fluorescent dyes, which cause high constraints on the accuracy of detection and increase the difficulty of preparation..In this project, we prepare high-brightness fluorescent microspheres and collect the fluorescence, use a decoding method based on the technology of spectrum demodulation to finish signal superposition.The coefficient of each function basis is obtained through the least-square method. The decoding of microspheres is achieved by the normalization of coefficient. Meanwhile, the Waveform Correlation demodulation is proposed. These two kinds of demodulation method to fluorescent microsphere are expected to have good application prospects.

近年来，液相生物芯片技术在基因测序、蛋白分析、医疗诊断等领域显示了巨大的应用前景和研究价值。液相生物芯片技术的核心是功能性荧光编码微球，因此，高质量荧光编码微球的制备及解调具有重要的研究意义。目前，液相生物芯片的检测主要基于流式细胞技术。检测时要求同种编码微球具有均一的亮度，对荧光物质的光谱重叠区域用经验补偿法进行调节，影响了检测的准确度，也增加了微球制备的难度。.在该项目中，我们首先制备出高亮度荧光编码微球并收集荧光信号，使用一种基于光谱解调技术的荧光微球编解码方法对微球荧光信号进行函数叠加运算，由最小二乘法求得光谱中各函数基的系数；用“系数归一化”方法最终实现对微球的解码。同时由此提出波形相关的解调方法，利用波形码的相关性运算完成对微球的编解码。这两种解调方法在荧光微球编解码中可能有较好的应用前景。

随着人类基因组计划的进行及人类对自身健康的日益关注，对更快速、更高效、更高通量的生物分子检测技术的需求日益迫切，因而拥有生物功能基团的液相生物芯片出现并得到了快速的发展。液相生物芯片技术拥有一个完全液相的反应体系，更接近生物系统内部环境，同时具有更加开放的构建方式，可以根据目标检测生物分子来设计相应的液相生物芯片，从而完成对不同种类的目标检测物的快速、廉价、准确的检测。液相生物芯片体系由多种不同的微球组成，在流式细胞仪的基础上人类将微球用于免疫分析中。荧光微球是指粒径在纳米至微米范围内，负载有荧光物质，受激发光照射后能够发射出荧光的固体微球。.本项目执行期间，我们成功提出了一种基于数字化编码高通量生物检测在荧光免疫检测应用的双通道(荧光和激光诱导击穿光谱)耦合光学数字编码解调系统，并且对其在证明生物分子多通道检测分析的性能进行了验证。通过在激光诱导击穿光谱通道中进行的激光诱导光谱分析，对纳米粒子组装的高通量生物检测微球进行了编解码。这一种稳定和准确的编码信号为高通量生物检测微球提供了数字化解码潜力，保证了多通道检测分析中的定性识别的性能。在荧光通道中，单个微球捕获的量子点标记的生物分子荧光信号强度得到采集以获取样本的定量信息。由此, 光学解调系统可以在相同的样本种对各种目标分子进行测量,真正实现多通道检测分析。此外，由于解码和标记信号检测分别在激光诱导击穿光谱和荧光通道中进行，因此彻底避免了两种类型的信号之间的信号串扰。该系统不仅使解码过程摆脱了荧光干扰，而且为荧光检测提供了低噪声背景，对提高检测灵敏度具有重要意义。总之，课题组顺利完成了既定的科研任务，共申请了专利3项，发表了标注SCI论文19篇，项目组组长2019年8月初对美国马里兰大学进行了一次交流考察，2019年10月参加了日本东京工业大学研讨会。