基于空间分辨的芯片电泳高效检测方法研究

Chip electrophoresis is one of the most promising candidates of high efficient genetic analysis. The origin of the high speed and high efficiency of chip electrophoresis is "scaling factor". Both effective length and sample width of chip electrophoresis are one or two orders of magnitude smaller than those of capillary electrophoresis. However, detection width describing the efficiency of fluorescence detection system is not correspondingly improved, which hinders the improvement of the efficiency of chip electrophoresis. In order to take full advantage of chip electrophoresis, a new fluorescence detection technique is developed. On the basis of charge coupled device (CCD), ultra-small detection width and improved signal-to-noise ratio are achieved due to the small size of single pixel of CCD and the pixel array of CCD, respectively. Submicron detection width, which is two to three orders of magnitude smaller than that of the conventional detection methods, is achieved by using the new detection technique. Model of DNA electrophoresis detection is built to analyze the relation among signals from different pixels. Systematically investigation of the properties of the new detection technique is carried out, and the influences of the parameters are explored. Experiment system is constructed. Two CCD based chip electrophoresis detection systems adopting our new technique are developed to fill the requirements of laboratory and on-scene applications, respectively.

芯片电泳是实现高效基因分析的重要技术之一。芯片电泳的高效率来自于系统"尺度"的减小，其有效长度和进样宽度比毛细管电泳缩短一至两个数量级。然而，现有荧光检测方法的"尺度"与芯片电泳并不匹配，限制了芯片电泳效率的进一步提高。为此，本项目拟提出一种新型诱导荧光检测方法，可以实现亚微米量级的检测宽度，比现有技术降低二至三个数量级。该方法以电荷耦合器件（CCD）的空间分辨能力为基础，利用CCD单个像素的小尺寸实现极小的检测宽度，利用像素间的关联性提高检测灵敏度。项目将建立DNA电泳检测模型，计算荧光信号的空间分布与变化，分析像素间的关联性，提出信号处理算法。通过模型，系统地研究新方法的条件参数，分析并归纳各项参数的影响规律。构建实验系统，进行算法测试，对方法特性进行实验测量。针对实验室高分辨应用与现场便携式应用研制两套CCD芯片电泳检测系统。研究成果将为进一步提高芯片电泳效率提供新的途径。

芯片电泳是实现高效基因分析的重要技术之一。芯片电泳的高效率来自于电泳系统“尺度”的减小，其有效长度和进样宽度均比传统毛细管电泳缩短一至两个数量级。而传统荧光检测方法的“尺度”与之并不匹配，限制了电泳效率的进一步提高。我们注意到传统电泳荧光检测方法往往忽略了荧光信号的空间分辨和空间信息，及其在电泳信号分析中起到的作用。为此，本项目将电泳技术、光电转换、信号处理等不同角度的研究进行交叉综合，从理论上详细分析了电泳运行和检测过程的各个环节，比较了不同类型检测器（单点检测器与阵列检测器）形成电信号的不同特点，更为深入地理解了电泳检测信号的演变。在此基础上，提出了一些电泳检测或分析的新方法，主要包括依赖于电泳关键工作条件（分离电场强度）的电泳表现（电泳分离度与分离时间）预测/评估方法；基于荧光信号从空间域到时间域转换的空间域内标定量校正方法；基于阵列检测器信号关联性以及电泳条件（分离有效长度）关联性的有效长度校正方法。构建了双通道、双检测器的电泳荧光检测系统，对上述新方法开展了实验研究。对于空间域内标定量校正方法的实验表明，该方法从原理上消除了传统内标定量的误差，提高了测量的准确度，同时也提高了测量的精密度。该方法被应用于口腔细菌的检测。利用图像阵列检测器（电荷耦合器件）的空间分辨能力，结合有效长度校正法，同时实现了极小检测宽度和高灵敏度。通过对各像素信号关联性和噪声关联性的分析，揭示了有效长度校正法提高检测灵敏度的理论机制。与传统单点检测器（光电倍增管）的比较实验显示，新方法在各种光学倍率条件下都获得了更高的信噪比和更小的电泳峰宽。轻松实现了0.5μm的检测宽度，比传统方法减小二至三个数量级。试制了小型化电泳荧光检测装置，用于小通道凝胶电泳芯片的检测，其结果可与商业化设备相比拟。本项目的研究为发展契合芯片电泳的检测方法，进一步提高电泳效率，拓展阵列检测器的应用提供了新的途径。