光学厚度编码的微硅片悬浮阵列及其数字全息解码方法研究

In this project, we proposed an optical thickness encoded suspension array for the high-throughput detection. Microcarriers with different optical thickness are chosen as carriers for different kinds of probe molecules. In the liquid phase environment, hybridization reaction happens on microcarriers with measuring molecules and fluorescent labelled molecules, successively. Then, the measuring molecules can be classified by analyzing the optical length with high resolution, and the molecule number can be determined through the intensity of the fluorescent combined with microcarriers. As for the decoding, we proposed a Digital holographic microscopy (DHM), which can provide micron level of lateral resolution and the nanometer scale of axial resolution in phase imaging, to decode the optical length of microcarriers. The amplitude and phase information of the sample wave front are restored through numerical reconstruction with Digital holography (DH). In addition, with the design of a double wavelength of digital holographic microscopy system, which combines the technique of digital holographic with microscopy imaging, the synchronization between the decoding process and the quantitative analysis in the high-throughput molecular detection can be realized. Compared with traditional optical coding methods based on coding-beads, this optical thickness encoded suspension array has higher stability. Besides, because there is no interference between the decoded signal and the marked signal used to quantify it, high encoding capacity and high sensitivity detection could be achieved.

近年来，液相生物芯片高通量生物分子检测技术受到关注。本课题提出一种对微载体进行光学厚度编码的悬浮阵列，利用数字全息显微术（Digital holographic microscopy, DHM）纳米级的轴向分辨率的相位成像对微载体的光学厚度进行解码。我们拟选用具有不同光学厚度的微片作为不同种类探针分子的载体，在液相环境中先后与待测分子和标记分子进行杂交反应，再对微片进行高分辨率的光学厚度分析各类待测分子，并检测结合到微片上的标记荧光来确定待测分子数量；同时，利用数字全息技术通过数值重建恢复样品波前的幅度和相位信息用于解码。我们设计结合了数字全息和显微成像两种技术的双波长数字全息显微系统，可以实现对于分子高通量检测过程中解码与基于荧光强度的定量分析的同步。较于传统的光学编码方法，我们的编码技术体现了更高的稳定性。同时，解码信号和用来定量的标记信号之间互相无干扰，可以实现多指标的高通量检测。

悬浮阵列技术是随着疾病诊断和治疗处理的进展，对单个样品内的大量生物分子的高通量和多重分析的需求不断增加而产生。本研究将基于干涉的定量相位测量技术用于解决悬浮阵列的编解码问题，提出一种基于光学厚度编码的液相生物芯片技术，面向多重生物分子的液相检测。和已有的光学编码方案相比，所提技术具有编解码准确性高，解码信号和荧光定量信号之间无干扰，可编码数目大的优点。具体内容如下：.（1）搭建了一套双波长数字全息相位-荧光显微成像系统（DW-DHPFM），做为所提光学厚度编码的液相生物芯片技术的解码和检测平台。用双波长数字全息相位显微成像通道来解码目标分子种类，用荧光显微成像通道来定量目标分子浓度.（2）以不同光学厚度的微石英玻片为固体支持物，我们通过检测微石英片的光学厚度对靶DNA定性分析。靶DNA的另一部分序列可以与量子点标记的信号探针特异性结合，所以我们可以通过检测量子点的荧光强度对样本中的靶DNA进行量化分析。最后实验结果由课题组搭建的双波长数字全息相位荧光显微镜（DW-DHPFM）系统解码检测。.（3）以HPV、金黄色葡萄球菌（gltS）、大肠埃希菌0157：H7（stx2）的DNA为样本，设计一系列的实验验证新提出的悬浮阵列编码、解码方法的可行性、准确性和灵敏度，包括：特异性试验、浓度梯度试验、检测限试验、多路复用试验。用病毒HPV的探针分别检测HPV、金黄色葡萄球菌（gltS）、大肠埃希菌0157：H7（stx2）的DNA验证探针与其所对应的靶序列结合的特异性；以HPV为分析物，将HPV对应的信号探针设置多个浓度梯度，以找出信号探针的最适浓度。然后，将HPV的靶DNA设置多个浓度梯度，以检测信号强度的变化和检测限；最后，用HPV、金黄色葡萄球菌（gltS）、大肠埃希菌0157：H7（stx2）对应的三种探针，在同一反应体系中一次性检测三种靶DNA以证明新的悬浮阵列编码方法在多重基因检测中的实用性和优异性。